Guardate in alto nel cielo. Quasi tutto la fuori ruota: stelle, galassie, pianeti, lune, tutto ruota. Gli scienziati credono che l’universo stesso non ruoti. Perchè? E’ una domanda a cui Pawel Mazur non può rispondere. Mazur, un fisico dell’Università del Sud Carolina in Columbia, è uno di quelli che pensa che sia possibile che il nostro universo ruoti su un asse. Se queste persone hanno ragione, ciò potrebbe rendere molto semplice la comprensione dell’universo. Potreste smettere di preoccuparvi dei grandi problemi della cosmologia: l’origine del big bang, la natura dell’energia oscura e forse anche della materia oscura.
Potreste eliminare la strana idea per cui l’universo è passato in un periodo superveloce di espansione conosciuto come inflazione. Potreste persino fermare il tentativo di trovare una teoria che sposi la teoria quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein. E’ troppo difficile lasciar ruotare il cosmo? Si, lo è, almeno finchè la relatività generale guida l’universo. Per risolvere le complesse equazioni della relatività generale, la teoria di Einstein della gravità, i cosmologi assumono che l’universo sia lo stesso in ogni direzione.
Benchè la relatività generale possa permettere la rotazione dell’universo, questa rotazione richiede un asse e un asse cosmico di rotazione conferirebbe una direzione “speciale” sull’universo, lungo l’asse. Dato che non c’è evidenza osservativa dell’esistenza di tale asse, l’assunzione è sempre stata che l’universo non stia ruotando. Mazur e il suo collega, George Chapline del Lawrence Livermore National Laboratory in California, hanno una semplice risposta per questo: non assumono che la relatività generale abbia tutte le risposte.
Da dove prendono questa idea eretica?
“Guardando dove la relatività generale si interrompe”, dice Mazur. La relatività generale fornisce una descrizione eccellente di cosa accada negli eventi normali di tutti i giorni nell’universo, ma fallisce in circostanze “estreme”. Le sue equazioni non possono dirci nulla di preciso sugli eventi come collisioni di particelle altamente energetiche, per esempio, o sul collasso di stelle in buchi neri. Il maggior indizio dei suoi limiti, dicono Mazur e Chapline, sta nel modo in cui permette al tempo di interrompersi.
La relatività generale permette la formazione di cicli nel tempo in certe circostanze. A volte, per esempio, una specie di falla mono-dimensionale nello spazio-tempo conosciuta come “stringa cosmica” può formarsi. Quando una tale stringa ruota rapidamente attorno ad un asse lungo la sua lunghezza, crea un ciclo nel tempo; viaggiate attorno a una di queste “curve a tempo chiuso” (CTCs) e tornerete indietro nello stesso momento nel tempo. Mazur e Chapline dicono che, secondo la relatività generale, la stessa cosa può accadere con un buco nero rotante.
Il problema è, che la teoria quantistica richiede il tempo per essere “universale”, non dovrebbero esserci cicli chiusi di tempo isolati dal tempo nel resto dell’universo. Questo significa che la teoria quantistica non può funzionare ovunque in un universo governato dalla relatività generale. Dato che molti fisici riconoscono la teoria quantistica come una descrizione più accurata della realtà rispetto alla relatività generale, la visione dello spazio e del tempo della relatività generale, ciò che i cosmologi chiamano il vuoto, deve essere errata.
“E se lo spazio-tempo è in realtà un superfluido?”
Il modo in cui il tempo si interrompe attorno ad una stringa cosmica rotante ha dato a Mazur e Chapline un indizio per risolvere questo problema. I CTCs si formano in regioni vicine all’asse della stringa cosmica e significa che la relatività si interrompe nei nuclei di minuscoli “vortici gravitazionali” mentre continua ad applicarsi in tutto lo spazio restante. “Questo suggerisce molto un vortice in un superfluido”, dice Mazur.
