“Nell’espandere il campo della conoscenza non facciamo che aumentare l’orizzonte dell’ignoranza.” -Henry Miller
È la legge fondamentale della relatività speciale, e la realizzazione che ha portato Einstein ad alcune delle più grandi scoperte della fisica di tutti i tempi: l’idea che nulla può viaggiare più veloce della luce. Questo vale ancora oggi, poiché tutte le particelle senza massa nel vuoto si muovono esattamente alla velocità della luce, mentre qualsiasi altra cosa – una particella massiccia ovunque o una senza massa in un mezzo – è destinata a muoversi più lentamente della velocità della luce. Ma quando si tratta dell’Universo in espansione, sembra che questo possa non essere ancora valido. Kevin Forward vuole saperlo, e chiede:
Nei primi milionesimi di secondo del Big Bang l’universo non si è espanso più velocemente della velocità della luce?
Come spoiler: no, non si è espanso più velocemente della luce allora, né in qualsiasi altro momento, né lo farà mai. Ma c’è una buona ragione per cui si potrebbe pensare che un tempo l’abbia fatto.
Il nostro Universo, come lo vediamo oggi, esiste da 13,8 miliardi di anni dal Big Bang caldo. Ma se stai chiedendo quanto lontano possiamo vedere in qualsiasi direzione, la risposta non è 13,8 miliardi di anni luce; è molto più lontano di così. Potresti, se ci pensi bene, immaginare che il doppio di quella distanza sia possibile: se un oggetto che emette luce fosse distante 13,8 miliardi di anni luce 13,8 miliardi di anni fa, forse emetteva luce mentre si allontanava da noi, forse anche a una velocità vicina a quella della luce. Se un oggetto luminoso esisteva allora e si allontanava costantemente da noi a 299.792 km/s, la sua luce starebbe arrivando proprio ora, mentre l’oggetto stesso sarebbe distante 27,6 miliardi di anni luce. Tutto questo è un ragionamento solido, ma fa un presupposto che non è necessariamente buono: che lo spazio stesso sia statico.
Lo spazio che abitiamo non è statico; è in espansione. Infatti, possiamo misurare qual è il tasso di espansione oggi, com’era nel lontano passato e in ogni epoca intermedia. Come si è scoperto, un oggetto che si trovava a soli 168 metri di distanza al Big Bang (ok, a 10-33 secondi dopo il Big Bang) avrebbe fatto arrivare la sua luce fino a noi solo oggi, 13,8 miliardi di anni dopo, dopo un viaggio incredibile, e un’incredibile quantità di allungamento, e sarebbe attualmente a 46,1 miliardi di anni luce di distanza.
“A-ha”, proclami, “questo significa che lo spazio si è espanso più velocemente della luce!”
Ma è successo? Perché perché qualcosa vada più veloce della luce, deve avere una velocità intrinseca: qualcosa che si può misurare, per esempio, in chilometri al secondo. Ma non è affatto così che l’Universo si espande.
Invece, l’Universo si espande come velocità per unità di distanza: normalmente la misuriamo in chilometri al secondo per megaparsec, dove un megaparsec è circa 3,26 milioni di anni luce. Se il tasso di espansione è di 70 km/s/Mpc, ciò significa che, in media, un oggetto che si trova a 10 Mpc dovrebbe espandersi a 700 km/s; uno che si trova a 200 Mpc dovrebbe allontanarsi a 14.000 km/s; e uno che si trova a 5.000 Mpc dovrebbe sembrare allontanarsi a 350.000 km/s.
Questo significa che qualcosa si muove più velocemente della luce, però? Torniamo indietro fino alla teoria speciale della relatività di Einstein, e chiediamoci cosa significa quando diciamo che niente può muoversi più veloce della luce. Significa che, se abbiamo due oggetti nello stesso evento spaziale – che occupano lo stesso spazio nello stesso momento – allora non possono muoversi l’uno rispetto all’altro a una velocità superiore a quella della luce. Anche se uno si muove verso nord al 99% della velocità della luce e l’altro verso sud al 99% della velocità della luce, non si muoveranno al 198% della velocità della luce l’uno rispetto all’altro, ma al 99,995% della velocità della luce. Non importa quanto velocemente si muovono, non supereranno mai la velocità della luce l’uno rispetto all’altro.
Ecco perché si chiama relatività, perché misura il moto relativo tra due oggetti nella stessa posizione nello spazio e nel tempo. Ma quel tipo di relatività – la relatività speciale – stabilisce le regole solo nel tuo spazio locale, non in espansione. La relatività generale aggiunge un altro strato: il fatto che lo spazio stesso si espande. Misurando la quantità di materia normale, materia oscura, energia oscura, neutrini, radiazioni e altro presente nell’Universo oggi, e come la luce che ci raggiunge da tutte le diverse distanze nell’Universo si sposta con l’espansione, possiamo ricostruire esattamente quanto era grande l’Universo in qualsiasi punto del passato.
Quando aveva circa 10.000 anni, l’Universo osservabile era già grande 10 milioni di anni luce. Quando aveva solo un anno, l’Universo osservabile era grande quasi 100.000 anni luce. Quando aveva un secondo, era già grande più di 10 anni luce. Sembra proprio che si stia espandendo più velocemente della luce, vero? Ma in nessun momento nessuna particella si è mossa più velocemente della luce rispetto a qualsiasi altra particella con cui ha interagito.
Invece, tutto quello che è successo è stato che lo spazio tra le particelle si è espanso, e mentre lo faceva, ha aumentato la distanza tra loro e allungato la lunghezza d’onda della radiazione presente all’interno di quello spazio. Questo è continuato per i miliardi di anni di storia cosmica che hanno avuto luogo da allora, e continua ad avere luogo oggi. Anche se oggi potremmo non raggiungere mai oggetti più lontani di 15,6 miliardi di anni luce, anche se andassimo alla velocità della luce, questo non è perché si allontanano più velocemente della luce, ma perché lo spazio tra i diversi luoghi continua ad espandersi.
Il risultato chiave è che lo spazio non si espande a una velocità particolare, ma piuttosto a un tasso particolare: una velocità per unità di distanza. Di conseguenza, più lontano si guarda, più l’espansione dello spazio influenza la distanza tra voi e l’oggetto che state guardando. Finché è in espansione, puoi calcolare una distanza che, se la superi, tutto sembra allontanarsi da te più velocemente di 299.792 m/s. Più un oggetto è lontano, puoi essere sicuro che la sua luce sarà più rossa, la sua distanza sarà maggiore, e sembrerà allontanarsi da te sempre più velocemente. Ma più veloce della velocità della luce? Bisogna trovarsi nella stessa posizione per poterla misurare. Relativamente alla nostra posizione, niente si muove più velocemente della luce, e questo è vero in ogni luogo dell’Universo in ogni momento. Lo spazio si espande, ma non solo non si espande più velocemente della luce, non si espande affatto!
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