L’Universo in espansione potrebbe davvero essere un miraggio?

L'universo in espansione è una necessità assoluta o c'è un modo per aggirarlo? In un nuovo articolo interessante che abbiamo recentemente trattato, il fisico teorico Lucas Lombriser sostiene che l'Universo in espansione può essere "trasformato" manipolando le equazioni della Relatività Generale. Nel suo scenario, l'espansione cosmica osservata sarebbe semplicemente un miraggio. Ma questo resiste alla scienza che già conosciamo?

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L'Universo in espansione potrebbe davvero essere un miraggio?
L'Universo in espansione potrebbe davvero essere un miraggio?

Negli anni ’20 si sono verificati due sviluppi paralleli che hanno aperto la strada alla moderna comprensione dell’Universo. Dal punto di vista teorico, siamo riusciti a dedurre che se obbedisci alle leggi della Relatività Generale e hai un Universo che è (in media) uniformemente riempito di materia ed energia, il tuo Universo non può essere statico e stabile, ma deve espandersi o contrarsi. Dal punto di vista dell’osservazione, abbiamo iniziato a identificare le galassie oltre la Via Lattea e abbiamo rapidamente determinato che (in media) più sono lontane, più velocemente si allontanano da noi.

Mettendo insieme teoria e osservazione, è nata la nozione dell’Universo in espansione, e da allora è stata con noi. Il nostro modello standard della cosmologia – compreso il Big Bang, l’inflazione cosmica, la formazione della struttura cosmica, la materia oscura e l’energia oscura – è tutto costruito sulle fondamenta dell’Universo in espansione.

Ma l’Universo in espansione è una necessità assoluta o c’è un modo per aggirarlo? In un nuovo articolo interessante che abbiamo recentemente trattato, il fisico teorico Lucas Lombriser sostiene che l’Universo in espansione può essere “trasformato” manipolando le equazioni della Relatività Generale. Nel suo scenario, l’espansione cosmica osservata sarebbe semplicemente un miraggio. Ma questo resiste alla scienza che già conosciamo? Indaghiamo.

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Animazione schematica di un raggio continuo di luce disperso da un prisma. Se aveste occhi ultravioletti e infrarossi, sareste in grado di vedere che la luce ultravioletta si piega ancora di più rispetto alla luce viola/blu, mentre la luce infrarossa rimarrebbe meno curvata rispetto alla luce rossa. La velocità della luce è costante nel vuoto, ma diverse lunghezze d’onda/colori della luce viaggiano a velocità diverse attraverso un mezzo. Ciò può essere spiegato adeguatamente attraverso un’immagine di luce simile a un’onda o a un raggio. ( Credito : Lucas Vieira/Wikimedia Commons)

L’universo in espansione

Di tanto in tanto, ci accorgiamo che ci sono molti modi diversi di guardare allo stesso fenomeno. Se questi due modi sono fisicamente equivalenti, allora comprendiamo che non c’è differenza tra loro e quale scegli è semplicemente una questione di preferenze personali.

  • Nella scienza dell’ottica, ad esempio, puoi descrivere la luce come un’onda (come fece Huygens) o come un raggio (come fece Newton), e nella maggior parte delle circostanze sperimentali, le due descrizioni fanno previsioni identiche.
  • Nella fisica quantistica, dove gli operatori quantistici agiscono su funzioni d’onda quantistiche, puoi descrivere particelle con una funzione d’onda che si evolve e con operatori quantistici immutabili, oppure puoi mantenere le particelle immutabili e semplicemente far evolvere gli operatori quantistici.
  • Oppure, come spesso accade nella relatività di Einstein, si può immaginare che due osservatori abbiano degli orologi: uno a terra e uno su un treno in movimento. Puoi descriverlo ugualmente bene con due diversi scenari: avere il suolo “a riposo” e guardare il treno sperimentare gli effetti della dilatazione del tempo e della contrazione della lunghezza mentre è in movimento, o avere il treno “a riposo” e guardare l’osservatore sul terreno sperimentare la dilatazione del tempo e la contrazione della lunghezza.

Come implica la stessa parola “relativo”, questi scenari, se danno previsioni identiche l’uno all’altro, allora uno dei due è ugualmente valido quanto l’altro.



