Quando guardiamo in alto verso il cielo, lo spazio sembra estendersi verso l’infinito, al di là di ogni immaginazione: miliardi e miliardi di galassie, stelle, pianeti disposti nello spazio ad anni luce da noi. Ma quanto è grande? Fin dove si estende tutto questo? Qual è il limite dell’Universo? 

‘La condizione di confine dell’Universo è quella di non avere nessun confine’.

Fu questo una delle ipotesi di partenza di Hawking e altri scienziati, per provare a dare una risposta a una delle domande più antiche che l’uomo si pone quando alza gli occhi al cielo e svolge lo sguardo verso lo spazio più profondo: dove finisce l’Universo?

Sebbene non ci sia ancora una risposta del tutto precisa, le predizioni scientifiche più probabili sono basate sull’ipotesi prima citata, cioè che lo spazio-tempo sia di dimensione finita ma al tempo stesso illimitato.
Questa ‘condizione al contorno’ delle equazioni della relatività generale di Einstein, che descrivono la struttura dello spazio-tempo, potrebbe sembrare contraddittoria poiché anti-intuitiva, ma si può comunque fare un esempio basato sull’esperienza pratica che può aiutare a farsi un’idea. Immaginiamo di muoverci su una superficie sferica, come quella della Terra; la sua area superficiale è indubbiamente finita, ha un preciso valore misurabile, ma non presenta singolarità in nessuna delle direzioni verso cui ci muoviamo, non ci sono limiti, confini. Ecco, in modo simile si immagina la struttura dell’Universo, ma anziché essere uno spazio bidimensionale come una superficie, esso include due ulteriori dimensioni, per un totale di quattro dimensioni: le tre spaziali (lunghezza, altezza e profondità) più il tempo.

È interessante notare come Stephen Hawking sottolinei che lui stesso, quando per la prima volta presentò l’ipotesi di una superficie di dimensione finita, ma senza alcun margine esterno a un convegno in Vaticano, non si fosse reso conto delle implicazioni teoretiche che derivavano da un mondo chiuso su se stesso, autonomo e non influenzato da fattori esterni. Ma per fortuna anche al Vaticano non se ne accorsero, vista la natura prettamente matematica della sua tesi. Va comunque notato come anche lo scienziato tiene a precisare che questa sua ipotesi sullo spazio e il tempo sia in realtà una proposta non dedotta a partire da qualche principio primo.

Ora abbiamo una minima idea sulla forma intrinseca dell’Universo e sui suoi confini illimitati. Dobbiamo però precisare che ciò non corrisponde all’esperienza diretta basata sull’osservazione di ciò che ci sta intorno, che è invece la forma estrinseca. Infatti, come molti sapranno già, guardare più lontano corrisponde a guardare più indietro nel tempo, poiché la luce si propaga a una velocità finita, è perciò naturale che impieghi un certo tempo per raggiungere l’osservatore, non percepibile nel quotidiano quando ci troviamo a osservare oggetti abbastanza vicini, ma osservandone di lontanissimi come i corpi celesti presenti nel cielo. Per fare un esempio, si pensi che la luce della stella più vicina a noi impiega ben quattro anni per arrivare fino ai nostri occhi.

Detto questo, appare chiaro il motivo per cui ciò che più si allontana visivamente da noi sia temporalmente il momento più antico della storia dell’Universo, il punto da cui tutto è cominciato. Quindi questo vuol dire che oggi siamo capaci di osservare il Big Bang? Risposta affermativa o quasi, visto che, più che il Big Bang, siamo capaci di osservarne il residuo, noto come Radiazione Cosmica di Fondo o CMB dall’inglese Cosmic Microwave Background, che sottolinea il fatto che questa radiazione venga osservata a maggior energia nelle microonde. Questa radiazione, che rappresenta una delle maggiori scoperte scientifiche di sempre e la più solida delle ipotesi a favore della teoria del Big Bang, fu scoperta praticamente per caso da Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson, due fisici statunitensi che avevano costruito un radiometro da utilizzare per esperimenti di comunicazione satellitare, che misurava una temperatura eccessiva di quasi 3° Kelvin in qualsiasi direzione del cielo e di cui ben presto capirono la provenienza, essendo in realtà già stata ipotizzata teoreticamente. Ovviamente, la scoperta garantì loro il premio Nobel per la Fisica nel 1978.

L’Universo è quindi permeato in ogni direzione verso cui puntiamo lo sguardo da questa radiazione isotropa che ne segna il limite osservabile e risulta perciò la massima distanza rilevata fino ad ora: la luce della CMB impiega infatti 13,7 miliardi di anni per raggiungerci e ciò ci permette di fare una precisa stima sull’età dell’Universo.

A questo punto, per definire quelli che possono essere definiti ‘limiti dell’Universo’ manca ancora un aspetto da considerare, che sarebbe il fatto che l’Universo sia sottoposto a una continua espansione accelerata. Si è ormai certi che esso fosse inizialmente qualcosa di piccolo, denso e caldo e che da allora si stia espandendo a velocità sempre maggiore, come mostrò Hubble nel 1929 rilevando il moto di allontanamento accelerato delle galassie vicine rispetto alla nostra Via Lattea (il cui risultato esatto è ancora oggi fonte di dibattito).

Occhio però a non considerare la nostra galassia come il centro dal quale le altre galassie si stanno allontanando, poiché l’espansione è uniforme in tutti i punti dell’universo. Un tipico esempio che ci può aiutare a capire come funziona tale espansione è quello spesso usato da Margherita Hack: l’Universo si espande portando con sé le galassie come i canditi e l’uvetta in un panettone che lievita.

Nel modello attualmente accettato, infatti, si assume l’omogeneità e l’isotropia dell’Universo. La prima è la proprietà di essere ovunque identico nello spazio, mentre la seconda quella di vedere nello stesso modo da qualunque punto venga osservato.
Per concludere, combinando la distanza percorsa dalla Radiazione cosmica dal Big Bang ai giorni d’oggi e il fatto che nel frattempo l’Universo si sia espanso, gli scienziati hanno stimato la distanza dell’orizzonte cosmico a circa 50 miliardi di anni luce da noi; per fare un paragone, esattamente la distanza fra me e la mia futura fidanzata!
L’Universo non ha quindi precisi limiti spaziali o temporali e, per il momento, sembra proprio che non possiamo mandare nessuno a controllare di persona.


Fonti:
Hawking, Stephen, A brief history of time: from big bang to black holes. Random House, 2009.
Einstein, Albert, et al. Ideas and opinions. New York: Wings Books, 1954.
Coles, Peter, and Francesco Lucchin. Cosmology: The origin and evolution of cosmic structure. John Wiley & Sons, 2003.

Link per approfondimenti:

https://www.media.inaf.it/2018/07/13/gaia-hubble-planck-rees/ 
https://www.youtube.com/watch?v=3tCMd1ytvWg 
https://www.youtube.com/watch?v=bESg_l1Tm0U

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