I Superfluidi, come l’elio liquido ultra-freddo, ha proprietà molto strane. Possono fluire in salita, per esempio, senza frizione. Una proprietà cruciale dei superfluidi è che non possono essere fatti ruotare nel modo in cui l’acqua in un secchio si muoverà turbinando una volta agitata. Agitate un secchio di superfluido e produrrete un gruppo di vortici: la superfluidità si interromperà in ogni vortice, ma nella parte restante il fluido rimane immobile e superfluido.
Mazur ha pubblicato l’analogia tra i vortici in elio superfluido e il modo in cui il tempo si interrompe vicino a stringhe cosmiche rotanti 20 anni fa in Physical Review Letters (vol 57, p.929). Da quel momento sta pensando a cosa possa significare. Ora Mazur e Chapline pensano di poter avere la risposta: e se questa similarità tra lo spazio-tempo e i superfluidi non fosse un caso? Se lo spazio-tempo fosse veramente un superfluido?
E’ un suggerimento radicale, ma risolverebbe certamente il problema dello stabilire un tempo universale. I superfluidi si formano quando le particelle nel fluido perdono il loro carattere individuale e iniziano a comportarsi come se fossero una particella gigante, conosciuta come “condensato”. Lo spazio-tempo composto di particelle che hanno formato un condensato superfluido, significherebbe che avrebbe un tempo universale incorporato.
Questo è solo l’inizio. Mazur e Chapline hanno realizzato che l’idea di uno spazio-tempo superfluido ha profonde implicazioni quando applicata all’interruzione della relatività al limite di un buco nero. Se il nostro universo è un superfluido ruotante, potrebbe spiegare da dove tutto viene. Molte persone sono pronte ad accettare che la relatività generale si interrompe al centro di un buco nero, la “singolarità”, dove la densità e la temperatura della stella ritratta che ha deposto il buco si elevano all’infinito.
Secondo Mazur, la relatività generale si interrompe anche all'”orizzonte degli eventi” del buco, la membrana immaginaria che ricopre la singolarità dalla vista e marchia il punto di non ritorno per la materia che vi cade. Per una cosa, dice, la curvatura dello spazio e del tempo significa che la luce in direzione del buco nero viene accelerata ad energia infinita all’orizzonte, cosa fisicamente impossibile. Ancora più seria, dice Mazur, è la violazione della teoria quantistica.
In certe circostanze, la teoria quantistica permette ad una influenza fantasma chiamata intreccio (entanglement) di esistere tra le particelle. Se una metà di un paio di particelle in stato di entanglement superasse l’orizzonte degli eventi nella singolarità, mentre l’altra metà non lo facesse, allora questo entanglement sarebbe distrutto e questo è escluso dalla teoria quantistica.
“Dato che la teoria quantistica viene generalmente considerata la teoria più fondamentale, la relatività generale non può fornire una vera descrizione della gravità vicino ad un buco nero”, dice Mazur. “In altre parole, gli orizzonti non si formano”. Invece, dice, lo spazio-tempo va in un cambiamento nelle sue proprietà fondamentali.
L’alternativa ai buchi neri di Mazur deriva dal fatto che un superfluido può esistere in diverse “fasi”, come l’acqua può esistere come ghiaccio o vapore. Come con l’acqua, i fattori esterni possono cambiare la fase del superfluido. Mentre la stella collassa in sè, le particelle in essa si avvicinano molto. Eventualmente raggiungono una densità che combacia con la densità delle particelle che crea il condensato dello spazio-tempo superfluido.
A questo punto, dice Mazur, il materiale della stella può interagire col materiale che crea lo spazio-tempo e il risultato è che due materiali vanno in un cambio di fase. Dentro il confine sferico, dove le condizioni divengono “critiche”, la materia stellare viene convertita in energia e il superfluido cambia la sua fase, come l’acqua diviene vapore.
