Un approccio termodinamico alla gravità potrebbe spiegare l’accelerazione cosmica senza ricorrere all’energia oscura.

La gravità, la forza che attrae gli oggetti l’uno verso l’altro, è attualmente inquadrata nella teoria della relatività generale di Albert Einstein. Questo quadro teorico descrive la gravità come la curvatura dello spaziotempo, l’invisibile tessuto quadridimensionale dell’universo.

Sebbene la relatività generale sia oggi la teoria centrale della gravità, non riesce a spiegare alcuni fenomeni e misteri cosmologici, come il cosiddetto problema della costante cosmologica. Si tratta della discrepanza inspiegabile tra l’energia osservata dello spazio vuoto e i valori di gran lunga superiori previsti dalle teorie quantistiche.

In un recente articolo pubblicato su Physical Review Letters , i ricercatori dell’Imperial College di Londra hanno cercato di inquadrare la gravità utilizzando la termodinamica, il quadro teorico che descrive come si trasformano l’energia e il calore. Il loro studio si basa su un articolo fondamentale del fisico teorico Ted Jacobson , pubblicato più di trent’anni fa.

“Mi sono imbattuto per la prima volta nel lavoro fondamentale di Jacobson del 1995 quando avevo appena conseguito il dottorato e ho trovato l’idea affascinante”, ha dichiarato a Phys.org João Magueijo, autore senior dell’articolo.

“Ha ribaltato la logica degli argomenti di Hawking e Bekenstein, secondo cui la gravità di Einstein possiede temperatura ed entropia, e ha invece utilizzato la fisica termica per derivare la gravità di Einstein. Volevo approfondire quest’idea da anni, ma tutti i miei tentativi sono falliti miseramente. Poi, l’anno scorso, mentre ero in vacanza su una remota isola greca, in parte priva di connessione internet (il che forse ha contribuito), ho capito che la maggior parte dei lavori precedenti aveva cercato di adattare le teorie esistenti sulla gravità alla costruzione di Jacobson.”

Partendo da questa consapevolezza, Magueijo iniziò a esplorare la possibilità di descrivere la gravità a partire dalla sola fisica termica, senza cercare di determinare quale tipo di teoria della gravità ne sarebbe emersa. La sua speranza era che questo processo avrebbe portato a teorie della gravità completamente nuove, a cui nessuno aveva mai pensato prima.

Collegamento tra gravità, termodinamica e l’espansione dell’universo

Per sviluppare ulteriormente le idee che aveva in mente, Magueijo iniziò a collaborare con Ray Isichei, uno studente di dottorato che supervisionava all’Imperial College. Insieme, i due ricercatori iniziarono a esaminare la gravità da un punto di vista termodinamico, in particolare inquadrandola come un ciclo Otto, un modello termodinamico che descrive il funzionamento dei motori a benzina.

“Ci siamo chiesti cosa succederebbe se il processo termodinamico alla base della gravità non fosse solo il flusso di calore”, ha spiegato Magueijo. “Nella termodinamica ordinaria, il calore non è quasi mai l’unico fattore in gioco: possono esserci anche reazioni chimiche, espansione contro un pistone, lavoro compiuto o altri contributi. Quindi, abbiamo aggiunto questo ‘qualcos’altro’ mancante all’argomentazione, senza preconcetti su cosa ne sarebbe venuto fuori dall’altra parte.”

Con loro grande sorpresa, i ricercatori scoprirono che la teoria gravitazionale da loro elaborata permetteva la creazione e la distruzione di materia ed energia. Questo fu uno shock totale, poiché la conservazione dell’energia e della materia è un principio fisico fondamentale. Il fatto che potesse essere violato li spinse quasi ad abbandonare completamente la loro teoria.

“L’idea non è finita nel cestino perché ci siamo resi conto che, applicata all’universo nel suo complesso, poteva riprodurre l’accelerazione osservata dell’espansione cosmica senza dover ipotizzare l’energia oscura, una costante cosmologica o alcuno degli ingredienti solitamente invocati per spiegarla”, ha affermato Magueijo.

“La materia ordinaria dovrebbe frenare e decelerare l’espansione dell’universo, ma ciò presuppone le usuali leggi di conservazione. In questo modello, la materia ordinaria la cui legge di conservazione è modificata (consentendo una creazione continua) può invece guidare l’accelerazione.”

Alimentare nuovi studi teorici

Lo studio del team offre una teoria della gravità innovativa e non convenzionale, suggerendo che la teoria della relatività di Einstein potrebbe potenzialmente essere interpretata anche come un processo termodinamico. Questo quadro teorico potrebbe eliminare la necessità di una costante cosmologica convenzionale, contribuendo potenzialmente a risolvere un problema di lunga data in cosmologia.

Sebbene la nuova teoria elaborata da Magueijo e Isichei sia intrigante, è ancora speculativa e nelle sue fasi iniziali. I ricercatori stanno ora pianificando ulteriori studi volti a svilupparla ulteriormente e a confrontare le sue previsioni con le prove cosmologiche e i risultati sperimentali disponibili.

“Ora occorre molto lavoro per confrontare nel dettaglio il modello con le osservazioni cosmologiche”, ha aggiunto Magueijo. “Quando ho iniziato il mio dottorato, nel 1990, si poteva ancora dire quasi tutto in cosmologia, perché la scarsità di dati lo permetteva. Da allora la cosmologia è diventata una disciplina ad alta precisione, basata sui dati. Qualsiasi nuova idea ora deve superare la prova dell’osservazione.”

Abstract

Dimostriamo che la relatività generale e altre teorie geometriche possono essere viste come un ciclo di Otto degenere con sole fasi di scambio termico nella gravità emergente. L’inclusione di fasi che producono lavoro produce violazioni controllate dell’invarianza di Lorentz locale e della conservazione dell’energia-quantità di moto, che generano un’accelerazione cosmologica a tempi tardivi. Vengono discusse le implicazioni per il problema della costante cosmologica, la formazione delle strutture e le osservazioni locali.

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