Sapevi che l'universo che osserviamo ha confini abbastanza definiti? Siamo abituati ad associare l'Universo a qualcosa di infinito e incomprensibile. Tuttavia, la scienza moderna alla domanda dell '"infinito" dell'universo offre una risposta completamente diversa a una domanda così "ovvia".
Secondo i concetti moderni, la dimensione dell'universo osservabile è di circa 45,7 miliardi di anni luce (o 14,6 gigaparsec). Ma cosa significano questi numeri?
Il confine dello sconfinato
La prima domanda che viene in mente a una persona comune è come l'Universo non possa essere affatto infinito? Sembrerebbe indiscutibile che il contenitore di tutto ciò che esiste intorno a noi non debba avere confini. Se esistono questi confini, cosa sono?
Diciamo che un astronauta è volato ai confini dell'universo. Cosa vedrà davanti a lui? Un muro solido? Barriera antincendio? E cosa c'è dietro: il vuoto? Un altro universo? Ma il vuoto o un altro universo possono significare che siamo ai confini dell'universo? Dopo tutto, questo non significa che non ci sia "niente". Anche il vuoto e l'altro Universo sono "qualcosa". Ma l'Universo è qualcosa che contiene assolutamente tutto "qualcosa".
Veniamo a una contraddizione assoluta. Si scopre che il confine dell'Universo dovrebbe nasconderci qualcosa che non dovrebbe esserlo. Oppure il confine dell'Universo dovrebbe separare "tutto" da "qualcosa", ma questo "qualcosa" dovrebbe anche essere una parte di "tutto". In generale, una totale assurdità. Allora come possono gli scienziati affermare le dimensioni, la massa e persino l'età limitanti del nostro universo? Questi valori, sebbene inimmaginabilmente ampi, sono ancora limitati. La scienza sta discutendo con l'ovvio? Per affrontare questo problema, tracciamo prima come gli esseri umani sono arrivati a una comprensione moderna dell'universo.
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Espandere i confini
Da tempo immemorabile, l'uomo si è interessato a ciò che è il mondo che lo circonda. Non è necessario fornire esempi delle tre balene e altri tentativi degli antichi di spiegare l'universo. Di regola, alla fine tutto si riduceva al fatto che il fondamento di tutto ciò che esiste è il firmamento terreno. Anche nell'antichità e nel Medioevo, quando gli astronomi avevano una vasta conoscenza delle leggi che governano il moto dei pianeti lungo la sfera celeste "fissa", la Terra rimaneva il centro dell'Universo.
Naturalmente, anche nell'antica Grecia c'era chi credeva che la Terra ruotasse attorno al Sole. C'erano quelli che parlavano dei molti mondi e dell'infinito dell'universo. Ma la fondatezza costruttiva di queste teorie è nata solo al volgere della rivoluzione scientifica.
Nel XVI secolo, l'astronomo polacco Niccolò Copernico fece il primo grande passo avanti nella comprensione dell'Universo. Ha dimostrato con fermezza che la Terra è solo uno dei pianeti in orbita attorno al Sole. Un tale sistema ha notevolmente semplificato la spiegazione di un movimento così complesso e intricato dei pianeti nella sfera celeste. Nel caso di una Terra stazionaria, gli astronomi hanno dovuto inventare ogni sorta di ingegnose teorie per spiegare questo comportamento dei pianeti. D'altra parte, se si considera che la Terra sia mobile, la spiegazione di questi movimenti così complessi viene naturale. È così che è stato stabilito in astronomia un nuovo paradigma chiamato "eliocentrismo".
Molti soli
Tuttavia, anche dopo ciò, gli astronomi hanno continuato a confinare l'universo alla "sfera di stelle fisse". Fino al 19 ° secolo, non potevano stimare la distanza dalle stelle. Per diversi secoli gli astronomi hanno tentato invano di rilevare deviazioni nella posizione delle stelle rispetto al moto orbitale della Terra (parallassi annuali). Gli strumenti di quei tempi non permettevano misurazioni così accurate.
Vega, fotografato dall'ESO
Infine, nel 1837, l'astronomo russo-tedesco Vasily Struve misurò la parallasse α di Lyra. Questo ha segnato un nuovo passo nella comprensione della scala dello spazio. Ora gli scienziati potrebbero tranquillamente affermare che le stelle sono somiglianze distanti al Sole. E d'ora in poi il nostro luminare non è il centro di tutto, ma un uguale "abitante" dell'infinito ammasso stellare.
