Tutti gli oggetti con massa attraggono tutti gli altri con una forza istantanea determinata dalle distanze tra tutte le coppie di oggetti (o particelle). Quando, però, abbiamo scoperto la Relatività Speciale e il fatto che diversi osservatori non fossero d’accordo su quali fossero quei valori di distanza, abbiamo capito che c’era dell’altro.
Quando Einstein espose la Relatività Generale nel 1915, annunciò, in pratica, una rivoluzione nella fisica. Non solo tutto ciò che è dotato di massa ha gravità, ma anche tutte le forme di energia. Lo spazio e il tempo non sono fissi e assoluti, ma legati insieme come spazio-tempo, con proprietà relative a ciascun osservatore.
E lo spazio-tempo curva ed evolve in base a tutta la materia e l’energia presenti al suo interno. Solo che quando Einstein applicò la sua teoria all’intero Universo, sorse un enorme problema.
Ed è qui che inizia la storia…
La gravità è una forza in fuga, e questo è vero sia nella concezione della gravitazione di Newton che di Einstein. Se prendessi un po’ di materia (con massa) e la distribuissi uniformemente nello spazio, scopriresti di aver creato un sistema in equilibrio instabile, come una roccia precariamente bilanciata su una guglia sottile.
Finché le condizioni rimangono perfette, la materia rimarrà uniforme e la roccia rimarrà equilibrata. Ma dai a quella roccia una minima spinta – oppure sposta una piccola parte della massa dell’Universo distribuita uniformemente di una piccolissima distanza quantica – e l’equilibrio cesserà.
Non appena il baricentro della roccia non è più al di sopra della guglia, inizierà a sperimentare una coppia netta e tale coppia farà cadere la roccia in breve tempo. La stessa cosa vale per un universo imperfetto, poiché la più piccola perturbazione porterà a un aumento della gravità in qualunque piccolo volume locale di spazio raggiunga la maggiore densità, al di sopra della media.
Questo problema si verifica perché la gravitazione ha sempre un’azione attraente. La natura stessa di questa forza è tale che una più densa regione dello spazio avrà o più massa all’interno del suo volume (Newton) o farà aumentare la curvatura dello spazio in un particolare evento nello spaziotempo (Einstein), che attirerà preferibilmente la materia nelle regioni circostanti verso di essa, rispetto a tutte le altre regioni circostanti.
Una volta iniziata la crescita, non si fermerà mai
Dopo un po’ di tempo, scoprirai che questa regione inizialmente troppo densa è cresciuta fino a raggiungere una densità ancora maggiore, e ora attira materia ed energia verso di essa in modo ancora più efficace.
In effetti, qualsiasi studente laureato che segue un corso sulla Relatività generale può imparare a dimostrare che qualsiasi distribuzione iniziale e statica della materia a riposo collasserà sotto la propria gravità, portando inevitabilmente a un buco nero.
Questa è una caratteristica della gravità, non un bug
Ma per Einstein, rappresentava un enorme enigma. All’epoca in cui espose la Relatività Generale, c’erano molti fatti sull’Universo che oggi diamo per scontati ma che non erano noti a Einstein. Questi fatti includono:
la consapevolezza che la debole spirale e le nebulose ellittiche viste dagli astronomi sono in realtà galassie per sé stesse, la consapevolezza che la Via Lattea non è la piena estensione dell’Universo, la consapevolezza che l’Universo osservabile si estende per miliardi di anni luce, non per migliaia, e la consapevolezza che la nostra galassia è un disco enorme, sottile e rotante costituito da gas, polvere e centinaia di miliardi di stelle, tutte incastonate in un enorme alone di materia oscura.
Invece, la visione dell’Universo di Einstein era molto più semplice: una distribuzione quasi perfettamente uniforme della materia, in gran parte sotto forma di stelle, sempre le stesse nel tempo.
Capisci il problema?
Se la teoria della gravità di Einstein, la Relatività Generale, fosse corretta, un Universo statico e uniforme sarebbe instabile. D’altra parte, se la concezione dell’Universo di Einstein come statica e uniforme fosse corretta, non dovrebbe essere descritta dalla Relatività Generale come indicato da Einstein.
In altre parole, l’Universo non può essere sia statico che uniforme e descritto anche dalla relazione di Einstein tra la materia / energia presente nell’Universo e le proprietà / curvatura dello spaziotempo.
Ci deve essere qualcos’altro in gioco
La soluzione iniziale di Einstein – quella che in seguito avrebbe definito il suo “più grande errore” – fu di aggiungere qualcos’altro: una costante cosmologica. La gravità è sempre una forza attrattiva ed è una forza che diventa più forte quanto più piccolo diventa l’intervallo dello spaziotempo che separa due oggetti qualsiasi.
Ciò che le sue equazioni consentono, tuttavia, è l’aggiunta di una costante cosmologica. Una costante si comporta come se fosse un campo con una densità di energia positiva uniforme, ma anche una forte pressione negativa che altera il comportamento dell’Universo.
