Secondo questi fisici la velocità della luce sta diminuendo

Nel 1905, a soli ventisei anni, Albert Einstein cambiò per sempre la fisica delineando la sua teoria della relatività ristretta. Questa teoria ha definito la relazione tra spazio e tempo, ed è fondata su due postulati fondamentali: le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali e la luce si propaga nel vuoto a velocità costante.

Lungo il corso dell'ultimo secolo, le teorie della relatività di Einstein (sia quella generale, che quella ristretta) hanno resistito alle prove di verifica sperimentale e sono state usate per segare una serie di procedimenti fisici, tra i quali le origini dell'universo. Ma negli anni '90, alcuni scienziati hanno messo in dubbio uno dei postulati fondamentali che sta alla base della teoria della relatività ristretta di Einstein avanzando l'ipotesi che adesso la velocità della luce sia più lenta rispetto a quella rilevata nella fase primordiale dell'universo, e che quindi non si possa definire costante.

Questa teoria della velocità variabile della luce era, ed è ancora, controversa. Ma secondo un nuovo st­udio pubblicato a Novembre sulla rivista di fisica Physical Review D, potrebbe essere testato in via sperimentale in un futuro non troppo lontano. Se gli esperimenti validassero la teoria, significherebbe che le leggi della natura non sono sempre state le stesse, e occorrerebbe una seria revisione della teoria della gravità di Einstein.

"Tutte le leggi della fisica si basano sul presupposto che la velocità della luce sia costante" ha detto a Motherboard Joao Magueijo, cosmologo presso l'Imperial College di Londra e pioniere della teoria della velocità variabile della luce. "Quindi dovevamo trovare il modo di cambiarla senza stravolgere toppo le cose"

Secondo Magueijo, la teoria della velocità della luce variabile è emersa come soluzione a una contraddizione cosmologica di vecchia data, conosciuta come "il problema dell'orizzonte" che emerge quando la velocità della luce viene considerata costante.

Se la luce ha un limite di velocità invariabile, allora significa che dal Big Bang a oggi potrebbe solo aver percorso circa 13,7 miliardi di anni luce, visto che dal Big Bang sono trascorsi circa 13,7 miliardi di anni luce. La distanza che la luce è in grado di percorrere dal Big Bang genera l' "orizzonte" dell'universo osservabile.

Allora immaginate di essere seduti al centro di una sfera (l'universo) con un diametro di 13,7 miliardi di anni luce. La superficie di questa sfera, nota anche come l'orizzonte dell'universo, è la radiazione cosmica di fondo (CMB, Cosmic Microwave Background), una radiazione generata 400.000 anni dopo il Big Bang e la nostra prima istantanea dell'universo. Non importa in quale punto dell'universo ci si trovi, quando oggi si osserva il CMB risulta sempre distante 13,7 miliardi di anni luce.

Ecco dove sorge il problema: sebbene ogni punto dell'universo sia ugualmente distante 13,7 miliardi di anni luce dalla radiazione cosmica di fondo, la distanza che separa una lato dell'universo dall'altro (chiamiamolo "diametro" dell'universo) risulta essere all'incirca 27,4 miliardi di anni luce. In altre parole, l'universo è troppo vasto per aver consentito alla luce di viaggiare da una parte all'altra nel corso della sua esistenza, che è necessaria per spiegare l'omogeneità osservata nel CMB.

Osservando la radiazione cosmica di fondo, gli scienziati hanno notato che risulta essere sorprendentemente uniforme: la sua temperatura è di circa -270C in qualsiasi punto, con minuscole variazioni (una parte su 100.000). Se però la luce, la "cosa" più veloce nell'universo, non è in grado di attraversare da una parte all'altra l'universo nel corso dell'intera esistenza dello stesso, questa uniformità rilevata nel CMB risulta impossibile.

