Alla ricerca di crepe nella teoria della gravità

Il problema è che la relatività generale non è abbastanza generale. Se vuoi spiegare l'energia oscura, questa energia invisibile che sembra accelerare l'espansione dell'universo, hai bisogno di un componente aggiuntivo nell'equazione, chiamato costante cosmologica

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di Tomas Lewton per Quanta Magazine

Durante un’eclissi solare nel 1919, Arthur Eddington osservò la curvatura della luce attorno al Sole proprio come previsto dalla relatività generale, la nuova teoria della gravità di Albert Einstein. Da allora, la relatività generale, che afferma che oggetti massicci come le stelle deformano il tessuto dello spazio-tempo che li circonda, ha superato test sempre più precisi. Raramente passa un anno senza che un nuovo esperimento o osservazione confermi la teoria di Einstein. Ma c’è un intoppo.

Sostanze invisibili note come materia oscura ed energia oscura sembrano costituire circa il 95% del contenuto dell’universo. L’assunto di lavoro è che la materia oscura sia costituita da particelle elementari non luminose e che l’energia oscura sia l’energia dello spazio stesso. Ma è anche possibile che siano illusioni che appaiono perché la gravità funziona in modo diverso da come pensava Einstein. “Stiamo invocando queste cose misteriose“, ha affermato la cosmologa Celia Escamilla-Rivera. “Sono fermamente convinta che siano necessarie teorie alternative della gravità“.

Escamilla-Rivera è alla ricerca di un’altra teoria più completa. Una serie sconcertante di alternative alla relatività generale è stata avanzata nel tempo, dalla “gravità teleparallela” alla “quintessenza complessa” e alla “cosmologia di massa negativa“, ma a lungo sono sembrate fantasie teoriche. Con i cosmologi incapaci di creare esperimenti in grado di distinguere queste teorie dalla relatività generale, le idee hanno raccolto polvere.

Secondo Escamilla-Rivera, questo sta cominciando a cambiare in questa nuova era della cosmologia di precisione, un campo che sta sperimentando nel suo paese natale, il Messico. La cosmologia di precisione combina set di dati ampi e diversificati con nuovi metodi statistici, apprendimento automatico e supercomputer. “Grazie a questi dati puoi aprire una porta e classificare tutte queste teorie e dire quali funzionano e quali no“, ha detto.

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Perlustrando l’universo primordiale e gli ambienti estremi dei buchi neri, Escamilla-Rivera pensa che possiamo trovare crepe nella relatività generale, che lasceranno il posto a qualcos’altro. Questa non è una saggezza convenzionale tra i cosmologi, ma nemmeno il percorso di Escamilla-Rivera per diventare un cosmologo è stato convenzionale.

Escamilla-Rivera è cresciuta a Ciudad del Carmen, una città su una piccola isola nel sud del Messico. Ricorda di aver camminato lungo la spiaggia di notte sotto la luna piena all’età di 4 anni, chiedendosi: perché la luna è molto rotonda? E perché esce solo di notte? “Pensavo di dover diventare un’astronauta“, ha detto.

Anni dopo, osservando uno dei suoi professori universitari calcolare l’età dell’universo direttamente dalle equazioni di Einstein, si concentrò sulla cosmologia. “La gente diceva: ‘Perché vuoi essere un cosmologo? Queste sono carriere per le persone negli Stati Uniti’”, ha detto. “Era visto come molto strano“.

Escamilla-Rivera ha completato il suo dottorato in Europa e nel Regno Unito; poi, a 29 anni, è stata invitata di nuovo in Messico per dirigere il dipartimento di fisica teorica del Mesoamerican Center for Theoretical Physics. Alcuni anni dopo, è diventata la prima donna a ricoprire una posizione di ricerca nel dipartimento di gravitazione e teoria dei campi presso l’Università Nazionale Autonoma del Messico (UNAM), come capo del dipartimento. 

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Abbiamo parlato per quattro ore su Zoom. Dal suo ufficio all’UNAM a Città del Messico, Escamilla-Rivera trasudava fiducia ed entusiasmo, non solo per il potenziale della cosmologia di precisione per capovolgere Einstein, ma anche per nuove prospettive per i cosmologi in Messico. L’intervista è stata condensata e modificata per chiarezza. 

La relatività generale e il modello standard della cosmologia che ne è derivato funzionano così bene. Perché pensi che dobbiamo modificare o estendere la gravità?

Il problema è che la relatività generale non è abbastanza generale. Se vuoi spiegare l’energia oscura, questa energia invisibile che sembra accelerare l’espansione dell’universo, hai bisogno di un componente aggiuntivo nell’equazione, chiamato costante cosmologica. Questo componente extra non esiste nella relatività generale; devi aggiungerlo a mano.

