Poincaré e la bellezza della scienza

Henri Poincaré, di cui ieri era l'anniversario della nascita, fu uno degli ultimi scienziati universali: diede contributi importanti in molti campi diversi della matematica e della fisica. Nel corso della sua carriera si interessò anche alla filosofia della scienza. Ecco cosa pensava del rapporto tra scienza e bellezza:

Lo scienziato non studia la natura perché sia utile farlo. La studia perché ne ricava piacere; e ne ricava piacere perché è bella. Se la natura non fosse bella, non varrebbe la pena conoscerla, e la vita non sarebbe degna di essere vissuta. Ovviamente, non mi riferisco alla bellezza che colpisce i sensi, alla bellezza delle qualità e delle apparenze. Non la disprezzo affatto, ma non ha niente a che fare con la scienza. Intendo riferirmi a quell’intima bellezza che deriva dall’ordine armonioso delle parti e che può essere colta da un’intelligenza pura. (...) Proprio perché la semplicità e la vastità sono entrambe belle noi cerchiamo di preferenza fatti semplici e fatti vasti; e ne traiamo piacere, ora dal seguire il corso immenso delle stelle, ora dall’osservare con un microscopio quella prodigiosa piccolezza che è anche una vastità, e ora nel ricercare nelle ere geologiche quei segni del passato che ci attraggono per la loro lontananza.

Gliese 581 C

Il post obbligatorio di oggi è per il pianeta scoperto intorno alla stella Gliese 581, a "soli" 20,5 anni luce da qui. Niente di nuovo in sé (sono ormai centinaia i sistemi planetari scoperti intorno ad altre stelle) ma c'è di interessante che questo pianeta è il più simile alla Terra scoperto finora, dove "più simile" vuol dire che 1) ha un raggio simile a quello terrestre, solo 1,5 volte più grande 2) una massa 5 volte più grande della Terra (dal che si deduce che la gravità in superficie sarebbe un po' più del doppio che sulla Terra). Normalmente, i pianeti scoperti hanno masse e dimensioni molto più grandi (sono più facili da rivelare) e sono quindi più simili a Giove, cioè probabilmente composti per lo più di gas. Questo qui, invece, è presumibilmente un pianeta roccioso. Mettiamo l'enfasi su presumibilimente, perché non è stato osservato direttamente (la figura di sopra è una ricostruzione artistica!): ma i modelli di formazione dicono che pianeti così piccoli dovrebbero essere rocciosi.

Ma la cosa più importante è che questo pianeta si trova a una distanza tale da avere una temperatura che permette l'esistenza di acqua liquida in superficie, cioè cade nella cosiddetta zona abitabile. Non che debba esserci necessariamente, e non è neanche detto che il pianeta abbia un'atmosfera né di che tipo: però è almeno possibile. In realtà, quello che rende abitabile un pianeta è una combinazione di fattori molto complessi da prevedere in partenza. Pensiamo a Marte e a Venere: simili alla Terra e, in linea di principio, all'interno della zona abitabile, ma entrambi evoluti in maniera tale da renderli completamente ostili alla vita (Venere ha avuto un effetto serra disastroso, che ne ha alzato la temperatura a livelli insopportabili; Marte invece ha perso quasi tutta l'atmosfera dopo la cessazione dell'attività vulcanica, non ha un effetto serra che ne mitighi la temperatura, e ha raggiunto pressioni superficiali incompatibili con la presenza di acqua liquida stabile).

Quindi, per il momento l'unica cosa che si può dire, prima di farsi prendere da eccessivi entusiasmi sulla possibile presenza di vita, è che questo pianeta è semplicemente il candidato più interessante per investigazioni più approfondite.

(E comunque, come suggerisce oggi Scott Adams: dategli un nome migliore!)

Stringatezza

Seed ha messo online questo riassunto di una pagina sulla teoria delle stringhe. Nel frattempo, stiamo aspettando il risultato del concorso di Discover per un video che spieghi la teoria delle stringhe in meno di due minuti. Il selezionatore sarà Brian Greene (l'autore de "L'universo elegante").

Ah, e poi c'era questa vecchia vignetta di xkcd:


(E io che pensavo che fosse troppo complicata per cavarsela con un post...)

