Costante cosmologica

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Con costante cosmologica (usualmente indicata con la lettera greca lambda: Λ) ci si riferisce in generale a una componente di energia in grado di integrare il modello cosmologico derivante dalla relatività generale.

Il primo esempio storico di costante cosmologica fu il termine aggiunto da Albert Einstein all'equazione di campo della sua teoria (implicante un universo dinamico) allo scopo di ottenere una soluzione per un universo statico. La costante cosmologica ha assunto oggi un nuovo ruolo: essa tenta di spiegare l'accelerazione dell'espansione dell'universo, senza modificare le equazioni della relatività generale. Il modello più accreditato per la costante cosmologica è attualmente quello dell'energia del vuoto prevista dalla meccanica quantistica.

Definizione storica[modifica | modifica wikitesto]

Le equazioni di campo, nella versione "semplice", hanno la forma

dove è il tensore che descrive la curvatura dello spazio, G la costante gravitazionale e è il tensore stress-energia. La modifica proposta da Einstein per soddisfare le condizioni di stabilità fu l'inserimento a sinistra di un termine Λ che compensasse la tendenza a contrarsi (o ad espandersi in altri modelli) dello spazio:

dove g è la metrica dello spaziotempo. Essendo posta a sinistra, la costante veniva intesa come una proprietà dello spaziotempo.

Necessità di una costante per avere soluzioni statiche[modifica | modifica wikitesto]

Nel 1917 Albert Einstein formulò il primo modello cosmologico relativistico, caratterizzato da uno spazio di volume finito, ma illimitato. Pur non essendo possibile visualizzare un tale spazio chiuso a tre dimensioni, possiamo ricorrere all'analogia con il caso bidimensionale della superficie di una sfera. Tale modello prevede un universo dinamico, o in contrazione o in espansione, ed Einstein, ritenendo di dover contrastare in particolare la prima possibilità, cioè quella di un collasso sotto l'effetto della gravità, aveva bisogno di una forza repulsiva che rendesse l'universo statico. Egli si rese conto che per ottenere tale risultato doveva introdurre una costante aggiuntiva positiva di un certo valore, con la funzione di forza antigravitazionale in grado di compensare l'implosione dell'universo. Fu per questa ragione che venne introdotto Λ.

Lavori successivi mostrarono che il modello originario di Einstein non è stabile: qualunque minima perturbazione ne provoca o il collasso o l'espansione. In effetti le osservazioni di Hubble nel 1929 convinsero gli astronomi che l'universo è in espansione, indicando la presenza di una costante cosmologica positiva Λ enormemente piccola; tali conclusioni spinsero Einstein a ritenere l'idea della costante cosmologica come "stabilizzatore dell'universo" il suo "più grave errore".

Costante cosmologica come energia del vuoto[modifica | modifica wikitesto]

Anche i modelli in espansione possono però includere la costante cosmologica, il cui significato fisico è oggi associato all'energia del vuoto. Le osservazioni mostrano che l'espansione dell'universo sta accelerando, ed indicano in effetti la presenza di una costante cosmologica positiva. Il valore osservato è positivo ed enormemente più piccolo di quello che ci si aspetterebbe, circa 10−120, un valore mostruosamente piccolo, derivante da una simmetria quasi perfetta tra i contributi bosonici e fermionici nelle fluttuazioni quantistiche del vuoto, con una infinitesima prevalenza dei bosoni, e cioè dei contributi di energia su quelli di materia. Tale asimmetria "finemente regolata" fa il paio con la simmetria quasi perfetta nel bilancio, positivo, tra materia e antimateria nel caotico ribollio quantistico.

A differenza della costante di Einstein, si ipotizza che questo contributo sia dovuto alla densità di energia del vuoto, ρvac, secondo la seguente relazione:

La relazione fra la densità e la costante cosmologica è la seguente:

Ricerca di prove empiriche[modifica | modifica wikitesto]

La natura della costante cosmologica è un problema aperto. Alcuni fisici ritengono che la costante cosmologica è una delle costanti della natura e non ha niente di più misterioso delle altre costanti fondamentali, come la massa dell'elettrone.[1]

Negli anni 2007 e 2008, sono state effettuate dal satellite Chandra della NASA molte osservazioni nello spettro dei raggi X sull'ammasso di galassie Abel 85, distante 740 milioni di anni luce dalla Terra. Queste osservazioni hanno permesso di estendere gli studi sull'energia oscura, rivelando come la presenza di questa forma di energia quantistica possa influire sulla struttura dello spazio tempo e avvalorare (quanto meno dal punto di vista matematico) la presenza della costante cosmologica intuita da Einstein ma mai precedentemente dimostrata empiricamente.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ E. Bianchi and C. Rovelli, Is dark energy really a mystery?, in Nature, vol. 466, 2010, p. 321.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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