Secondo i calcoli di Mazur e Chapline, l’energia associata con questa fase dello spazio-tempo superfluido ha una pressione negativa, che si manifesta come gravità repulsiva (vedere il Diagramma a destra) Questo fornisce al vuoto spaziotemporale dentro la stella collassante sufficiente pressione per fermare il collasso gravitazionale.”Un oggetto stabile in cui la gravità repulsiva del vuoto bilancia la gravità”, dice Mazur. Chiama questo oggetto una gravistella.
Non è una struttura statica. La materia che vi cade dalla stella e che colpisce questo guscio viene convertita in energia, aggiungendosi all’energia del vuoto superfluido dello spazio tempo nel guscio. La conversione della materia della stella in energia rende lo strato di transizione estremamente caldo e l’incertezza quantistica dice che, dentro il guscio, una piccola quantità di questo calore sarà nuovamente convertito in materia.
Appena la materia viene creata, la forza repulsiva dell’energia interna del vuoto spinge sulle particelle, facendole allontanare tra loro a velocità crescente. Fermi, questo non suona famigliare? La materia creata in una fornace ardente, che fa esplodere tutto? “E’ il big bang”, dice Mazur. “Effettivamente, siamo dentro una gravistella”.
Risposte Oscure
Oltre a spiegare il big bang, la gravità repulsiva spiega l’origine dell’energia oscura che sembra espandere il nostro universo a velocità crescente. Mazur ed Emil Mottola del Los Alamos National Laboratory nel Nuovo Messico, hanno prima pubblicato le basi dell’idea della gravistella nel 2001 (New Scientist, 19 Gennaio 2002, p.26).
Ora, con lo spazio-tempo superfluido che completa l’immagine, è divenuta una soluzione più potente per il puzzle della cosmologia. “La gravistella non funziona senza il fattore del superfluido, ma con esso, risolve i CTCs, le singolarità e la natura dell’energia oscura”, dice Mazur. Questa nuova immagine risolve anche la necessità dell’inflazione. Questo periodo di espansione superveloce, si suppone che sia avvenuto nel primo attimo dell’esistenza dell’universo. Nessuno ancora ha spiegato come possa essere avvenuto, ma l’inflazione è la miglior soluzione che abbiamo per diversi misteri cosmologici.
E’ necessaria soprattutto perchè diverse regioni dell’universo che oggi hanno la stessa temperatura, come indicato dalla radiazione cosmica di fondo lasciata dal big bang, si stanno allontanando tra loro in modo troppo lento per essere state in contatto quando l’universo ha avuto inizio, non c’è ragione per cui dovrebbero avere la stessa temperatura. L’inflazione risolve il problema rendendo l’universo molto più piccolo all’inizio in modo che il calore potesse facilmente fluire attorno ad esso, uguagliando la temperatura.
Mazur dice che l’universo superfluido rende l’inflazione ridondante perchè un oggetto, la stella collassante, conteneva tutto lo spazio-tempo. Questo significa che tutta la materia nella gravistella era stata già in contatto per un tempo significativo.
“Nella nostra immagine, c’è un periodo pre-big bang lungo, un’abbondanza di tempo perchè tutto si sia trovato alla stessa temperatura”, dice. Questa spiegazione del nostro universo sembra radicale, persino implausibile, ma Mazur pensa che abbia molto senso: la ricetta, una piccola quantità di acqua e molta energia, rientra nei fatti osservati.
“Solo il 4% della massa-energia dell’universo è nella forma della ordinaria, materia emanante luce, e il 73% è energia oscura”, dice. E’ bene sottolineare che il rimanente 23% della materia nel nostro universo, quella che i cosmologi chiamano materia oscura, ottiene risposta in uno scenario di universo superfluido. Mazur e Chapline pensano che sia curioso che la materia oscura sia sempre trovata vicina alla materia ordinaria. Forse, dicono, la materia oscura potrebbe non essere materia per nulla, ma il risultato di qualche interazione della materia ordinaria con l’energia oscura. “La gravistella è divenuta una soluzione potente per i puzzle della cosmologia”
Allora perchè il nostro universo dovrebbe ruotare?