Gli astronomi si sono avvicinati ancora di più alla comprensione della scala dell'universo, perché le distanze dalle stelle si sono rivelate davvero mostruose. Anche la dimensione delle orbite dei pianeti sembrava insignificante in confronto a questo. Poi è stato necessario capire come sono concentrate le stelle nell'Universo.
Molti
Il famoso filosofo Immanuel Kant ha anticipato le basi della moderna comprensione della struttura su larga scala dell'Universo nel 1755. Ha ipotizzato che la Via Lattea sia un enorme ammasso rotante di stelle. A loro volta, molte delle nebulose osservate sono anche "vie lattiginose" più distanti: galassie. Nonostante ciò, fino al 20 ° secolo, gli astronomi hanno aderito al fatto che tutte le nebulose sono fonti di formazione stellare e fanno parte della Via Lattea.
La situazione è cambiata quando gli astronomi hanno imparato a misurare le distanze tra le galassie usando le Cefeidi. La luminosità assoluta delle stelle di questo tipo è strettamente dipendente dal periodo della loro variabilità. Confrontando la loro luminosità assoluta con quella visibile, è possibile determinare la loro distanza con elevata precisione. Questo metodo è stato sviluppato all'inizio del XX secolo da Einar Herzsrung e Harlow Shelpy. Grazie a lui, l'astronomo sovietico Ernst Epik nel 1922 determinò la distanza da Andromeda, che si rivelò essere un ordine di grandezza maggiore delle dimensioni della Via Lattea.
Edwin Hubble ha continuato lo sforzo di Epic. Misurando la luminosità delle Cefeidi in altre galassie, misurò la distanza da loro e la confrontò con il redshift nei loro spettri. Così nel 1929 sviluppò la sua famosa legge. Il suo lavoro ha definitivamente smentito la convinzione consolidata che la Via Lattea sia il confine dell'universo. Ora era una delle tante galassie che una volta erano state considerate parte integrante di essa. L'ipotesi di Kant è stata confermata quasi due secoli dopo il suo sviluppo.
Successivamente, la connessione tra la distanza della galassia dall'osservatore e la velocità della sua rimozione dall'osservatore, scoperta da Hubble, ha permesso di comporre un quadro completo della struttura su larga scala dell'Universo. Si è scoperto che le galassie erano solo una piccola parte di esso. Si sono collegati in cluster, cluster in supercluster. A loro volta, i superammassi si piegano nelle più grandi strutture conosciute nell'universo: filamenti e pareti. Queste strutture, adiacenti a enormi supervoidi (vuoti), costituiscono la struttura su larga scala dell'universo attualmente conosciuto.
Infinito apparente
Da quanto precede, ne consegue che in pochi secoli la scienza è gradualmente passata dal geocentrismo a una moderna comprensione dell'Universo. Tuttavia, questo non fornisce una risposta sul motivo per cui stiamo limitando l'Universo in questi giorni. Dopotutto, fino ad ora, si trattava solo della scala del cosmo e non della sua stessa natura.
Evoluzione dell'universo
Il primo che ha deciso di giustificare l'infinità dell'Universo è stato Isaac Newton. Avendo scoperto la legge della gravitazione universale, credeva che se lo spazio fosse stato finito, tutti i suoi corpi prima o poi si sarebbero fusi in un unico insieme. Prima di lui, se qualcuno esprimeva l'idea dell'infinito dell'Universo, era esclusivamente in chiave filosofica. Senza alcuna giustificazione scientifica. Un esempio di questo è Giordano Bruno. A proposito, come Kant, era avanti di molti secoli rispetto alla scienza. Fu il primo a dichiarare che le stelle sono soli lontani e che anche i pianeti ruotano attorno a loro.
Sembrerebbe che il fatto stesso dell'infinito sia abbastanza giustificato e ovvio, ma i punti di svolta della scienza del XX secolo hanno scosso questa "verità".
