Cos’è lo Spazio?

Per Spazio si possono intendere ben 3 concetti diversi, alcuni astratti, altri che descrivono fenomeni. Vediamoli insieme ripercorrendo la storia di questi concetti e come sono evoluti di pari passo con la Scienza.

Lo Spazio Assoluto

Un esempio di sistema di riferimento e metrica, attraverso gli assi. La distanza fra il punto P ed il centro è indicata dal segmento OP, che ha componenti rispetto gli assi x,y,z, rispettivamente dati dai segmenti blu, rosso, verde. Le linee tratteggiate sono le proiezioni delle componenti del segmento.

Lo Spazio Assoluto è il concetto legato all’estensione delle cose e quindi alla loro distanza. Gli oggetti si estendono nelle 3 dimensioni individuate dall’esperienza, occupando quindi un volume ed una posizione. Lo definiamo geometricamente stabilendo un punto da cui osservare, stabilendo la misura per le distanze, e le direzioni in cui si estende. In altre parole, stabilendo un sistema di riferimento ed una metrica. Questo ci permette di stabilire le coordinate degli oggetti che osserviamo. E’ essenzialmente una sovrastruttura che poniamo sulla realtà per descriverla, quindi non un fenomeno osservabile. Si tratta anche della forma più antica ed intuitiva di questo concetto. Citando sia Kant e sia Poincaré infatti si tratta di un concetto che è strettamente legato a come la nostra natura ci fa percepire il mondo esterno.

La geometria euclidea sviluppata in epoca ellenistica rappresenta il primo tentativo di una descrizione logica dello spazio. In epoca moderna fu ripresa da Newton, essendo uno dei concetti alla base della meccanica classica. Fissando un sistema di riferimento locale, è possibile descrivere la realtà che lo circonda considerandolo come assoluto, cioè fisso, immobile. Grazie ai principi della relatività galileiane è possibile stabilire le relazioni per spostarci fra sistemi di riferimento fissi e sistemi di riferimento mobili, a velocità uniforme od uniformemente accelerato. Attraverso ciò sarebbe anche possibile però stabilire cosa è assolutamente fermo e cosa non lo è, e quindi stabilire delle direzioni privilegiate.

Lo Spazio Cosmico

Lo Spazio Cosmico è il concetto legato all’immensa distanza che separa i corpi celesti ed al vuoto fra essi. Cominciamo a farne esperienza con la notte, che ci fa osservare tanti puntini luminosi immersi in un apparente vuoto. E’ sempre stato così?

Effetto lente gravitazionale osservato nel sistema di galassie SDSS J0928+2031 dal Telescopio Spaziale Hubble. La gravità del cluster di galassie agisce un fenomeno di lente gravitazionale che permette di osservare galassie più distanti dietro le galassie in primo piano.
Fonte: ESA/Hubble & NASA

Pieno d’Aria

Gli osservatori dell’antichità, fin dalle prime osservazioni astronomiche, si resero conto che alcuni puntini rimanevano apparentemente fissi li uni rispetto agli altri (le stelle fisse), ed altri invece si spostavano gradualmente, notte dopo notte: i pianeti, (la cui etimologia deriva dal greco: πλάνητες: “stelle vagabonde”). Il vuoto apparente che separa stelle e pianeti viene colmato con enti via via diversi al pari passo con l’evoluzione della civilità umana.
In uno dei primissimi modelli, come quello della cosmologia ebraica, si descrive un cosmo a forma di tenda, dove le stelle sono appese ad una calotta semisferica che sovrasta la Terra (piatta). Di conseguenza, nella loro visione del cosmo (che senz’altro oggi ci appare come uno dei modelli più primitivi), lo Spazio Cosmico equivale al Cielo, e quindi, pieno d’aria.

Sfere concentriche di Etere Aristotelico

Più avanti, con Aristotele, l’aria non arriva fino alle Stelle, alla Luna, al Sole ed ai Pianeti, ma bensì diventa un elemento circoscritto a muoversi sulla Terra. Ogni elemento per Aristotele si muoveva verso il proprio luogo naturale (luogo da cui l’oggetto proviene e verso cui tende a tornare). I corpi celesti invece di muoversi verso i luoghi naturali si muovevano di moto circolare ed uniforme. Ciò fece pensare ad Aristotele che fossero composti da una materia perfetta: l’Etere Aristotelico, il quinto degli elementi classici. Nella sua cosmologia formava sia i pianeti e sia le calotte sferiche trasparenti e cristalline in cui erano immaginati incastonati. Di conseguenza, riempiva lo Spazio Cosmico che separava la Terra (posta al centro del cosmo) dagli altri Corpi Celesti.

Quindi l’Etere Aristotelico fu introdotto ad hoc per questo scopo. Nonostante ciò, questo modello apparentemente perfetto di meccanismo cosmico, aveva molte imperfezioni, che gli antichi astronomi cercavano di giustificare inventando delle complicazioni. Infatti non riuscivano a descrivere il moto retrogrado dei pianeti.