C’è una teoria che naturalmente può darti energia oscura senza invocare cose misteriose? Ecco perché sto lavorando su queste teorie della gravità estese o modificate.

Oltre all’energia oscura, quali altri enigmi potrebbero risolvere queste teorie?

La relatività generale spiega molto sulla natura, ma non spiega cosa è successo al Big Bang, o cosa succede all’interno dei buchi neri. La singolarità di un buco nero è matematicamente molto simile alla singolarità del Big Bang: è un punto in cui tutte le leggi della fisica conosciute si infrangono. Una grande domanda è, se modifichiamo o estendiamo la relatività generale, forse possiamo spiegare questo punto bizzarro che rompe tutto.

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Anche la relatività generale non spiega il futuro dell’universo. Ci sono teorie interessanti che dicono che l’universo collasserà di nuovo in un altro Big Bang, chiamato universo Big Crunch. Ma non lo sappiamo perché la relatività generale è incompleta. Se troviamo una teoria completa, potremmo ottenere risposte a questo tipo di domande.

C’è un ampio consenso sul fatto che sia necessaria una teoria quantistica fondamentale della gravità per descrivere gli interni dei buchi neri e il Big Bang. L’assunto usuale, tuttavia, è che la gravità quantistica assomigli alla relatività generale in tutto il resto dell’universo. Ma pensi che una teoria diversa funzionerà meglio ovunque. Puoi fare un esempio di come le teorie modificate differiscono dalla relatività generale?

Esistono teorie del tensore scalare. Queste sono più generali della relatività generale. Come mai? Ebbene, la relatività generale descrive lo spazio-tempo usando un oggetto matematico chiamato tensore. Nelle teorie dei tensori scalari, ci sono anche oggetti chiamati scalari. Uno scalare può essere qualcosa di fisico, come massa o energia, e permea lo spazio-tempo.

Quindi si comporta un po’ come la costante cosmologica nella relatività generale?

Esattamente. Solo che in questa teoria del tensore scalare non si aggiunge nulla, viene fuori dalla matematica.

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Questa non è l’unica alternativa. Negli anni ’80 ci fu un’esplosione di queste teorie sulla gravità modificata. Matematicamente queste teorie sono molto ricche, niente può fermarti, ma con così tante teorie a portata di mano, siamo stati limitati negli esperimenti per distinguerle.

È questo che ti ha portato alla cosmologia di precisione?

Quando ho conseguito il dottorato di ricerca, nel 2014, quell’anno c’è stata l’esplosione della cosmologia di precisione in Europa. Dieci anni fa, il processo standard consisteva nel prendere un telescopio e fare osservazioni; con questi dati poi testavi la tua teoria. Quello che succede ora è che abbiamo molti telescopi che raccolgono dati di diverso tipo, da diverse parti dell’universo. Con l’apprendimento automatico, le reti neurali e i supercomputer possiamo elaborare tutti questi dati insieme. Ciò rende più ricco il test di una teoria.

Sono stata la prima persona a pubblicare un articolo che utilizza l’apprendimento automatico per studiare l’energia oscura nei modelli cosmologici. Le architetture di apprendimento automatico possono ora anche esaminare grandi insiemi di dati cosmologici e derivare una teoria della gravità. Questa è una nuova era.

Un altro nuovo modo per testare queste teorie alternative è fare simulazioni su un supercomputer. Puoi controllare il tuo universo e fare proiezioni su quale teoria funzionerà.

Cosa ti ha riportato in Messico dopo aver studiato in Europa?

Stavo finendo il mio post-dottorato a Nottingham, in Inghilterra, e ho ricevuto una telefonata che diceva: “Stiamo aprendo un istituto in Messico che sarà finanziato dall’Abdus Salam International Center for Theoretical Physics e abbiamo bisogno di messicani che stanno studiando in Europa per venire ritorno in Messico”. È stata una scelta ovvia tornare nel mio paese e perseguire le stesse questioni scientifiche.

A quel tempo, non c’era nessuno in Messico che potesse fare cosmologia di precisione usando le statistiche. Quindi quando sono arrivato era aria fresca per molti dei miei colleghi. Stavo insegnando loro tutto quello che avevo imparato in questi altri paesi.

Poi quattro anni fa ho ricevuto una chiamata dall’UNAM. È stato molto eccitante perché sapevo di poter formare un nuovo gruppo di ricerca nel mio paese.

Quali sfide hai affrontato nella creazione di questo gruppo di ricerca?

Una parte della comunità universitaria pensava che i cosmologi avessero bisogno solo di carta e matita. È più di questo. Hai bisogno di supercomputer, hai bisogno della possibilità di viaggiare alle riunioni, di costruire relazioni e collaborare. Tutto ciò richiede molto sostegno finanziario.

