La natura della conoscenza scientifica

Redshift e l’effetto Doppler

All’incirca nello stesso periodo, un fisico austriaco di nome Christian Doppler stava studiando astronomia e matematica. Doppler sapeva che la luce si comportava come un’onda, e così cominciò a pensare a come il movimento delle stelle potrebbe influenzare la luce emessa da quelle stelle. In un articolo pubblicato nel 1842, Doppler propose che la frequenza osservata di un’onda dipendesse dalla velocità relativa della sorgente dell’onda in relazione all’osservatore, un fenomeno che chiamò “spostamento di frequenza” (Doppler, 1842). Fece un’analogia con una nave a vela sull’oceano, descrivendo come la nave avrebbe incontrato onde sulla superficie dell’acqua ad una velocità più veloce (e quindi più alta frequenza) se navigasse tra le onde che se viaggiasse nella stessa direzione delle onde.

Si potrebbe avere familiarità con lo spostamento di frequenza, che ora chiamiamo l’effetto Doppler in suo onore, se avete mai ascoltato il suono del traffico, mentre in piedi sul lato della strada. Il familiare cambiamento di passo da alto a basso è un esempio dell’effetto: la frequenza effettiva delle onde emesse non cambia, ma la velocità del veicolo che passa influisce sulla velocità con cui quelle onde ti raggiungono. Doppler ha proposto che avremmo visto lo stesso effetto su tutte le stelle che si muovevano: Il loro colore si sposterebbe verso l’estremità rossa dello spettro se si stavano allontanando dalla Terra (chiamato redshift) e verso l’estremità blu dello spettro se si stavano avvicinando (chiamato blueshift) (vedi Figura 4). Si aspettava di essere in grado di vedere questo spostamento in stelle binarie, o coppie di stelle che orbitano intorno a vicenda. Alla fine, l’articolo di Doppler del 1842, intitolato “Sulla luce colorata delle stelle doppie e di certe altre stelle del cielo”, avrebbe cambiato il modo stesso in cui guardiamo l’universo. Tuttavia, all’epoca, i telescopi non erano abbastanza sensibili da confermare il cambiamento che propose.

Le idee di Doppler divennero parte della letteratura scientifica e in questo modo divennero note ad altri scienziati. All’inizio del 1900, la tecnologia finalmente raggiunto con Doppler e telescopi più potenti potrebbero essere utilizzati per testare le sue idee. Nel settembre del 1901, un americano di nome Vesto Slipher aveva appena completato la sua laurea in meccanica e astronomia presso l’Indiana University. Ha ottenuto un lavoro come assistente temporaneo presso l’Osservatorio Lowell a Flagstaff, Arizona, pur continuando il suo lavoro di laurea in Indiana. Poco dopo il suo arrivo, l’osservatorio ottenne uno spettrografo a tre prismi, e il compito di Slipher fu quello di montarlo al telescopio da 24 pollici dell’osservatorio e imparare ad usarlo per studiare la rotazione dei pianeti nel sistema solare. Dopo alcuni mesi di problemi e risoluzione dei problemi, Slipher è stato in grado di prendere spettrogrammi di Marte, Giove e Saturno. Ma gli interessi di ricerca personali di Slipher erano molto più lontani dei pianeti del sistema solare. Come Doppler, era interessato a studiare gli spettri delle stelle binarie, e cominciò a farlo nel suo tempo libero all’osservatorio.

Nel decennio successivo, Slipher ha completato un Master e un dottorato di ricerca presso l’Indiana University, continuando il suo lavoro al Lowell Observatory che misura gli spettri e lo spostamento Doppler delle stelle. In particolare, Slipher focalizzò la sua attenzione sulle stelle all’interno delle nebulose a spirale (Figura 5), aspettandosi di scoprire che lo spostamento visto negli spettri delle stelle indicherebbe che le galassie a cui appartenevano stavano ruotando. Infatti, egli è accreditato per determinare che le galassie ruotano, ed è stato in grado di determinare le velocità a cui ruotano. Ma nel 1914, dopo aver studiato 15 diverse nebulose, annunciò una curiosa scoperta in una riunione dell’American Astronomical Society in agosto:

Nella grande maggioranza dei casi le nebulose si stanno allontanando; le maggiori velocità sono tutte positive…La sorprendente preponderanza del segno positivo indica una fuga generale da noi o dalla Via Lattea.

Slipher aveva scoperto che la maggior parte delle galassie mostrava un redshift nel loro spettro, indicando che si stavano tutte allontanando da noi nello spazio, o sfuggendo (Slipher, 1915). Misurando la grandezza del redshift, è stato in grado di determinare la velocità recessiva o la velocità alla quale gli oggetti stavano “fuggendo.”Slipher aveva fatto un’interpretazione dalle sue osservazioni che metteva una nuova prospettiva sull’universo, e in risposta, ricevette una standing ovation per la sua presentazione.

Slipher continuò il suo lavoro con il redshift e le galassie e pubblicò un altro articolo nel 1917, avendo ora esaminato 25 nebulose e visto un redshift in 21 di esse. Georges Lemaître, un fisico e astronomo belga, costruito sul lavoro di Slipher mentre completava il suo dottorato di ricerca presso il Massachusetts Institute of Technology. Estese le misure di Slipher all’intero universo e calcolò matematicamente che l’universo doveva espandersi per spiegare l’osservazione di Slipher. Pubblicò le sue idee in un articolo del 1927 intitolato “Un universo omogeneo di massa costante e raggio crescente che rappresenta la velocità radiale delle nebulose extragalattiche” (Lemaître, 1927), ma il suo articolo incontrò critiche diffuse da parte della comunità scientifica. L’astronomo inglese Fred Hoyle ridicolizzò l’opera e coniò il termine teoria del Big Bang come soprannome denigratorio per l’idea di Lemaître. E nientemeno che Albert Einstein criticò Lemaître, scrivendogli “La tua matematica è corretta, ma la tua fisica è abominevole” (Deprit, 1984).

La critica di Einstein aveva una componente personale e culturale, due cose che spesso trascuriamo in termini di influenza sulla scienza. Diversi anni prima, Einstein aveva pubblicato la sua teoria generale della relatività (Einstein, 1916). Nel formulare la teoria, Einstein aveva incontrato un problema significativo: la relatività generale predisse che l’universo doveva essere in contrazione o in espansione – non permetteva un universo statico. Ma un universo contraente o in espansione non poteva essere eterno, mentre un universo statico e non in movimento poteva, e la credenza culturale prevalente all’epoca era che l’universo fosse eterno. Einstein è stato fortemente influenzato dal suo ambiente culturale. Di conseguenza, inventò un “fattore fondente”, che chiamò la costante cosmologica, che avrebbe permesso alla teoria della relatività generale di essere coerente con un universo statico. Ma la scienza non è una democrazia o plutocrazia; non è né la conclusione più comune o più popolare che viene accettata, ma piuttosto la conclusione che resiste alla prova delle prove nel tempo. La costante cosmologica di Einstein era messa in discussione da nuove prove.