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Un aspetto rivoluzionario del moto relativistico, presentato da Einstein ma precedentemente sviluppato da Lorentz, Fitzgerald e altri, è che gli oggetti in rapido movimento sembrano contrarsi nello spazio e dilatarsi nel tempo. Più velocemente ti muovi rispetto a qualcuno a riposo, più le tue lunghezze sembrano contrarsi, mentre il tempo sembra dilatarsi per il mondo esterno. Per un osservatore a terra, il treno si contrae e il tempo al suo interno si dilata; per un osservatore sul treno, il mondo esterno sperimenta la contrazione della lunghezza e la dilatazione del tempo . ( Crediti : C. Renshaw, IEEE, 1996)

Quest’ultimo scenario, nella relatività, ci suggerisce che potremmo essere interessati a eseguire quella che i matematici chiamano trasformazione di coordinate. Probabilmente sei abituato a pensare alle coordinate nello stesso modo in cui René Descartes ha fatto circa 400 anni fa: come una griglia, dove tutte le direzioni/dimensioni sono perpendicolari l’una all’altra e hanno le stesse scale di lunghezza che si applicano ugualmente a tutti gli assi. Probabilmente hai imparato a conoscere queste coordinate durante le lezioni di matematica a scuola: sono le coordinate cartesiane.

Ma le coordinate cartesiane non sono le uniche utili. Se hai a che fare con qualcosa che ha quella che chiamiamo simmetria assiale (simmetria attorno a un asse), potresti preferire le coordinate cilindriche. Se hai a che fare con qualcosa che è uguale in tutte le direzioni attorno a un centro, potrebbe avere più senso usare coordinate sferiche. E se hai a che fare non solo con lo spazio ma anche con lo spaziotempo – dove la dimensione “tempo” si comporta in un modo fondamentalmente diverso dalle dimensioni “spazio” – ti divertirai molto meglio usando le coordinate iperboliche per relazionare spazio e tempo l’uno all’altro.

La cosa fantastica delle coordinate è questa: sono solo una scelta. Finché non cambi la fisica alla base di un sistema, sei assolutamente libero di lavorare in qualsiasi sistema di coordinate preferisci per descrivere qualunque cosa tu stia considerando all’interno dell’Universo.

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Una volta varcata la soglia per formare un buco nero, tutto all’interno dell’orizzonte degli eventi si riduce a una singolarità che è, al massimo, unidimensionale. Nessuna struttura 3D può sopravvivere intatta. Tuttavia, un’interessante trasformazione di coordinate mostra che ogni punto all’interno di questo buco nero mappa 1 a 1 con un punto all’esterno, sollevando la possibilità matematicamente interessante che l’interno di ogni buco nero dia origine a un universo bambino all’interno di Esso. ( Crediti : vchalup/Adobe Stock)

C’è un modo ovvio per provare ad applicare questo concetto all’Universo in espansione. Convenzionalmente, prendiamo atto del fatto che le distanze nei sistemi legati, come i nuclei atomici, gli atomi, le molecole, i pianeti, o anche i sistemi stellari e le galassie, non cambiano nel tempo; possiamo usarli come “righello” per misurare le distanze ugualmente bene in un dato momento. Quando applichiamo questo principio all’Universo nel suo insieme, poiché vediamo galassie lontane (non legate) che si allontanano l’una dall’altra, concludiamo che l’Universo si sta espandendo e lavoriamo per mappare come il tasso di espansione è cambiato nel tempo.

Quindi, perché non fare la cosa ovvia e capovolgere quelle coordinate: mantenere fisse le distanze tra le galassie (non legate) nell’Universo e semplicemente fare in modo che i nostri “governanti” e tutte le altre strutture legate si riducano con il tempo?

Potrebbe sembrare una scelta frivola da fare, ma spesso, nella scienza, semplicemente cambiando il modo in cui guardiamo a un problema, possiamo scoprire alcune caratteristiche che erano oscure nella vecchia prospettiva, ma diventano chiare in quella nuova. Ci chiediamo – e questo è ciò che Lombriser ha esplorato nel suo nuovo articolo – cosa concluderemmo su alcuni dei più grandi enigmi se adottassimo questa prospettiva alternativa?