I pericoli dell'energia oscura

No, tranquilli, non c'è nessun rischio per la salute. Il titolo del post è vagamente pulp ma l'argomento è serio. Chi consulta ogni giorno arXiv (cioè praticamente tutta la comunità scientifica attiva) avrà certamente fatto un salto sulla sedia notando l'articolo di Simon White nella sezione astro-ph: Fundamentalist physics: why Dark Energy is bad for Astronomy. Simon è, fra le altre cose, il direttore del Max Planck Institut für Astrophysik, il che rende le sue opinioni piuttosto influenti. Comprensibilimente, quindi, il suo articolo è adesso al centro di discussioni tra gli astrofisici e i cosmologi (per esempio qui e qui).

Non proverò a sintetizzare tutto l'articolo, che andrebbe letto integralmente, ma il punto di Simon sembra essenzialmente quello di provare a salvaguardare un certo modo di fare scienza che tradizionalmente caratterizza la ricerca astrofisica: lo studio di problemi estremamente vari e con una forte interdisciplinarietà, che possono essere affrontati anche da piccoli gruppi di ricercatori con mezzi relativamente poco dispendiosi. Un unico telescopio, ad esempio, può essere usato per una grande varietà di osservazioni che coprono molti progetti e interessi diversi (l'esempio emblematico e di maggior successo degli ultimi anni è il telescopio spaziale Hubble). Simon confronta e pone in contrasto questo modo di operare con quello della fisica delle alte energie, che cerca di arrivare a una comprensione profonda delle questioni più fondamentali della fisica concentrandosi su problemi estremamente limitati (per esempio la ricerca del bosone di Higgs) attraverso esperimenti mastodontici, che richiedono gruppi enormi gestiti in modo aziendale, lunghi periodi di preparazione, e altrettanto lunghi periodi di trattamento dei dati. Ironicamente, Simon chiama questo secondo tipo di fare scienza "fondamentalista". Secondo lui, questo modo di operare sta contagiando anche la cosmologia, da quando ci si è resi conto che essa poteva servire per comprendere fenomeni ormai impossibili da riprodurre in laboratorio, data l'impossibilità di raggiungere le enormi energie richieste. L'esempio più preoccupante di questo mutamento di atteggiamento sarebbe l'attuale enfasi data allo studio dell'energia oscura attraverso osservazioni astrofisiche.

Personalmente, partecipo proprio a quel tipo di attività di ricerca "ibrida" tra l'astrofisica e la fisica fondamentale che costituisce il bersaglio dell'articolo di White. Nonostante questo, devo dire che il suo articolo è interessantissimo, e che è difficile negare la correttezza dell'analisi (particolarmente rivelatore è il grafico dell'andamento degli articoli astrofisici e delle citazioni a partire dal 1975, che mostra per esempio l'espandersi del numero di collaboratori dei singoli progetti). Ma il punto debole, secondo me, è proprio questo: l'analisi di fondo è corretta, ma fotografa uno stato di fatto. Le cose stanno andando in questo modo ormai da decenni, e voler mettere indietro le lancette sarebbe una battaglia di retroguardia. In realtà, grazie all'enorme interesse intorno al problema dell'energia oscura (e, non dimentichiamolo, anche a quello della materia oscura), l'astrofisica e la cosmologia hanno una grandissima occasione per uscire dal proprio recinto e parlare a una comunità più vasta di fisici. La cosa non deve andare necessariamente a discapito di altri progetti astrofisici più tradizionali, e anzi in realtà questo stato di cose andrebbe usato per attirare interesse (e fondi, perché è anche di questo che si parla, neanche tanto tra le righe) verso l'astrofisica nel suo insieme. Anzi, proprio il fatto che l'astrofisica è interdisciplinare per natura dovrebbe essere un argomento a favore di un suo rafforzamento complessivo. Il passato ci ha insegnato che scoperte inaspettate possono venire fuori mentre si cerca tutt'altro: studiando la rotazione delle galassie si scopre la materia oscura, misurando la distanza delle supernovae si scopre l'energia oscura, calibrando un piccolo radiotelescopio ci si imbatte nella radiazione cosmica di fondo residuo del big bang, e così via. Finché si fa ricerca di qualità, dovrebbe esserci spazio per tutti.

