Non è necessario modificare la gravità per spiegare l’energia oscura

Mentre puoi spiegare l'energia oscura nel contesto della relatività generale, recentemente è diventato di moda tentare di spiegare l'energia oscura modificando invece la gravità. Di recente, il pluripremiato lavoro teorico della Dott.ssa Claudia de Rham sembra ipotizzare che sia possibile spiegare l'espansione accelerata dell'universo solo con la gravità, senza introdurre l'energia oscura.

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Uno dei più grandi enigmi irrisolti della scienza è l’energia oscura. L’Universo non si sta solo espandendo, ma il tasso di espansione sta accelerando: la velocità con cui le galassie distanti si allontanano da noi accelera dalla nostra prospettiva col passare del tempo. Questa è stata una sorpresa quando è stata scoperta empiricamente negli anni ’90, e più di due decenni dopo, ancora non capiamo da dove provenga questa misteriosa forma di energia, la più abbondante in tutto l’Universo, che genera questo fenomeno.

Mentre puoi spiegare l’energia oscura nel contesto della relatività generale, recentemente è diventato di moda tentare di spiegare l’energia oscura modificando invece la gravità. Di recente, il pluripremiato lavoro teorico della Dott.ssa Claudia de Rham sembra ipotizzare che sia possibile spiegare l’espansione accelerata dell’universo solo con la gravità, senza introdurre l’energia oscura.
Puoi immaginare l’Universo come una corsa tra due concorrenti: l’espansione cosmica iniziale, che fa sì che gli oggetti distanti si allontanino l’uno dall’altro, e la gravità, che lavora per rimettere tutto insieme. Il Big Bang è la pistola iniziale e mentre gli oggetti distanti iniziano a retrocedere l’uno dall’altro, la gravità funzionerà sempre per rallentarli.
Le tre possibilità che puoi immaginare sono simili alla favola dei riccioli d’oro:
o l’espansione è troppo veloce per essere superata dalla gravità, e tutta la gravità nell’Universo non può fermare o invertire l’espansione,

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o c’è troppa gravità per tenere il passo del tasso di espansione iniziale e l’espansione rallenterà, si arresterà e si invertirà, portando a una grande crisi,
oppure il tasso di espansione e la gravità si bilanciano perfettamente e il nostro brodo cosmico è giusto in modo che il tasso di espansione si asintoti a zero, ma non si inverta mai.
Sfortunatamente per la nostra intuizione, l’Universo non fa nulla di tutto ciò.

I quattro possibili destini dell'Universo con solo materia, radiazione, curvatura e una costante cosmologica ... [+] consentita. Le prime tre possibilità sono per un Universo il cui destino è determinato dall'equilibrio della materia / radiazione con la sola curvatura spaziale; quello in basso include energia oscura. Solo il "destino" inferiore si allinea alle prove.

Certo, sembrava che fosse sulla buona strada per il caso perfettamente bilanciato per i primi 7 o 8 miliardi di anni, ma poi emerse un nuovo fenomeno: l’energia oscura. Mentre gli scienziati non hanno abbastanza prove per trarre una conclusione per quanto riguarda l’origine dell’energia oscura che domina il nostro Universo, possiamo descriverne l’azione e la sua influenza sull’universo.
Se puntassi il tuo telescopio verso una galassia lontana e ne misurassi la luce, dal momento della sua creazione fino ai giorni nostri, scopriresti che la luce che hai osservato è stata sempre spostata verso il rosso rispetto alla luce che è stata emessa. Mentre la luce viaggia attraverso l’Universo in espansione, il tessuto di quello stesso spazio si allunga, il che allunga la lunghezza d’onda della luce. Quando arriva ai nostri occhi, la sua lunghezza d’onda è più lunga, il che significa che il suo colore è più rosso e la sua energia è inferiore rispetto a quando è stata emessa. Anche la stessa galassia lontana, che inizialmente emetteva quella luce, si allontana sempre di più col passare del tempo.

Questa animazione semplificata mostra come i cambiamenti di luce rossa e come cambiano le distanze tra oggetti non associati ... [+] nel tempo nell'Universo in espansione. Si noti che gli oggetti iniziano più vicini del tempo impiegato dalla luce per viaggiare tra di loro, la luce rossa si sposta a causa dell'espansione dello spazio e le due galassie si avvolgono molto più distanti del percorso di spostamento della luce intrapreso dal fotone scambiato fra loro.

