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La curiosità del mese

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Anche la luce, nel suo piccolo, arrossisce

La curiosità del mese di gennaio 2013 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - Rappresentazione pittorica di redshift e blushift - da Wikipedia
Fig. 1 - Rappresentazione pittorica di redshift e blushift - da Wikipedia

E non di vergogna ...
Ci sono tre modi per cui la luce può diventare rossa. Oppure blu.
Cosa vuol dire?
Prendiamo la luce di una lampadina gialla ...Cioè è gialla quando la lampadina è ferma, e chi la osserva si trova vicino alla lampadina stessa.
Ebbene, se la lampadina si muove, e si allontana da noi, oppure è vicina ad un buco nero, oppure è in una galassia lontana, allora noi vedremo una luce rossa, non gialla.
In inglese lo spostamento verso il rosso della luce della lampadina si chiama "redshift", parola che probabilmente avete già sentito e che significa arrossamento.
Andiamo a vedere un po’ meglio di cosa si tratta.

Fig. 2 - Effetto Doppler per il suono: la sirena dell'ambulanza che si avvicina ha un suono piu' acuto di quando l'ambulanza si allontana. La stessa cosa avviene per la luce. Una lampadina che si avvicina a noi viene vista piu' blu, mentre una lampadina che si allontana viene vista piu' rossa.
Fig. 2 - Effetto Doppler per il suono: la sirena dell’ambulanza che si avvicina ha un suono più acuto di quando l’ambulanza si allontana. La stessa cosa avviene per la luce. Una lampadina che si avvicina a noi viene vista più blu, mentre una lampadina che si allontana viene vista più rossa.

Muoviti, ed arrossisci ... (redshift dovuto al moto).
Il più comune (e anche il più noto) modo di arrossire della luce è dovuto all’effetto Doppler. È lo stesso effetto che agisce sul suono, oltre che sulla luce.
Il suono di una monoposto al Gran Premio è diverso quando la macchina si avvicina e quando si allontana ... l’avete notato?
Quando si avvicina il suono è più acuto (lunghezza d’onda più piccola), mentre quando si allontana il suono diventa più grave (lunghezza d’onda più lunga). Se invece della monoposto avessimo una lampadina, avremmo la stessa cosa con la luce. Quando la lampadina si avvicina a noi vediamo la sua luce più blu (lunghezza dù onda più piccola) e quando si allontana la vediamo più rossa (lunghezza d’onda più lunga).

Fig. 3 - A sinistra l'Istituto di Harvard dove ebbe luogo l'esperimento di Pound e Rebka nel 1959, nella parte destra dell'edificio. A destra Pound (sopra) e Rebka (sotto) mentre lavorano al loro esperimento (e si parlano per telefono).
Fig. 3 - A sinistra l’Istituto di Harvard dove ebbe luogo l’esperimento di Pound e Rebka nel 1959, nella parte destra dell’edificio. A destra Pound (sopra) e Rebka (sotto) mentre lavorano al loro esperimento (e si parlano per telefono).

Arrampicati, e arrossisci ... (redshift gravitazionale)
Un altro modo per far arrossire la luce è mettere la lampadina vicino ad un buco nero, e guardarla da una certa distanza ...
Vedremmo che quanto più la lampadina è vicina al buco nero, tanto più la luce diventa rossa. Si chiama "redshift gravitazionale".
È come se la gravità agisse sulla lunghezza d’onda, "stirandola", cioè facendola diventare più lunga.
Ma il buco nero è veramente necessario? No, è solo che l’arrossamento della luce diventa eclatante nel caso del buco nero, perchè la sua gravità è grande.
Ma in realtà l’effetto c’è dovunque ci sia gravità. Quindi anche sulla Terra.
Pensate che è pure stato misurato, da Pound e Rebka, due fisici di Harvard, nel 1959.
Hanno trovato il modo di misurare l’impercettibile cambio di colore della luce che partiva dal primo piano del loro istituto e arrivava all’ultimo piano, circa 20 metri più in alto. Un dislivello minimo, ma sufficiente a provocare un rossore misurabile (vedi la pagina in inglese di wikipedia relativa all’esperimento)

Fig. 4 - Illustrazione di come l'Universo si espande. E' proprio lo spazio che si espande, stirando la lunghezza d'onda della luce che viaggia. Cosi', mentre la luce viaggia da una galassia ad un altra, diventa piu' rossa, dato che la sua lunghezza d'onda aumenta.
Fig. 4 - Illustrazione di come l’Universo si espande. È proprio lo spazio che si espande, "stirando" la lunghezza d’onda della luce che viaggia. Così, mentre la luce viaggia da una galassia ad un altra, diventa più rossa, dato che la sua lunghezza d’onda aumenta.

Viaggia nello spazio che si espande, ed arrossisci ... (redshift cosmologico)
E infine, c’è il "redshift cosmologico", che spesso viene confuso con l’effetto Doppler.
Si dice: le galassie, nell’Universo, si stanno tutte allontanando tra loro, ed è per questo motivo che vediamo la loro luce arrossata. Cioè stiamo insinuando che è il moto delle galassie a produrre l’arrossamento.
Per quanto strano possa sembrare, non è così.
La verità è molto più strana e affascinante.
Facciamo un esempio per capirci meglio, e pensiamo per assurdo ad un Universo strano. Un Universo che si espande, poi sta fermo per un po’, poi si espande, e poi sta fermo ancora ...
E immaginiamo che adesso sia fermo. Supponiamo di guardare una galassia lontana, che ha emesso tanto tempo fa la luce che riceviamo adesso.
Alla partenza, quando la luce è stata emessa, l’Universo strano era fermo, e dopo si è espanso ancora un po’.
Adesso, quando la riceviamo, l’Universo è fermo di nuovo. La luce che riceviamo sarà arrossata? Oppure no, perchè alla partenza e all’arrivo di quel particolare raggio di luce l’Universo era fermo?
È arrossata ... è arrossata. Ed è tanto più rossa quanto più l’Universo si è espanso (tra quando era fermo e adesso, che è fermo di nuovo). Attenzione: questo è solo un esperimento concettuale ... fatto immaginando un Universo diverso dal nostro (pare che il nostro non si sia mai fermato).
Ma è un esempio che rende l’idea.
Quando riceviamo la luce di una galassia lontana, misuriamo la lunghezza d’onda della "lampadina" che ci sta mandando la sua luce.
E sappiamo che quanto più è arrossata, tanto più l’Universo è diventato grande, espandendosi.
Cioè quello che misuriamo è di quante volte l’Universo si è ingrandito dal momento dell’emissione della luce ad adesso, nel momento in cui riceviamo quella stessa luce.
E in questo modo riusciamo a ricavare la distanza della lampadina.
Ed è proprio così che riusciamo a misurare le distanze delle galassie lontane.


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