Forse risolto il problema della costante cosmologica

Da oltre un secolo i fisici sono afflitti dal problema della costante cosmologica.

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Forse risolto il problema della costante cosmologica

In fisica esiste un grande problema nel cercare di collegare il mondo subatomico della meccanica quantistica con il mondo macroscopico della teoria della relatività di Albert Einstein. Questo problema si chiama “costante cosmologica”.

La differenza tra il valore osservato di questa costante e ciò che la teoria prevede è considerata la peggiore previsione nella storia della fisica. Uno degli obiettivi importanti della fisica teorica è risolvere questa discrepanza.

Lucas Lombriser, assistente professore di fisica teorica all’Università di Ginevra, in Svizzera, ha introdotto un nuovo modo di valutare le equazioni sulla gravità di Albert Einstein per trovare un valore per la costante cosmologica che corrisponda al suo valore osservato. Ha pubblicato il suo metodo il 10 ottobre scorso nella rivista Physics Letters B.

Albert Einstein, oltre un secolo fa, presentò una serie di equazioni, chiamate oggi “equazioni di campo di Einstein”, che divennero il quadro della sua teoria della relatività generale.

Le equazioni di campo spiegano come la materia e l’energia deformino il tessuto spazio-temporale creando quella forza che ci tiene legati alla Terra e che tiene legata la Terra al Sole, la gravità.

Oltre un secolo fa, quasi tutti gli scienziati erano concordi sull’idea che l’universo fosse statico e le sue dimensioni non mutassero con il passare del tempo, si riteneva che le galassie che componevano il cosmo fossero stabilmente posizionate a distanze immutabili le une dalle altre.

Ma la teoria della relatività, una volta applicata, prevedeva un universo instabile che poteva espandersi o contrarsi in un punto infinitesimale. Einstein, che reputava l’universo statico, immobile e immutabile inserì nell’equazione un termine che  consentiva all’universo di rimanere statico, quel termine era la costante cosmologica.

Dieci anni dopo, Edwin Hubble, un astronomo, fece una scoperta che minava alla base il concetto di universo immutabile. Hubble, misurando la luce proveniente dalle galassie, si accorse che quasi tutte erano in allontanamento essendo la luce stessa “spostata” verso il rosso e solo in alcuni casi spostata verso l’azzurro.

Questo significava solo una cosa, che praticamente tutte le galassie si stavano allontanando le une dalle altre, e più lontano si osservava, più alta era la velocità di allontanamento della galassia osservata.

Il lavoro di Hubble persuase Einstein ad abbandonare la sua costante cosmologica, ora non più necessaria a spiegare la staticità dell’universo, perché dati alla mano, l’universo si espandeva, come prevedeva una applicazione della teoria della relatività. Einstein in seguito confessò che l’introduzione della costante cosmologica fu forse il suo più grande errore.

Molti decenni dopo, nel 1998, misurazioni effettuate su supernove distanti hanno mostrato che non solo l’universo si sta espandendo, ma lo fa in maniera accelerata. Le galassie si allontanano l’una dall’altra in accelerazione come se una forza di qualche tipo agisse sul tessuto dello spazio tempo. I fisici attribuiscono la causa di questo fenomeno a una non meglio identificata energia insita nel tessuto spazio temporale chiamata energia oscura.

Ironia della sorte volle che i fisici furono cosi costretti a reintrodurre la costante cosmologica nelle equazioni di campo di Einstein per spiegare questa misteriosa forza che provoca l’espansione accelerata dell’universo.

Nell’attuale modello standard di cosmologia, noto come MCDM (Lambda CDM), la costante cosmologica è intercambiabile con l’energia oscura.

Gli astronomi hanno stimato il suo valore in base alle osservazioni di supernove e fluttuazioni distanti nel fondo cosmico a microonde calcolando un valore “s” assurdamente basso (nell’ordine di 10 ^ -52 per metro quadrato), sulla scala dell’universo però, questo valore è abbastanza significativo da spiegare l’espansione accelerata del tessuto spazio temporale.

