La costante cosmologica, introdotto un secolo fa da Albert Einstein nella sua teoria della relatività generale, è una spina nel fianco dei fisici. La differenza tra la previsione teorica di questo parametro e la sua misurazione basata su osservazioni astronomiche è dell'ordine di 10 ¹²¹ . Non sorprende sapere che questa stima è considerata la peggiore dell'intera storia della fisica. In un articolo da pubblicare su Lettere di fisica B , un ricercatore dell'Università di Ginevra (UNIGE), Svizzera, propone un approccio che potrebbe apparentemente risolvere questa incoerenza. L'idea originale nell'articolo è accettare che un'altra costante:la gravitazione universale di Newton G, che fa anche parte delle equazioni sulla relatività generale, può variare. Questa svolta potenzialmente importante, che è stato accolto positivamente dalla comunità scientifica, deve ancora essere perseguito al fine di generare previsioni che possano essere confermate (o confutate) sperimentalmente.

"Il mio lavoro consiste in una nuova manipolazione matematica delle equazioni della relatività generale che rende finalmente possibile armonizzare teoria e osservazione sulla costante cosmologica, "dice Lucas Lombriser, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Teorica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE e unico autore dell'articolo.

Espansione in piena accelerazione

La costante cosmologica (lambda) è stata introdotta nelle equazioni sulla relatività generale da Einstein oltre un secolo fa. Il celebre fisico aveva bisogno della costante per assicurarsi che la sua teoria fosse compatibile con un universo che riteneva statico. Però, nel 1929 un altro fisico, Edwin Hubble, scoprì che le galassie si stanno tutte allontanando l'una dall'altra, un segno che l'universo si sta effettivamente espandendo. Imparando questo, Einstein rimpianse di aver introdotto la costante cosmologica, che era diventato inutile ai suoi occhi, e lo descrisse persino come "il più grande errore della mia vita".

Nel 1998, l'analisi precisa delle supernove lontane ha offerto la prova che l'espansione dell'universo, lungi dall'essere costante, sta effettivamente accelerando, come se una forza misteriosa gonfiasse il cosmo sempre più rapidamente. La costante cosmologica è stata quindi richiamata ancora una volta per descrivere ciò che i fisici chiamano "energia del vuoto", un'energia la cui natura è sconosciuta (si parla di energia oscura, quintessenza, ecc.) ma che è responsabile dell'espansione accelerata dell'universo.

Le osservazioni più precise delle supernove, e soprattutto del fondo cosmico a microonde (radiazione a microonde che proviene da tutte le parti del cielo e che è considerata un residuo del Big Bang), hanno permesso di misurare un valore sperimentale per questa costante cosmologica. Il risultato è una cifra molto piccola (1,11 × 10 ^-52 m ^-2 ) che è tuttavia sufficientemente ampio da generare l'effetto desiderato di un'espansione accelerata.

Enorme divario tra teoria e osservazione

Il problema è che il valore teorico della costante cosmologica è molto diverso. Questo valore si ottiene utilizzando la teoria quantistica dei campi:questa sostiene che coppie di particelle su scala molto piccola vengono create e distrutte quasi istantaneamente in ogni punto dello spazio e in qualsiasi momento. L'energia di questa "fluttuazione del vuoto" - un fenomeno molto reale - viene interpretata come un contributo alla costante cosmologica. Ma quando viene calcolato il suo valore, si ottiene una cifra enorme (3,83 × 10 ⁺⁶⁹ m ^-2 ), che è largamente incompatibile con il valore sperimentale. Questa stima rappresenta il divario più grande mai ottenuto (di un fattore 10 ¹²¹ ) tra teoria ed esperimento attraverso la scienza.

Questo problema della costante cosmologica è uno dei temi più "caldi" della fisica teorica attuale, e sta mobilitando numerosi ricercatori in tutto il mondo. Tutti guardano le equazioni della relatività generale da tutte le parti nel tentativo di portare alla luce idee che risolvano la questione. Sebbene siano state proposte diverse strategie, non c'è consenso generale per il momento.

Professor Lombriser, da parte sua, ha avuto l'idea originale alcuni anni fa di introdurre una variazione nella costante universale di gravitazione G (di Newton) che compare nelle equazioni di Einstein. Ciò significa che l'universo in cui viviamo (con un G di 6,674 08 × 10 ^-11 m ³ / kg s ² ) diventa un caso speciale tra un'infinità di possibilità teoriche diverse.

Dopo numerosi sviluppi e ipotesi, l'approccio matematico del professor Lombriser permette di calcolare il parametro ΩΛ (omega lambda), che è un altro modo di esprimere la costante cosmologica ma che è molto più facile da manipolare. Questo parametro designa anche la frazione attuale dell'universo che è costituita da energia oscura (il resto è composto da materia). Il valore teorico ottenuto dal fisico ginevrino è 0,704 o 70,4 per cento. Questo dato è in stretto accordo con la migliore stima sperimentale ottenuta fino ad oggi, 0,685 o 68,5%, affermando che questo è un enorme miglioramento rispetto al 10 ¹²¹ incongruenza.

Questo successo iniziale deve ora essere seguito da ulteriori analisi per verificare se il nuovo quadro proposto da Lombriser può essere utilizzato per reinterpretare o chiarire altri misteri della cosmologia. Il fisico è già stato invitato a presentare e spiegare il suo approccio in convegni scientifici, che riflette l'interesse mostrato dalla comunità.