Nel nostro Universo vediamo qualcos’altro: le singole galassie sembrano rallentare per i primi 7,8 miliardi di anni della storia dell’Universo, e quindi la loro velocità di recessione sembra accelerareCol passare del tempo, le galassie distanti sembrano individualmente allontanarsi da noi a velocità sempre più elevate. Già, delle 2 trilioni di galassie contenute nel nostro Universo osservabile, il 94% di esse è per sempre al di fuori della nostra portata, e non potremo più raggiungerle, anche se le inseguissimo alla velocità della luce.

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La dimensione del nostro Universo visibile (giallo), insieme alla quantità che possiamo raggiungere (magenta). Il limite ... [+] dell'Universo visibile è di 46,1 miliardi di anni luce, poiché questo è il limite di quanto lontano sarebbe un oggetto che emetteva luce che ci raggiungerebbe oggi dopo essersi espanso lontano da noi per 13,8 miliardi di anni .

La grande domanda, ovviamente, è perché. Perché il nostro universo ha energia oscura? Perché l’energia oscura ha un valore diverso da zero? E perché ha le proprietà specifiche che ha?
Da quando l’energia oscura è stata intuita e poi scoperta negli anni ’90 – dalla struttura su larga scala dell’Universo, dai requisiti dell’età dell’Universo per le stelle al suo interno, dalla debolezza delle supernovae lontane e dalla piattezza dell’università combinata con la densità della materia misurata – gli scienziati hanno saputo che è stato incredibilmente coerente con quella che chiamiamo una costante cosmologica: una delle poche cose che possiamo aggiungere alla Relatività Generale di Einstein che non viola le previsioni fondamentali della teoria stessa.
L’idea di una costante cosmologica è semplice: il tessuto dello spazio stesso ha una quantità di energia non zero inerente ad esso.

Visualizzazione di un calcolo della teoria dei campi quantistici che mostra particelle virtuali nel vuoto quantico .... [+] (In particolare, per le interazioni forti.) Anche nello spazio vuoto, questa energia del vuoto è diversa da zero e ciò che sembra essere il ' lo stato fondamentale 'in una regione di spazio curvo apparirà diverso dalla prospettiva di un osservatore in cui la curvatura spaziale differisce. Finché sono presenti campi quantici, anche questa energia del vuoto (o una costante cosmologica) deve essere presente.

Questo è il percorso più semplice e più conservatore per spiegare l’energia oscura: è semplicemente dovuta alle proprietà dello spazio stesso. Se l’energia oscura è veramente descritta da questa energia del punto zero dello spazio, ed è indistinguibile da una costante cosmologica, allora dovrebbe:

  • avere una densità energetica specifica che non cambia mai con il tempo,
  • fa sì che tutte le lunghezze d’onda della luce si spostino di rosso esattamente della stessa quantità,
  • far sì che gli effetti dell’espansione accelerata obbediscano a una relazione particolare per quanto riguarda il cambiamento nel tempo,
  • pur chiedendo che la gravitazione sia sempre la stessa, per tutti gli osservatori, in tutti i quadri di riferimento, e che la velocità di gravità sia esattamente uguale alla velocità della luce.

È stato osservato che ogni componente di quest’ultimo punto è fedele a una precisione straordinaria ovunque l’abbiamo testato, motivo per cui le modifiche alla gravità sono già così fortemente vincolate.

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Illustrazione di un rapido lampo di raggi gamma, a lungo pensato per la fusione di stelle di neutroni. L'ambiente ... [+] ricco di gas che li circonda potrebbe ritardare l'arrivo del segnale, spiegando la differenza osservata di 1,7 secondi tra gli arrivi delle firme gravitazionali ed elettromagnetiche. Questa è la migliore prova che abbiamo, osservazionalmente, che la velocità di gravità deve essere uguale alla velocità della luce: a circa 1 parte in 10 ^ 15 (un quadrilione).

Tuttavia, la modifica della gravità è diventata di moda ultimamente, con molti teorici che armeggiano con idee che infrangono le regole della relatività generale. I tipi più comuni di modifiche aggiungono un campo in più (scalare, vettore o entrambi), un ulteriore set di termini (come un nuovo accoppiamento) oppure infrangono l’idea che la gravità è la stessa legge per tutti in ogni momento. Tutti questi sono già fortemente vincolati, dal momento che la Relatività Generale ha superato tutti i test che abbiamo mai affrontato a pieni voti.
Tuttavia, alcune di queste idee conosco una breve fama dovuta alla moda. Quest’ultima opzione è nota come rottura dell’invarianza di Lorentz, il che significa buttare via il principio stesso su cui si fonda la relatività. Recentemente una nuova linea di ricerca ha guadagnato attenzione, tentando di modificare la gravità ipotizzando che il gravitone, analogo portatore di forza gravitazionale del fotone, non sia esattamente privo di massa, ma piuttosto abbia una piccola massa diversa da zero inerente ad essa.