Universo stazionario
Albert Einstein ha compiuto il primo passo significativo verso lo sviluppo di un modello moderno dell'universo. Il famoso fisico ha introdotto il suo modello di universo stazionario nel 1917. Questo modello era basato sulla teoria generale della relatività, che aveva sviluppato lo stesso anno prima. Secondo il suo modello, l'universo è infinito nel tempo e finito nello spazio. Ma, come notato in precedenza, secondo Newton, un universo di dimensioni finite dovrebbe collassare. Per fare ciò, Einstein introdusse una costante cosmologica, che compensava l'attrazione gravitazionale di oggetti distanti.
Per quanto paradossale possa sembrare, Einstein non ha limitato la finitezza dell'Universo. Secondo lui, l'Universo è un guscio chiuso di un'ipersfera. Un'analogia è la superficie di una normale sfera tridimensionale, ad esempio un globo o la Terra. Non importa quanto un viaggiatore viaggi intorno alla Terra, non raggiungerà mai il suo confine. Tuttavia, questo non significa affatto che la Terra sia infinita. Il viaggiatore tornerà semplicemente nel luogo in cui ha iniziato il suo viaggio.
Sulla superficie dell'ipersfera
Allo stesso modo, un vagabondo spaziale, superando l'universo di Einstein su una nave stellare, può tornare sulla Terra. Solo che questa volta il vagabondo non si muoverà lungo la superficie bidimensionale della sfera, ma lungo la superficie tridimensionale dell'ipersfera. Ciò significa che l'Universo ha un volume finito, e quindi un numero finito di stelle e massa. Tuttavia, l'Universo non ha confini o alcun centro.
Il futuro dell'universo
Einstein giunse a tali conclusioni collegando spazio, tempo e gravità nella sua famosa teoria. Prima di lui, questi concetti erano considerati separati, motivo per cui lo spazio dell'Universo era puramente euclideo. Einstein ha dimostrato che la gravità stessa è una curvatura dello spaziotempo. Ciò ha cambiato radicalmente la prima comprensione della natura dell'Universo, basata sulla meccanica newtoniana classica e sulla geometria euclidea.
Universo in espansione
Anche lo stesso scopritore del "nuovo universo" non era estraneo all'illusione. Sebbene Einstein limitasse l'universo nello spazio, continuò a considerarlo statico. Secondo il suo modello, l'Universo era e rimane eterno e le sue dimensioni rimangono sempre le stesse. Nel 1922, il fisico sovietico Alexander Fridman ha ampliato significativamente questo modello. Secondo i suoi calcoli, l'universo non è affatto statico. Può espandersi o contrarsi nel tempo. È interessante notare che Friedman è arrivato a un tale modello, basato sulla stessa teoria della relatività. Riuscì ad applicare più correttamente questa teoria, aggirando la costante cosmologica.
Albert Einstein non ha subito accettato questo "emendamento". La scoperta di Hubble menzionata in precedenza è arrivata in soccorso di questo nuovo modello. La dispersione delle galassie ha dimostrato indiscutibilmente il fatto dell'espansione dell'Universo. Quindi Einstein dovette ammettere il suo errore. Ora l'universo aveva una certa età, che dipende strettamente dalla costante di Hubble, che caratterizza la velocità della sua espansione.
Ulteriore sviluppo della cosmologia
Mentre gli scienziati cercavano di risolvere questo problema, sono stati scoperti molti altri importanti componenti dell'Universo e sono stati sviluppati vari modelli. Così nel 1948 Georgy Gamov introdusse l'ipotesi "su un universo caldo", che in seguito si sarebbe trasformata nella teoria del big bang. La scoperta nel 1965 della radiazione della reliquia ha confermato le sue ipotesi. Gli astronomi potevano ora osservare la luce che proveniva dal momento in cui l'universo è diventato trasparente.
La materia oscura, prevista nel 1932 da Fritz Zwicky, fu confermata nel 1975. La materia oscura in realtà spiega l'esistenza stessa delle galassie, degli ammassi galattici e dell'Universo stesso nel suo insieme. Così gli scienziati hanno imparato che la maggior parte della massa dell'Universo è completamente invisibile.
Di cosa è fatto l'universo
Infine, nel 1998, durante uno studio della distanza dalle supernove di tipo Ia, si è scoperto che l'universo si sta espandendo con l'accelerazione. Questo prossimo punto di svolta nella scienza ha dato origine alla moderna comprensione della natura dell'universo. Il coefficiente cosmologico introdotto da Einstein e confutato da Friedman trovò nuovamente il suo posto nel modello dell'Universo. La presenza del coefficiente cosmologico (costante cosmologica) spiega la sua espansione accelerata. Per spiegare la presenza di una costante cosmologica, è stato introdotto il concetto di energia oscura, un campo ipotetico contenente la maggior parte della massa dell'Universo.