L'ultima domanda

L'ultima domanda venne posta per la prima volta, quasi per scherzo, il 21 maggio 2061, in un momento in cui l'umanità cominciava a intravedere finalmente un po' di luce. La domanda era il risultato di una scommessa di cinque dollari, nata durante una bevuta, ed ecco come andò la cosa.

Inizia così "L'ultima domanda" (1956), che Isaac Asimov riteneva il suo racconto migliore. La domanda la pongono due tecnici al supercalcolatore Multivac: vogliono sapere se nell'universo continuerà a esserci per sempre energia utilizzabile, o prima o poi sarà tutta completamente degradata. Se l'universo è un sistema isolato, la sua energia totale si conserva, ma la sua entropia aumenta (l'entropia è la grandezza fisica che misura il grado di disordine di un sistema e la sua capacità di sfruttare energia per compiere lavoro). In altre parole, tutta l'energia dell'universo passa con il tempo da una forma utilizzabile a una "inutile". L'universo va incontro alla morte termica, uno stato di equilibrio alla stessa temperatura, in cui nulla può più succedere. I due tecnici Adell e Lupov iniziano a discutere sulla possibilità che si possa invertire la tendenza all'aumento dell'entropia dell'universo e continuare a sfruttare l'energia in modo illimitato.

-- So tutto dell'entropia -- disse Adell, con un tono di dignità offesa.
-- Davvero? Non si direbbe.
-- Ne so tanto quanto te.
-- Allora sai anche che tutto finirà per decadere, prima o poi.
-- D'accordo. Chi ha detto il contrario?
-- Tu, l'hai detto, povero mammalucco. Hai detto che avevamo tutta l'energia di cui abbiamo bisogno, per sempre. Hai detto proprio "per sempre".
Era Adell, ora, in vena di contraddire. -- Può anche darsi che, un giorno o l'altro, si riesca a ricostituire tutto.
-- Mai!
-- Perché no? Un giorno, non so quando.
-- Domandalo a Multivac.
-- Questo poi no.
-- Domandalo a Multivac, ti dico! Facciamo una scommessa: mi gioco cinque dollari che ti dirà di no anche lui.
Adell era abbastanza brillo per provare, abbastanza in sé per poter comporre i simboli e le operazioni necessarie per una domanda che, in parole, sarebbe suonata press'a poco cosi: Potrà un giorno il genere umano, senza dispendio di energie, essere in grado di riportare il sole alla sua piena giovinezza pefino dopo che sarà morto di vecchiaia?
O magari, in maniera più semplice, si sarebbe potuta formulare così: Com'è possibile diminuire in modo massiccio il quantitativo di entropia dell'universo?
Multivac si fece immobile e muto. I lenti lampi di luce cessarono, i lontani rumori del ticchettio dei relais si fermarono.
Poi, proprio quando i due tecnici terrorizzati sentivano di non farcela più a trattenere il respiro, vi fu un improvviso ritorno alla vita della telescrivente collegata con quella parte di Multivac. Le parole erano cinque in tutto: DATI INSUFFICIENTI PER RISPOSTA SIGNIFICATIVA.
-- Niente scommessa -- bisbigliò Lupov. E insieme si allontanarono in fretta dal sotterraneo.
Il mattino dopo i due amici, afflitti dal mal di testa e dalla bocca impastata, avevano già dimenticato l'incidente.

Ma il calcolatore non ha dimenticato proprio niente, e continuerà a rimuginare sulla domanda per molto, molto tempo... Non dirò come va a finire, ma se non lo avete mai letto vi consiglio di cercarlo.

