Alla ricerca della teoria della gravità: le alternative alla Relatività di Einstein

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Nel vasto campo della fisica teorica, poche teorie hanno rivoluzionato il nostro modo di comprendere l’universo tanto quanto la teoria della relatività generale di Albert Einstein. Da più di un secolo, questa teoria ha regnato incontrastata come la nostra migliore descrizione della gravità. Tuttavia, nonostante il suo straordinario successo, la relatività generale non è immune da sfide e misteri irrisolti.

Indice

I fondamenti della Relatività Generale

Prima di addentrarci nelle alternative alla relatività generale, è essenziale comprendere le fondamenta di questa teoria. Albert Einstein presentò la sua teoria della relatività generale nel 1915, e da allora essa ha dimostrato una precisione straordinaria nella previsione di numerosi fenomeni gravitazionali. La sua principale intuizione fu quella di concepire la gravità non come una forza istantanea che agisce a distanza, ma piuttosto come la curvatura dello spazio-tempo causata dalla presenza di materia ed energia. Questo approccio ha previsto con successo fenomeni come la precessione dell’orbita di Mercurio e l’esistenza delle onde gravitazionali.

Sfide teoriche: singolarità e incompatibilità Quantistica

Nonostante il suo successo, la relatività generale presenta alcune sfide teoriche significative. Una di queste è la predizione di singolarità, punti in cui le equazioni della teoria esplodono in infinito. Queste singolarità si trovano, ad esempio, al centro dei buchi neri e alla nascita del Big Bang. In questi contesti estremi, la relatività generale sembra perdere validità, segnalando la necessità di una teoria più fondamentale.

Un’altra sfida importante è la sua incompatibilità con la teoria quantistica, che governa il comportamento della materia e delle forze a scala subatomica. La relatività generale e la teoria quantistica sono due dei pilastri della fisica moderna, ma finora non è stato trovato un modo convincente per unificarli in una teoria coerente, una teoria del tutto.

Il ruolo della meccanica quantistica

La meccanica quantistica è una teoria straordinariamente efficace che descrive il comportamento della materia e delle particelle subatomiche. Essa si basa su principi fondamentali come il principio di indeterminazione di Heisenberg e la dualità onda-particella. Tuttavia, quando si cerca di applicare la meccanica quantistica alla gravità, emergono difficoltà concettuali.

In particolare, la meccanica quantistica ci dice che le particelle non dovrebbero essere trattate come punti, ma come onde. A piccole scale, le particelle si comportano come onde di materia, un concetto che entra in conflitto con l’immagine tradizionale della gravità come una curvatura dello spazio-tempo causata da masse puntiformi.

La ricerca di una teoria unificata

La ricerca di una teoria unificata della gravità che concili la relatività generale e la meccanica quantistica è uno dei principali obiettivi della fisica teorica moderna. Tale teoria dovrebbe essere in grado di descrivere con successo i fenomeni gravitazionali sia a livello cosmico che subatomico, superando le attuali limitazioni della relatività generale.

Un’idea comune è che questa teoria unificata dovrebbe emergere naturalmente dalla fusione di questi due pilastri della fisica, risolvendo le singolarità gravitazionali e spiegando fenomeni ancora inspiegati come la materia oscura e l’energia oscura.

Problemi cosmologici: il modello ΛCDM

Un secolo di ricerca ci ha fornito il modello standard della cosmologia noto come modello Λ-Cold Dark Matter (ΛCDM). Qui, Λ sta per la famosa costante cosmologica di Einstein o per una misteriosa energia oscura con proprietà simili.

L’energia oscura è stata introdotta ad hoc dagli astronomi per spiegare l’accelerazione dell’espansione cosmica. Nonostante fino a poco tempo fa si adattasse molto bene ai dati cosmologici, il modello ΛCDM è spettacolarmente incompleto e insoddisfacente dal punto di vista teorico.

Negli ultimi cinque anni ha dovuto affrontare anche gravi tensioni in termini di osservazione. La costante di Hubble, che determina l’età e la scala delle distanze nell’universo, può essere misurata nell’universo primordiale utilizzando il fondo cosmico a microonde e nell’universo tardo utilizzando le supernova come candele standard.