In particolare, da solo, un Universo dominato da una costante cosmologica vedrebbe la distanza tra i due punti selezionati aumentare nel tempo in modo particolare (esponenziale). Einstein scelse di mettere questi due effetti l’uno contro l’altro:
la gravitazione lavora per attrarre le masse l’una verso l’altra, ma la costante cosmologica lavora per allontanare due punti qualsiasi.
Sincronizzando la costante cosmologica sul giusto valore, potrebbe combattere l’attrazione gravitazionale bilanciando i suoi effetti con questa costante.
Naturalmente, questo non è affatto soddisfacente, perché è una soluzione instabile
Sposta una massa un po’ troppo vicino a un’altra e la gravitazione supererà la costante cosmologica, portando a una crescita gravitazionale in fuga. Sposta una massa un po’ troppo lontano e la costante cosmologica è troppo forte e accelererà tale massa interminabilmente.
Tutti quelli che osservavano le equazioni – probabilmente incluso anche Einstein – riconoscevano che questa non poteva essere la risposta effettiva. Ma capire quale potrebbe essere la risposta giusta richiede prima alcuni sviluppi teorici.
Mentre è facile trovare soluzioni esatte per come si muovono le masse nella teoria di Newton (basta combinare la sua legge di gravitazione con le sue leggi di movimento), anche oggi ci sono meno di 20 soluzioni esatte uniche nella Relatività Generale.
Quella che modella meglio il nostro Universo, tuttavia, è quella in cui l’Universo ha una massa uniformemente distribuita, sulle scale più grandi, con qualsiasi forma di energia generalizzata possibile.
Non è stato Einstein a risolvere il problema
Fu Alexander Friedmann a farlo, nel 1922 e le equazioni che governano il modo in cui un Universo che è stato riempito uniformemente sulle scale più grandi – nel senso di un Universo che è sia isotropico (lo stesso in tutte le direzioni) che omogeneo (lo stesso ovunque) – ci consentono di collegare l’evoluzione dell’Universo con il suo contenuto energetico.
In altre parti del mondo, questa stessa soluzione è stata derivata da Georges Lemaître, Howard Robertson e Art Walker.
Una delle cose più interessanti della soluzione è che mostra esplicitamente che il tessuto dello spaziotempo di un Universo riempito con la stessa quantità di roba ovunque non può rimanere statico, anche se vi includi una costante cosmologica.
Questo Universo, invece, deve espandersi o contrarsi, non c’è altra opzione disponibile
Se il tuo Universo è uniformemente pieno di materia ed energia, devi solo osservare le galassie distanti. Se la loro luce si sposta verso energie più alte (con lunghezze d’onda verso il blu), si sta contraendo; se si sposta verso energie più basse (lunghezze d’onda verso il rosso), si sta espandendo.
Usando principalmente i dati del redshift di Vesto Slipher e le inferenze sulla distanza tratte dai dati ottici presi da Edwin Hubble e Milton Humason, potremmo immediatamente iniziare a dire che le galassie si spostano in modo più significativo tanto più sono lontane. L’universo si sta espandendo.
Se si sta espandendo, non è statico, quindi non è necessario inventare una costante cosmologica per impedire all’Universo di collassare in un buco nero.
Einstein aveva fatto un’ipotesi errata sul comportamento dell’Universo, sviluppato una soluzione ad hoc per esso sotto forma di una costante cosmologica, e poi aveva dimostrato che la sua ipotesi originale era imperfetta.
Quando definì la costante cosmologica il suo “più grande errore”, aveva davvero fatto un errore; se si fosse fidato delle equazioni, avrebbe potuto prevedere l’Universo in espansione!
Oggi, come ogni giorno da più di 20 anni, il consenso scientifico è sul fatto che esiste davvero un effetto che si comporta proprio come una costante cosmologica nell’Universo: l’espansione accelerata dell’Universo.
Oggi, però, non pensiamo che vi sia una costante cosmologica; trattiamo questa cosa come un’altra forma di energia generalizzata con le proprietà uniche che devono essere determinate osservativamente: l’energia oscura.
L’espansione accelerata che vediamo oggi indica che il comportamento dell’energia oscura è indistinguibile dal comportamento di una costante cosmologica, cosa estremamente interessante.
Comprendere e spiegare l’energia oscura è una delle maggiori sfide che la scienza del 21° secolo.
Mentre il nostro Universo potrebbe effettivamente avere una costante cosmologica diversa da zero, non è lì per stabilizzare il nostro Universo. Piuttosto, il nostro universo non è affatto stabile, si sta espandendo da uno stato inizialmente caldo, denso e uniforme nel cosmo freddo, rado e ricco di galassie che vediamo oggi.
Einstein non ci arrivò perché si impuntò su un universo statico e inventò la costante cosmologica per raggiungere quell’obiettivo. Una volta eliminata, otterrai un universo molto simile a quello che abbiamo oggi.
La costante cosmologica che influenza il nostro Universo serve a spezzare l’equilibrio tra l’espansione e le altre forme di materia ed energia; fa sì che galassie distanti accelerino mentre si allontanano da noi, espandendo l’Universo.
Se Einstein lo avesse previsto, con la conoscenza di allora, sarebbe stato sbalorditivo. Invece, costrinse le equazioni a adattarsi ai suoi (errati) presupposti e si perse l’Universo in espansione.