Il programma dell'universo

In ogni epoca storica la visione dell’universo è, in qualche modo, dettata dal contesto. I miti arcaici narravano l’origine e l’evoluzione del cosmo con i soli strumenti che avevano a disposizione: l’azione di dèi, l’antropomorfizzazione dei fenomeni naturali. Agli albori della scienza moderna le descrizioni del cosmo erano più rigorose, facevano uso della matematica e della fisica conosciuta. Le metafore usate erano diverse, l’universo era visto, in un certo senso, come un congegno meccanico, una specie di orologio. Oggi, nell’epoca dell’informatica e della computazione, qualcuno ha cominciato a descrivere il cosmo come un computer. Nel libro "Il programma dell'universo", Seth Lloyd del MIT, uno dei pionieri della computazione quantistica, divulga l’idea che ogni componente fondamentale dell’universo, ogni particella elementare, sia in ultima analisi un bit di informazione. Un bit quantistico, per l’esattezza, cioè non uno 0 o un 1, come in un computer digitale normale, ma contemporaneamente uno 0 e un 1, secondo l’idea della sovrapposizione di stati della meccanica quantistica. Proprio perché lo stato di una particella in meccanica quantistica non è definito fino al momento in cui lo si misura, poche particelle elementari possono essere usate per compiere un numero enorme di operazioni “in parallelo”, cioè contemporaneamente, e possono essere usate per simulare sistemi fisici complicati, cosa che richiederebbe tempi lunghissimi per un computer ordinario. La possibilità di usare singoli elettroni per compiere semplici calcoli (per esempio la fattorizzazione di numeri primi) è stata già dimostrata da Lloyd e da altri ricercatori, e c’è grande attività per fare in modo che la computazione quantistica diventi una realtà tangibile nei prossimi anni. Spingendo molto oltre la faccenda, Lloyd è convinto che l’universo stesso non sia niente altro che un enorme computer quantistico, e che la riformulazione di alcuni concetti della fisica in termini di teoria computazionale (un esempio ben noto è il parallelo tra entropia di un sistema e quantità di informazione) possa spiegare fenomeni come l’emergere della complessità che osserviamo nel cosmo, a partire da condizioni iniziali estremamente semplici. Un bell’esempio è quello delle scimmie calcolatrici. Fu Boltzmann a far notare che l’emergere per puro caso della complessità nell’universo sembra una cosa estremamente improbabile, più o meno come se alcune scimmie, battendo dei tasti a caso su una macchina da scrivere, scrivessero l’intera Divina Commedia. Ma Lloyd fa giustamente notare che l’universo potrebbe funzionare in modo diverso: le scimmie batterebbero sui tasti di un calcolatore, non di una macchina da scrivere, e la probabilità di scrivere casualmente sequenze di software, anche molto brevi, che diano risultati sensati, diventa non trascurabile. A loro volta, i compiti svolti da queste sequenze sensate potrebbero includere la produzione di ulteriori sequenze, in una complessità via via crescente, che una volta creata verrebbe auto-preservata. Una specie di meccanismo di selezione naturale per frammenti di informazione, che dà vita alla ricchezza e alla differenziazione di strutture che osserviamo nel cosmo. Lloyd pensa che dietro la visione computazionale dell’universo possa esserci addirittura la soluzione al problema della gravità quantistica: la ricerca, finora senza successo, di una teoria che unifichi le quattro interazioni fondamentali in un unico modello.

Così va la vita

"La cosa più importante che ho imparato su Tralfamadore è che quando una persona muore, muore solo in apparenza. Nel passato è ancora viva, per cui è veramente sciocco che la gente pianga al suo funerale. Passato, presente e futuro sono sempre esistiti e sempre esisteranno. I tralfamadoriani possono guardare i diversi momenti proprio come noi guardiamo un tratto delle Montagne Rocciose. Possono vedere come tutti i momenti siano permanenti, e guardare ogni momento che gli interessa. È solo una nostra illusione di terrestri credere che a un momento ne segue un altro, come nodi su una corda, e che quando un istante è passato sia passato per sempre.
Quando un tralfamadoriano vede un cadavere, l’unica cosa che pensa è che il morto, in quel momento, è in cattive condizioni, ma che la stessa persona sta benissimo in un gran numero di altri momenti. Oggi anch’io, quando sento dire che è morto qualcuno, alzo le spalle e dico ciò che i tralfamadoriani dicono dei morti, cioè: ‘Così va la vita’."

