Friday, January 11, 2019

Lo Spazio

Riprendiamo il nostri precorso sulla comprensione dell'universo e la sua storia. Nel  post odierno parleremo dello spazio. Cosa sia lo spazio è intuibile. Sì, ma fino a un certo punto. Distanze sterminate che separano le stelle, distese vuote che rendono l’Universo così grande, dove solo la fantasia può arrivare. Certo, anche questo è spazio, ma non solo…


Lo spazio è ovunque… Noi stessi siamo “nello” spazio. Lo spazio può essere vuoto, anche se in realtà non lo è mai completamente, perché anche le regioni più vuote contengono almeno un centinaio di atomi per metro cubo. Ma lo spazio è anche nel luogo in cui splende una stella, ruota un pianeta, o dove un essere umano legge queste righe al computer.

Non pensiamo allora allo spazio come a una separazione tra oggetti, ma piuttosto come a un tessuto nel quale gli oggetti sono collocati. Un tessuto che dal momento del Big Bang si sta espandendo. Una analogia culinaria molto efficace è quella di una pasta all’uvetta che lievita. Lo spazio è la pasta che si gonfia, l’uvetta è la materia e l’energia. Man mano che la pasta lievita, i chicchi di uvetta si allontanano gli uni dagli altri.

spazio tempo
Rappresentazione del tessuto spazio temporale
Questo tessuto non solo si espande dal momento del Big Bang, ma può anche piegarsi. La Relatività di Einstein ci dice infatti che lo spazio si incurva ovunque ci sia una massa, anche piccolissima. Più grande e densa è la massa, maggiore è la curvatura. La manifestazione di ciò è un fenomeno tanto comune quanto fondamentale per l’esistenza dell’Universo come lo conosciamo: la forza di gravità.

Quando nella celebre leggenda la mela cade dall’albero in testa a Newton, lo fa perché la massa della Terra curva lo spazio circostante. Per lo stesso motivo, la Luna orbita Intorno alla Terra, la Terra orbita intorno al Sole, ecc…

Le tre dimensioni dello spazio familiari a tutti sono l’$altezza$, la larghezza e la lunghezza. Ma la rivoluzionaria Teoria della Relatività rivela che esiste una quarta dimensione in cui qualsiasi oggetto può spostarsi (solo in un senso, avanti), assimilabile alle tre dimensioni spaziali. Questa quarta dimensione, incredibilmente, è il tempo.

Anche il tempo, come le tre dimensioni spaziali, è soggetto alla curvatura impressa dalla massa. Secondo la Relatività, sia le tre dimensioni spaziali sia il tempo sono relative (appunto), perché un osservatore le vede comportarsi diversamente in relazione alla velocità che percepisce dell’oggetto osservato.

Per capire il perché e il come lo spazio e il tempo si modificano reciprocamente, occorre comprendere appieno la Relatività, e si dice che al mondo solo pochissimi scienziati siano in grado di farlo! Ma anche noi possiamo intuirne le ragioni.

Come sappiamo, la massima velocità a cui qualsiasi oggetto può muoversi è la velocità della luce c. Ma spazio e tempo rappresentano due componenti dello stesso sistema. Quindi, possiamo riformulare il concetto, e dire che la somma delle velocità di un oggetto nello spazio e nel tempo non può superare c.

Per oggetti che si muovono molto lentamente nello spazio, come noi sulla Terra, la velocità di movimento nello spazio è praticamente zero. Certo, la Terra sfreccia nello spazio (ruota attorno a sé stessa, rivolve attorno al Sole, il quale orbita attorno al centro della Via Lattea, ecc.), ma sono velocità trascurabili rispetto a C. Pertanto, il nostro spostamento maggiore avviene nel tempo, che scorre nel modo a noi familiare.

Ma consideriamo un’astronave che si muove nello spazio a una velocità relativistica (prossima a quella della luce). In questo caso, la velocità del movimento nello spazio è enorme, e poiché non è possibile superare il valore di C, per compensazione ogni movimento all’interno dell’astronave deve essere rallentato per evitare di superare questo limite: quindi, è il tempo a dover rallentare. Per questo per la luce, che si muove nello spazio esattamente alla velocità C, il tempo apparirà fermo.

Qualsiasi velocità causa il rallentamento relativo del tempo, tuttavia se la velocità è troppo bassa, esso non sarà percepibile. Non si tratta comunque di un fenomeno fantascientifico. Senza andare lontano, gli orologi dei satelliti del GPS, che tutti utilizziamo, devono essere tarati per tenere conto di queste diferenze temporali! Attenzione però! Il rallentamento dello scorrere del tempo non viene percepito da chi si muove  rapidamente. Per intenderci, l’astronauta non noterà niente di diverso, ad esempio, nello scandire del tempo del suo orologio. L’orologio dell’astronauta apparirà invece girare più lentamente a un osservatore esterno.

Date le analogie tra le tre dimensioni spaziali e il tempo, piuttosto che di tessuto spaziale si parla di tessuto spazio-temporale (uno spazio a quattro dimensioni) e quindi di Spazio Tempo.

Noi siamo esseri tridimensionali e viviamo in un mondo apparente che si manifesta in tre dimensioni, quindi pensare ad una realtà quadridimensionale è molto difficile. Ma ciò non significa che non sia vero. Proviamo a immaginare la vita di una figura geometrica disegnata su un foglio. Per lei i concetti di larghezza e lunghezza saranno semplici da capire, ma non potrà concepire l’idea di $altezza$, perché i suoi “sensi” non la percepiscono.

E se dal cielo arrivasse un essere strano che predicasse l’esistenza di una terza dimensione, come reagirebbe la figura geometrica? Questa favola illuminante è raccontata in un libro bellissimo, intitolato Flatlandia, di Edwin Abbott. È stato scritto nel 1884, quando la Relatività era ancora lontana, ma è più che mai attuale. Io lo consiglio a tutti!
Abbiamo quindi fatto una rapida conoscenza dei componenti indissolubili dell’Universo: Materia, Energia e Spazio. Prima di tuffarci definitivamente nella narrazione della storia del Cosmo, nel prossimo Capitolo accenneremo a come la scienza sia in grado di studiarla, nonostante si riferisca a oltre 13 miliardi di anni fa, e come sia quindi possibile per noi raccontarla.

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