Queste due misurazioni danno risultati incompatibili. Ancora più importante, la natura degli ingredienti principali del modello ΛCDM – energia oscura, materia oscura e il campo che guida l’inflazione iniziale dell’universo (un periodo molto breve di espansione estremamente rapida che dà origine ai semi delle galassie e degli ammassi di galassie) – rimane un mistero.

Dal punto di vista dell’osservazione, la motivazione più convincente per la gravità modificata è l’accelerazione dell’universo scoperta nel 1998 con le supernovae di tipo Ia, la cui luminosità è attenuata da questa accelerazione. Il modello ΛCDM basato sulla relatività generale postula un’energia oscura estremamente esotica con una pressione negativa che permea l’universo.

Le supernovae di tipo Ia furono scoperte nel 1998 e rivelarono di più sulla velocità dell'accelerazione dell'universo
Le supernovae di tipo Ia furono scoperte nel 1998 e rivelarono di più sulla velocità dell’accelerazione dell’universo. (Sloan Digital Sky Survey/NASA)

Il problema è che questa energia oscura non ha alcuna giustificazione fisica. La sua natura è completamente sconosciuta, anche se sono stati proposti numerosi modelli. L’alternativa proposta all’energia oscura è una costante cosmologica Λ che, secondo i calcoli quanto-meccanici (ma discutibili), dovrebbe essere enorme.

Tuttavia, Λ deve invece essere incredibilmente preciso su un valore minuscolo per adattarsi alle osservazioni cosmologiche. Se l’energia oscura esiste, la nostra ignoranza della sua natura è profondamente preoccupante.

Alternative alla teoria di Einstein

Potrebbe darsi che i problemi nascano, invece, dal tentativo errato di adattare le osservazioni cosmologiche alla relatività generale, come far indossare a una persona un paio di pantaloni troppo piccoli? Che stiamo osservando le prime deviazioni dalla relatività generale mentre la misteriosa energia oscura semplicemente non esiste?

Questa idea, proposta per la prima volta da ricercatori dell’Università di Napoli, ha guadagnato un’enorme popolarità mentre il campo contendente dell’energia oscura rimane vigoroso.

Come possiamo dirlo? Le deviazioni dalla gravità di Einstein sono limitate dagli esperimenti sul sistema solare, dalle recenti osservazioni delle onde gravitazionali e dalle immagini vicine all’orizzonte dei buchi neri.

Esiste oggi un’ampia letteratura sulle teorie della gravità alternative alla relatività generale, che risale alle prime ricerche di Eddington del 1923. Una classe di alternative molto popolare è la cosiddetta gravità scalare-tensore. È concettualmente molto semplice poiché introduce solo un ingrediente aggiuntivo (un campo scalare corrispondente alla particella più semplice, priva di spin) nella descrizione geometrica della gravità di Einstein.

Le conseguenze di questo programma, tuttavia, sono tutt’altro che banali. Un fenomeno sorprendente è l’“effetto camaleonte”, consistente nel fatto che queste teorie possono mascherarsi da relatività generale in ambienti ad alta densità (come nelle stelle o nel sistema solare) mentre deviano fortemente da essa negli ambienti a bassa densità. della cosmologia.

Di conseguenza, il campo extra (gravitazionale) è effettivamente assente nel primo tipo di sistemi, mascherandosi da camaleonte, e viene avvertito solo su scala più grande (cosmologica).

Lo stato attuale della ricerca

Oggi lo spettro delle alternative alla gravità di Einstein si è ampliato notevolmente. Anche aggiungendo una singola eccitazione scalare massiccia (vale a dire, una particella con spin zero) alla gravità di Einstein – e mantenendo le equazioni risultanti “semplici” per evitare alcune instabilità fatali note – si è ottenuta la classe molto più ampia delle teorie di Horndeski e le successive generalizzazioni.

I teorici hanno trascorso l’ultimo decennio estraendo conseguenze fisiche da queste teorie. Le recenti rilevazioni di onde gravitazionali hanno fornito un modo per limitare la classe fisica di modifiche consentite dalla gravità di Einstein.

Tuttavia, c’è ancora molto lavoro da fare, con la speranza che i futuri progressi nell’astronomia multi-messaggero portino alla scoperta di modifiche della relatività generale dove la gravità è estremamente forte.

Autore: Valerio Faraoni e Andrea Giusti, Università Vescovile, Politecnico Federale di Zurigo