Questo frammento di una simulazione di formazione della struttura a media risoluzione, con l’espansione dell’Universo ridimensionata, rappresenta miliardi di anni di crescita gravitazionale in un Universo ricco di materia oscura. Si noti che i filamenti ed i ricchi ammassi, che si formano all’intersezione dei filamenti, sorgono principalmente a causa della materia oscura; la materia normale gioca solo un ruolo minore. Più grande è la tua simulazione, tuttavia, più quella struttura su scala ridotta è intrinsecamente sottovalutata e “appianata”. ( Crediti : Ralf Kaehler e Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn)

Quindi, invece del modo standard di vedere la cosmologia, puoi invece formulare il tuo Universo come statico e non in espansione, a scapito di avere:

  • masse,
  • lunghezze,
  • e tempistiche,

tutto cambia ed evolve. Poiché l’obiettivo è mantenere costante la struttura dell’Universo, non è possibile avere uno spazio curvo in espansione che abbia al suo interno imperfezioni di densità crescente, e quindi quegli effetti evolutivi devono essere codificati altrove. Le scale di massa dovrebbero evolversi attraverso lo spaziotempo, così come le scale di distanza e le scale temporali. Dovrebbero coevolvere tutti insieme esattamente in modo tale che, quando li metti insieme per descrivere l’Universo, si sommano al “rovescio” della nostra interpretazione standard.

In alternativa, puoi mantenere costanti sia la struttura dell’Universo che le scale di massa, le scale di lunghezza e le scale temporali, ma a scapito del fatto che le costanti fondamentali all’interno del tuo Universo coevolvono insieme in modo tale che tutte le dinamiche dell’Universo vengono codificate su di esse.

Potresti provare a discutere contro una di queste formulazioni, poiché la nostra prospettiva convenzionale ha un senso più intuitivo. Ma, come abbiamo accennato in precedenza, se la matematica è identica e non ci sono differenze osservabili tra le previsioni che fanno entrambe le prospettive, allora hanno tutte la stessa validità quando proviamo ad applicarle all’Universo.

Vuoi spiegare il redshift cosmico? Puoi in questa nuova immagine, ma in un modo diverso. Nella foto standard:

  • un atomo subisce una transizione atomica,
  • emette un fotone di una particolare lunghezza d’onda,
  • quel fotone viaggia attraverso l’Universo in espansione, il che provoca uno spostamento verso il rosso mentre viaggia,
  • e poi, quando l’osservatore lo riceve, ora ha una lunghezza d’onda maggiore di quella che ha la stessa transizione atomica nel laboratorio dell’osservatore.

Ma l’unica osservazione che possiamo fare avviene in laboratorio: dove possiamo misurare la lunghezza d’onda osservata del fotone ricevuto e confrontarla con la lunghezza d’onda di un fotone di laboratorio.

Potrebbe anche verificarsi perché la massa dell’elettrone si sta evolvendo, o perché la costante di Planck (ℏ) si sta evolvendo, o perché la costante di struttura fine (adimensionale) (o qualche altra combinazione di costanti) si sta evolvendo. Ciò che misuriamo come spostamento verso il rosso potrebbe essere dovuto a una varietà di fattori diversi, tutti indistinguibili l’uno dall’altro quando si misura lo spostamento verso il rosso di quel fotone distante. Vale la pena notare che questa riformulazione, se estesa correttamente, darebbe lo stesso tipo di spostamento verso il rosso anche per le onde gravitazionali.

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Quando un pallone si gonfia, tutte le monete incollate sulla sua superficie sembreranno allontanarsi l’una dall’altra, con le monete “più distanti” che si allontanano più rapidamente di quelle meno distanti. Qualsiasi luce si sposterà verso il rosso, poiché la sua lunghezza d’onda si “allunga” a valori più lunghi man mano che il tessuto del pallone si espande. Per quanto valida sia questa analogia, tuttavia, essa presenta alcune gravi limitazioni fondamentali e altre spiegazioni possono produrre lo stesso fenomeno di spostamento verso il rosso. ( Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Allo stesso modo, potremmo riformulare il modo in cui la struttura cresce nell’Universo. Normalmente, nell’immagine standard, iniziamo con una regione dello spazio leggermente sovradensa: dove la densità in questa regione è appena leggermente superiore alla media cosmica. Poi, nel tempo:

  • questa perturbazione gravitazionale attrae preferenzialmente più materia rispetto alle regioni circostanti,
  • facendo sì che lo spazio in quella regione si espanda più lentamente della media cosmica,
  • e man mano che la densità cresce, alla fine attraversa una soglia critica innescando condizioni in cui è legata gravitazionalmente,
  • e poi inizia a contrarsi gravitazionalmente, dove cresce in un pezzo di struttura cosmica come un ammasso stellare, una galassia o una collezione ancora più grande di galassie.