Per capire perché ciò si verifica, immaginate una vasca da bagno con un rubinetto ad entrambe le estremità, uno che produce acqua calda e l'altro acqua fredda. Se si chiudono entrambi, alla fine l'acqua nella vasca raggiungerà una temperatura uniforme poiché l'acqua calda e quella fredda si mischiano. Ma se, mentre i rubinetti sono aperti, immaginiamo di allungare la vasca in ogni direzione così velocemente da non far mai incontrare l'acqua calda con quella fredda, una parte della vasca sarà sempre molto più calda e non avremo mai un'unica temperatura uniforme.

Questo è quello che è successo durante il Big Bang, ma invece di notare parti "più calde" o "più fredde" tra le radiazioni cosmiche dell'universo primordiale, risulta tutto perfettamente uniforme. Quindi qual è il problema?

La soluzione più comunemente accettata al problema dell'orizzonte è chiamata inflazione, e sostanzialmente afferma che l'uniformità che osserviamo nella radiazione cosmica di fondo si è creata quando l'universo era ancora incredibilmente piccolo e denso, e ha mantenuto questa uniformità mentre si è espanso. In questo caso, tornando al precedente esempio, l'acqua per il bagno avrebbe raggiunto una temperatura uniforme prima che la vasca iniziasse ad espandersi all'impazzata in tutte le direzioni.

Sebbene questa teoria inflazionaria conservi una velocità della luce costante, richiede anche di accettare un "campo di inflazione" che è esistito solamente per un breve periodo nell'universo primordiale.

Secondo i sostenitori della velocità della luce variabile, però, questo problema può essere risolto senza ricorrere all'inflazione, ipotizzando che la velocità della luce fosse significativamente più elevata nell'universo primordiale. Ciò avrebbe permesso alle superfici opposte dell'universo di rimanere "connesse" mentre l'universo si sarebbe espanso, e questo giustificherebbe l'uniformità che si osserva nel CMB.

Tuttavia, i fisici teorici che si attengono al modello inflazionario dell'universo, ritengono che considerare la velocità della luce variabile invece che costante sia un modo per "cambiare il segno" di un termine fondamentale nella teoria della relatività ristretta.

"Nella maggior parte dei casi, cambiare un segno del genere è la ricetta per un disastro assicurato, dato che la teoria risultante cesserebbe di essere coerente internamente e dal punto di vista fisico" ha detto a Motherboard David Marsh, un ricercatore presso il Center For Theoretical Cosmology, che non compare nell'articolo. "Afshordi e Magueijo hanno affrontato alcune sfide derivanti dal cambio di segno, ma sembra che manchi ancora parecchio lavoro per arrivare a dimostrare che il modello sia teoricamente attendibile. Se riuscissero a farlo, questo modello potrebbe avere una miriade di conseguenze di vasta portata su tutte le leggi fisiche, non solo sulla cosmologia".

E quindi di quanto era maggiore la velocità della luce subito dopo il Big Bang? Secondo Magueijo e il suo collega Niayesh Afshordi, professore associato di fisica e astronomia presso l'Università di Waterloo, la risposta è "infinitamente".

I due adducono che la velocità della luce fosse maggiore di almeno 32 ordini di grandezza di quella attualmente accettata (300 milioni di metri al secondo)—e questi sono comunque i valori più bassi. Se ci si avvicina al Big Bang la velocità della luce tende all'infinito.

Secondo questa supposizione, la velocità della luce era maggiore perché la temperatura dell'universo allo stato primordiale era incredibilmente elevata. Secondo Afshordi , la loro teoria richiede che l'universo primordiale fosse in grado di sprigionare un calore di almeno 10²⁸ gradi Celsius ( per avere un'idea, la temperatura più alta che siamo capaci di realizzare sulla terra è di circa 10¹⁶ gradi Celsius, 12 ordini di grandezza più fredda).

