Universo
Fino agli Anni '80, la parola universo era usata per riferirsi all'intero spaziotempo "esistente" con tutta la materia e l'energia in esso contenute. La scienza che cerca di comprendere l'Universo nel suo insieme, alla scala più grande possibile, è la cosmologia, che deriva da studi congiunti della fisica e dell'astronomia. I cosmologi ritenevano che non esistesse ragione scientifica per cui la regione al di fuori del nostro universo visibile dovesse essere diversa da quella all'interno, e l'ammetterlo si riteneva una violazione al principio copernicano, in quanto si ammetteva che la nostra regione potesse essere atipica, speciale. Dagli Anni '80 in poi, però, la formulazione della teoria dell'inflazione e l'aumentato sviluppo della cosmologia osservativa, chiamata anche cosmologia fisica, ha portato ad un cambiamento di opinioni tra i cosmologi e ad una divisione del significato del termine universo tra i cosmologi osservativi e i cosmologi teorici: i primi (in genere) abbandonano la speranza di poter osservare l'intero spaziotempo, mentre i secondi mantengono questa speranza, cercando di trovare le ipotesi più ragionevoli per modellizzarlo tutto, nonostante l'estrema difficoltà di trovare dei limiti a questi modelli e il rischio di decadere nella metafisica. I termini universo conosciuto, universo osservabile, universo visibile, e alcune volte il nostro universo, sono spesso usati per descrivere quella parte di Universo che possiamo vedere in modo diretto o indiretto.
La concezione di universo
La più antica idea "moderna" di universo si ha con la scuola pitagorica (Filolao e Aristarco di Samo) che sostenendo un'idea prima solamente "quasi - filo-eliocentrica" - l'idea del Fuoco Centrale - e poi in modo definito eliocentrica (Aristarco), aveva provato a elencare e definire tutti i pianeti. Essa vedeva il cosmo come un disegno perfetto, da qui la parola da loro coniata kosmos, che significa ordine.
L'attuale definizione comune risale alla prima metà del XX secolo. La cosmologia è la scienza che cerca di comprendere l'Universo nel suo insieme, alla scala più grande possibile. Essa si è sviluppata dalla fisica e dall'astronomia. Dopo gli anni '80 del XX secolo, lo sviluppo della cosmologia osservativa, chiamata anche cosmologia fisica, ha portato ad una divisione del significato del termine universo tra i cosmologi osservativi e i cosmologi teorici: i primi (in genere) abbandonano la speranza di poter osservare l'intero continuum spaziotemporale, mentre i secondi mantengono questa speranza, cercando di trovare le ipotesi più ragionevoli per modellizzare l'intero spaziotempo, nonostante l'estrema difficoltà di trovare dei limiti a questi modelli e il rischio di decadere nella metafisica.
Espansione, età, Big Bang
Il risultato più importante della cosmologia, che l'universo è in espansione, è derivato dalle osservazioni degli spostamenti verso il rosso delle galassie ed è quantificato dalla Legge di Hubble. Estrapolando questa espansione all'indietro nel tempo, si incontra una singolarità gravitazionale, un concetto matematico piuttosto astratto, che può o meno corrispondere ad un oggetto reale. Questa estrapolazione diede vita alla teoria del Big Bang, il modello dominante della cosmologia moderna. Il tempo zero, che nella teoria segna letteralmente l'inizio del tempo come noi lo conosciamo, è stimato a 13,7 miliardi di anni fa, con un'incertezza di soli 200 milioni di anni, secondo la sonda WMAP della NASA.
Un aspetto fondamentale del Big Bang può essere osservato oggi nel fatto che la velocità alla quale le galassie si allontanano è proporzionale alla loro distanza, detta SEMINO. Un'altra prova a sostegno della teoria è la radiazione cosmica di fondo, la quale è un residuo attenuato della radiazione che ebbe origine poco dopo il Big Bang. Questa radiazione di fondo è estremamente uniforme in tutte le direzioni, cosa che i cosmologi hanno cercato di spiegare con un periodo di espansione rapida (detta inflazione) che è immediatamente seguita al Big Bang.
La dimostrazione che l'universo sia in espansione è data dalle onde elettromagnetiche che giungono fino a noi. Tali onde per effetto doppler dovuto all'allontanamento degli astri gli uni dagli altri si spostano in frequenza rispetto alla loro frequenza originaria. Il colore di alcune stelle è shiftato verso l'infrarosso rispetto a quello che sarebbe il loro reale colore.
Dimensioni dell'Universo e dell'universo osservabile
Non si sa se l'Universo sia finito o infinito in dimensione e in volume, anche se la maggior parte dei teorici al momento preferisce un Universo finito.