Semplicemente perchè la stella collassata ruoterebbe e il suo momento angolare non può sparire. Benchè non potete portare un superfluido a ruotare, la formazione della gravistella, il nostro universo, tramite l’interazione con la materia della stella rotante e collassante, impartirà ad esso la rotazione. Questo, chiaramente, significa che dovrebbe esserci un asse, la “direzione preferita” nel cosmo. Quindi, ne esiste uno?
Benchè molti fisici direbbero che non esiste, Mazur e Chapline ipotizzano che una caratteristica misteriosa della radiazione di fondo cosmico potrebbe essere spiegata con un asse di rotazione cosmico. I punti caldi e freddi nella radiazione dovrebbero essere distribuiti a caso nel cielo, ma Kate Land e Joao Magueijo dell’Imperial College di Londra hanno evidenziato un curioso allineamento dei punti caldi più grandi nei dati della Wilkinson Microwave Anisotropy Probe della NASA (New Scientist, 2 Luglio 2005, p.30). Secondo Mazur e Chapline, se l’universo sta ruotando lentamente, il suo asse potrebbe spiegare l’allineamento.
La radicale revisione della cosmologia standard di Mazur e Chapline potrebbe essere corretta? Eric Poisson della University of Guelph ad Ontario, in Canada, non lo pensa. “La mia reazione è che le loro idee non suonano. Questa non è una grande nuova idea”, dice. Avi Loeb dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics è cauto, ma non esclude.
“Il suggerimento di Mazur e Chapline è interessante”, dice, “ma serve molto altro lavoro per dimostrare che sia una alternativa valida al modello standard del big bang con inflazione.” Nello specifico, Loeb vuole vedere quale tipo di strutture apparirebbero in un unverso superfluido. Se l’universo è un superfluido rotante, allora vicino al confine dell’universo si formerebbero piccoli vortici mentre il guscio della gravistella fornisce energia al superfluido interno. Mazur e Chapline dicono che questi vortici possono aver “inseminato” la formazione delle galassie. I semi ora sono visti come fluttuazioni nella temperatura dello sfondo di radiazione cosmica di microonde (CMB).
E’ qua che il disegno di Mazur e Chapline dell’universo deve confrontare il quantitativo. I cosmologi credono che siano state le fluttuazioni quantiche nel vuoto dello spazio a causare le variazioni nella CMB. Secondo la teoria standard, queste fluttuazioni quantiche sarebbero state di tutte le dimensioni, o “scale-invariant” e sembra che i dati della CMB supportino questa idea.
La domanda è, i vortici di Mazur e Chapline combaciano con i dati?
“Devono dimostrare che si ottenga uno spettro di fluttuazioni di densità scale-invariant, così come una cosmologia “piatta” che si ottiene dall’inflazione”, dice Loeb. “Abbiamo evidenze per entrambe le caratteristiche della CMB”. Mazur concorda sul punto che questo sia un test cruciale.
“Ci serve la capacità di predirre le strutture che vediamo attorno a noi oggi in modo migliore rispetto al modello corrente”, dice. “Quindi, e solo a quel punto, sapremo se davvero siamo sulla pista giusta”. Se dovessero avere ragione, sarà rassicurante: guardando il cielo scuro, sapremo che l’universo non è una aberrazione; come tutto il resto in vista, ha una rotazione. Dall’altra parte, l’universo superfluido solleva una domanda disturbante. Le razze aliene osservano fuori da quelli che noi pensiamo essere buchi neri?Da qualche parte la fuori, nel guscio ardente, qualcuno potrebbe fissare l’impenetrabile bordo di un universo contenuto nel nostro.
Marcus Chow
bibliotecapleyades.net
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org