Non si può negare lo straordinario potere predittivo della teoria della gravità di Albert Einstein del 1915, la relatività generale, ma la teoria presenta ancora incoerenze quando si tratta di calcolare il suo effetto su grandi distanze. E una nuova ricerca suggerisce che queste incoerenze potrebbero essere il risultato di un “problema tecnico cosmico” nella gravità stessa.
La Teoria della Relatività
Nei 109 anni trascorsi dalla sua prima formulazione, la relatività generale è rimasta la nostra migliore descrizione della gravità su scala galattica; più e più volte, gli esperimenti hanno confermato la sua accuratezza. Questa teoria è stata utilizzata anche per prevedere aspetti dell’universo che sarebbero stati successivamente confermati dall’osservazione. Ciò include il Big Bang, l’esistenza dei buchi neri, la lente gravitazionale della luce e minuscole increspature nello spaziotempo chiamate onde gravitazionali.
Tuttavia, come la teoria newtoniana della gravità che ha superato, la relatività generale potrebbe non offrirci il quadro completo di questa forza enigmatica. “Questo modello di gravità è stato essenziale per tutto, dalla teorizzazione del Big Bang alla fotografia dei buchi neri“, ha detto in una nota Robin Wen del Mathematical Physics Orogram dell’Università di Waterloo. “Ma quando proviamo a comprendere la gravità su scala cosmica, su scala di ammassi di galassie e oltre, incontriamo apparenti incongruenze con le previsioni della relatività generale.”
Contraddizioni nella relatività
“La gravità diventa circa l’1% più debole quando si tratta di distanze nell’ordine di miliardi di anni luce“, ha detto Wen. “Chiamiamo questa incoerenza un ‘problema tecnico cosmico.’ È quasi come se la gravità stessa smettesse di corrispondere perfettamente alla teoria di Einstein.”
Il problema tecnico cosmico descritto dal team richiederebbe un’alterazione di un valore chiamato costante gravitazionale. Questa alterazione si verificherebbe quando i calcoli si avvicinano al “superorizzonte”, o alla distanza massima che la luce potrebbe aver percorso dall’origine dell’universo.
Questo aggiustamento può essere fatto, dice il team, aggiungendo una singola estensione al modello cosmologico standard. Questo modello è noto come modello lambda della materia oscura fredda. Una volta completato, l’emendamento dovrebbe chiarire le incoerenze nelle misurazioni su scala cosmologica senza influenzare gli attuali usi di successo della relatività generale.
Una teoria rivoluzionaria
La scoperta della relatività generale fu così rivoluzionaria perché, invece di descrivere la gravità come una forza misteriosa, postulò che la gravità nascesse dalla curvatura del tessuto stesso dello spazio e del tempo, uniti in un’unica entità chiamata “spaziotempo“. E questa curvatura, capì Einstein, è modellata da oggetti dotati di massa.
Immagina di posizionare palline di massa crescente su un foglio di gomma teso. Una pallina da tennis causerebbe una piccola ammaccatura, quasi impercettibile; una palla da cricket creerebbe un’ammaccatura più pronunciata; e una palla da bowling stimolerebbe un’enorme curva che probabilmente attirerebbe verso di sé qualsiasi altra cosa sul foglio. È lo stesso concetto con gli oggetti nello spazio, sebbene la curvatura dello spaziotempo esista in quattro dimensioni, quindi ci sono alcune differenze fondamentali. Tuttavia, le lune hanno meno massa dei pianeti, i pianeti meno delle stelle e le stelle meno delle galassie, quindi l’influenza gravitazionale di questi corpi celesti aumenta rispettivamente.
La teoria della gravità di Einstein era come un successore della teoria newtoniana, anche se quest’ultima funziona ancora abbastanza bene su scala terrestre ed è abbastanza precisa da mandare razzi sulla Luna. Tuttavia, la teoria di Einstein poteva spiegare cose che quella di Newton non era in grado di spiegare, come la strana orbita di Mercurio attorno al sole.
Newton non aveva esattamente torto riguardo alla gravità: semplicemente non aveva ragione su scale di pianeti, stelle e galassie.
Gli astronomi pensano che l’espansione dell’universo sia regolata sia dalla forza di gravità, sia da una misteriosa energia oscura. Nella concezione di questo artista, l’energia oscura è rappresentata dalla griglia viola in alto e la gravità dalla griglia verde in basso.
Ma la relatività generale è sbagliata?