La costante cosmologica [o energia oscura] attualmente costituisce circa il 70% del contenuto energetico nel nostro universo, che è ciò che possiamo dedurre dall’espansione accelerata osservata che il nostro universo sta attualmente subendo. Tuttavia questa costante non è compresa“, ha detto Lombriser. “I tentativi di spiegarla sono falliti e sembra esserci qualcosa di fondamentale che ci manca nel modo in cui comprendiamo il cosmo. Svelare questo enigma è una delle principali aree di ricerca della fisica moderna. Si prevede generalmente che risolvere il problema possa portare a una comprensione più fondamentale della fisica“.

I fisici pensano che la costante cosmologica non sia altro che l’energia del vuoto, che come afferma la teoria dei campi quantistici, ampiamente sperimentata, produce particelle e antiparticelle virtuali che si annichilano in fotoni virtuali, quindi anche il vuoto contiene energia.

Il problema nasce quando i fisici tentano di calcolare il suo contributo alla costante cosmologica. Il loro risultato differisce dalle osservazioni di un fattore sbalorditivo di 10 ^ 121 (che è 10 seguito da 120 zero), la più grande discrepanza tra teoria ed esperimento in tutta la fisica .

La discrepanza osservata ha seminato il dubbio in alcuni fisici che hanno iniziato a cercare modelli alternativi alle equazioni della gravità di Einstein. Ma i modelli del geniale fisico reggono e sono stati confermati anche dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) che ha raccolto importanti dati sulle onde gravitazionali.

Questo ha portato Lombriser a cercare la soluzione senza ripensare la gravità, ma adottando un approccio diverso per risolvere questo enigma. “Il meccanismo che propongo non modifica le equazioni di campo di Einstein“, ha detto Lombriser. Invece “aggiunge un’equazione aggiuntiva in cima alle equazioni di campo di Einstein“.

La costante gravitazionale, che è stata inizialmente utilizzata nelle leggi di gravità di Isaac Newton e ora parte essenziale delle equazioni di campo di Einstein, descrive l’entità della forza gravitazionale tra gli oggetti. È considerata una delle costanti fondamentali della fisica. Lombriser ha assunto l’ipotesi drammatica che questa costante possa cambiare assumendo valori diversi con il passare del tempo.

Nella modifica della relatività generale di Lombriser, la costante gravitazionale rimane la stessa all’interno del nostro universo osservabile ma può variare al di là di esso. Suggerisce uno scenario chiamato “multiverso” in cui potrebbero esserci zone dell’universo invisibili a noi che assumono valori diversi per le costanti fondamentali.

Questa variazione di gravità ha dato a Lombriser un’equazione aggiuntiva che mette in relazione la costante cosmologica con la somma media della materia attraverso lo spazio-tempo.

Dopo aver rappresentato la massa stimata di tutte le galassie, le stelle e la materia oscura dell’universo, ha potuto risolvere questa nuova equazione ottenendo un nuovo valore per la costante cosmologica – un valore che concorda strettamente con le osservazioni.

Usando un nuovo parametro, ΩΛ (omega lambda), che esprime la frazione dell’universo fatto di materia oscura, ha scoperto che l’universo è costituito da circa il 74% di energia oscura. Questo numero corrisponde da vicino al valore del 68,5% stimato dalle osservazioni, un enorme miglioramento rispetto all’enorme disparità riscontrata dalla teoria dei campi quantistici.

Sebbene la struttura di Lombriser possa risolvere il problema della costante cosmologica, attualmente non c’è modo di testarla. Ma in futuro, se gli esperimenti di altre teorie confermeranno le sue equazioni, ciò potrebbe significare un grande balzo nella nostra comprensione dell’energia oscura e fornire uno strumento per risolvere altri misteri cosmici.

Fonte: Live Science