Mentre l'universo si espandeva e raffreddava la sua temperatura, la luce ha subito uno sfasamento—proprio come l'acqua si trasforma in ghiaccio una volta che la temperatura raggiunge una determinata soglia—ed è arrivata alla velocità che conosciamo oggi: 300 milioni di metri al secondo. E proprio come il ghiaccio non diventa più "ghiacciato" se la temperatura diminuisce, la velocità della luce non è diminuita da quando ha raggiunto i 300 milioni di metri al secondo.

Se la teoria di Magueijo e Afshordi sulla velocità variabile della luce fosse corretta, allora questa diminuirebbe in maniera prevedibile—e questo significa che, con strumenti abbastanza sensibili, questo rallentamento di velocità potrebbe essere misurato. Ed è esattamente quello che hanno fatto nel loro ultimo studio.

Secondo Afshordi, le galassie e altre strutture si sono formate a causa di fluttuazioni nella densità dell'universo primordiale. Queste fluttuazioni di densità sono registrate nelle radiazioni cosmiche di fondo come un "indice spettrale" che possiamo immaginare come il "colore" dell'universo primordiale. Il riferimento neutrale dell'indice spettrale ha il valore di 1 e coincide con un universo con lo stesso grado di fluttuazioni gravitazionali su tutte le scale. Sopra questo valore l'universo è "blu"(presenta fluttuazioni più brevi nella lunghezza d'onda) e sotto questo valore è "rosso"(presenta fluttuazioni più ampie nella lunghezza d'onda ).

Sebbene il modello inflazionario dell'universo possa presentare anche un indice spettrale "rosso", non è possibile calcolare un valore preciso dell'indice e di conseguenza le esatte fluttuazioni gravitazionali nell'universo primordiale. Nel loro nuovo studio, Magueijo e Ashfordi hanno fissato l'indice spettrale ad un valore di 0,96478, appena nel rosso, che è di due ordini di grandezza più preciso delle attuali misurazioni dell'indice spettrale (circa 0,968).

Adesso che hanno utilizzato la teoria della velocità variabile della luce per aggiungere dei numeri certi all'indice spettrale, tutto quello che rimane da vedere è se esperimenti sempre più sensibili per sondare il CMB e la distribuzione delle galassie verificheranno o invalideranno la loro teoria. Sia Magueijo che Afshordi si aspettano che questi risultati saranno disponibili nel prossimo decennio. Ma Marsh e altri fisici non ne sono così sicuri.

"Se confrontato con quello dell'inflazione, il modello di Magueijo e Afshordi è al momento complicato e poco chiaro", ha detto Marsh. Comunque, l'idea dell'inflazione si è sviluppata in oltre 35 anni e ci sono ancora importanti domande teoriche aperte da affrontare in quel settore. E' certamente possibile che, concedendo tempo e ricerche, la configurazione teorica di questo modello verrà più ampiamente compresa e che le sue previsioni risultino più chiare"

Se la loro teoria fosse corretta, invaliderebbe uno dei principali assiomi che stanno alla base della teoria della relatività ristretta di Einstein e costringerebbe i fisici a riconsiderare la natura della gravità. Secondo Afshordi, comunque, nella comunità fisica quasi tutti accettano il fatto che la teoria della gravità di Einstein non possa rappresentare l'intera faccenda, e che una teoria quantistica della gravità la rimpiazzerà. In lizza ci sono un certo numero di teorie, ma se quella sulla velocità variabile della luce delineata in questo studio si rivelasse corretta, restringerebbe significativamente la sfera delle teorie quantistiche.

"Se avete veramente intenzione di esaminare la gravità quantistica, ve la caverete meglio senza quest'idea dell'inflazione", ha detto Magueijo. "L'inflazione non intacca minimamente le leggi fondamentali della fisica ed è un meccanismo per isolare l'universo osservabile dalla fisica oltre la relatività. La velocità variabile della luce sta risalendo alle fondamenta della fisica e sta dimostrando che forse esistono cose al di là della relatività. Questa è la migliore posizione per aprirsi a nuove idee e nuove teorie".