Giusto 100 anni fa Albert Einstein introdusse l’idea della costante cosmologica, probabilmente la costante fisica che più di tutte ha subito alterne fortune.
La nascita
Nel 1915 Einstein pubblicò un articolo che conteneva le equazioni della relatività generale. Queste formule spiegavano i fenomeni gravitazionali in un modo nuovo: la forza di gravità diventava una conseguenza della curvatura dello spazio-tempo causata dalla presenza di materia e energia.
Nel 1917 Einstein applicò queste equazioni a un modello fisico che potesse descrivere l’intero universo e si rese conto che non era possibile fare in modo che l’universo fosse statico. L’universo doveva espandersi o contrarsi ma non poteva rimanere fermo.
A quei tempi l’idea che l’universo potesse evolvere era considerata così bizzarra che Einstein introdusse un nuovo termine nelle equazioni detto costante cosmologica, per fare in modo che fosse possibile l’esistenza di un universo statico.
La caduta
Più di dieci anni dopo, nel 1929, l’astronomo Edwin Hubble fece una delle scoperte più sensazionali del secolo. Notò che le galassie più lontane di quelle che si trovano nel cosiddetto gruppo locale stavano tutte allontanandosi da noi a una velocità che era proporzionale alla loro distanza. Questo voleva dire che il nostro universo si sta espandendo.
La costante cosmologica era stata introdotta per poter spiegare l’esistenza di un universo statico. Con la scoperta dell’espansione dell’universo la costante sembrava un’ipotesi non più necessaria.
Fu così che dai primi anni ’30 quasi tutte le ricerche svolte nell’ambito della cosmologia ipotizzarono che la costante cosmologica non esistesse.
Einstein capì che partendo dalle equazioni avrebbe potuto ipotizzare l’espansione dell’universo prima che venisse scoperta sperimentalmente e chiamò la costante cosmologica il suo più grande errore.
Il ritorno
Durante gli anni 90 molte osservazioni cosmologiche cominciarono a suggerire che l’espansione dell’universo stia accelerando. In particolare nel 1998 due gruppi di cosmologi il Supernova Cosmology Project e il High-Z Supernova Search Team arrivarono in modo indipendente a questa conclusione osservando lo spostamento verso il rosso delle supernove.
La scoperta fu un grande sconvolgimento perché la maggior parte dei cosmologi si aspettava di trovare un rallentamento nell’espansione dell’universo.
Fu uno di quei momenti di svolta nella storia della fisica nei quali tutti si aspettano A e invece succede B, e che rendono evidente che c’è qualcosa di profondo nella teoria che bisogna capire meglio.
Questa accelerazione nell’espansione dell’universo non era compatibile con i modelli privi di costante cosmologica e dopo più di 60 anni dal su accantonamento i fisici ricominciarono a inserire questo termine nelle equazioni della relatività generale.
La ragione del suo ritorno era completamente diversa da quella che spinse Einstein a ipotizzarla, ma alla fine la costante riprese il suo posto nelle equazioni.
Il mistero continua
Tutto chiaro adesso? Per niente! Come vada interpretato il termine della costante cosmologica è ancora oggetto di dibattito e rappresenta uno dei più grandi misteri della fisica (vedi ad esempio l’articolo di wikipedia Cosmological_constant_problem).
Nelle equazioni della relatività generale si possono identificare due parti: una parte fisica, formata da termini legati alla distribuzione di materia ed energia, e una parte geometrica, formata da termini legati alla curvatura dello spazio-tempo. L’equazione si potrebbe rappresentare come
$$\boxed{\text{termini legati alla materia/energia}} = \boxed{\text{termini legati alla curvatura dello spazio-tempo}}$$
Non è chiaro se la costante cosmologica debba essere considerata un elemento della parte geometrica o come un termine legato alla materia e energia causato da un qualche fenomeno fisico non ancora identificato (o addirittura potrebbe essere il risultato di entrambe le cose).
Per ora ci sono diverse ipotesi ma nessuna certezza. Per cui giovani fisici… fatevi avanti! Questo problema è in attesa di qualcuno che lo risolva!
Per maggiori dettagli matematici matematici sulla costante cosmologica potete leggere l’interessante articolo di Peter Coles: One Hundred Years of the Cosmological Constant.