L'universo osservabile, composto da tutto ciò che può averci influenzato dal momento del Big Bang, è sicuramente finito grazie al fatto che la velocità della luce, cioè la massima velocità a cui un fenomeno fisico può propagarsi, è anch'essa finita. L'orizzonte cosmico si trova a 13,7 miliardi di anni luce di distanza. La distanza effettiva di questo orizzonte è però più grande, perché nel tempo trascorso affinché la luce sia arrivata fino a noi, questo bordo ha continuato ad espandersi. Si stima che si trovi a circa 50 miliardi di anni luce (4,7×1023 km). Questo comporterebbe che il volume dell'universo osservabile sia di 5×1032 anni luce cubici (assumendo che questa regione sia sferica). L'universo osservabile contiene circa 7×1022 stelle, organizzate in circa 1011 (cento miliardi) di galassie, le quali si riuniscono in gruppi e ammassi di galassie e in superammassi. Recenti osservazioni condotte col Telescopio Spaziale Hubble suggeriscono un numero ancora maggiore di galassie.
Il lettore dovrebbe fare attenzione al fatto che sia gli articoli di divulgazione, sia quelli di cosmologia professionale usano spesso il termine Universo quando si riferiscono in realtà all'universo osservabile. Questo perché i fenomeni fisici inosservabili sono paradigmaticamente indescrivibili per la conoscienza scientifica umana; essi possono altresì essere oggetto di speculazioni concettuali tipicamente metafisiche.
È da notare che la Terra si trova, per pura definizione, esattamente al centro dell'Universo osservabile. Tale affermazione non deve essere confusa con l'effettiva posizione della Terra nell'Universo: oggi si pensa che l'Universo non abbia un centro ben definito, se si concepisce l'universo come spazio infinito, o in ogni caso è impossibile per noi determinare esattamente il punto centrale di una dimensione in continua espansione quale quella dell'Universo.
Forma dell'universo
Un'importante domanda della cosmologia per ora senza riposta è quella della forma dell'Universo.
Per prima cosa, occorrerebbe stabilire se l'Universo è piatto, ossia rispetta le regole della geometria euclidea su grande scala. Al momento, la maggior parte dei cosmologi pensa che l'universo osservabile sia (quasi) piatto, esattamente come la superficie della Terra è (quasi) piatta.
In secondo luogo, occorre stabilire se l'Universo è topologicamente connesso oppure no. Secondo il modello del Big Bang, l'Universo non ha un confine spaziale, ma potrebbe comunque essere spazialmente finito. Questo può essere compreso mediante un'analogia con le due dimensioni: la superficie della Terra non ha confini, ma ha comunque un'area finita. Si può pensare anche ad un cilindro, e poi immaginare di liberarsi dalle costrizioni imposte dalla geometria ordinaria e immaginare di unire le due estremità del cilindro, ma senza piegarlo. Anche questo è uno spazio a due dimensioni con un'area finita, ma a differenza della superficie terrestre è piatto, ed è quindi un modello migliore.
Ne segue che, strettamente parlando, dovremmo chiamare le sopra menzionate stelle e galassie "immagini" di stelle e galassie, poiché è possibile che l'Universo sia finito e così piccolo che possiamo vedere una o più volte "attorno" ad esso, ed il numero reale di stelle e galassie fisicamente distinte potrebbe essere più piccolo. Alcune osservazioni sono in corso per cercare di confermare o escludere questa possibilità.
Destino dell'Universo
Il modello del Big Bang prevede che, a seconda del valore della densità media di materia ed energia, l'Universo continuerà ad espandersi per sempre oppure che sarà frenato dalla sua stessa gravitazione e collasserà su sé stesso in quello che è stato chiamato un Big Crunch. Al momento le osservazioni suggeriscono che non solo la densità di massa/energia è troppo piccola per causare un collasso, ma che l'espansione dell'Universo sembra addirittura in accelerazione, e che questa accelerazione debba verosimilmente continuare in eterno (vedi universo in accelerazione).
Universi multipli
Vi sono alcune speculazioni sul fatto che universi multipli possano esistere in un multiverso di livello più alto. Per esempio, la materia che cade in un buco nero di questo universo potrebbe emergere come un Big Bang che fa iniziare un nuovo universo. Oppure, l'universo potrebbe essersi sviluppato a "raggiera" rispetto al big bang, unico punto in comune per una rosa infinita di universi paralleli che differiscono per una qualche costante universale. Tutte queste idee non sono testabili, e devono essere quindi considerate per adesso pura speculazione.
Altri termini
Nella storia umana sono state usate differenti parole per indicare "tutto lo spazio", incluse le parole delle varie lingue che corrispondono a cieli, cosmo e mondo.
Anche se parole come mondo e le sue equivalenti oggi si riferiscono quasi sempre al pianeta Terra, in precedenza si riferivano a tutto ciò che esisteva (vedi per esempio Copernico).
Libri sull'universo e sul concetto di universo
- Paul Davies, Un solo universo o infiniti universi?, Di Renzo Editore, ISBN 88-86044-81-X
- Arno Penzias, L'origine dell'Universo, Di Renzo Editore , ISBN 8883231430
- David Gross, L'Universo affascinante, Di Renzo Editore, ISBN 8883231546