Come teoria, è stata troppo accurata nel prevedere aspetti dell’universo che non conoscevamo. Ad esempio, la prima immagine di un buco nero catturata dall’Event Horizon Telescope è stata rivelata al pubblico nell’aprile 2019. Questa immagine è stata piuttosto scioccante a causa di quanto l’aspetto del buco nero supermassiccio M87* assomigliasse alle previsioni della relatività generale.
Tuttavia, gli scienziati sono consapevoli che ci sono alcuni problemi con la relatività generale che potrebbero richiedere la sua eventuale revisione. Ad esempio, la teoria non si unisce alla meccanica quantistica; la migliore descrizione che abbiamo della fisica su livelli fondamentali più piccoli dell’atomo. Ciò è dovuto principalmente al fatto che attualmente non esiste una teoria quantistica per descrivere la gravità .
Sembra quindi che, a un certo punto, gli aggiustamenti alla relatività generale per “estendere” la sua portata alle scale più piccole dell’universo – e secondo questo team, alle scale più vaste – sembrino inevitabili.
Per decenni, i ricercatori hanno tentato di creare un modello matematico che aiutasse la relatività generale a superare le sue incongruenze, e i matematici applicati e gli astrofisici dell’Università di Waterloo sono stati profondamente impegnati in questa ricerca.
Se l’idea di rivedere la relatività generale sembra equivalente a un’eresia, considera che questa non sarebbe la prima volta che le teorie ad essa correlate dovrebbero essere modificate.
Poco dopo che Einstein introdusse per la prima volta la teoria, lui e altri la ampliarono per sviluppare un’equazione per descrivere lo stato dell’universo. Come risultato della relatività generale, questa equazione prevedeva che l’universo avrebbe dovuto cambiare. Il problema era che all’epoca il consenso scientifico affermava che l’universo era statico. E, sebbene Einstein non fosse estraneo a gettare lo status quo nel flusso, si trovò d’accordo con questo quadro cosmico immutabile.
Un “fattore di confusione”
Per garantire che la relatività generale prevedesse un universo statico, Einstein aggiunse un “fattore di confusione” che in seguito descrisse come il suo “più grande errore“. Questo è noto come costante cosmologica ed è rappresentato dalla lettera greca lambda. La costante sarebbe stata rimossa dal pensiero quando Edwin Hubble convinse Einstein che l’universo non è statico. Si sta espandendo, ha sostenuto. E per quanto ne sappiamo oggi, Hubble aveva effettivamente ragione.
Lambda, tuttavia, sarebbe effettivamente tornato alla ribalta. Inizierebbe a svolgere una funzione diversa alla fine del XX secolo, quando gli astronomi scoprirono che non solo l’ universo si sta espandendo, ma lo sta facendo a un ritmo accelerato.
“Quasi un secolo fa, gli astronomi hanno scoperto che il nostro universo si sta espandendo“, ha detto nella dichiarazione Niayesh Afsharid, professore di astrofisica dell’Università di Waterloo e ricercatore presso il Perimeter Institute. “Più le galassie sono lontane, più velocemente si muovono, al punto che sembrano muoversi quasi alla velocità della luce, il massimo consentito dalla teoria di Einstein. La nostra scoperta suggerisce che, proprio su quelle scale, la teoria di Einstein può anche essere insufficiente.”
Il suggerimento dei ricercatori
Il suggerimento del team dell’Università di Waterloo di un “problema tecnico cosmico” modifica la gravità a grandi distanze ed estende le formule matematiche di Einstein per affrontare questo problema senza “rovesciare” la teoria.
“Pensalo come una nota a piè di pagina della teoria di Einstein“, ha detto Wen. “Una volta raggiunta una scala cosmica, si applicano termini e condizioni.”
I ricercatori dietro questa teoria del glitch cosmico suggeriscono che le future osservazioni della struttura su larga scala dell’universo e di un campo di radiazione “fossile” universale chiamato fondo cosmico a microonde (CMB) da un evento avvenuto poco dopo il Big Bang potrebbero far luce sulla questione se un problema di gravità cosmica sia responsabile delle attuali ” tensioni cosmiche“.
Ciò potrebbe includere il motivo per cui la teoria quantistica dà un valore per lambda che è un fattore sbalorditivo di 10¹²¹ (10 seguito da 120 zeri) maggiore di quello che le osservazioni astronomiche sembrano mostrare.
“Questo nuovo modello potrebbe essere solo il primo indizio di un puzzle cosmico che stiamo iniziando a risolvere attraverso lo spazio e il tempo“, ha concluso Afshordi.