Tuttavia, invece di seguire l’evoluzione di una sovradensità cosmica, è possibile sostituirla con una combinazione di scale di massa, scale di distanza e scale temporali che si evolvono (allo stesso modo, la costante di Planck, la velocità della luce e la costante gravitazionale potrebbero evolversi, in alternativa). Ciò che vediamo come una “struttura cosmica in crescita” potrebbe essere il risultato non della crescita cosmica, ma di questi parametri che cambiano radicalmente nel tempo , lasciando invariati gli osservabili (come le strutture e le loro dimensioni osservate).

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Le regioni nate con una sovradensità tipica, o “normale”, cresceranno fino ad avere strutture ricche, mentre le regioni “vuote” sottodense avranno meno struttura. Tuttavia, la prima struttura su piccola scala è dominata dalle regioni di densità con il picco più alto (qui etichettate come “rarepeak”), che crescono più velocemente e sono visibili solo in dettaglio alle simulazioni a risoluzione più elevata . ( Credito : J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (presentato), 2023)

Se segui questo approccio, per quanto sgradevole possa sembrare, puoi provare a reinterpretare alcune delle proprietà attualmente inspiegabili che il nostro Universo sembra possedere. Ad esempio, c’è il problema della “costante cosmologica“, dove per qualche motivo l’Universo si comporta come se fosse riempito da un campo di densità di energia costante inerente allo spazio: una densità di energia che non si diluisce o cambia di valore come l’Universo si espande. Questo non era importante molto tempo fa, ma sembra essere importante ora solo perché la densità della materia si è diluita al di sotto di una certa soglia critica. Non sappiamo perché lo spazio dovrebbe avere questa densità di energia diversa da zero, o perché dovrebbe assumere un valore coerente con l’energia oscura osservata. Nell’immagine standard, è solo un mistero inspiegabile.

Tuttavia, in questo approccio riformulato, c’è una relazione tra il valore della costante cosmologica e – se si hanno scale di massa e scale di distanza che cambiano secondo la nuova formulazione – l’inverso della lunghezza di Planck al quadrato. Certo, la lunghezza di Planck cambia man mano che l’Universo si evolve in questa nuova formulazione, ma si evolve tendenzialmente verso l’osservatore: il valore che osserviamo ora ha il valore che ha ora semplicemente perché è ora. Se i tempi, le masse e le lunghezze si evolvono tutti insieme, ciò elimina quello che chiamiamo il “problema di coincidenza” in cosmologia. Qualsiasi osservatore osserverà che la loro costante cosmologica effettiva è importante “ora” perché il loro “ora” continua ad evolversi con il tempo cosmico.

Un’illustrazione di come le densità di radiazione (rosso), neutrino (tratteggiata), materia (blu) ed energia oscura (tratteggiata) cambiano nel tempo. In un nuovo modello proposto alcuni anni fa, l’energia oscura sarebbe stata sostituita dalla solida curva nera, che finora è indistinguibile, osservativamente, dall’energia oscura che presumiamo. A partire dal 2023 in un Universo in espansione, l’energia oscura può deviare da una “costante” di circa il 7% circa nell’equazione di stato; qualsiasi altro è troppo strettamente vincolato dai dati. ( Credito : F. Simpson et al., Fisica dell’universo oscuro, 2018)

si può reinterpretare la materia oscura come un effetto geometrico delle masse delle particelle che aumentano in modo convergente nei primi tempi. Alternativamente, È possibile reinterpretare l’energia oscura come un effetto geometrico mentre le masse delle particelle, negli ultimi tempi, aumentano in modo divergente. E, cosa abbastanza eccitante, potrebbero esserci legami tra un modo diverso di reinterpretare la materia oscura – dove l’espansione cosmica è riformulata come un campo scalare che finisce per comportarsi come un noto candidato alla materia oscura, l’assione – e accoppiamenti tra il campo che causa l’espansione e il la materia nel nostro Universo introduce la violazione di CP: uno degli ingredienti chiave necessari per generare un’asimmetria materia-antimateria nel nostro Universo.

Pensare al problema in questo modo porta a una serie di potenziali conseguenze interessanti, e in questa prima fase “sandbox”, non dovremmo scoraggiare nessuno dal fare proprio questo tipo di esplorazione matematica. Pensieri come questo potrebbero un giorno far parte di qualunque fondamento teorico ci porti oltre l’attuale immagine standard consolidata della cosmologia.

