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L’antigravità adesso esiste: perché l’universo accelera e frena

 10 gennaio 2015
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 Categoria: Scienze
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 Autore: admin

Promette di essere una delle scoperte scientifiche più clamorose degli ultimi decenni: l'esistenza di una nuova forza, opposta alla gravità perché di carattere repulsivo, che accelera la velocità di espansione dell'universo prevalendo sul «freno» prodotto dalla gravità. Così si possono infatti interpretare le nuove osservazioni sulle galassie più lontane, le quali dimostrano di allontanarsi l'una dall'altra a un ritmo maggiore del previsto. Ad aver preso le nuove misure all'universo è stato il gruppo di Adam Riess dello Space Telescope Institute americano, grazie alle osservazioni col telescopio spaziale Hubble. La chiave degli esperimenti sta nello studio di un tipo di supernove, straordinari corpi celesti che rappresentano la spia del moto delle galassie a cui appartengono. Queste stelle, giunte a un certo punto della loro vita, collassano in modo esplosivo, tanto che la loro luminosità aumenta fino a un miliardo di volte. Si trasformano così in candele naturali campione per la misura della distanza delle rispettive galassie.


A scoprire che noi viviamo in un universo in espansione nel quale miliardi di galassie si allontanano le une dalle altre ad altissima velocità, fu l'astronomo americano Edwin Hubble alla fine degli anni venti dello scorso secolo, osservando che la luce di questi corpi celesti ci appare spostata verso l'estremità rossa dello spettro. A prima vista può sembrare strano che la nostra Terra, come pure la nostra galassia, si comportino come una specie di centro di repulsione da cui tutte le altre galassie fuggono. La spiegazione del fenomeno è che l'universo si sta espandendo nella sua totalità, offrendo lo stesso spettacolo da qualsiasi punto di osservazione. Per capire come ciò possa avvenire si può immaginare il cosmo come un pallone.


Ciascun punto sulla superficie del pallone rappresenta una galassia. Quando il pallone viene gonfiato, la distanza tra due punti qualsiasi della superficie aumenta proporzionalmente alla loro densità iniziale. Qualunque sia il punto prescelto di osservazione, tutti gli altri si allontaneranno da esso uniformemente in tutte le direzioni sulla superficie: l'espansione, cioè, non ha un centro privilegiato.


Circa tredici anni prima della scoperta di Hubble, però, Albert Einstein, nella sua Teoria della Relatività generale (1916) aveva elaborato un modello di universo statico, in cui le galassie non si muovono le une rispetto alle altre. Un tale universo, però, risultava altamente instabile in quanto le forze gravitazionali avrebbero progressivamente attratto le galassie fra loro, fino a farlo collassare su se stesso in breve tempo. Per evitare una simile catastrofe gravitazionale, Einstein ipotizzò l'esistenza di una forza, da lui definita costante cosmologica, la quale doveva produrre un'azione repulsiva sufficientemente forte da tenere le galassie a debita distanza le une dalle altre. Quando però nel 1929 Hubble dimostrò che l'universo non è statico, ma in espansione, Einstein abbandonò l’ipotesi della costante cosmologica, definendola il più grave errore della sua vita. Oggi, tuttavia, l'espansione accelerata delle galassie più lontane, così come appare dalle ultime osservazioni di Riess, sembra riportare di attualità l'ipotesi di una forza repulsiva capace di accelerare l'espansione dell'universo. Non sembra però che si possa trattare realmente della costante cosmologica ipotizzata da Einstein, poiché i tentativi fatti finora per adattarla ai fenomeni osservati da Riess, reinventandola nella forma di fluttuazioni quantistiche, hanno incontrato notevoli problemi.


Uno di questi è l'entità che la debole costante cosmologica dovrebbe avere. Tra il valore calcolato da Einstein e quello adattabile ai fenomeni ora visti esiste una differenza di 120 volte! Raramente in fisica si è avuta una discrepanza così marcata tra due stime per una stessa grandezza. Non è difficile perciò essere d'accordo con quegli scienziati i quali ritengono che il problema della costante cosmologica ci stia in realtà indicando una nuova, profonda entità della natura che aspetti di essere svelata.


C'è anche un altro modo per dare una spiegazione a questi fenomeni che in un modo o nell'altro chiamano in causa la forza repulsiva ed è la teoria infiazionaria dell'universo. Circa venti anni fa, il fisico americano Alan Guth propose una variante al modello del Big Bang, ipotizzando che in un brevissimo arco di tempo (qualche miliardesimo di miliardesimo di secondo) immediatamente dopo la primissima fase del Big Bang, l'universo avrebbe subito una gigantesca espansione aumentando le sue dimensioni da un raggio di miliardesimi di miliardesimi di millimetro alle dimensioni attuali, cioè di miliardi di miliardi di chilometri. Dopo questa fase, l'evoluzione del cosmo sarebbe proseguita secondo la teoria classica del Big Bang. La teoria inflazionaria di Guth prevede alla base di questa rapidissima espansione una forza repulsiva, simile alla «gravitazione negativa». Per giustificare tale ipotesi infatti è necessario che gli effetti della gravità diventino temporaneamente repulsivi, e quindi che la somma di tutte le pressioni esistenti nel cosmo diventi temporaneamente negativa.


Non è un concetto assurdo. Oggi sappiamo, da teorie ed esperimenti sulle particelle elementari, che in condizioni di altissime temperature e densità la materia può effettivamente manifestare una «repulsione gravitazionale», cioè una pressione negativa. Queste pressioni possono essere tali da sopraffare la densità positiva», cioè quella legata alla normale attrazione gravitazionale, e produrre invece una vera e propria repulsione gravitazionale.


La scoperta di Riess ha gettato lo scompiglio nella comunità degli scienziati e al momento, pochi si sentono di prendere una posizione definita e ufficiale sulla effettiva possibilità dell'esistenza di forze repulsive operanti nel cosmo. Questa estrema cautela da parte della maggioranza dei cosmologi è dettata dal fatto che le osservazioni compiute finora non danno la certezza che l'universo stia effettivamente accelerando la propria espansione. Secondo alcuni, infatti, l'accelerazione messa in evidenza dagli studi sulle supernove potrebbe essere un fatto locale, cioè una anomalia dello spazio-tempo ristretta alle porzioni di spazio indagate, e avere una durata limitata. Ma c'è un'altro aspetto di enorme importanza che occorrerà valutare nel dettaglio e cioè quali conseguenze avrebbe una forza repulsiva nell'evoluzione futura del cosmo. In altri termini, sul destino stesso dell'universo. In particolare occorrerebbe capire il ruolo di tale forza nel bilancio energetico globale dell’universo. L'aggiunta di una forza repulsiva potrebbe, per esempio, far prendere all'universo la via verso un'espansione illimitata, o al contrario quella verso una futura contrazione del cosmo fino ad arrivare al Big Crunch, un Big Bang alla rovescia in cui tutta la materia cosmica si riunirà di nuovo in un solo punto. Non resta che continuare a studiare il fenomeno, poiché le sue conseguenze potrebbero rivoluzionare le conoscenze che abbiamo sulla struttura dell'universo, la sua storia passata, ma anche la sua storia futura.

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