100 anni di Lambda

The European Physical Journal H. Crediti: Epjh

I fisici di tutto il mondo stanno celebrano il centesimo anniversario della costante cosmologica, introdotta nel 1917 da Albert Einstein che la identificò con la lettera greca Lambda (Λ). Per l’occasione, due articoli recentemente pubblicati su The European Physical Journal H, evidenziano il suo ruolo nella fisica e nella cosmologia negli ultimi 100 anni. Sebbene il termine sia stato introdotto per la prima volta quando si pensava che l’universo fosse statico, oggi la costante cosmologica è diventata il principale candidato per rappresentare l’essenza fisica ritenuta responsabile dell’espansione accelerata del nostro universo. Prima di essere ampiamente accettata, la costante cosmologica è stata per decenni argomento di molte discussioni sulla sua reale necessità, sul suo valore e sulla sua natura. Nonostante il lungo dibattito e le ricerche teoriche e sperimentali, ancora oggi ci sono problemi irrisolti nella comprensione della natura fisica profonda dei fenomeni associati alla costante cosmologica.

Nel suo articolo, Bohdan Novosyadlyj, associato alla National University di Lviv, in Ucraina, spiega come Albert Einstein nel 1917, elaborando il primo modello cosmologico moderno, introdusse la costante cosmologica: ciò era necessario al fine di avere una soluzione statica delle equazioni Einstein, allora ritenuta come la più ragionevole dalla maggior parte degli scienziati. Il suo profondo significato fisico, tuttavia, sfuggì ad Einstein. Dopo la scoperta delle prove che hanno avvalorato un universo non statico nel 1929, Einstein si pentì di aver introdotto questa costante nelle equazioni della Relatività generale. Nel frattempo, altri scienziati hanno cercato per decenni di capire il suo significato fisico e stabilire la sua grandezza. Furono pertanto proposti modelli alternativi a Lambda che Michael Turner nel 1998, chiamò genericamente dark energy (energia oscura).

In un altro articolo, Cormac O’Raifeartaigh del Waterford Institute of Technology, in Irlanda, insieme ai suoi colleghi, ha presentato un’analisi dettagliata della storia dei 100 anni della costante cosmologica. A partire da modelli statici dell’universo, l’articolo spiega come l’idea della costante cosmologica sia stata accantonata in seguito alle osservazioni di Hubble che implicavano un’espansione dell’universo. Successivamente, è stata riconsiderata per spiegare l’attuale espansione accelerata dell’universo, misurata per la prima volta tramite le osservazioni delle Supernove di tipo Ia, nel 1998.

Recentemente, la costante ha acquisito un maggiore significato fisico, poiché ha contribuito a combinare recenti osservazioni con la teoria. Nello specifico, è stata d’aiuto per riconciliare la teoria corrente con il fenomeno osservato di recente dell’energia oscura, come evidenziato dalla misurazione dell’espansione dell’universo con i dati del telescopio spaziale Hubble, la misurazione dell’espansione passata usando le supernove e la misurazione del fondo cosmico a microonde, da pallone e da satellite.

Media Inaf ha raggiunto Alessandro Gruppuso, ricercatore dell’Inaf Oas di Bologna, che si occupa da tanti anni di cosmologia teorica ed osservativa, per avere qualche commento su questi due lavori appena pubblicati, sulla costante cosmologica e sulla sempre affascinante energia oscura.

Alessandro Gruppuso, ricercatore dell’Inaf OAS Bologna, si occupa di cosmologia osservativa e teorica.

Perché Albert Einstein ad un certo punto definì l’introduzione della costante cosmologica il suo più grande errore?

Ci sono due motivazioni, una teorica ed una osservativa. Quella teorica riguarda l’instabilità della soluzione statica trovata: dopo gli articoli di Friedmann, si rese conto che una piccola perturbazione attorno alla sua soluzione statica sarebbe cresciuta indefinitamente, rendendo la soluzione di Einstein fisicamente non accettabile, poiché di fatto contraddiceva la staticità iniziale. Quella osservativa riguarda la scoperta da parte di Hubble dell’espansione dell’universo.

Perché la costante cosmologica rappresenta un problema teorico?

Il termine di costante cosmologica è matematicamente equivalente ad un termine di energia di vuoto. Come riportato in uno di questi articoli, fu Lemaitre ad accorgersi di questa equivalenza. Successivamente Zeldovich mise in relazione tale termine con il vuoto quantistico. Questo darebbe una interpretazione elegante della costante cosmologica in termini di effetti quantistici di vuoto. Purtroppo, calcolando da principi primi il valore numerico di tale densità di energia di vuoto, si scopre, con grande imbarazzo, che differisce anche di 120 ordini di grandezza rispetto a quanto ottenuto dalle osservazioni. Si tratta, come diceva Hawking, del più grosso fallimento di una teoria fisica.

A che punto siamo con la determinazione di questo numero?

Dal punto di vista osservativo, Lambda ha un valore ben misurato e concorde tra vari esperimenti. Essa rappresenta, nel modello cosmologico standard, circa il 70% del budget di energia-materia contenuto nell’universo, come ad esempio misurato dal satellite Planck dell’Esa, per cui lavoro dal 2005. I problemi concettuali associati a tale costante hanno portato diversi teorici a proporre modelli alternativi a Lambda, noti come modelli di dark energy. Questi modelli, che riproducono alla nostra epoca cosmologica in modo dinamico un comportamento simile a Lambda, si differenziano da essa tramite la loro evoluzione temporale. Uno degli scopi fondamentali della cosmologia osservativa moderna è proprio quello di testare  la possibile evoluzione temporale della componente di dark energy.

Per saperne di più:

 

 

 

Fonte: 100 anni di Lambda

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