Mattatoio n. 5
Kurt Vonnegut (1922 - 2007)

Novità sui neutrini

Come anticipato ieri (per esempio qui) sono stati annunciati nuovi risultati dall'esperimento MiniBooNE. Sostanzialmente, si trattava di verificare le previsioni del Modello Standard della fisica delle particelle riguardo al numero di neutrini, particelle prive di carica elettrica ed estremamente difficili da rivelare a causa della loro debole interazione. Secondo il Modello Standard, esistono tre tipi di neutrini (elettronico, muonico e tauonico), e sono privi di massa. Diversi esperimenti negli ultimi anni hanno mostrato evidenze del fatto che i neutrini possono oscillare, cambiare cioè da un tipo all'altro: questo implicherebbe che essi hanno una massa, seppure piccolissima. L'esperimento LSND aveva però trovato risultati anomali, che potevano essere interpretati con l'esistenza di un quarto tipo di neutrino, chiamato sterile, il che avrebbe messo nei guai il Modello Standard. MiniBooNE è stato progettato appositamente per fare luce sulla cosa, e ha concluso che non ci sono evidenze dell'esistenza di una quarta specie di neutrini. Non mi dilungo sulla cosa, che è piuttosto tecnica e non rientra direttamente nelle mie competenze (anche se i neutrini hanno un interesse cosmologico). Chi fosse interessato può leggere il comunicato stampa di MiniBooNE, e questo post più dettagliato su Cosmic Variance.

Il Dio di Einstein

È uscita di recente una nuova biografia di Albert Einstein scritta da Walter Isaacson (Einstein: His Life and Universe). Time ne pubblica un estratto, il capitolo che descrive il complicato rapporto di Einstein con la religione.

Einstein credeva in un universo deterministico, retto da leggi immutabili, e come tale incompatibile tanto con l'idea del libero arbitrio:

"Human beings in their thinking, feeling and acting are not free but are as causally bound as the stars in their motions"

che con il concetto di un Dio personale, che si preoccupi dei destini o delle azioni dell'umanità e intervenga sul corso degli eventi:

"The main source of the present-day conflicts between the spheres of religion and of science lies in this concept of a personal God"

D'altra parte, Einstein non si definiva ateo:

"I'm not an atheist. I don't think I can call myself a pantheist. The problem involved is too vast for our limited minds. We are in the position of a little child entering a huge library filled with books in many languages. The child knows someone must have written those books. It does not know how. It does not understand the languages in which they are written. The child dimly suspects a mysterious order in the arrangement of the books but doesn't know what it is. That, it seems to me, is the attitude of even the most intelligent human being toward God. We see the universe marvelously arranged and obeying certain laws but only dimly understand these laws."

La posizione di Einstein era complessa, estremamente personale, e difficile da ingabbiare in una definizione, o irreggimentare in una chiesa. La risposta più sintetica alla domanda diretta se credesse in Dio fu la famosa frase:

"I believe in Spinoza's God, who reveals himself in the lawful harmony of all that exists, but not in a God who concerns himself with the fate and the doings of mankind."

L'irriducibilità di Einstein gli provovò critiche e attacchi tanto dai sostenitori delle religioni tradizionali che dagli atei militanti. Evidentemente, ad Einstein non piaceva essere tirato per la giacchetta:

"There are people who say there is no God. But what makes me really angry is that they quote me for support of such views."

e ancora:

"The fanatical atheists, are like slaves who are still feeling the weight of their chains which they have thrown off after hard struggle. They are creatures who--in their grudge against traditional religion as the 'opium of the masses'-- cannot hear the music of the spheres."

Il futuro che non è stato

Chi è cresciuto negli anni '70 ricorderà che quando si parlava del Futuro (con la maiuscola, come categoria generica) si pensava, più o meno consapevolmente, agli anni che adesso stiamo vivendo. Quando dovevamo situare i nostri sogni, le nostre proiezioni, dicevamo semplicemente "nel duemila". Certo, per noi che eravamo bambini c'era di mezzo il fatto che in questo periodo saremmo diventati adulti: ma in generale, c'era in tutta la società una sensazione, sicuramente ingenua, che "nel duemila" tutto sarebbe stato diverso. Avremmo viaggiato nello spazio e colonizzato altri pianeti, ci saremmo mossi con macchine volanti, avremmo risolto tutti i problemi. (Certo, poi c'era anche la versione catastrofista e millenarista: la sovrappopolazione, l'inverno nucleare, la fine del petrolio...). Era la coda lunga dell'ottimismo dei favolosi anni '60, di Kennedy, della corsa allo spazio. Come espressione "alta" di questa visione c'era stato "2001: Odissea nello spazio" (il mio film preferito): e, nella versione più popolare, una miriade di filmettini di fantascienza senza pretese.

