Dalla fine degli anni 1920, gli astronomi sono stati consapevoli del fatto che l'Universo è in uno stato di espansione. Inizialmente previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein, questa realizzazione ha continuato a informare il modello cosmologico più ampiamente accettato: la teoria del Big Bang. Tuttavia, le cose sono diventate un po 'confuse durante gli anni '90, quando le migliori osservazioni hanno mostrato che il tasso di espansione dell'Universo sta accelerando da miliardi di anni.
Ciò portò alla teoria dell'Energia Oscura, una misteriosa forza invisibile che sta guidando l'espansione del cosmo. Proprio come la materia oscura che spiegava la "massa mancante", divenne allora necessario trovare questa energia sfuggente, o almeno fornire un quadro teorico coerente per essa. Un nuovo studio dell'Università della British Columbia (UBC) cerca di fare proprio questo postulando l'Universo che si sta espandendo a causa delle fluttuazioni nello spazio e nel tempo.
Lo studio - che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Revisione fisica D - è stato guidato da Qingdi Wang, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della UBC. Sotto la supervisione del professor William Unruh della UBC (l'uomo che ha proposto l'effetto Unruh) e con l'assistenza di Zhen Zhu (un altro studente di dottorato alla UBC), forniscono una nuova interpretazione di Dark Energy.
Il team ha iniziato affrontando le incoerenze derivanti dalle due principali teorie che insieme spiegano tutti i fenomeni naturali nell'Universo. Queste teorie non sono altro che la Relatività Generale e la meccanica quantistica, che spiegano efficacemente come l'Universo si comporta sulla più grande delle scale (cioè stelle, galassie, ammassi) e la più piccola (particelle subatomiche).
Sfortunatamente, queste due teorie non sono coerenti quando si tratta di una piccola questione nota come gravità, che gli scienziati non sono ancora in grado di spiegare in termini di meccanica quantistica. L'esistenza di energia oscura e l'espansione dell'Universo sono un altro punto di disaccordo. Tanto per cominciare, le teorie dei candidati come l'energia del vuoto - che è una delle spiegazioni più popolari di Dark Energy - presentano incongruenze serie.
Secondo la meccanica quantistica, l'energia del vuoto avrebbe una densità di energia incredibilmente grande. Ma se questo è vero, la Relatività Generale prevede che questa energia avrebbe un effetto gravitazionale incredibilmente forte, uno che sarebbe abbastanza potente da far esplodere le dimensioni dell'Universo. Come il Prof. Unruh ha condiviso con Space Magazine via e-mail:
“Il problema è che qualsiasi calcolo ingenuo dell'energia del vuoto fornisce valori enormi. Se si presume che ci sia una sorta di taglio, quindi non si possono ottenere densità di energia molto maggiori della densità di energia di Planck (o circa 1095 Joule / metro³) quindi si rileva che si ottiene una costante di Hubble - la scala temporale su cui l'Universo raddoppia di dimensioni - dell'ordine di 10-44 sec. Quindi, il solito approccio è quello di dire che in qualche modo qualcosa lo riduce in modo da ottenere invece il tasso di espansione effettivo di circa 10 miliardi di anni. Ma quel "in qualche modo" è piuttosto misterioso e nessuno ha escogitato un meccanismo nemmeno mezzo convincente ".
Mentre altri scienziati hanno cercato di modificare le teorie della relatività generale e della meccanica quantistica per risolvere queste incoerenze, Wang e i suoi colleghi hanno cercato un approccio diverso. Come Wang ha spiegato a Space Magazine via e-mail:
“Studi precedenti stanno cercando di modificare la meccanica quantistica in qualche modo per ridurre l'energia del vuoto o di modificare la relatività generale in qualche modo per rendere la gravità insensibile per l'energia del vuoto. Tuttavia, la meccanica quantistica e la relatività generale sono le due teorie di maggior successo che spiegano come funziona il nostro universo ... Invece di cercare di modificare la meccanica quantistica o la relatività generale, crediamo che dovremmo prima capirli meglio. Prendiamo sul serio la grande densità di energia del vuoto prevista dalla meccanica quantistica e li lasciamo semplicemente gravitare secondo la Relatività Generale senza modificare nessuno dei due. "
Per motivi di studio, Wang e i suoi colleghi hanno eseguito nuovi set di calcoli sull'energia del vuoto che hanno tenuto conto della sua elevata densità energetica prevista. Hanno quindi considerato la possibilità che sulla più piccola delle scale - miliardi di volte più piccola degli elettroni - il tessuto dello spaziotempo sia soggetto a fluttuazioni selvagge, oscillando in ogni punto tra espansione e contrazione.
Mentre oscilla avanti e indietro, il risultato di queste oscillazioni è un effetto netto in cui l'Universo si espande lentamente, ma a una velocità accelerata. Dopo aver eseguito i loro calcoli, hanno notato che tale spiegazione era coerente sia con l'esistenza della densità di energia del vuoto quantistica sia con la relatività generale. Inoltre, è anche coerente con ciò che gli scienziati hanno osservato nel nostro Universo per quasi un secolo. Come descritto da Unruh:
“I nostri calcoli hanno mostrato che si potrebbe costantemente considerare [che] l'Universo sulle scale più piccole si sta effettivamente espandendo e contraendo a un ritmo assurdamente veloce; ma che su larga scala, a causa di una media su quelle minuscole scale, la fisica non si accorgerebbe di quella "schiuma quantica". Ha un piccolo effetto residuo nel dare un'efficace costante cosmologica (effetto di tipo energia oscura). In un certo senso è come le onde dell'oceano che viaggiano come se l'oceano fosse perfettamente liscio, ma in realtà sappiamo che esiste questa incredibile danza degli atomi che compongono l'acqua, e le onde sono in media su quelle fluttuazioni e si comportano come se il la superficie era liscia. "
Contrariamente alle teorie contrastanti di un Universo in cui le varie forze che lo governano non possono essere risolte e devono annullarsi a vicenda, Wang e i suoi colleghi presentano un quadro in cui l'Universo è costantemente in movimento. In questo scenario, gli effetti dell'energia del vuoto sono in realtà auto-annullanti e provocano anche l'espansione e l'accelerazione che abbiamo osservato per tutto questo tempo.
Anche se potrebbe essere troppo presto per dirlo, questa immagine di un Universo che è altamente dinamica (anche sulle scale più piccole) potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione dello spaziotempo. Per lo meno, questi risultati teorici stimolano sicuramente il dibattito all'interno della comunità scientifica, così come esperimenti progettati per offrire prove dirette. E questo, come sappiamo, è l'unico modo in cui possiamo far progredire la nostra comprensione di questa cosa conosciuta come l'Universo.
