C'è un problema fondamentale in fisica.
Un singolo numero, chiamato costante cosmologica, collega il mondo microscopico della meccanica quantistica e il mondo macroscopico della teoria della relatività generale di Einstein. Ma nessuna teoria può concordare sul suo valore.
In effetti, esiste una differenza così grande tra il valore osservato di questa costante e ciò che la teoria prevede che sia ampiamente considerata la peggiore previsione nella storia della fisica. Risolvere la discrepanza potrebbe essere l'obiettivo più importante della fisica teorica in questo secolo.
Lucas Lombriser, assistente professore di fisica teorica all'Università di Ginevra in Svizzera, ha introdotto un nuovo modo di valutare le equazioni di gravità di Albert Einstein per trovare un valore per la costante cosmologica che corrisponda strettamente al suo valore osservato. Ha pubblicato il suo metodo online nel numero del 10 ottobre della rivista Physics Letters B.
Come il più grande errore di Einstein è diventato energia oscura
La storia della costante cosmologica è iniziata più di un secolo fa quando Einstein presentò una serie di equazioni, ora conosciute come equazioni di campo di Einstein, che divennero il quadro della sua teoria della relatività generale. Le equazioni spiegano come la materia e l'energia deformino il tessuto dello spazio e del tempo per creare la forza di gravità. All'epoca, sia Einstein che gli astronomi erano d'accordo sul fatto che l'universo fosse di dimensioni fisse e che lo spazio complessivo tra le galassie non fosse cambiato. Tuttavia, quando Einstein applicò la relatività generale all'universo nel suo insieme, la sua teoria predisse un universo instabile che si sarebbe espanso o contratto. Per forzare l'universo a essere statico, Einstein ha puntato sulla costante cosmologica.
Quasi un decennio dopo, un altro fisico, Edwin Hubble, scoprì che il nostro universo non è statico, ma in espansione. La luce proveniente da galassie lontane mostrava che si stavano allontanando l'una dall'altra. Questa rivelazione persuase Einstein ad abbandonare la costante cosmologica dalle sue equazioni di campo poiché non era più necessario spiegare un universo in espansione. Secondo la tradizione della fisica, Einstein in seguito confessò che la sua introduzione alla costante cosmologica era forse il suo più grande errore.
Nel 1998, le osservazioni di supernove lontane hanno mostrato che l'universo non si stava solo espandendo, ma l'espansione stava accelerando. Le galassie si stavano accelerando l'una dall'altra come se una forza sconosciuta stesse superando la gravità e allontanando quelle galassie. I fisici hanno chiamato questo enigmatico fenomeno energia oscura, poiché la sua vera natura rimane un mistero.
In una svolta ironica, i fisici hanno nuovamente reintrodotto la costante cosmologica nelle equazioni di campo di Einstein per spiegare l'energia oscura. Nell'attuale modello standard di cosmologia, noto come MCDM (Lambda CDM), la costante cosmologica è intercambiabile con l'energia oscura. Gli astronomi hanno persino stimato il suo valore in base alle osservazioni di supernove e fluttuazioni distanti nel fondo cosmico a microonde. Sebbene il valore sia assurdamente piccolo (nell'ordine di 10 ^ -52 per metro quadrato), sulla scala dell'universo, è abbastanza significativo da spiegare l'espansione accelerata dello spazio.
"La costante cosmologica 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. Eppure questa costante non è compresa", ha detto Lombriser. "I tentativi di spiegarlo 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 ".
La peggiore previsione teorica nella storia della fisica
Si ritiene che la costante cosmologica rappresenti ciò che i fisici chiamano "energia del vuoto". La teoria dei campi quantistici afferma che anche in un vuoto di spazio completamente vuoto, le particelle virtuali saltano dentro e fuori dall'esistenza e creano energia - un'idea apparentemente assurda, ma che è stata osservata sperimentalmente. Il problema sorge 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.
Una tale disparità ha fatto dubitare alcuni fisici delle equazioni di gravità originali di Einstein; alcuni hanno persino suggerito modelli alternativi di gravità. Tuttavia, ulteriori prove delle onde gravitazionali da parte del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno solo rafforzato la relatività generale e respinto molte di queste teorie alternative. Ecco perché, invece di ripensare la gravità, Lombriser ha adottato un approccio diverso per risolvere questo enigma cosmico.
"Il meccanismo che propongo non modifica le equazioni di campo di Einstein", ha detto Lombriser. Invece "aggiunge un'ulteriore equazione 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 una 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, eternamente invariata dall'inizio dell'universo. Lombriser ha assunto l'ipotesi drammatica che questa costante possa cambiare.
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 multiverso in cui potrebbero esserci zone dell'universo invisibili a noi che hanno 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 quella nuova equazione per ottenere un nuovo valore per la costante cosmologica - una 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 testarlo. 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.
