Dov’è il centro dell’Universo?

Circa un secolo fa, gli scienziati si sono sforzati di conciliare quella che sembrava una contraddizione nella teoria della relatività generale di Albert Einstein.

Pubblicata nel 1915 e già ampiamente accettata in tutto il mondo da fisici e matematici, questa teoria presupponeva che l’universo fosse statico, cioè immutabile e immobile. In breve, Einstein riteneva che l’universo odierno avesse le stesse dimensioni e forma di quello del passato.

Poi, quando gli astronomi osservarono galassie lontane nel cielo notturno usando potenti telescopi, scoprirono che l’universo era tutt’altro che statico. Al contrario, le nuove osservazioni suggerivano che l’universo fosse in espansione.

Gli scienziati si resero presto conto che la teoria di Einstein non prevedeva che l’universo dovesse essere statico: poteva descrivere perfettamente un universo in espansione. Utilizzando gli strumenti matematici forniti dalla teoria di Einstein, gli scienziati crearono nuovi modelli che mostravano l’universo dinamico e in evoluzione.

Ho passato decenni a cercare di comprendere la relatività generale, anche nel mio attuale lavoro di professore di fisica, dato che tengo corsi sull’argomento. So che l’idea di un universo in continua espansione può sembrare scoraggiante, e che parte della sfida concettuale che tutti noi affrontiamo qui è andare oltre la nostra intuizione su come funzionano le cose.

Ad esempio, anche se è difficile immaginare che qualcosa di così grande come l’Universo non abbia un centro… la fisica sostiene il contrario.

Lo spazio tra le galassie

Innanzitutto, definiamo cosa intendiamo per “espansione”. Sulla Terra, “espansione” significa che qualcosa sta diventando più grande. E quando si tratta dell’Universo, questo è vero, in un certo senso.

Espansione può anche significare che “tutto si sta allontanando da noi”, il che è vero anche per l’Universo. Basta puntare un telescopio verso galassie lontane per vedere che sembrano tutte allontanarsi da noi. Inoltre, più sono lontane, più sembrano muoversi velocemente. E sembrano anche allontanarsi l’una dall’altra.

Quindi è più corretto dire che ogni cosa nell’Universo si sta allontanando da tutto il resto, nello stesso momento.

Questa idea è sottile ma essenziale. È facile immaginare la creazione dell’universo come un fuoco d’artificio che esplode: inizia con un Big Bang, poi tutte le galassie dell’universo si diramano in tutte le direzioni da un punto centrale.

Ma questa analogia è errata. Non solo implica erroneamente che l’espansione dell’Universo abbia avuto inizio da un singolo punto, il che non è vero, ma suggerisce anche che siano le galassie a muoversi, il che non è del tutto esatto.

Non sono tanto le galassie ad allontanarsi l’una dall’altra: è lo spazio tra le galassie, il tessuto stesso dell’Universo, che si espande con il passare del tempo.

In altre parole, non sono le galassie stesse a muoversi nell’Universo; è piuttosto l’Universo stesso che le trasporta sempre più lontano mentre si espande.

Un’analogia comune è immaginare di incollare dei puntini sulla superficie di un palloncino. Quando si soffia aria nel palloncino, questo si espande. Poiché i puntini sono incollati alla superficie del palloncino, si allontanano l’uno dall’altro. Sebbene sembrino muoversi, in realtà rimangono esattamente dove li hai posizionati e la distanza tra loro aumenta semplicemente a causa dell’espansione del palloncino.

Ora immagina che i punti siano galassie e la palla sia il tessuto dell’Universo, e inizierai a capire di cosa stiamo parlando.

Purtroppo, sebbene questa analogia sia un buon inizio, non ci aiuta a comprendere i dettagli.

La quarta dimensione

In ogni caso, è importante comprenderne i limiti. Alcuni difetti sono evidenti: un palloncino è abbastanza piccolo da stare in una mano, ma l’universo no. Un altro difetto è più sottile. Il palloncino è composto da due parti: la superficie in lattice e l’interno pieno d’aria.

Queste due parti della palla sono descritte in modo diverso nel linguaggio matematico. La superficie della palla è bidimensionale. Se ci si cammina sopra, ci si può muovere avanti, indietro, a sinistra o a destra, ma non ci si può muovere verso l’alto o verso il basso senza lasciare la superficie.

Potrebbe sembrare che stiamo indicando quattro direzioni: avanti, indietro, sinistra e destra, ma si tratta semplicemente di movimenti lungo due assi fondamentali: da un lato all’altro e da davanti a dietro. Questi due assi, lunghezza e larghezza, rendono la superficie bidimensionale.

L’interno della palla, invece, è tridimensionale. È quindi possibile muoversi liberamente in tutte le direzioni: in lunghezza e in larghezza, ma anche in alto e in basso, il che costituisce un terzo asse, l’altezza.

È qui che nasce la confusione. Ciò che consideriamo il “centro” della palla è un punto da qualche parte al suo interno, nello spazio pieno d’aria sotto la superficie.

Ma in questa analogia, l’universo è più simile alla superficie di lattice del palloncino. L’interno del palloncino pieno d’aria non ha equivalenti nel nostro universo, e quindi non possiamo usare quella parte dell’analogia: conta solo la superficie.

Chiedersi “Dov’è il centro dell’Universo?” è un po’ come chiedere “Dov’è il centro della superficie della palla?”. Semplicemente non ce n’è uno. Potresti viaggiare lungo la superficie della palla in qualsiasi direzione, per tutto il tempo che vuoi, e non raggiungeresti mai un punto che potremmo chiamare il suo centro perché non lasceresti mai la superficie.

Allo stesso modo, potresti viaggiare in qualsiasi direzione nell’Universo e non ne troveresti mai il centro, perché, proprio come la superficie della palla, semplicemente non ne ha uno.

Parte del motivo per cui questo può essere così difficile da capire è il modo in cui l’universo è descritto nel linguaggio matematico. La superficie della palla ha due dimensioni e l’interno ne ha tre, ma l’universo esiste in quattro dimensioni. Perché non si tratta solo di come le cose si muovono nello spazio, ma anche di come si muovono nel tempo.

Il nostro cervello è progettato per pensare allo spazio e al tempo separatamente. Ma nell’universo, spazio e tempo sono intrecciati in un unico tessuto, chiamato “spaziotempo “. Questa unificazione cambia il modo in cui funziona l’universo, rispetto a quanto previsto dal nostro intuito.

E questa spiegazione non risponde nemmeno alla domanda su come qualcosa possa espandersi all’infinito: gli scienziati stanno ancora cercando di capire cosa causi questa espansione.

Interrogandoci sul centro dell’universo, ci scontriamo quindi con i limiti della nostra intuizione. La risposta che troviamo (tutto si espande ovunque e contemporaneamente) ci offre uno scorcio della stranezza e della bellezza del nostro universo.

Pubblicato da The conversation, da noi tradotto

Rob Coyne

Professore di fisica, Università del Rhode Island