Questa svolta sulla più grande teoria di Einstein merita più attenzione

Potrebbe non essere ovvio per quelli di noi solo alle prese con più preoccupazioni banali, ma per i cosmologi intenzionati a sbloccare i segreti più profondi dell’universo, non mancano i problemi che li tengono al passo di notte. “Dark Matter” è la spiegazione stensa per le stelle e le galassie che si muovono molto più rapidamente della gravità della loro materia luminosa dovrebbe permettere. Non dimentichiamo anche “energia oscura”, la soluzione preferita al mistero dell’universo che si espande più velocemente di quanto chiunque si aspettasse e lo facesse a un ritmo accelerato. Nel frattempo una forma ipotizzata “in evoluzione” di energia oscura potrebbe risolvere qualcosa chiamato tensione di Hubble, il termine usato per un grande disaccordo tra i ricercatori sul tasso di espansione cosmica attuale.

I cosmologi hanno perso il sonno su tali dilemmi per generazioni, chiedendosi quali ingredienti mancanti hanno bisogno per aggiungere ai loro modelli per fissare ciò che sembrano essere lacune in evidenza nella loro comprensione. Ma se la risposta ad alcuni – forse anche tutti – di questi problemi non è una nuova teoria radicale ma piuttosto una vecchia, ideata quasi un secolo fa nient’altro che Albert Einstein stesso? Si chiama Teleparallel Gravity e, secondo una raccolta libera di teorici che la studiano, questa teoria merita uno sguardo più attento da parte della più ampia comunità scientifica.

Materia oscura, energia oscura, tensione di Hubble: alla base di queste teorie è la teoria generale della relatività di Einstein, che tratta spazio e tempo come uno “spaziotempo” unificato e considera la gravità come curvatura di Spacetime. Forse, quindi, la risposta è quella di modificare, cambiare o aggiornare la relatività stessa per ottenere una nuova comprensione della gravità piuttosto che ipotizzare misteriose sostanze e forze oscure. Ma nel corso dei decenni, i teorici che perseguono questo approccio generale hanno prodotto risultati contrastanti.

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Il miglior esempio potrebbe essere modificato Newtonian Dynamics (Mond), uno sforzo per bandire la materia oscura che, secondo alcune ricerche, deve ancora consentire l’esistenza di Alcuni materia oscura. Un’aggiunta più recente, soprannominata cosmologia “Timescape”, cerca di tenere conto dell’energia oscura affermando che i giganteschi “vuoti” di sfilate di materia nel cosmo sono molto più grandi di quanto la maggior parte delle altre misurazioni afferma che possano essere. Nessuna di queste possibili soluzioni arriva senza i propri problemi.

Quindi, se queste nuove idee non stanno funzionando, perché non tornare al vecchio maestro? Nel 1928, circa un decennio dopo aver completato il suo più grande successo scientifico, la relatività generale, Einstein iniziò a lavorare su una forma alternativa di questa cara idea. Il suo sogno era trovare una singola serie di equazioni che potessero descrivere sia la gravità che l’elettromagnetismo. Il suo Idol James Clerk Maxwell raggiunse una tale impresa nei primi anni del 1860, usando una singola serie di equazioni per descrivere l’elettricità, il magnetismo e le radiazioni, e Einstein sperava di seguire le orme di Maxwell.

La curvatura è il concetto fondamentale di relatività generale. Matter ed Energy raccontano Spacetime come piegarsi, curva e deformazione. A sua volta, quella flessione di Spacetime dice a Matter come muoversi. Einstein è stato in grado di usare questo linguaggio matematico per descrivere la gravità, il che è stato un enorme successo a sé stante, ma non era abbastanza per lui. La teoria non poteva anche descrivere la forza elettromagnetica. Quindi si è rivolto a un altro approccio che ha offerto maggiore flessibilità: torsione. In questa versione “teleparallela”, la materia ed energia raccontano a spaziale come intrecciaree quel torcere si increspa verso l’esterno per influenzare tutto il resto.

Anche se Einstein sperava che questo nuovo concetto potesse portare sia la gravità che l’elettromagnetismo nella stessa teoria, non ha mai trovato un percorso verso il suo ardente unificazione e la gravità teleparallela sembrava morire con lui mentre i fisici hanno concentrato i loro sforzi sull’esplorazione del potente e paradossale mondo quantico.