L’anno scorso ho convinto la mia università che questo è il futuro, che dobbiamo fare una cosmologia di precisione. E in seguito ho ricevuto anche il sostegno della Royal Astronomical Society. Il nostro gruppo di cosmologia di precisione è ora molto forte; siamo 20 persone. Possiamo chiedere ai ricercatori messicani di tornare nel loro paese d’origine e offrire un lavoro a tempo indeterminato. Abbiamo anche colleghi e studenti da tutto il mondo. Sono tempi eccitanti. 

Quando ti aspetti che le osservazioni inizieranno a non essere d’accordo con la relatività generale?

Ci siamo vicini. Sono sicuro che il telescopio spaziale James Webb aprirà una nuova porta con osservazioni più vicine all’origine dell’universo. Vedremo un’era in cui idrogeno ed elio si fondevano per formare le prime galassie nell’universo. Sospetto che la relatività generale non funzionerà in quel momento perché l’energia è troppo alta. Quindi quell’era può darti un test molto veritiero su quale tipo di teoria della gravità è corretta.

Su quale teoria alternativa vorresti puntare i tuoi soldi?

Metterei i miei soldi sulla gravità teleparallela.

In che cosa differisce dalla relatività generale?

Nella relatività generale, un concetto importante è la curvatura spazio-temporale, che ti parla della distribuzione della materia. Puoi vedere il Sole come una grande massa che viene messa su un foglio, quindi il foglio inizia a curvarsi. Einstein fece di questa relazione tra materia e geometria la base dell’universo. Ora nella gravità teleparallela, il Sole sta formando qualcosa di simile a un tornado. Quindi, invece della curvatura, il foglio è attorcigliato. Questo è chiamato torsione.

La gravità teleparallela fu in realtà uno dei calcoli finali di Einstein nell’ultima parte della sua vita. Alcune persone stavano scrivendo una nuova matematica usando la torsione. Quando Einstein vide questo, vide un modo per collegare la sua teoria, la relatività generale, con un’altra forza molto importante, l’elettromagnetismo. Ha detto, OK, forse possiamo unificare tutte le forze. Sfortunatamente, non ebbe successo e la sua idea fu dimenticata.

Ma alcuni teorici hanno continuato a lavorarci. Solo un paio di anni fa, Jackson Levi Said dell’Università di Malta ha scoperto che è possibile trasformare il linguaggio della gravità teleparallela in una cosmologia, un insieme di equazioni che mettono in relazione tutti i parametri che osserviamo in natura, come la densità di questione. Potremmo collegare questo modello cosmologico con gli esperimenti. Ho detto: “OK, lo controllerò con i dati attuali, ad esempio la radiazione cosmica di fondo a microonde”, che è la luce dell’universo primordiale. E abbiamo scoperto che le equazioni potrebbero corrispondere a questi dati senza dover invocare la materia oscura o l’energia oscura.

Quali prove ci sono per la gravità teleparallela?

È molto elegante matematicamente. Ma non abbiamo ancora esperimenti che la dimostrino, perché a livello locale, la gravità teleparallela è molto, molto simile alla relatività generale. Le differenze sono nell’universo primitivo e molto lontano nel futuro dell’universo.

Le osservazioni dell’universo primordiale con il James Webb saranno i primi test di gravità teleparallela. Se riusciamo a spiegare la formazione delle prime galassie meglio della relatività generale, sarà un bel test. Forse la gravità teleparallela può anche spiegare ciò che vediamo nelle foto dell’orizzonte di un buco nero.

Intendi le recenti fotografie dell’Event Horizon Telescope del buco nero supermassiccio nella galassia M87. Cosa c’è di sconcertante nelle foto?

Una delle fotografie mostra i campi magnetici attorno al buco nero. Tutte le linee di campo seguono lo stesso flusso; è molto elegante. Con queste linee di campo magnetico, sai indirettamente cosa sta succedendo all’interno del buco nero. Un buco nero assorbe la materia che gli è vicina, quindi c’è della materia all’interno dell’orizzonte e dell’altra all’esterno e l’interazione provoca il campo magnetico. Questi campi magnetici sono la parte più difficile da capire.

Uno dei gruppi all’interno della Event Horizon Telescope Collaboration è alla ricerca di soluzioni nella relatività generale. Ma un altro gruppo, di cui faccio parte, sta prendendo un’altra strada con modifiche ed estensioni della gravità.

Il problema è che per distinguere queste possibilità abbiamo bisogno di più dati. L’idea ora è di fare un film del buco nero per vedere la sua evoluzione. Forse ci darà migliori restrizioni sulle teorie che vogliamo testare. 

Quando eri bambina, avresti mai immaginato che avresti finito per sfidare Einstein?

Sfidare Einstein? Penso che questo sia il sogno di ogni bambino che vuole capire il cosmo.