In Epoca Rinascimentale, con Ticho Brae, e successivamente Copernico e Galilei, cercando di risolvere le complicanze del modello cosmologico aristotelico (che nel medioevo, grazie alla filosofia scolastica fu adattato dalla filosofia cristiana), si diede il via alla Rivoluzione Eliocentrica. Galilei con il suo cannocchiale, si rese conto che la Luna, i Pianeti ed i Satelliti Medicei erano composti da materia del tutto simile a quella di cui era composta la Terra. Non da una materia apparentemente perfetta.

Pensate quanto un’azione così semplice quante informazioni importanti abbia potuto dare in passato! Oggi un azione del genere la daremmo quasi per scontata. Quasi banale, ed invece…!

Una distesa di Etere Meccanico

Copernico si rese conto che i pianeti ruotavano in orbite ellittiche, e ponendo il Sole al centro del cosmo, in uno spazio assoluto, si riusciva così a spiegare, ma soprattutto descrivere e prevedere quasi tutti i moti dei pianeti visti dal sistema di riferimento della Terra. All’epoca il sistema solare coincideva con il cosmo conosciuto. Questo fece anche cadere l’idea che i pianeti fossero incastonati in delle sfere di Etere Aristotelico. Bensì si ipotizzò che esistesse un Etere Meccanico che permeava tutto lo Spazio Cosmico. Cioè un mezzo per la propagazione sia della luce e sia per il calore (che all’epoca era visto come un fluido interno ai corpi: il calorico), e per questo motivo prendeva nome di Etere Luminifero.

In accordo alla concezione di uno spazio assoluto in cui valgono le trasformate galileiane, questo mezzo sarebbe dovuto essere in delle condizioni privilegiate rispetto al resto del sistema solare. Non solo, poneva il nostro sole in un sistema di riferimento privilegiato rispetto a tutto il resto del Cosmo. Inoltre, essendo stato concepito come un qualche tipo di fluido (o di solido, dipendentemente da chi ne poneva delle ipotesi), avrebbe dovuto avere degli effetti sulla materia che non sono mai stati osservati. Ad esempio avrebbe dovuto scambiare quantità di moto con i pianeti, cosa che avrebbe dovuto permettere di osservare delle perturbazioni nel moto della luce. Similmente a come il moto di una nave nell’acqua genera delle perturbazioni sulla sua superficie. Si tratta dei cosiddetti venti d’etere che non sono mai stati osservati negli esperimenti che li hanno cercati. Ciò fu proprio l’inizio del crollo del modello di Etere Luminifero.

Una distesa di Spazio-Tempo

Dopo il 1905, grazie alla Teoria della Relatività Ristretta, Einstein introduce formalmente dei concetti di spazio e tempo relativi che soppiantano quelli di spazio e tempo assoluti. Insieme ai postulati introdotti in questa teoria e le trasformate di Lorentz, si possono descrivere una nuova serie di fenomeni: i Fenomeni Relativistici. Ci hanno permesso di spiegare finalmente l’anomalia dell’orbita di Mercurio, predire ed osservare l’effetto lente gravitazionale e rendere superflua la mediazione di un Etere Meccanico ed in generale di qualsiasi sistema di riferimento privilegiato. Il Sole non è più il centro dell’universo, ma solo il centro del nostro sistema solare. Prende il suo posto lo Spazio-Tempo.

Anche nel modello di Etere Meccanico più astratto, quello introdotto dal fisico Paul Drude (insomma, colui che ha introdotto “c” per indicare la velocità della luce), entrava in contraddizione con i Postulati di Einstein. Vedremo più da vicino questo in un prossimo articolo.
Qui vengono gettati i semi per la concezione dello Spazio Cosmico per come la conosciamo oggi. Attraverso la Relatività Generale, abbiamo una distesa di Spazio-Tempo. Un ente quadridimensionale, in cui si svolgono i fenomeni ed esistono i corpi celesti, interagendo con essi.

Lo Spazio Tempo

Lo Spazio-Tempo è l’ente quadridimensionale derivato dai nuovi concetti di spazio e tempo relativi introdotti da Einstein nel 1905. Fu introdotto nel 1908 da Minkovski, infatti per Einstein erano ancora concepiti come enti separati. Volendo considerare solo la componente che si riferisce alle classiche 3 dimensioni spaziali, ci possiamo riferire allo Spazio Fisico, o Spazio Relativistico. Interagisce con la materia (la massa) e l’energia. Si tratta di un concetto introdotto per descrivere i fenomeni relativistici legati a come la materia e l’energia influenzano cose intorno a loro. Cerchiamo di capire come:

Effetti Gravitazionali

Rappresentazione della deformazione della metrica dello spazio (tramite la contrazione delle lunghezze) e del tempo (tramite la dilatazione dei tempi). Fonte: Wikipedia

Consideriamo un corpo celeste, ad esempio la Terra, che ha una massa approssimatamene distribuita in una sfera. Osserviamo come la sua massa gravitazionale influenza il moto degli oggetti che gli passano vicino. Nel far ciò consideriamo oggetti che hanno una massa del tutto trascurabile, come i satelliti artificiali. Ciò avviene grazie alla deformazione della metrica dello spazio relativistico nei pressi della Terra. Passa cioè, da una configurazione retta (piatta nel gergo) ad una curva. La metrica dello spazio tempo indica come sono vincolati a muoversi gli oggetti (ed i campi elettromagnetici) in esso. Questo è ciò che può essere descritto attraverso la Metrica di Schwarzchild, una delle soluzione dell’Equazione del Campo Gravitazionale di Einstein che troviamo nella Relatività Generale. La Gravità è proprio spiegata in questo modo.