Comunque, alla fine il duemila non è stato come ce lo immaginavamo. La stazione orbitale rotante di "2001" non esiste e non è più nei piani. Non c'è un Hilton sulla Luna, e la Pan Am, che doveva portarci avanti e indietro con un aeroplano spaziale, è persino fallita. Eppure tutte queste cose non erano soltanto fantasticherie: erano basate su studi di fattibilità della NASA.

Recentemente ho scoperto questo blog chiamato Paleo-Future. Lo consiglio a tutti i nostalgici di un futuro che non c'è mai stato. Ci sono cose straordinarie, immagini pubblicitarie, illustrazioni di libri, ingenuità commoventi accanto a idee più rigorose: visioni del tempo che stiamo vivendo immaginate per oltre un secolo, quando "il duemila" era ancora soltanto il Futuro.

Un po' di chiarezza sull'energia oscura

Questo post è un po' più lungo del solito (e un po' più tecnico, ma non molto). È la versione italiana di quello ospitato ieri sul blog di Tommaso Dorigo. È stato stimolato da una serie di post e commenti su quel blog, a proposito del meeting che si è tenuto la scorsa settimana a Imperial College sulle Outstanding questions for the standard cosmological model. Ho tentato di riassumere un po' di idee sullo stato del problema dell'energia oscura in cosmologia e in fisica fondamentale: ovviamente, in modo estremamente sintetico e non accademico, ma che spero possa essere utile.

I fatti

Nell’ultimo decennio, i cosmologi hanno osservato molte supernovae lontane di tipo Ia, che sono esplosioni con le quali finisce la vita di alcune stelle. Questa classe particolare di supernovae presenta una forte correlazione tra la luminosità intrinseca e la curva di luce (essenzialmente, il tempo che impiega la luminosità per diminuire dal valore massimo fino a un certo valore prestabilito): in pratica, ciò significa che si può determinare accuratamente la luminosità reale di una supernova Ia. Quindi, se misuriamo la loro luminosità apparente, possiamo stimare la loro distanza, nello stesso modo in cui possiamo calcolare la distanza di una lampadina da 100 W dalla misura del suo flusso. Tecnicamente, quello che si misura con le supernovae è una quantità chiamata “distanza di luminosità”, che è legata a un’altra quantità osservabile, il redshift, o “spostamento verso il rosso” (le linee note nello spettro di qualsiasi sorgente lontana nell’universo appaiono sistematicamente spostate verso lunghezze d’onda più grandi – luce più rossa nello spettro visibile – a causa dell’espansione dell’universo). La relazione tra distanza di luminosità e redshift dipende dal modello cosmologico, e qui arriviamo al punto fondamentale: è stato scoperto per la prima volta nel 1998, e in seguito sempre confermato da ulteriori misure, che la relazione tra distanza e redshift delle supernovae si accorda con i modelli teorici solo se si assume che l’espansione dell’universo sta accelerando. Quindi, per sintetizzare: 1) le supernovae di tipo Ia sono “candele standard”, cioè oggetti di cui si conosce la vera luminosità e si può quindi calcolare la distanza, mettendola poi in relazione con il redshift; 2) la loro luminosità apparente è sempre minore di quanto ci si aspetterebbe (cioè sono più lontane del previsto), in un modo che suggerisce che l’universo si è espanso recentemente con una velocità crescente.

Non si potrebbe spiegare la diminuzione di luminosità delle supernovae con qualche altro modello fisico? In linea di principio, sì: per esempio, della polvere che si trovi lungo la linea di vista potrebbe causare una diffusione e un’attenuazione della luce. Tuttavia, queste spiegazioni alternative sono molto contorte (richiedono cioè delle ipotesi ad-hoc: per esempio, dovrebbe esserci una continua produzione di polvere per compensare l’aumento di volume dell’universo causato dall’espansione) e non sembrano dunque molto plausibili. La spiegazione più semplice, al momento, è che la velocità di espansione dell’universo sta aumentando.