L'attuale modello dell'universo è anche chiamato modello ΛCDM. La lettera "Λ" denota la presenza di una costante cosmologica che spiega l'espansione accelerata dell'universo. CDM significa che l'universo è pieno di materia oscura fredda. Studi recenti indicano che la costante di Hubble è di circa 71 (km / s) / Mpc, che corrisponde all'età dell'Universo di 13,75 miliardi di anni. Conoscendo l'età dell'universo, si può stimare la dimensione della sua area osservabile.
Evoluzione dell'universo
Secondo la teoria della relatività, le informazioni su qualsiasi oggetto non possono raggiungere l'osservatore con una velocità superiore a quella della luce (299792458 km / s). Si scopre che l'osservatore non vede solo un oggetto, ma il suo passato. Più l'oggetto è lontano da esso, più sembra lontano il passato. Ad esempio, guardando la Luna, vediamo com'era poco più di un secondo fa, il Sole - più di otto minuti fa, le stelle più vicine - anni, galassie - milioni di anni fa, ecc. Nel modello stazionario di Einstein, l'Universo non ha limiti di età, il che significa che anche la sua regione osservabile non è limitata da nulla. L'osservatore, armato di strumenti astronomici sempre più avanzati, osserverà oggetti sempre più lontani e antichi.
Abbiamo un'immagine diversa con il modello moderno dell'Universo. Secondo lei, l'Universo ha un'età, e quindi un limite di osservazione. Cioè, dalla nascita dell'Universo, nessun fotone avrebbe avuto il tempo di percorrere una distanza superiore a 13,75 miliardi di anni luce. Risulta che possiamo affermare che l'Universo osservabile è limitato dall'osservatore da una regione sferica con un raggio di 13,75 miliardi di anni luce. Tuttavia, questo non è del tutto vero. Non dimenticare l'espansione dello spazio dell'Universo. Fino a quando il fotone non raggiungerà l'osservatore, l'oggetto che lo ha emesso sarà da noi 45,7 miliardi di sv. Anni. Questa dimensione è l'orizzonte delle particelle ed è il confine dell'Universo osservabile.
Quindi, la dimensione dell'Universo osservabile è divisa in due tipi. Dimensione visibile, chiamata anche raggio di Hubble (13,75 miliardi di anni luce). E la dimensione reale, chiamata orizzonte delle particelle (45,7 miliardi di anni luce). Essenzialmente, entrambi questi orizzonti non caratterizzano affatto la dimensione reale dell'Universo. In primo luogo, dipendono dalla posizione dell'osservatore nello spazio. In secondo luogo, cambiano nel tempo. Nel caso del modello ΛCDM, l'orizzonte delle particelle si espande a una velocità maggiore dell'orizzonte di Hubble. Alla domanda se questa tendenza cambierà in futuro, la scienza moderna non dà una risposta. Ma se assumiamo che l'Universo continui ad espandersi con l'accelerazione, allora tutti quegli oggetti che vediamo ora, prima o poi, scompariranno dal nostro "campo visivo".
Al momento, la luce più distante osservata dagli astronomi è la radiazione di fondo a microonde. Guardandoci dentro, gli scienziati vedono l'Universo com'era 380 mila anni dopo il Big Bang. In questo momento, l'Universo si è raffreddato così tanto da essere in grado di emettere fotoni liberi, che vengono catturati oggi con l'aiuto dei radiotelescopi. A quei tempi non c'erano stelle o galassie nell'Universo, ma solo una solida nuvola di idrogeno, elio e una quantità insignificante di altri elementi. Dalle disomogeneità osservate in questa nuvola, si formeranno successivamente ammassi galattici. Risulta che esattamente quegli oggetti formati dalle disomogeneità della radiazione relitta si trovano più vicini all'orizzonte delle particelle.