Tuttavia, c’è una ragione per cui la maggior parte dei cosmologi moderni che si occupano dell’Universo fisico in cui abitiamo non si preoccupano di queste considerazioni, che sono interessanti dal punto di vista della pura Relatività Generale: esiste anche il laboratorio, e mentre queste riformulazioni vanno bene su scala cosmica, sono in pieno conflitto con ciò che osserviamo qui sulla Terra.

Si consideri, ad esempio, l’idea che:

  • le proprietà fondamentali delle particelle, come masse, cariche, lunghezze o durate stanno cambiando,
  • le costanti fondamentali, come la velocità della luce, la costante di Planck o la costante gravitazionale stanno cambiando.

Il nostro Universo, osservabilmente, ha solo 13,8 miliardi di anni. Effettuiamo misurazioni ad alta precisione di sistemi quantistici in laboratorio da diversi decenni ormai, con le misurazioni di massima precisione che rivelano proprietà della materia entro circa 1,3 parti su dieci trilioni. Se le proprietà delle particelle o le costanti fondamentali stessero cambiando, anche le nostre misurazioni di laboratorio cambierebbero: secondo queste riformulazioni, su una scala temporale di ~14 anni (dal 2009 circa), avremmo notato variazioni nelle proprietà osservate di questi quanti ben misurati che sono migliaia di volte più grandi dei nostri vincoli più stretti: di circa 1 parte per miliardo.

  • Il momento magnetico dell’elettrone, ad esempio, è stato misurato con altissima precisione nel 2007 e nel 2022 e ha mostrato una variazione inferiore a 1 parte su un trilione (i limiti della precisione della misurazione precedente) tra di loro, dimostrando che il la costante di struttura fine non è cambiata.
  • La transizione spin-flip dell’idrogeno, che si traduce in una linea di emissione di una precisa lunghezza d’onda di 21,10611405416 centimetri, ha un’incertezza su di essa di appena 1,4 parti per trilione e non è cambiata da quando è stata osservata per la prima volta nel 1951 (sebbene noi l’abbiamo misurata meglio nel tempo). Ciò dimostra che la costante di Planck non è cambiata.
  • E l’esperimento di Eötvös, che misura l’equivalenza della massa inerziale (che non è influenzata dalla costante gravitazionale) e della massa gravitazionale (che lo è) ha dimostrato che questi due “tipi” di massa sono equivalenti a un notevole 1-parte-per- quadrilione a partire dal 2017.
Il principio di equivalenza sostiene che non dovrebbe esserci alcuna differenza tra un’accelerazione gravitazionale e un’accelerazione dovuta a qualsiasi altra forza nell’Universo. Poiché una dipende dalla costante gravitazionale e l’altra no, testare il principio di equivalenza, eseguito con la massima precisione dal satellite MICROSCOPE a 1 parte su 10¹⁵, è un modo per limitare le variazioni temporali nella costante gravitazionale. ( Credito : APS/Carin Caino)

Questa è una caratteristica notevole del nostro Universo secondo il modo standard di vedere le cose: le stesse leggi della fisica che si applicano qui sulla Terra si applicano ovunque nell’Universo, in tutti i luoghi e tempi della nostra storia cosmica. Una prospettiva applicata all’Universo che fallisce qui sulla Terra è molto meno interessante di una che si applica con successo all’intera gamma di sistemi fisicamente interessanti. Se l’Universo in espansione convenzionale concorda anche con la fisica sulla Terra e un’alternativa ad essa descrive bene l’Universo più grande ma fallisce qui sulla Terra, non possiamo dire che l’Universo in espansione sia un miraggio. Dopotutto, la fisica qui sulla Terra è l’ancora più reale, misurata e collaudata che abbiamo per determinare ciò che è realmente reale.

Questo non vuol dire che le riviste che pubblicano questo tipo di ricerca speculativa – Classical and Quantum Gravity, il Journal of High-Energy Physics, o il Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, solo per citarne alcune – non siano affidabili e di alta qualità; Sono solo riviste di nicchia: molto più interessate a questo tipo di esplorazioni in fase iniziale che a un confronto con la nostra realtà guidata dalla sperimentazione e dall’osservazione. Continua a giocare nella sandbox ed esplorare alternative alle immagini standard della realtà cosmologiche (e fisiche delle particelle). Ma non fingere che buttare via tutta la realtà sia un’opzione praticabile. L’unico “miraggio” qui è l’idea che la nostra realtà osservata e misurata sia in qualche modo irrilevante quando si tratta di comprendere il nostro Universo.

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