Universo primordiale: violazione del principio di conservazione dell’energia e Energia Oscura

Piccole violazioni al principio di conservazione dell'energia nell'universo primordiale potrebbero essere alla base degli attualmente inspiegabili scostamenti dal valore previsto della costante cosmologica

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I fisici Thibaut Josset e Alejandro Perez dell’Università di Aix-Marseille, Francia, e Daniel Sudarsky, dell’Università Nazionale Autonoma del Messico, in uno studio pubblicato su Physical Review Letters, hanno proposto che le violazioni del principio di conservazione dell’energia nell’universo primordiale, come previsto da alcune teorie modificate di meccanica quantistica e gravità quantistica, potrebbero spiegare il problema della costante cosmologica.

Il principale risultato del lavoro è stato vedere la relazione inattesa tra due aspetti apparentemente molto diversi, vale a dire l’espansione accelerata dell’universo e la fisica microscopica“, ha detto Josset. “Questo offre uno sguardo nuovo al problema della costante cosmologica, che è ancora lontano dall’essere risolto.”

Einstein originariamente aveva proposto il concetto di costante cosmologica nel 1917 per modificare la sua teoria della relatività generale, al fine di evitare che l’universo si espandesse, dato che in quel momento l’universo era considerato statico.
Ora che le osservazioni moderne dimostrano che l’universo si sta espandendo ad un ritmo accelerato, la costante cosmologica può essere pensata come la forma più semplice di energia oscura, offrendo un modo per tenere conto delle osservazioni attuali.

Tuttavia, c’è un enorme discrepanza, fino a 120 ordini di grandezza, tra il grande valore teorico previsto della costante cosmologica e il piccolo valore osservato. Per spiegare questo discrepanza, alcune ricerche hanno suggerito che la costante cosmologica può essere una costante completamente nuova della natura che deve essere misurata più precisamente, mentre un’altra possibilità è che il meccanismo sottostante assunto dalla teoria sia corretto. Il nuovo studio rientra nella seconda linea di pensiero, il che suggerisce che gli scienziati ancora non comprendono appieno le cause alla radice del problema della costante cosmologica.

L’idea da cui parte il nuovo studio è che le violazioni della conservazione di energia nell’universo primordiale potrebbero essere state così piccole da avere avuto effetti trascurabili su scala locale, senza, inoltre, essere rilevabili all’osservazione moderna, ma che, allo stesso tempo, queste violazioni potrebbero aver dato un contributo significativo al valore attuale della costante cosmologica.

Per la maggior parte delle persone, l’idea che il principio di conservazione dell’energia possa essere violato va contro tutto ciò che hanno imparato sulle leggi fondamentali della fisica, ma su scala cosmologica, la legge della conservazione di energia non è così salda quanto lo è su scale più piccole. In questo studio, i fisici hanno analizzato specificamente due teorie in cui naturalmente si verificano violazioni della conservazione dell’energia.

Il primo scenario di violazione comporta modifiche alla teoria dei quanti che sono state precedentemente proposte per indagare fenomeni quali la creazione e l’evaporazione dei buchi neri, e che appaiono anche in interpretazioni della meccanica quantistica in cui la funzione d’onda subisce un collasso spontaneo. In questi casi, l’energia viene creata in una quantità che è proporzionale alla massa dell’oggetto collassato.

Violazioni della conservazione dell’energia derivano anche da approcci alla gravità quantistica in cui lo spazio-tempo è considerato essere granulare a causa del limite fondamentale della lunghezza (lunghezza di Planck, che è dell’ordine di 10^-35 m). Questo spazio-tempo discretizzato avrebbe potuto portare ad un aumento o una diminuzione di energia che potrebbe aver contribuito alla costante cosmologica di partenza quando i fotoni si sono disaccoppiati dagli elettroni nell’universo primordiale, durante il periodo noto come ricombinazione.

Come spiegano i ricercatori, la loro proposta si basa su una modifica alla relatività generale detta gravità unimodulare, proposta per primo da Einstein nel 1919.
Energia da componenti di materia può essere ceduta al campo gravitazionale, e questa ‘perdita di energia’ si comporterà come una costante cosmologica – non sarà diluita nell’espansione dell’universo“, ha detto Josset. “Quindi una piccola perdita o la creazione di energia nel passato remoto possono avere conseguenze significative oggi, su larga scala.”

Qualunque sia la fonte della violazione di conservazione dell’energia, l’importante risultato è che l’energia che è stata creata o persa ha influenzato la costante cosmologica in misura sempre maggiore col passare del tempo, mentre gli effetti sulla materia diminuiscono nel tempo a causa dell’espansione dell’universo.

Un’altra possibilità, come spiegano i fisici nel loro articolo, è che la costante cosmologica può essere pensata come un record della non conservazione dell’energia durante la storia dell’universo.

Attualmente non esiste un modo per dire se queste violazioni abbiano veramente influenzato la costante cosmologica, ma i fisici intendono studiare ulteriormente la possibilità in futuro.
La nostra proposta è molto generale e qualsiasi violazione del principio di conservazione dell’energia dovrebbe contribuire a un’efficace costante cosmologica“, ha detto Josset. “Questo potrebbe consentire di impostare nuovi vincoli sui modelli fenomenologici oltre il modello standard della meccanica quantistica.
D’altra parte, la prova diretta che l’energia oscura provenga dalla non conservazione dell’energia sembra in gran parte fuori portata, come l’accesso al valore di lambda [la costante cosmologica] attuale, e i vincoli sulla sua evoluzione solo al momento in ritardo“.

“Dark Energy from Violation of Energy Conservation” Phys. Rev. Lett. 118, 021102 – Published 11 January 2017