Perché Einstein deve sbagliarsi: alla ricerca della teoria della gravità

La teoria della gravità di Einstein, la relatività generale, ha avuto molto successo per più di un secolo. Presenta però dei limiti teorici. Ciò non sorprende: la teoria stessa prevede il proprio fallimento nelle singolarità dello spaziotempo all’interno dei buchi neri – e sullo stesso Big Bang.

A differenza delle teorie fisiche che descrivono le altre tre forze fondamentali della fisica – l’interazione elettromagnetica e quella nucleare forte e debole – la teoria generale della relatività è stata testata solo in condizioni di gravità debole.

Le deviazioni della gravità dalla relatività generale non sono affatto escluse né testate ovunque nell’universo e, secondo i fisici teorici, la deviazione deve avvenire.

Deviazioni e meccanica quantistica

Secondo Einstein il nostro universo ha avuto origine da una singolarità che ha dato il via ad un Big Bang. All’interno dei buchi neri si nascondono altre singolarità: lì lo spazio e il tempo cessano di avere significato, mentre quantità come la densità di energia e la pressione diventano infinite. Questi sono segnali che la teoria di Einstein sta fallendo e deve essere sostituita con una più fondamentale.

Ingenuamente, le singolarità dello spaziotempo dovrebbero essere risolte dalla meccanica quantistica, che si applica su scale molto piccole.

La fisica quantistica si basa su due semplici idee: le particelle puntiformi non hanno senso; e il principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che non è mai possibile conoscere il valore di determinate coppie di quantità con assoluta precisione, ad esempio la posizione e la velocità di una particella. Questo perché le particelle non vanno pensate come punti ma come onde; su piccola scala si comportano come onde di materia.

Basta questo per capire che una teoria che abbraccia sia la relatività generale che la fisica quantistica dovrebbe essere esente da tali patologie. Tuttavia, tutti i tentativi di fondere la relatività generale e la fisica quantistica introducono necessariamente deviazioni dalla teoria di Einstein.

Pertanto, la gravità di Einstein non può essere la teoria definitiva della gravità. In effetti, non passò molto tempo dopo l’introduzione della relatività generale da parte di Einstein nel 1915 che Arthur Eddington, meglio conosciuto per averla verificata nell’eclissi solare del 1919, iniziò a cercare alternative solo per vedere come le cose avrebbero potuto essere diverse.

La teoria di Einstein è sopravvissuta a tutti i test fino ad oggi, prevedendo con precisione vari risultati, dalla precessione dell’orbita di Mercurio all’esistenza delle onde gravitazionali. Allora, dove si nascondono queste deviazioni dalla relatività generale?

Perché Einstein deve sbagliarsi: alla ricerca della teoria della gravità
Una foto dell’eclissi solare completa del 1919. Credito: Arthur Eddington/Transazioni filosofiche della Royal Society

La cosmologia conta

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 supernovae 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 ha dato 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 supernove 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.

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? È possibile che stiamo osservando le prime deviazioni dalla relatività generale mentre la misteriosa energia oscura semplicemente non esiste?

Perché Einstein deve sbagliarsi: alla ricerca della teoria della gravità
Le supernovae di tipo Ia furono scoperte nel 1998 e rivelarono di più sulla velocità dell’accelerazione dell’universo. Credito: Sloan Digital Sky Survey/NASA

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 degli eventi 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 nell’ambiente 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).

La situazione attuale

Oggigiorno 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 note instabilità fatali – 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.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale .La conversazione

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