Quando 20 anni fa è diventato chiaro che l'espansione dell'universo stava accelerando, gli scienziati hanno presentato una spiegazione completa, semplice e verificabile. Ma con l'arrivo di dati sempre più sperimentali e osservativi, la ragione dell'energia oscura - presumibilmente la ragione di questa accelerazione - è rimasta sfuggente. Sebbene sia tecnicamente equivalente a una "costante cosmologica" (o energia inerente allo spazio stesso), non c'è modo di inferirne il valore. Ma se ricordiamo che porre certe forme di materia nello spazio vuoto cambia le forze che agiscono su questa materia, è possibile che l'energia oscura nasca secondo un principio molto semplice: perché la materia in quanto tale esiste nel nostro Universo.
Mappa di clustering delle galassie nel nostro universo. La presenza di queste strutture può spiegare la presenza e il potere dell'energia oscura nella sua interezza.
La maggior parte delle forze e dei fenomeni hanno origini facili da scoprire. Due oggetti massicci sperimentano la forza di gravità a causa del fatto che lo spaziotempo è deformato a causa della presenza di materia ed energia. L'universo si è espanso perché ha una propria storia di cambiamenti nella densità di energia nell'universo e le condizioni iniziali per l'espansione. E tutte le particelle nell'Universo interagiscono in un certo modo a causa delle ben note regole della teoria quantistica dei campi e dello scambio di bosoni vettoriali. Dalle particelle subatomiche più piccole alle scale più grandi, le stesse forze operano per guidare bosoni e galassie.
La forte interazione che si verifica per la presenza del "viraggio di colore" e lo scambio di gluoni tiene uniti i nuclei degli atomi
Anche i fenomeni più misteriosi al loro interno contengono spiegazioni che sono ben comprese. Non sappiamo perché ci sia più materia che antimateria nell'Universo, ma sappiamo che le condizioni di cui abbiamo bisogno per questo - violazione del numero barionico, violazione C e CP - si verificano. Non sappiamo quale sia la natura della materia oscura, ma le sue proprietà generali, dove si trova e come si raggruppa, sono tutte ben comprese. Inoltre, non sappiamo se i buchi neri preservino le informazioni o meno, ma comprendiamo lo stato finale e iniziale di questi oggetti, nonché come nascono e cosa succede ai loro orizzonti degli eventi nel tempo.
Un'illustrazione di un buco nero e del suo ambiente, un disco di accrescimento che si gonfia e si accelera. Lo stato iniziale e finale dei buchi neri può essere ben previsto anche se la perdita o l'archiviazione delle informazioni non lo è
Ma c'è una cosa che non capiamo affatto: l'energia oscura. Naturalmente, possiamo misurare l'accelerazione dell'universo e comprenderne accuratamente la grandezza. Ma perché abbiamo anche un universo con energia oscura diversa da zero? Perché lo spazio vuoto, in cui non c'è niente - non importa, nessuna curvatura, nessuna radiazione, niente - ha un'energia positiva diversa da zero? E perché questa quantità di energia, che era inconcepibilmente piccola e completamente invisibile durante il primo miliardo di anni di storia dell'Universo, ha iniziato a catturare l'Universo solo nel momento in cui la Terra è apparsa in esso?
Un'illustrazione di un disco protoplanetario in cui si formano pianeti e planetesimi, creando spazi vuoti nel disco. Da quattro a cinque miliardi di anni fa, quando il nostro sistema solare si stava formando, l'energia oscura iniziò simultaneamente a catturare l'espansione dell'universo e la densità di energia
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Ci sono molte cose interessanti che possiamo associare all'energia oscura e all'universo nel suo insieme. C'è molto spazio vuoto che i campi quantistici permeano. Non ci sono regioni nell'Universo in cui penetrano forze gravitazionali, elettromagnetiche o nucleari; loro sono ovunque. Se proviamo a calcolare il cosiddetto valore atteso del vuoto (condensato) di vari campi quantistici, incontreremo un numero infinito di termini e possiamo scriverlo solo approssimativamente. Tratteremo sempre valori approssimativi. E per quanto ne sappiamo, non sono bilanciati e l'universo non sta rallentando, ma in realtà sta accelerando. In qualche modo, lo spazio stesso ha un po 'di energia diversa da zero. E questa energia fa allontanare da noi galassie distanti nell'Universo a una velocità sempre maggiore,sebbene lentamente, ma costantemente.
La domanda "perché?" non smette mai di tormentare i teorici. Perché l'universo si sta espandendo sempre più velocemente? Non possiamo spiegare la presenza di questa energia oscura in niente. Forse abbiamo poca comprensione dell'universo stesso. Tuttavia, c'è un'altra opzione, a cui si pensa raramente: forse questa proprietà dello spazio vuoto è determinata dalla presenza di altre cose - come la materia - nell'Universo.
E c'è una ragione per credere che questo sia possibile, che si chiama effetto Casimir. Lo conosciamo bene.
Illustrazione dell'effetto Casimir e di come le forze al di fuori delle piastre differiscono dalle forze tra di loro
Qual è la forza elettromagnetica dello spazio vuoto? Ovviamente zero. In assenza di cariche, correnti e materia per l'interazione, sarà zero, non scherzo. Ma se metti due piastre metalliche a una certa distanza tra loro e poi chiedi di nuovo quale sarà la forza elettromagnetica, cesserà di essere zero. A causa del fatto che alcune modalità di fluttuazioni quantistiche sono vietate a causa dei confini della placca, non solo prevediamo, ma misuriamo anche la forza diversa da zero tra queste placche, derivante letteralmente dallo spazio vuoto. E ciò che è più interessante, tutte le forze, comprese le forze gravitazionali, mostrano l'effetto Casimir.
Mappa di oltre un milione di galassie nell'universo; c'è una galassia separata in ogni punto. I diversi colori rappresentano le distanze; rosso - ulteriormente
Cosa succede quando proviamo ad applicare questo effetto all'intero universo e calcoliamo l'effetto? La risposta è semplice: otteniamo qualcosa che corrisponde in qualche forma all'energia oscura, solo - di nuovo - di un ordine diverso. E questo può essere dovuto al fatto che non sappiamo completamente quali sono le condizioni al contorno dell'Universo o come calcolare correttamente l'effetto quantistico-gravitazionale.
Mappare l'universo può essere la parte più semplice. È improbabile che aspetteremo una svolta osservata o sperimentale che ci porterà a una comprensione dell'energia oscura, la forza più sfuggente dell'universo. Potremmo aver bisogno di una svolta teorica. E, possibilmente, sarà associato a un'anomalia della traccia, un cambiamento nella grandezza dinamica o anche una traccia di dimensioni aggiuntive. Abbiamo scoperto solo di recente il suo segreto più difficile da spiegare. Forse la soluzione sarà nella fisica che già conosciamo.
Ilya Khel