Veri confini
Se l'universo ha confini veri e non osservabili è ancora oggetto di congetture pseudoscientifiche. In un modo o nell'altro, tutti convergono verso l'infinito dell'Universo, ma interpretano questo infinito in modi completamente diversi. Alcuni considerano l'Universo multidimensionale, dove il nostro Universo tridimensionale "locale" è solo uno dei suoi strati. Altri dicono che l'universo è frattale, il che significa che il nostro universo locale potrebbe essere una particella di un altro. Non dimenticare i vari modelli del Multiverso con i suoi universi chiusi, aperti, paralleli, wormhole. E ci sono molte, molte versioni differenti, il cui numero è limitato solo dall'immaginazione umana.
Ma se attiviamo il freddo realismo o semplicemente ci allontaniamo da tutte queste ipotesi, allora possiamo presumere che il nostro Universo sia un deposito omogeneo infinito di tutte le stelle e galassie. Inoltre, in qualsiasi punto molto distante, siano miliardi di gigaparsec da noi, tutte le condizioni saranno esattamente le stesse. A questo punto, ci sarà esattamente lo stesso orizzonte di particelle e la sfera di Hubble con la stessa radiazione reliquia al loro bordo. Ci saranno le stesse stelle e galassie in giro. È interessante notare che questo non contraddice l'espansione dell'universo. Dopo tutto, non è solo l'Universo che si sta espandendo, ma il suo stesso spazio. Il fatto che al momento del big bang l'Universo sia sorto da un punto indica solo che le dimensioni infinitamente piccole (praticamente zero) che erano allora si sono ora trasformate in inimmaginabilmente grandi. In quanto segue, utilizzeremo proprio questa ipotesi per assicurarloche comprendono chiaramente la scala dell'universo osservabile.
Rappresentazione visiva
Varie fonti forniscono tutti i tipi di modelli visivi che consentono alle persone di comprendere la scala dell'universo. Tuttavia, non è sufficiente per noi renderci conto di quanto sia grande il cosmo. È importante capire come si manifestano effettivamente concetti come l'orizzonte di Hubble e l'orizzonte delle particelle. Per fare questo, immaginiamo il nostro modello passo dopo passo.
Dimentichiamo che la scienza moderna non conosce la regione "straniera" dell'Universo. Scartando le versioni sul multiverso, l'Universo frattale e le sue altre "varietà", immagina che sia semplicemente infinito. Come notato in precedenza, ciò non contraddice l'espansione del suo spazio. Certo, teniamo conto del fatto che la sua sfera di Hubble e la sfera delle particelle sono rispettivamente pari a 13,75 e 45,7 miliardi di anni luce.
La scala dell'universo
Per cominciare, proviamo a renderci conto di quanto sia grande la scala universale. Se hai viaggiato attraverso il nostro pianeta, puoi ben immaginare quanto è grande la Terra per noi. Ora immaginiamo il nostro pianeta come un chicco di grano saraceno che orbita attorno a un sole-cocomero grande la metà di un campo di calcio. In questo caso, l'orbita di Nettuno corrisponderà alle dimensioni di una piccola città, la regione della nube di Oort alla Luna, la regione del confine dell'influenza del Sole su Marte. Si scopre che il nostro sistema solare è tanto più grande della Terra quanto Marte è più grande del grano saraceno! Ma questo è solo l'inizio.
Ora immaginiamo che questo grano saraceno sarà il nostro sistema, la cui dimensione è approssimativamente uguale a un parsec. Allora la Via Lattea avrà le dimensioni di due stadi di calcio. Tuttavia, anche questo non sarà sufficiente per noi. Dovremo ridurre la Via Lattea a un centimetro. Assomiglierà in qualche modo alla schiuma di caffè avvolta in un vortice nel mezzo dello spazio intergalattico nero caffè. A venti centimetri da esso c'è la stessa "briciola" a spirale: la Nebulosa di Andromeda. Attorno a loro ci sarà uno sciame di piccole galassie del nostro ammasso locale. La dimensione apparente del nostro universo sarà di 9,2 chilometri. Siamo giunti a una comprensione delle dimensioni universali all'interno della bolla universale
Tuttavia, non è sufficiente per noi capire la scala stessa. È importante comprendere le dinamiche dell'universo. Immaginiamoci come giganti per i quali la Via Lattea ha un diametro centimetrico. Come notato poc'anzi, ci troviamo all'interno di una sfera con un raggio di 4,57 e un diametro di 9,24 chilometri. Immaginiamo di poter librare all'interno di questa sfera, viaggiare, superando interi megaparsec in un secondo. Cosa vedremo se il nostro universo è infinito?