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Tutte le particelle prive di massa viaggiano alla velocità della luce, inclusi il fotone, il gluone e le onde gravitazionali ... [+], che trasportano rispettivamente le interazioni elettromagnetiche, forti nucleari e gravitazionali. Se i gravitoni, la particella che trasporta la forza responsabile della gravità, hanno una massa diversa da zero, viaggeranno più lentamente della luce e produrranno una legge di forza leggermente diversa da quella prevista dalla Relatività Generale.

Ciò avrebbe enormi conseguenze per la fisica, se fosse vero. Prima di tutto, significherebbe che la gravità non è veramente una forza a lungo raggio; a distanze sufficientemente grandi, dovrebbe indebolirsi più velocemente della forza elettromagnetica (basata su un fotone senza massa). In secondo luogo, significa che cambiando le coordinate, muovendosi a velocità costante o spostandosi in una posizione diversa, cambierà il modo in cui percepisci le leggi di gravità.
Ma, terzo, significherebbe che la velocità della gravità è inferiore alla velocità della luce, e questo è più difficile conciliare. In effetti, ci sono limiti osservativi e sperimentali su tutti e tre questi punti che ci dicono che se la gravità non è veramente a lungo raggio, non è coordinata o aumenta invariante, o se la sua velocità non è esattamente uguale alla velocità della luce, essa deve essere molto, molto vicina.
Ma la quarta conseguenza di un gravitone massiccio è la più inquietante di tutte da un punto di vista teorico: la sua massa cambierebbe nel tempo in proporzione al tasso di espansione stesso.
Sappiamo che la Relatività Generale non sarà sempre la risposta completa a tutto, poiché ci sono domande che le possiamo porre a cui non è in grado di rispondere. Pertanto, alcuni sostengono, è ragionevole esplorare quali sono i diversi modi per “spezzare” la relatività generale, per capire le conseguenze e cercare deviazioni. Ad un certo livello, gli scienziati lo fanno da 100 anni.
Ma le deviazioni non sono mai state viste. Esistono forti vincoli sulle alternative alla relatività generale che incorporano scalari o vettori. La velocità della gravità deve eguagliare la velocità della luce al meglio di 3 parti in un quadrilione, un problema che richiede ulteriori contorsioni teoriche da evitare anche per la decantata idea di De Rham. E, forse più frustrante, questi tentativi di spiegare l’energia oscura spazzano tutti la grande domanda – su come calcolare l’energia del punto zero dello spazio stesso – completamente sotto il tappeto, senza affrontarla affatto.

La gravità quantistica cerca di combinare la teoria generale della relatività di Einstein con la meccanica quantistica .... [+] Le correzioni quantistiche alla gravità classica sono visualizzate come diagrammi a circuito, come quello mostrato qui in bianco. Se lo spazio (o il tempo) stesso è discreto o continuo non è ancora deciso, come lo è la questione se la gravità sia quantizzata, se esista un gravitone (massiccio o senza massa). o se le particelle, come le conosciamo oggi, sono fondamentali o meno. Ma se speriamo in una teoria fondamentale di tutto, deve includere campi quantizzati, cosa che la Relatività Generale non fa da sola.

È assolutamente vero che esiste energia oscura, che l’evidenza a sostegno della sua esistenza è schiacciante e che, sebbene gli scienziati possano fare un ottimo lavoro nel descrivere l’energia oscura, non capiamo cosa sia o da dove provenga. Potrebbe essere che la nostra attuale teoria della gravità, la relatività generale, non sia del tutto corretta e che il modo specifico in cui non è giusto alla fine sarà responsabile dell’energia oscura. Questo è ciò su cui la maggior parte dei teorici che lavorano sulla gravità modificata punta.
Test osservabili e misurabili continuano a concordare con la Relatività Generale nella sua forma non modificata e spiegare il valore della costante cosmologica rimane un enigma inspiegabile in tutte le versioni della gravità, sia modificate che non modificate. Se vuoi energia oscura, la costante cosmologica fa perfettamente il lavoro. Puoi fare il lavoro in modo diverso se vuoi, ma sii onesto su quello che stai facendo: aggiungendo un’ulteriore complicazione non necessaria per spiegare qualcosa che è già abbastanza complicato da solo.
Fonte: Forbes