Ma nel corso degli anni, i teorici qua e là hanno rivisitato il modello di Einstein, frugando attraverso i suoi resti per qualcosa di interessante sepolto nei calcoli. Hanno scoperto che se abbandonassero il tentativo di Einstein di incorporare l’elettromagnetismo, potrebbero formulare versioni di teleparallelismo che erano equivalenti al linguaggio matematico tipico della curvatura nella relatività generale. In altre parole, se stai cercando di risolvere qualche problema nella gravità, puoi scegliere il tuo modello di base, curvatura o torsione e ottenere gli stessi risultati.

Inoltre, nel 2017 una singola osservazione ha scosso il mondo delle teorie della gravità modificate. Quell’anno le osservazioni di una stella della fusione di neutroni rivelarono che le onde gravitazionali e le onde elettromagnetiche arrivarono sulla Terra entro tre secondi l’una dall’altra, dopo aver attraversato una distanza di 130 milioni di anni luce. Ciò implica fortemente che la gravità e la luce viaggiano essenzialmente alla stessa velocità. Poiché molte teorie della gravità modificata prevedevano differenze piccole ma significative tra quelle velocità, sono state esclusi quasi istantaneamente.

Ma il teleparallelismo è sopravvissuto perché consente alla gravità di muoversi alla velocità della luce.

Rispetto all’opus Magnum di Einstein, la gravità teleparallela ha una struttura matematica molto più ricca e più complicata. E questo sta davvero dicendo qualcosa, considerando che la relatività generale è costituita da 10 equazioni diabolicamente complesse e interconnesse. La complessità numerica del teleparallelismo è sia una benedizione che una maledizione. Da un lato, offre molte opportunità di creare modifiche e regolazioni alla gravità, che possono sopravvivere a tutti i test sperimentali attuali, ma ancora manifestarsi in modi che spiegano la materia oscura e l’energia oscura.

D’altra parte, la complessità pone una brutale curva di apprendimento per aspiranti nuovi teorici, rendendo anche più difficile per la teoria generare previsioni vitali e verificabili. E per la comunità più ampia, tutto ciò rende esigente ciò che è una buona idea basata su teleparallela e ciò che è della spazzatura estremamente difficile. E la complessità in più in cima alla relatività dà alla teoria un’ambiguità preoccupante. Non è sempre chiaro che le ricche strutture matematiche possano connettersi in modo affidabile alla realtà fisica, in altre parole, che la matematica non farà esplodere in faccia quando provi ad applicarlo a scenari realistici. Questo è probabilmente il motivo per cui gran parte della ricerca odierna sulla gravità teleparallela esiste in gran parte al di fuori del mainstream.

Tuttavia, sono stati fatti progressi. Le indagini sulla gravità teleparallela seguono due rami di base. Un ramo esplora la teoria stessa e la sua connessione con la relatività generale. La teoria di Einstein è sopravvissuta a una serie di verifica sperimentale, dalle orbite dei pianeti nel sistema solare al comportamento dei buchi neri. Il teleparallelismo può essere davvero considerato ugualmente praticabile? Sotto i suoi auspici, i buchi neri sembrano ancora buchi neri? Il Big Bang procede ancora? Le stelle e le galassie si comportano ancora come stelle e galassie?

Finora, la risposta sembra essere sì, il che guida l’altro ramo della ricerca teleparallela: l’uso del teleparallelismo per spiegare gli aspetti dell’universo che rimangono misteriosi sotto la relatività generale alla vaniglia. Ad esempio, potrebbe essere possibile formulare una versione della gravità teleparallela che supera ogni singolo test sperimentale eppure elimina la necessità di materia oscura, o una che spiega l’espansione accelerata dell’universo. o risolve la tensione di Hubble.

Questi tentativi sono solo nelle loro fasi iniziali. Esiste un enorme corpus di prove per l’esistenza della materia oscura e l’espansione accelerata dell’universo e la realtà della tensione di Hubble. Trovare spiegazioni per tutto assicurarsi che tutte le osservazioni rimangano coerenti e obbediscono è difficile, specialmente quando si tratta di una teoria complessa e scarsamente compresa.

E poi c’è una sfida ancora maggiore: convincere gli stessi scettici – scienziati stessi – che questo è un approccio valido. Ciò richiederebbe un’enorme quantità di sforzo, con la natura stessa come arbitro finale. Ma c’è un potente payoff: se emerge una teoria promettente che si adatta perfettamente al nostro grande quadro prevalente del cosmo mentre elimina almeno uno dei corrispondenti enigmi cosmologici – e soprattutto, pur facendo una nuova previsione veramente testabile. Questo è un ordine elevato, per dirlo in modo lieve.

Ma chi lo sa? Certamente non tu o me, non ancora comunque. Forse Einstein aveva sempre ragione, anche se non se ne rendeva conto in quel momento. E tutto ciò che ci è voluto è stato un po ‘di svolta.