Effetti Inerziali

Attraverso le trasformate di Lorentz. Considerando un satellite che orbita intorno alla Terra, il suo stato di moto agisce sull’inerzia del satellite stesso.
Immaginiamo, in uno scenario trekkiano, l’Enterprise che si allontana, a pieno impulso, dall’orbita della Pulsar Lich dopo averne studiato il sistema planetario, partendo da un altitudine di 1000 km. Per scappare dal suo campo gravitazionale deve viaggiare ad una velocità superiore alla sua velocità di fuga. Parliamo di una velocità relativa al sistema di riferimento identificato dalla stella.

Equivale a superare circa 19800 km/s, quasi il 6,4% della velocità della luce. A quella velocità, l’Enterprise ha più inerzia rispetto ad una condizione simile a quella a riposo. Quindi a parità di spinta dei propulsori l’astronave verrebbe accelerata di meno.

Quindi la Massa Aumenta?

Questo bell’esempio può aiutare a capire come la materia è vincolata a muoversi (nello spazio-tempo) tramite la sua inerzia, che descriviamo tramite la massa inerziale. Questo viene spesso confuso con un apparente incremento di massa a riposo. La massa a riposo dell’Enterprise quando lascia gli ormeggi dei cantieri di Utopia Planitia, è sempre la stessa. E’ solo la massa inerziale che aumenta e ciò che fa aumentare è il contributo dell’Energia Cinetica acquisita dall’astronave dovendo allontanarsi così velocemente dalle prossimità della pulsar. Infatti, come detto all’inizio, lo Spazio Tempo (e di conseguenza lo Spazio Relativistico) interagisce sia con la massa (inerzia) che l’energia, grazie al Principio di Equivalenza.
Questo principio è alla base di propulsori che non spingono su propellenti da gettare via ad alta velocità, ma sullo Spazio Relativistico stesso.
(ci sarà un bel link a riguardo non appena l’articolo a riguardo sarà pubblicato, e non mi riferisco all’EMDrive!).

Quante masse!

In questo caso abbiamo esposto due esempi di fenomeni in cui si usano due concetti introdotti per descrivere cose diverse che da un punto di vista sperimentale sono le stesse: quello di massa gravitazionale (nel primo caso), di massa inerziale (nel secondo caso).

Sovrastruttura o Fenomeno?

In questo caso abbiamo a che fare propriamente con un fenomeno, qualcosa di tangibile e reale. Infatti usiamo come modello uno spazio geometrico dotato però di proprietà fisiche. Nacque proprio per rispondere ad una serie di considerazioni sperimentali che si cominciarono ad effettuare nella seconda metà dell’ottocento, e da altre considerazioni che sono nate successivamente alla Relatività Speciale.

  • l’invarianza della velocità della luce sul doppio cammino (misuriamo la velocità della luce essere sempre la stessa in qualsiasi direzione, ma non potendo misurare mai la luce in un’unica direzione, ci si riferisce alla velocità della luce nel cammino di andata e ritorno).
  • l’isotropia dello spazio (le leggi fisiche sono le stesse in qualsiasi sistema di riferimento: non esistono direzioni privilegiate).
  • il principio di equivalenza (oltre all’equivalenza fra massa gravitazione e massa inerziale, è impossibile distinguere un’accelerazione gravitazionale da una inerziale (come quella centrifuga) nell’opportuno sistema di riferimento non inerziale).
  • la conservazione del moto attraverso lo spazio-tempo (la velocità nello spaziotempo della materia e dei campi elettromagnetici è sempre pari alla velocità della luce).

C’è ancora molto da dire sulla sua natura, che ci è per lo più ignota! Per comprendere meglio perché un modello legato a dei concetti astratti venga usato per descrivere un ente fisico, dobbiamo fare nuovamente un salto indietro nel tempo, e cominciare riprendendo in mano lo Spazio Assoluto di Newton e la sua meccanica classica.
Questo approfondimento lo vedremo in un altro articolo, (di cui troverete il link qui quando sarà pubblicato).

In Copertina: Campo Ultra Profondo di Hubble, che ci ricorda che lo spazio è vasto. Veramente vasto. Non riuscireste mai a credere quanto enormemente incredibilmente spaventosamente vasto esso sia. Voglio dire, magari voi pensate che andare fino alla vostra farmacia sia un bel tratto di strada, ma quel tratto di strada è una bazzecola in confronto allo spazio. [Guida Galattica per Autostoppisti – D.Adams]. Credits: Wikipedia

[EDIT: 04-04-2021]

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