Misteri irrisolti della fisica

Ogni nuova scoperta sembra sbloccare un vaso di Pandora di domande ancora più grandi e più profonde. Ecco alcune delle più importanti

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Misteri irrisolti della fisica
Misteri irrisolti della fisica

Si dice che nel 1900 il fisico britannico Lord Kelvin abbia detto che: “Non c’è niente di nuovo da scoprire nella fisica ora. Tutto ciò che rimane da fare sono le misurazioni sempre più precise“. Successivamente, nel giro di tre decenni, la meccanica quantistica e la teoria della relatività di Einstein rivoluzionarono completamente la fisica.

Oggi nessun fisico oserebbe affermare che la nostra conoscenza fisica dell’universo è vicina al completamento. Al contrario, ogni nuova scoperta sembra sbloccare un vaso di Pandora di domande ancora più grandi e più profonde. 

Ecco alcune delle più importanti:

Cos’è l’energia oscura?

Non importa come gli astrofisici scrivano i numeri, i conti dell’universo semplicemente non tornano. Anche se la gravità curva il tessuto dello spazio-tempo – il “tessuto” del cosmo – continua ad espandersi verso l’esterno sempre più velocemente. Per spiegare questo, gli astrofisici hanno proposto un agente invisibile che contrasta la gravità dilatando lo spazio-tempo. Lo chiamano energia oscura

Nel modello della cosmologia più ampiamente accettato, l’energia oscura è una “costante cosmologica”: una proprietà intrinseca dello spazio stesso, che ha una “pressione negativa” che dilata lo spazio. Man mano che lo spazio si espande, viene creato più spazio e, con esso, più energia oscura.

Sulla base del tasso di espansione osservato, gli scienziati sanno che la somma di tutta l’energia oscura deve costituire più del 70 percento del contenuto totale dell’universo. Ma nessuno sa come individuarla. I migliori ricercatori che vi si sono dedicati negli ultimi anni non hanno ancora capito dove potrebbe nascondersi l’energia oscura, nonostante ampie ricerche portate avanti dal 2015.



Cos’è la materia oscura?

La “materia oscura”, come viene chiamata, non può essere vista direttamente e non è stata ancora rilevata con mezzi indiretti. L’esistenza e le proprietà della materia oscura sono dedotte dai suoi effetti gravitazionali sulla materia visibile, sulle radiazioni e sulla struttura dell’universo.

Si pensa che questa sostanza pervada la periferia delle galassie e potrebbe essere composta da “particelle dotate di massa che interagiscono debolmente” o WIMP. In tutto il mondo, ci sono diversi rilevatori alla ricerca di WIMP, ma finora non ne è stato trovato uno. Uno studio recente suggerisce che la materia oscura potrebbe formare lunghi flussi a grana fine in tutto l’universo e che tali flussi potrebbero irradiarsi dalla Terra come capelli.

Perché c’è una freccia del tempo?

Il tempo avanza perché una proprietà dell’universo chiamata “entropia“, definita approssimativamente come il livello di disordine di un sistema, non fa che aumentare, e quindi non c’è modo di invertire l’aumento dell’entropia dopo che si è verificato. Il fatto che l’entropia aumenti è una questione di logica: ci sono più disposizioni disordinate di particelle che disposizioni ordinate, e così quando le cose cambiano, tendono a cadere nel disordine. Ma la domanda di fondo qui è: perché l’entropia era più bassa in passato? In altre parole, perché l’universo era così ordinato all’inizio, quando un’enorme quantità di energia era stipata in una piccola quantità di spazio? 

Esistono universi paralleli?

I dati astrofisici suggeriscono che lo spazio-tempo potrebbe essere “piatto”, piuttosto che curvo, e quindi che va avanti all’infinito. Se fosse così, allora la regione che possiamo vedere (che pensiamo come “l’universo”) è solo una sezione di un “multiverso trapuntato” infinitamente grande.

Allo stesso tempo, le leggi della meccanica quantistica impongono che ci sia solo un numero finito di possibili configurazioni di particelle all’interno di ogni patch cosmica (10^10^122 possibilità distinte). Quindi, con un  numero infinito di sezioni cosmiche, le disposizioni delle particelle al loro interno sono costrette a ripetersi – infinite volte.

Ciò significa che ci sono infiniti universi paralleli: macchie cosmiche esattamente uguali alla nostra (che contengono qualcuno esattamente come te), così come macchie che differiscono per la posizione di una sola particella, macchie che differiscono per la posizione di due particelle, e così via fino a sezioni totalmente diverse dalle nostre.

C’è qualcosa di sbagliato in quella logica, o il suo bizzarro risultato è vero? Si tratta di un’ipotesi che, in qualche modo, si avvicina all’interpretazione a “molti mondi” della meccanica quantistica.

Perché c’è più materia che antimateria?

La domanda sul perché c’è così tanta più materia rispetto all’antimateria, è in realtà una domanda sul perché qualcosa esiste. Si presume che l’universo tratti materia e antimateria simmetricamente e, quindi, che al momento del Big Bang furono state prodotte uguali quantità di materia e antimateria.
 
Se ciò fosse accaduto, però, ci sarebbe stato un annientamento totale: i protoni si sarebbero cancellati con gli antiprotoni, gli elettroni con gli anti-elettroni (positroni), i neutroni con gli antineutroni e così via, lasciando dietro di sé un mare opaco di fotoni in una distesa vuota.
 
Per qualche ragione, c’era materia in eccesso che non è stata annientata, ed eccoci qui. Per questo, non esiste una spiegazione accettata. Il test più dettagliato ad oggi delle differenze tra materia e antimateria conferma che sono immagini speculari l’una dell’altra, fornendo esattamente zero nuovi percorsi verso la comprensione del mistero del perché la materia è molto più comune dell’antimateria.

Qual è il destino dell’universo?

Il destino dell’universo dipende fortemente da un fattore di valore sconosciuto: una misura della densità di materia ed energia in tutto il cosmo. Se il risultato fosse maggiore di 1, allora lo spazio-tempo sarebbe “chiuso” come la superficie di un’enorme sfera. Se non ci fosse l’energia oscura, un tale universo alla fine smetterebbe di espandersi e inizierebbe invece a contrarsi, finendo per collassare su se stesso in un evento chiamato “Big Crunch“. Se, invece, l’esistenza dell’energia oscura fosse confermata, l’universo sferico continuerebbe ad espandersi per sempre.

In alternativa, se la somma si rivelasse minore di 1, la geometria dello spazio sarebbe “aperta” come la superficie di una sella. In questo caso, il suo destino finale sarebbe il “Big Freeze” seguito dal “Big Rip“: l’accelerazione dell’espnsione dell’universo (e quindi del tessuto stesso dello spazio-tempo) farebbe a pezzi le galassie e le stelle, lasciando tutta la materia fredda e sola. Successivamente, l’accelerazione diventerebbe così forte da sopraffare gli effetti delle forze che tengono insieme gli atomi, e tutto verrebbe ridotto alle particelle fondamentali.

Se la somma fosse uguale a 1, l’universo sarebbe piatto, estendendosi come un piano infinito in tutte le direzioni. Se non ci fosse energia oscura, un tale universo planare si espanderebbe per sempre, ma a un ritmo in continua decelerazione, avvicinandosi a un punto morto.

Indipendentemente da come andrà a finire, l’universo sta morendo, un fatto discusso in dettaglio dall’astrofisico Paul Sutter in un saggio pubblicato nel dicembre 2015.

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