Naturalmente, davanti a noi ci sarà un numero infinito di tutti i tipi di galassie. Ellittica, spirale, irregolare. Alcune zone ne pulluleranno, altre saranno vuote. La caratteristica principale sarà che visivamente saranno tutti immobili mentre noi siamo immobili. Ma non appena facciamo un passo, le galassie stesse inizieranno a muoversi. Ad esempio, se siamo in grado di vedere il microscopico Sistema Solare al centimetro della Via Lattea, possiamo osservarne lo sviluppo. Spostandoci a 600 metri dalla nostra galassia, vedremo la protostella Sole e il disco protoplanetario al momento della formazione. Avvicinandoci, vedremo come appare la Terra, sorge la vita e appare l'uomo. Allo stesso modo, vedremo come cambiano e si muovono le galassie quando ci allontaniamo o ci avviciniamo.
Di conseguenza, più galassie distanti guardiamo, più antiche saranno per noi. Quindi le galassie più distanti si troveranno a più di 1300 metri da noi, e alla svolta di 1380 metri vedremo la radiazione reliquia. È vero, questa distanza sarà immaginaria per noi. Tuttavia, man mano che ci avviciniamo alla radiazione della reliquia, vedremo un'immagine interessante. Naturalmente, osserveremo come si formeranno e si svilupperanno le galassie dalla nube di idrogeno originale. Quando raggiungeremo una di queste galassie formate, capiremo di aver superato non 1.375 chilometri, ma tutti e 4.57.
Ridimensionamento
Di conseguenza, cresceremo ancora di più in termini di dimensioni. Ora possiamo mettere interi vuoti e muri nel pugno. Così ci troviamo in una bolla piuttosto piccola, dalla quale è impossibile uscire. Non solo la distanza dagli oggetti sul bordo della bolla aumenterà man mano che si avvicinano, ma il bordo stesso si sposterà all'infinito. Questo è l'intero punto della dimensione dell'universo osservabile.
Non importa quanto sia grande l'Universo, per l'osservatore rimarrà sempre una bolla limitata. L'osservatore sarà sempre al centro di questa bolla, infatti, è il suo centro. Cercando di raggiungere qualsiasi oggetto sul bordo della bolla, l'osservatore sposterà il suo centro. Man mano che si avvicina all'oggetto, questo si sposterà sempre di più dal bordo della bolla e allo stesso tempo cambierà. Ad esempio, da una nuvola di idrogeno informe si trasformerà in una galassia a tutti gli effetti o ulteriormente in un ammasso di galassie. Inoltre, il percorso verso questo oggetto aumenterà man mano che ti avvicini, poiché lo spazio circostante cambierà. Una volta arrivati a questo oggetto, lo spostiamo semplicemente dal bordo della bolla al suo centro. Ai margini dell'universo, anche la radiazione reliquia tremolerà.
Se presumiamo che l'Universo continuerà ad espandersi a un ritmo accelerato, quindi trovandosi al centro della bolla e avvolgendo il tempo per miliardi, trilioni e ordini anche più alti di anni a venire, noteremo un'immagine ancora più interessante. Sebbene anche la nostra bolla crescerà di dimensioni, i suoi componenti mutanti si allontaneranno da noi ancora più velocemente, lasciando il bordo di questa bolla, fino a quando ogni particella dell'Universo vaga sparsa nella sua bolla solitaria senza la capacità di interagire con altre particelle.
Quindi, la scienza moderna non ha informazioni su quali siano le reali dimensioni dell'Universo e se abbia dei confini. Ma sappiamo per certo che l'Universo osservabile ha un confine visibile e reale, chiamato rispettivamente raggio di Hubble (13,75 miliardi di anni luce) e raggio delle particelle (45,7 miliardi di anni luce). Questi confini dipendono completamente dalla posizione dell'osservatore nello spazio e si espandono nel tempo. Se il raggio di Hubble si espande strettamente alla velocità della luce, l'espansione dell'orizzonte delle particelle viene accelerata. La questione se la sua accelerazione dell'orizzonte delle particelle continuerà ulteriormente e se non cambierà in compressione rimane aperta.
