Aveva ragione anche quando pensava di avere torto, il buon Albert Einstein. L’idea della “costante cosmologica” era infatti stato lui il primo a proporla, introducendola sotto forma di lambda nelle sue equazioni di campo della relatività generale. Salvo poi rimangiarsi l’intuizione, a seguito della scoperte di Hubble sull’espansione dell’universo, definendo quel termine lambda «Il più grande errore della mia vita». Negli ultimi 15 anni, però, la costante cosmologica ha vissuto un vero e proprio revival, in quanto possibile candidata per dare un nome e un volto all’ineffabile energia oscura, la forza respingente che costituisce il 74 percento dell’universo. C’è ancora molto da scoprire sul bosone di Higgs, nonostante sia stato teorizzato oltre quarant’anni fa e osservato sperimentalmente poco più di un anno fa. Nei prossimi anni saranno effettuati studi più approfonditi sul suo spin (che dovrebbe essere nullo), sulla sua massa e sull’ipotesi che esistano due tipi di bosoni di Higgs. Ma ci sono anche alcune teorie che, a partire dalla scoperta della “particella di Dio”, si spingono oltre, per spiegare alcuni misteri ancora aperti nel mondo della fisica. Tra questi il principale resta senz’altro il mistero dell’energia oscura, l’energia misteriosa che costituirebbe circa il 70% dell’universo ma sulla cui natura resta il buio più fitto. I fisici e i cosmologi sanno solo che tale energia è responsabile dell’accelerazione dell’espansione dell’universo, comportandosi quindi come una sorta di anti-gravità. La candidata numero uno per spiegare l’energia oscura è da sempre la cosiddetta “energia del vuoto”, prodotta dalla continua creazione e annichilazione di particelle virtuali nel vuoto cosmico sulla base delle leggi della meccanica quantistica. Eppure, se calcolata, la densità dell’energia del vuoto è di 120 ordini di grandezza superiore al valore previsto dalla teoria per spiegare l’espansione dell’universo. Un problema che da quindici anni angustia i fisici, e che potrebbe essere risolto ricorrendo proprio al bosone di Higgs. L’energia oscura può infatti essere spiegata ricorrendo a un parametro introdotto da Einstein per avere un universo statico. Tale parametro, chiamato costante cosmologica, doveva annullare gli effetti della gravitazione, che avrebbe provocato la contrazione dell’universo. Com’è noto, quando Einstein scoprì che invece l’universo era in espansione, cancellò la costante introdotta definendola “il più grave errore” della sua vita. Alla fine degli anni ’90 la scoperta dell’accelerazione dell’universo provocò una sorprendente riscoperta della costante cosmologica, che poteva dare conto di una forza in grado di respingere l’attrazione gravitazionale. Ma, se anche introdotta nelle equazioni, la costante cosmologica spiega l’accelerazione dell’universo, nel mondo reale gli scienziati non sanno a cosa corrisponda quel valore. L’energia del vuoto sarebbe appunto la candidata ideale, ma il suo valore è enormemente più alto. Ma cos’è realmente la costante cosmologica? Fondamentalmente, esistono due possibili interpretazioni. Una è quella di considerarla una nuova costante di natura che modifica la metrica dello spaziotempo: si può pensarla, cioè, come una caratteristica intrinseca dello spaziotempo che non dipende da quanta materia (o energia) esiste nell’universo. Questo è più o meno il modo in cui la immaginava lo stesso Einstein. L’altra interpretazione è quella che considera la costante cosmologica come la densità di energia del vuoto (ovvero dello spaziotempo stesso, una volta che venga tolta tutta la materia ed energia). Questo è il punto di vista moderno, dal momento che è legato al concetto di energia di punto zero delle teorie di campo quantistiche: in parole povere, quando si sommano i contributi dell’energia dello stato fondamentale di tutti i campi quantistici, ci si aspetta in generale un risultato non nullo. Questo contributo energetico di solito non si nota, in quanto in laboratorio si misurano differenze di energia tra gli stati, e ogni contributo dall’energia di punto zero è comune a tutte le misure, per così dire. Tuttavia, la densità di energia del vuoto è rilevante in cosmologia, dal momento che deve portare a un’accelerazione dell’espansione dell’universo. Allora, sembrerebbe che tutto sia a posto: osserviamo che l’espansione dell’universo è accelerata, e possiamo spiegarlo tramite l’esistenza di una costante cosmologica. Sfortunatamente, le cose sono molto più complicate. Il problema è che qualsiasi stima del valore dell’energia del vuoto dalla teoria quantistica dei campi è grossolanamente sbagliata: da 60 fino a 120 ordini di grandezza (proprio così: 10 elevato alla 60 o alla 120!) più grande del valore misurato dalle osservazioni cosmologiche. Nessuno sa di preciso cosa vada storto. Stiamo forse sbagliando qualcosa di fondamentale nelle teorie di campo? Esiste un meccanismo che cancella il contributo degli stati fondamentali e rende l’energia del vuoto nulla o quasi? Ma se questo è il caso, perché la cancellazione è solo parziale, lasciando un’energia del vuoto grande quel tanto che basta a far accelerare l’universo in epoche recenti? (Il momento in cui l’accelerazione inizia, infatti, dipende dal valore della costante cosmologica. Ciò che osserviamo è che l’accelerazione è iniziata solo qualche miliardo di anni fa. Se la costante cosmologica fosse stata solo leggermente più grande, l’accelerazione sarebbe iniziata molto prima, impedendo la formazione di qualsiasi struttura nell’universo, inclusa la nostra stessa galassia!) Perché la presunta cancellazione non rende la costante cosmologica esattamente uguale a zero? Questo è un esempio di quello che i fisici chiamano “regolazione fine” (fine tuning, in inglese): il parametro di un modello deve trovarsi all’interno di un intervallo molto ristretto di valori, senza che esista nessuna ragione plausibile a priori. Quello dell’innaturale piccolezza dell’energia del vuoto è probabilmente uno dei problemi più profondi della fisica moderna. L’ultima alternativa include una classe molto vasta di modelli, che rientrano nella categoria della cosiddetta “energia oscura”: una componente che, a parte la gravità, non avrebbe nessun’altra interazione fisica con il resto della materia (o, se ce l’ha, è estremamente debole). Questa componente dovrebbe inoltre essere diffusa quasi uniformemente in tutto l’universo, così da non creare nessun “coagulo” che possa essere osservato direttamente. Molta parte della ricerca cosmologica odierna si concentra proprio sul tentativo di chiarire meglio la natura di questa energia oscura. Al momento, tuttavia, non c’è alcuna osservazione che indichi chiaramente che dovremmo abbandonare la “vecchia” costante cosmologica in favore di qualche modello più sofisticato. Quando, nel prossimo futuro, avremo dati migliori, saremo probabilmente in grado di capire più chiaramente cosa sta succedendo. Tuttavia, è anche possibile che il progresso verrà dal lato teorico: forse il problema della costante cosmologica sarà risolto quando raggiungeremo una comprensione migliore dell’unificazione delle interazioni fondamentali.
Posted on: Sat, 21 Sep 2013 03:16:09 +0000