L’ipotesi

Qual è allora la causa dell’espansione accelerata? Qualunque sia la spiegazione, deve trattarsi di qualcosa di strano, dal momento che i modelli cosmologici ordinari prevedono che la velocità di espansione dell’universo diminuisca col passare del tempo. Infatti, l’attrazione gravitazionale esercitata da tutta la materia contenuta nell’universo dovrebbe fare da freno all’espansione, non certo da spinta! Perciò, sembrerebbe proprio che qualche tipo di fenomeno di repulsione gravitazionale debba essere introdotto nel modello cosmologico per spiegare l’accelerazione osservata. L’approccio più semplice è quello di resuscitare una vecchia idea di Albert Einstein. Nel 1917, egli introdusse un nuovo termine nelle sue equazioni di campo della relatività generale. All’epoca non si era ancora a conoscenza dell’espansione dell’universo, perciò questo nuovo termine “repulsivo”, chiamato costante cosmologica, serviva in realtà a mantenere l’universo statico, impedendone il collasso. Ma se l’universo, come ora sappiamo, si espande, l’effetto della costante cosmologica sarebbe quello di accelerare l’espansione.
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.

Il problema

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.

Alternative

Possiamo fare a meno della costante cosmologica? (Dopotutto, lo stesso Einstein la definì il suo “più grande abbaglio” e per quasi ottant’anni nessuno davvero ha pensato che il suo valore fosse diverso da zero). Sfortunatamente, sembra proprio di no. Per esempio, sappiamo che l’universo ha una geometria piatta, un fatto scoperto per la prima volta nel 2000 dagli esperimenti BOOMERANG e MAXIMA, che hanno misurato l’anisotropia della radiazione cosmica di fondo. Questo fatto è stato poi confermato con maggiore precisione dal satellite WMAP nel 2003. Il fatto che l’universo è piatto implica che la sua densità complessiva è molto vicina a un certo valore critico (dal momento che la teoria della relatività generale di Einstein lega il contenuto di materia ed energia dell’universo alla sua geometria). Ma semplicemente non sembra esserci abbastanza materia nell’universo (anche assumendo l’esistenza di una forma ignota di materia oscura) da renderlo piatto. L’energia del vuoto sembra fornire esattamente la densità che manca per raggiungere il valore critico necessario. Un’altra ragione per cui i cosmologi hanno salutato con soddisfazione il riapparire della costante cosmologica è che essa aiuta a risolvere un problema con l’età dell’universo. Se la costante cosmologica fosse nulla, i modelli cosmologici darebbero un universo leggermente più giovane delle più vecchie stelle osservate!

Quindi, esistono diverse evidenze indipendenti e convergenti che portano a supporre che il valore della costante cosmologica debba essere diverso da zero. Ma a causa dei problemi concettuali legati a questo fatto, i fisici teorici stanno provando a escogitare idee alternative per interpretare le osservazioni cosmologiche. Ce ne sono così tante che non proverò a riassumerle tutte qui, ma fondamentalmente possono classificarsi in due tipi: o la teoria che descrive la gravitazione su scale fisiche molto grandi deve essere modificata, oppure deve esistere nell’universo una qualche componente sconosciuta con caratteristiche molto simili alla costante cosmologica. 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.

Pesce d'arXiv

Quest'anno i cosmologi buontemponi si sono fatti prendere la mano. Non uno, non due, ma ben tre articoli folli su arXiv in occasione del primo aprile. Inizia Jordi Miralda-Escudé che ci illustra il suo modello di universo a forma di imbuto che risolve il problema della costante cosmologica e una serie di altre imbarazzanti coincidenze; continuano Douglas Scott e Ari Forlop (che, chissà come mai, ha un nome che sembra l'anagramma di April Fool, pesce d'aprile in inglese), che rilanciano, proponendo l'esistenza di altre componenti dell'universo oltre alla materia oscura e all'energia oscura; terminano Ria Follop (parente di Ali Forlop?), Anais Rassat, Asantha Cooray, Filipe B. Abdalla che ci spiegano la vera origine delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo.