Il più grande errore di Einstein? Forse una delle grandi scoperte dell’umanità
[Sotto il post in Italiano]
For thousands of years we looked at the night sky and believed that the illuminated objects were all that made up our universe. Scientists now realize that the true secrets of our
sky are not hidden in what shines in the light but in what hides in the dark.
There is a mysterious dark matter that binds stars and galaxies together as well as a dark repulsive energy that is creating space in the universe and driving the galaxies farther and farther apart. Combined, dark matter and dark energy make up 96% of the universe.
Their discoveries and the results extracted from the measurements have surprised the whole scientific community. Understanding what they are could start a new revolution in science, similar to the previous one started more than a hundred years ago by Albert Einstein. In order to fully comprehend the journey that brought us to this point, we need to go back to its beginning.
The beginning of a revolution
It all started in Bern, Switzerland, in 1905. At the dawn of the new century the mechanism of 1900′s century physics begun to show a sense of strain. It was finally demolished, not by a renowned scientist, but by a patent clerk. After graduating, Albert Einstein spent almost two years searching for a teaching post, but a former classmate’s father helped him get a job at the Bern’s Federal Office for Intellectual Property. Einstein didn’t find his job too demanding and it gave him time to work on his physics. From his desk at the patent office and his small room next to the clock tower in Bern he started a revolution that would change forever the vision we have of the universe.
In that period space and time were thought to be two separate reference systems. A meter was a meter everywhere. A clock would tick at the same rate wherever you went. Time was considered absolute, independent of whether you were moving or you were stationary. Einstein smashed these concepts with a tool that had been shown to behave like nothing else in nature: the speed of light.
For twenty years scientists had been puzzled by an experiment which suggested that there was something odd about the speed of light. In the 1880s, two Americans scientists, Albert Michelson and Edward Morley, tried to measure how the speed of light was affected by Earth’s motion through space. They set up an experiment with beams of light assuming that the planet’s speed would add to the speed of the light beams used in the experiment. They expected to see a regular pulsing every six hours. The surprising result was that nothing happened. No matter how they did it, or how long they waited, the speed of light was always constant. This result was very important: you could never add to or subtract from the speed of light. This was a direct contradiction of what was supposed to happen in the static clockwork universe. When space and time are fixed, speeds must always add up. If somebody is walking on a moving train, the total speed at which he is moving is equal to the sum of the speed he is walking with respect to the train and the speed at which the train is moving with respect to the ground. Michelson and Morley had proved that this isn’t true for the speed of light. The light leaves the train at the speed of light and strikes the objects around it at the speed of light. Its speed never changes, no matter how fast the train is going. But something must change as a result of the train’s speed. It took Einstein to realize that the entities that were indeed changing were space and time themselves. Viewed from the ground the speed of light from a train is not affected by its motion, but the watches the passengers are wearing will run slow compared to a stationary clock.
In 1905, practicing physics on his free time and with very little interaction with the scientific establishment at the time, Einstein wrote his radical theory changing our world forever. In that year he published five papers that encompass the whole of the universe, from the workings of the atom to space and time. Special relativity was just one of them. But Einstein himself was not satisfied.
The problem was that his theory of special relativity broke down when gravity entered the picture. And gravity was the dominant force in the universe. Einstein realized that he had to take its notion of flexible space and time even further. It took him ten years of extraordinary work to complete his theory of general relativity: the first and only theory capable of uniting space, time, mass, energy, motion and light in a grand vision of nature and the fate of the cosmos. In his theory, he gives space and time actual properties. They are no longer just empty places where things occur, but a 
fabric, called space-time, capable of interacting and bending in the presence of mass. Mass tells space-time how to curve. The presence of mass actually curves space and time and as a consequence space-time tells mass how to move. A mass moving through space-time just follows the curvature induced on it by the presence of the mass. This solved an old problem from Newtonian mechanics. The Earth is going around the Sun because it feels a gravitational attraction to it. How does the Earth know instantly that the Sun is there? What is the source of this instantaneous action at a distance? Einstein’s model solves this issue because it doesn’t include such action. The mass of the sun simply curves space-time and the Earth just follows that curvature. Einstein also realized that it wouldn’t just be mass that would curve space-time, but that every form of energy, such as thermal or nuclear energy could cause space-time to curve. For ten years, Einstein searched for an equation to express this relationship between mass, energy and space-time. In the end, it was stunningly simple:
G = 8 π T
In the equation ‘G’ is the Einstein field tensor for gravity and ‘T’ is the total energy tensor for the mass-energy creating the distortion of space and time. In five characters the Einstein’s field equation includes the structure of the entire universe. It is considered as one of the supreme achievements of human thought.
At this point Einstein set out to use his new equation to describe the entire universe. It was a bold leap, and he immediately ran into problems. Einstein’s approach was based on a daring assumption. Locally, stars would distort space-time in complicated ways that would be too difficult to calculate. But by stepping back far enough, all the matter in the universe would look like molecules in a cloud of gas. From this perspective the shape of the universe would be uniform and simple enough to deal with.
Unfortunately for Einstein, his new understanding of forces like gravity would suggest that the universe as we see it shouldn’t exist.
In fact, when he began to calculate how the universe would behave under the influence of gravity, he got a nasty shock: his equation predicted that all the matter and energy in the universe would fold space-time back upon itself. Soon the universe would meet a fiery end as all the stars and galaxies collapsed into an enormous fireball.
But Einstein’s idea of the universe was a static, infinite one. An old concept embraced by scientists like him because it was easier to think of the universe as always existing rather than it having been created. Created how? By what?
So, in order to keep gravity from collapsing the universe, Einstein postulated a force equal and opposite to gravity. This constant force perfectly counters gravity to achieve a static universe (in red in the equation):
G + Λg = 8 π T
To Einstein this extra term, Lambda, also called the cosmological constant, spoiled the beauty of his original equation. But he could see no other way to make the universe stable. The constant gives space-time the property to spontaneously expand, so that a universe collapsing under its own gravity is kept static by this counteracting force. By exactly balancing these two, he could make the universe stable.
Hubble’s discovery
Detune a television set and it would pick up microwave radiation from the edge of the visible universe. When this radiation set out on its journey, it was orange light, but after the 13.7 billion years of travel, the universe itself has grown, stretching the light so that we now see it as microwave. It warms us as it warms the entire cosmos, raising the temperature of space by 3 degrees. This signal is powerful evidence that the universe is not unchanging as Einstein imagined, but that everything we see around us was once part of an immense fireball. The first hints of that fiery beginning were found when astronomers started to look out into space beyond our own galaxy.
In the 1920s the first large telescope became available and the American astronomer Edwin Hubble started looking at the sky.
He focused his observations on different nebulae proving conclusively that they were much too distant to be part of the Milky Way and that they were, in fact, galaxies outside our own. He shocked the world, announcing his discovery on January 1, 1925.
Not only so, Hubble also realized that all galaxies were moving away from us. In fact, they were moving away from each other and the more distant galaxies moved faster away from us than the nearby ones. He found that he could 
measure their velocities by studying their wavelength through a prism. This technique is called measuring the redshift, and is still used today to measure distances in space. He noticed that the greater the distance of a galaxy, the greater its redshift. That could only mean one thing: the universe itself must be expanding. That was a profound discovery. An expanding universe implies that at some point in the past it was smaller and its galaxies closer together. A smaller universe is also a denser and hotter universe and by going even further back in time we get to a point where the density is extremely high, called the Big Bang. The profundity of this discovery implied that the universe had a beginning.
If Hubble was right, and the universe had started with a cosmic explosion, then maybe the energy of this alone would be enough to counter-balance its gravity’s tendency to make the universe collapse and die? Perhaps there was a way to make the universe stable and solve Einstein’s problem?
At the beginning Einstein didn’t respond to Hubble’s discovery and stuck to his cosmological constant. It wasn’t until after meeting with him in 1932 that Einstein started to accept the expansion of the universe. The cosmological constant, which Einstein had introduced to hold up a static universe against the force of gravity, appeared to be unnecessary afterall. With relief, Einstein returned to his original form of his general theory of relativity. Shortly after, he told Russian-American cosmologist George Gamow that lambda was his biggest blunder. But it gradually dawned on cosmologists that the Big Bang doesn’t solve the problem of the universe’s stability. In fact, although the universe continues to grow in size, it would eventually slow in his expansion, or perhaps even collapse on itself. Gravity would eventually reduce, possibly to zero, any momentum it had.
The acceleration of the universe
Dark matter is unlike anything we have ever encountered on Earth. Billions of these strange particles pass through everything they encounter each second. They are so massive in weight that they have the power to influence the galaxies, how they form and how fast they spin. Dark matter’s invisible presence seems to be everywhere. Science has not yet directly proven that dark matter particles exist. It is so hard because observing something that can’t be seen isn’t easy. But if we can’t see it, what is the evidence of his existence?
As astronomers discovered new galaxies, Caltech Professor Fritz Zwicky looked up to the neighboring clusters of galaxies and observed something strange: the galaxies were moving too fast within the cluster for the amount of illuminated matter he could see. By his calculations, there should have been 160 times more illuminated mass to account for the random speeds of galaxies in the cluster. Something else was affecting their motions. He called it ‘missing matter’, an invisible mass that was gravitationally attractive and was able to affect the speeds of entire galaxies in a cluster.
50 years later, a young scientist named Vera Rubin, was observing the rotational curves of galaxies similar to the Milky Way. Like Zwicky, her observations also seemed strange. She noticed that farther away from the center, the velocity of the orbiting dust and gas remained constant. Dark matter was present in the galaxies and it had enough mass to keep the rotation’s speed constant. Rubin estimated that there was 10 times more dark matter than illuminated stuff. Its existence, even if well established, has yet to be detected. Many laboratories around the world are trying to detect dark matter particles. Supposedly, billions of them are passing through us every second. But so far, no dark matter has been detected by anyone.
It’s estimated that dark matter makes up 23% of the universe, while ordinary matter makes up only 4 %. But what makes up the final 73% of the universe? Scientists were shocked to discover a new mysterious dark energy was dominating space. And its repulsive energy is driving galaxies apart.
A few years ago astronomers decided to use redshift measurements to measure the expansion history of the universe. To do so, astronomers use type Ia supernovas as standard candles. They are always consistently brilliant no matter where they occur in space. In the 1990s two different teams set out to measure the deceleration rate of the universe using type Ia supernovas, expecting to measure the universe deceleration rate.
After studying the measurements of 60 type Ia supernovas, they were shocked at their results. The expansion of the universe wasn’t slowing down, it was speeding up. The expectation of the scientific community was for the expansion to be slowing down, because after all, all the galaxies are pulling on one another. They rechecked their measurements as well as their analysis. Both teams did it independently and kept getting the same result. What is driving the universe to 
expand is a repulsive force called dark energy, an invisible energy that was nothing anyone expected. It suggests that over the largest distances in the universe there is a repulsive effect that dominates over gravity. And dark energy appears to fill the universe and stretch its expansion faster and faster with time and creating space between the galaxies. Dark energy is very different from dark matter. It doesn’t clump up like galaxies do in clusters or stars do in galaxies, but appears to be pretty uniform. The same amount of acceleration is found in every direction: dark energy is a constant term. It appears dark energy and dark matter have been at war against each other since the beginning of time. Scientists believe dark energy was created along with dark matter at the moment of the Big Bang. It has always existed in the universe but gravitational forces of dark matter kept it under control, slowing down the expansion of space during the first 9 billion years of time. However, this changed 5 billion years ago when the universe grew big enough so that dark matter was dispersed throughout the universe and dark energy wasn’t so affected by dark matter’s pull. As a result, the universe begun to expand at an accelerated rate. Dark energy was probably an insignificant term when the universe was hot and dense in the beginning, but as the universe became cooler, less dense and bigger, gravity became less important and dark energy took over. As the universe expanded, dark energy finally won its struggle with dark matter and started the acceleration 5 billion years ago.
Surprisingly, the theory of dark energy seems to match what Einstein had originally proposed and later discarded: its cosmological constant. Or as he had labeled it, his biggest blunder. He might have been onto the greatest discovery of the 21st century, so far, 80 years before anyone had a clue.
Now it turns out that dark energy, the concept he threw away, is in fact the dominant force blowing the universe apart. Einstein’s so called blunder will eventually determine how the universe will die. In trying to survey the behavior of the universe Einstein had erroneously predicted dark energy, almost the total make up of the universe. His blunder, in one sense, seems to be one of humanity’s great discoveries.
Now where is this going? Will dark energy dominate the universe in making it expand forever? Scientists are still at the beginning of understanding what effects dark energy will have on the universe but it looks like the answer is “yes”. As dark energy completely dominates over dark matter, the universe will enter a stage known as exponential expansion. For every given unit of time it will double in size. And unless dark energy changes sign someday and becomes gravitationally attractive, the fate of the universe is to expand forever.
In discovering dark matter and dark energy, science is one step closer to defining the ‘theory of everything’. For now, dark matter and dark energy continue to be the greatest cosmological questions of the 21st century.
Sources:
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Odenwald, S. (1991, April). Einstein’s Cosmic Fudge Factor. Retrieved from www.astronomycafe.net: http://www.astronomycafe.net/cosm/fudge.html
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Wikipedia. (2010, March 4). Dark Energy. Retrieved from Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Dark_enery
Wright, K. (2009, Spring). The Master’s Mistakes. Discover , pp. 42-45.
History Channel’s ‘Dark Matter and Dark Energy’ - Documentary
2000 Equinox: Einstein’s Biggest Blunder – Documentary
Per migliaia di anni abbiamo guardato il cielo notturno credendo che gli oggetti illuminati fossero tutto ciò che compondevano l’universo. Gli scienziati adesso si rendono conto che i veri segreti del cielo non si trovano in ciò che brilla nella luce, ma in ciò che si nasconde nel buio.
C’è una misteriosa materia oscura che lega le stelle e le galassie insieme così come una energia oscura repulsiva che sta creando spazio nell’universo e sta guidando le galassie sempre più lontane l’una dall’altra. Combinate, la materia oscura e l’energia oscura formano il 96% dell’universo.
La loro scoperta ed i risultati estratti dalle misurazioni hanno sorpreso l’intera comunità scientifica. Capire cosa sono potrebbe iniziare una nuova rivoluzione nel campo della scienza, simile a quella precedente messa in moto più di cento anni fa da Albert Einstein. Per comprendere appieno il cammino che ci ha portato fino a questo punto, abbiamo bisogno di ritornare al suo principio.
L’inizio di una rivoluzione
Tutto ebbe iniziato a Berna, in Svizzera, nel 1905. All’alba del nuovo secolo il meccanismo della fisica di quello precedente iniziava a mostrare delle crepe. Venne finalmente demolito, non da uno scienziato famoso, ma di un impiegato dell’ufficio brevetti. Dopo la laurea, Albert Einstein trascorse quasi due anni alla ricerca di un posto di insegnamento, ma il padre di un ex compagno di classe lo aiutò a trovare un lavoro a Berna nell’ Ufficio Dederale della Proprietà Intellettuale. Einstein non trovava il suo lavoro troppo impegnativo, e ciò gli permise di pensare alla sua fisica. Dalla sua scrivania dell’ufficio brevetti e dalla sua piccola stanza accanto alla torre dell’orologio di Berna iniziò una rivoluzione che avrebbe cambiato per sempre la visione che abbiamo dell’universo.
In quel periodo si pensava che lo spazio e il tempo fossero due sistemi di riferimento distinti. Un metro era un metro ovunque. Un orologio avrebbe ticchettato alla stessa velocità ovunque si trovasse. Il tempo era considerato assoluto, indipendente dal fatto che uno si muovesse o che si fosse stazionari. Einstein demolì questi concetti con uno strumento che aveva dimostrato di comportarsi come nient’altro in natura: la velocità della luce.
Da venti anni gli scienziati erano rimasti perplessi dal risultato di un esperimento che suggeriva che c’era qualcosa di strano nella velocità della luce. Nel 1880, due scienziati americani, Albert Michelson ed Edward Morley, cercarono di misurare in che modo la velocità della luce veniva influenzata dal moto della Terra nello spazio. I due scienziati cercarono di creare un esperimento con raggi di luce partendo dal presupposto che la velocità del pianeta si sarebbe aggiunto alla velocità dei fasci di luce utilizzati nell’esperimento. I due si aspettavano di vedere una pulsazione regolare ogni sei ore. Il risultato sorprendente fu che non successe nulla. Non importava in che modo eseguissero l’esperimento, o per quanto tempo aspettassero. La velocità della luce era sempre costante. Questo risultato si rivelò molto importante: non si poteva mai aggiungere o sottrarre dalla velocità della luce. Questa era una contraddizione diretta di ciò che doveva accadere nell’universo statico del diciannovesimo secolo. Quando lo spazio e il tempo sono fissi, le velocità si devono sempre aggiungere. Se qualcuno sta camminando su un treno in movimento, la sua velocità totale è uguale alla somma della velocità con cui sta camminando rispetto al treno e la velocità con cui il treno si muove rispetto al suolo. Michelson e Morley avevano dimostrato che questo non è vero per la velocità della luce. La luce lascia il treno alla velocità della luce e colpisce gli oggetti intorno alla velocità della luce. La sua velocità non cambia mai, non importa quanto velocemente il treno stia andando. Ma qualcosa deve cambiare a causa della velocità del treno. Ci è voluto Einstein per capire che le entità che effettivamente cambiano sono lo spazio ed il tempo stessi. Vista da terra la velocità della luce da un treno non è influenzata dal suo movimento, ma gli orologi che i passeggeri indossano ticchetteranno più lentamente rispetto ad un orologio stazionario.
Nel 1905, praticando fisica nel suo tempo libero e con pochissima interazione con l’istituzione scientifica del momento, Einstein scrisse la sua radicale teoria cambiando il nostro mondo per sempre. In quell’anno pubblicò cinque articoli che comprendono l’intero universo, dal funzionamento dell’atomo allo spazio e tempo. La relatività speciale era solo uno di essi. Ma lo stesso Einstein non era ancora soddisfatto.
Il problema era che la sua teoria della relatività speciale crollava quando la gravità entrava nel contesto. E la gravità è la forza dominante dell’universo. Einstein capì che doveva espandere il suo concetto di spazio e tempo ad entità ancora più flessibili. Impiegò dieci anni di straordinario lavoro per completare la sua teoria della relatività generale: la prima ed unica teoria in grado di unire spazio, tempo, massa, energia, moto e luce in una grande visione della natura e del cosmo. Nella sua teoria, egli dà allo spazio e tempo vere proprietà. Essi non sono più luoghi vuoti dove gli eventi succeddono, ma un tessuto, chiamato spazio-tempo, capace di interagire e di curvarsi in presenza della massa. La massa indica allo spazio-tempo come curvarsi. La presenza della massa curva in realtà lo spazio ed il tempo e, di 
conseguenza, lo spazio-tempo indica alla massa come muoversi. Una massa in movimento attraverso lo spazio-tempo segue semplicemente la curvatura indotta su di essa dalla presenza della massa stessa. Ciò risolse un vecchio problema di meccanica newtoniana: La Terra è in orbita intorno al Sole, perché sente una attrazione gravitazionale? Come fa la Terra a sapere immediatamente che il Sole è lì? Qual è la fonte di tale azione istantanea a distanza? Il modello di Einstein risolve questo problema perché non include una tale azione. La massa del Sole semplicemente curva lo spazio-tempo e la Terra segue proprio questo curvatura. Einstein si rese conto che non era soltanto la massa che avrebbe curvato lo spazio-tempo, ma ogni forma di energia, come per esempio l’energia termica o nucleare. Per dieci anni, Einstein cercò un’equazione capace di esprimere questo rapporto tra massa, energia e spazio-tempo. Alla fine, era sorprendentemente semplice:
G = 8 π T
Nell’equazione ‘G’ è il tensore di campo di Einstein per la gravità e ‘T’ è il tensore di energia totale per l’energia di massa che creano la distorsione dello spazio e del tempo. In cinque caratteri l’equazione di campo di Einstein include la struttura dell’intero universo. È considerata una delle conquiste supreme del pensiero umano.
A questo punto Einstein cercò di usare la sua nuova equazione per descrivere l’universo. Era una scommessa coraggiosa, ed infatti incontrò subito dei problemi. L’approccio di Einstein si basava su un presupposto audace. Localmente, le stelle deformavano lo spazio-tempo in modi complicati che sarebbero stati troppo difficili da calcolare. Ma facendo un passo indietro fino ad avere una visione lontana, tutta la materia dell’universo sarebbe apparsa come molecole in una nube di gas. In questa prospettiva la forma dell’universo era uniforme ed abbastanza semplice da affrontare.
Purtroppo per Einstein, la sua nuova comprensione delle forze quali la gravità suggeriva che l’universo come lo vediamo, non dovrebbe esistere.
In effetti, quando cominciò a calcolare come l’universo si sarebbe comportato sotto l’influenza della gravità, ricevette un brutto colpo: la sua equazione prevedeva che tutta la materia e l’energia dell’universo avrebbe piegato lo spazio-tempo su se stesso. Presto l’universo avrebbe incontrato una fine infuocata a mano a mano che tutte le stelle e le galassie crollavano in un’enorme palla di fuoco.
Ma l’idea che Einstein aveva in mente era di un universo statico ed infinito. Un vecchio concetto abbracciato da scienziati come lui, perché era più facile pensare ad un universo che era sempre esistito piuttosto che ad uno che era stato creato. Creato come? Da che cosa?
Così, in modo da evitare che la gravità facesse collassare l’universo, Einstein postulò una forza uguale ed opposta alla gravità. Questa forza costante si bilanciava perfettamente contro la gravità ottenendo un universo statico (in rosso nella equazione):
G + Λg = 8 π T
Per Einstein questo termine supplementare, Lambda, chiamato anche la costante cosmologica, rovinava la bellezza della sua equazione originale. Ma lui non vedeva nessun altro modo per rendere l’universo stabile. La costante attribuisce allo spazio-tempo la proprietà di espandersi spontaneamente, in modo che un universo che tendeva a collassare sotto la sua stessa gravità veniva mantenuto statico da questa forza contrastante. Bilanciando esattamente queste due forze, avrebbe potuto rendere l’universo stabile.
La scoperta di Hubble
Desintonizzate un televisore ed inizierà a ricevere radiazioni a microonde dall’estremità dell’universo visibile. Quando questa radiazione intraprese il suo cammino verso di noi, era luce arancione, ma dopo 13,7 miliardi di anni di viaggio, l’universo stesso è cresciuto, allungando la luce in modo che ora la riceviamo come microonde. Ci riscalda così come riscalda l’intero cosmo, alzando la temperatura dello spazio di 3 gradi. Questo potente segnale è la prova che l’universo non è immutabile come Einstein immaginava, ma tutto ciò che vediamo intorno a noi era una volta parte di una immensa palla di fuoco. Le prime traccie di quell’ inizio infuocato sono state trovate quando gli astronomi cominciarono a guardare nel vuoto oltre la nostra galassia.
Nel 1920 i primi telescopi di grandi dimensioni divennero disponibili e l’astronomo americano Edwin Hubble iniziò a guardare il cielo.
Egli focalizzò le sue osservazioni su diverse nebulose dimostrando definitivamente che erano troppo distanti per essere parte della Via Lattea e che erano in realtà galassie al di fuori della nostra. Sconvolse così il mondo, annunciando la sua scoperta il 1 gennaio 1925.
Non solo, Hubble si rese anche conto che tutte le galassie si allontanavano da noi. In realtà, si allontanavano le une 
dalle altre e le galassie più distanti si muovevano più rapidamente da noi rispetto a quelle più vicine. Scoprì che poteva misurare la loro velocità, studiando la loro lunghezza d’onda attraverso un prisma. Questa tecnica è chiamata misurazione del redshift, ed è utilizzata ancora oggi per misurare le distanze nello spazio. Hubble notò che maggiore la distanza di una galassia da noi, maggiore era il suo redshift. Questo voleva dire solo una cosa: l’universo stesso deveva essere in espansione. Era una scoperta profonda. Un universo in espansione implica che ad un certo punto in passato era più piccolo e le sue galassie più vicine. Un universo più piccolo è anche un universo più denso e più caldo ed andando ancora più indietro nel tempo arriviamo ad un punto in cui la densità è estremamente alta, un punto chiamato il Big Bang. La profondità di questa scoperta implicava che l’universo aveva un inizio.
Se Hubble aveva ragione, e l’universo era iniziato con una esplosione cosmica, forse l’energia sola di questo inizio era sufficiente a controbilanciare la tendenza della gravità a portare al collasso l’universo. Forse c’era un modo per rendere l’universo stabile e risolvere il problema di Einstein.
All’inizio Einstein non reagì alla scoperta di Hubble e decise di mantenere la costante cosmologica nelle sue equazioni. Fu solo dopo l’incontro con lui nel 1932 che Einstein iniziò ad accettare l’espansione dell’universo. La costante cosmologica, che Einstein aveva introdotto per mantenere un universo statico contro la forza di gravità, sembrava dopotutto inutile. Con sollievo, Einstein tornò alla sua forma originaria della sua teoria della relatività generale. Poco dopo, egli disse al cosmologo russo-americano George Gamow che Lambda era stato il suo più grande errore. Ma a poco a poco i cosmologi si resero conto che il Big Bang non risolveva il problema della stabilità dell’universo. Infatti, anche se l’universo continuava a crescere in dimensioni, avrebbe poi dovuto rallentare la sua espansione, o forse addirittura collassare su se stesso. La gravità avrebbe eventualmente ridotto, o possibilmente annullato, qualsiasi momento che aveva.
L’accelerazione dell’universo
La materia oscura è diversa da qualsiasi altra cosa che conosciamo sulla Terra. Miliardi di queste strane particelle passano attraverso tutto ciò che incontrano ogni secondo. Sono così massiccie che hanno il potere di influenzare le galassie, il modo in cui si formano e le velocità con cui ruotano. La presenza invisibile della materia oscura sembra essere ovunque. La scienza non ha ancora direttamente dimostrato che le particelle di materia oscura esistono. È così difficile perché osservare qualcosa che non può essere visto non è facile. Ma se non possiamo vederla, qual è la prova della sua esistenza?
Quando gli astronomi scoprirono nuove galassie, il professore della Caltech University Fritz Zwicky alzò lo sguardo verso il gruppo di galassie vicine ed osservò qualcosa di strano: le galassie si muovevano troppo velocemente all’interno del gruppo rispetto alla quantità di materia illuminata che vedeva. Secondo i suoi calcoli, ci doveva essere 160 volte più massa luminosa per spiegare le velocità delle galassie nel gruppo. Qualcos’altro influenzava i loro movimenti. Zwicky la chiamò ‘materia mancante’, una massa invisibile che era gravitazionalmente attraente ed in grado di incidere sulla velocità di intere galassie.
50 anni dopo, una giovane scienziata di nome Vera Rubin, stava osservando le curve di rotazione delle galassie simili alla Via Lattea. Come per Zwicky, anche le sue osservazioni sembravano strane. Si accorse che lontano dal centro, la velocità della polvere e del gas in orbita era costante. La materia oscura era presente nelle galassie ed aveva una massa 
sufficiente da mantenere la velocità di rotazione costante. Rubin stimò che vi era 10 volte più materia oscura che materia illuminata. Ma la sua esistenza, anche se ben definita, deve ancora essere provata. Molti laboratori in tutto il mondo stanno cercando di individuare particelle di materia oscura. Presumibilmente, miliardi di loro passano attraverso di noi ogni secondo. Ma finora, nessuna materia oscura è stata rilevata da nessuno.
Si stima che la materia oscura costituisce il 23% dell’universo, mentre la materia ordinaria rappresenta solo il 4%. Ma di che cosa è fatto il restante 73% dell’universo? Gli scienziati rimasero scioccati dalla scoperta di una nuova misteriosa energia oscura che dominava lo spazio. E la sua energia repulsiva sta guidando le galassie le une lontane dalle altre.
Alcuni anni fa gli astronomi decisero di utilizzare le misurazioni redshift per misurare la storia dell’espansione dell’universo. Per fare ciò, gli astronomi usano supernove di tipo Ia come candele standard. Questi tipi di supernove Sono sempre costantemente brillanti, non importa dove si verifichino nello spazio. Nel 1990 due squadre diverse iniziarono a misurare il tasso di decelerazione dell’universo utilizzando supernove di tipo Ia, aspettandosi di misurare appunto la velocità di decelerazione dell’universo.
Dopo aver studiato le misure di 60 supernove di tipo Ia, rimasero scioccati dai loro risultati. L’espansione dell’universo non stava rallentando, ma stava accelerando. Le previsioni della comunità scientifica puntavano sul rallentamento dell’espansione, perché dopo tutto, tutte le galassie hanno un effetto gravitazinale attraente sulle altre. Così gli scenziati verificarono nuovamente le loro misurazioni e le loro analisi. Entrambe le squadre lavorarono in modo indipendente e continuarono ad ottenere lo stesso risultato. Quello che sta guidando l’espanzione dell’universo è una forza repulsiva chiamata energia oscura, un’energia invisibile che è qualcosa che nessuno aveva mai previsto. Essa suggerisce che a grandi distanze esiste un effetto repulsivo che domina sulla gravità. E l’energia oscura sembra riempire l’universo ed allargare la sua espansione in modo sempre più veloce creando spazio tra le galassie. L’energia oscura è molto diversa dalla materia oscura. Non si aggrega insieme così come fanno le galassie nei gruppi o le stelle nelle galassie, ma sembra essere abbastanza uniforme. La stessa quantità di accelerazione si trova in ogni direzione: l’energia oscura è un termine costante. Sembra anche che l’energia oscura e la materia oscura siano stati in guerra l’una contro l’altra fin dall’inizio dei tempi. Gli scienziati ritengono che l’energia oscura è stata creata con la materia oscura al momento del Big Bang. È sempre esistita nell’universo, ma le forze gravitazionali della materia oscura la hanno tenuta sotto controllo, rallentando l’espansione dello spazio durante i primi 9 miliardi di anni. Tuttavia, questo è cambiato 5 miliardi di anni fa quando l’universo è cresciuto sufficientemente in modo che la materia oscura si è dispersa in tutto l’universo e l’energia oscura non è stata più enormemente influenzata dall’effetto gravitazionale della materia oscura. Come risultato, l’universo ha cominciato ad espandersi. L’energia oscura è stata probabilmente un termine insignificante quando l’universo era caldo e denso, all’inizio, ma a mano a mano che l’universo è diventato più freddo, meno denso e più grande, la gravità è diventata meno importante e l’energia oscura ha preso il sopravvento. Mentre l’universo si espandeva, l’energia oscura ha finalmente vinto la sua battaglia con la materia oscura e l’accelerazione è iniziata 5 miliardi anni fa.
Sorprendentemente, la teoria dell’energia oscura sembra corrispondere a ciò che Einstein aveva originariamente proposto e poi scartato: la costante cosmologica. Oppure come egli stesso l’aveva etichettata, il suo più grande errore. Avrebbe potuto essere sulla strada della più grande scoperta del 21° secolo (almeno fino a questo momento), 80 anni prima che nessuno avesse la più pallida idea della sua esistenza.
Ora si scopre che l’energia oscura, il concetto che egli gettò via, è in realtà la forza dominante che sta distruggendo l’universo. Il cosiddetto errore di Einstein determinerà in che modo l’universo avrà una fine. Nel tentativo di capire il comportamento dell’universo Einstein aveva erroneamente previsto l’energia oscura, il componente quasi totale dell’universo. Il suo errore, in un certo senso, sembra essere una delle grandi scoperte dell’umanità.
Ed ora? Che cosa succederà? L’energia oscura dominerà l’universo facendolo espandere per sempre? Gli scienziati sono ancora agli inizi della comprensione degli effetti che l’energia oscura avrà sull’universo ma sembra proprio che la risposta sia “sì”. Dato che l’energia oscura domina completamente la materia oscura, l’universo entrerà in una fase di espansione esponenziale. Per ogni data unità di tempo raddoppierà di volume. E a meno che l’energia oscura non cambierà di segno e diventerà gravitazionalmente attraente, il destino dell’universo è quello di espandersi per sempre.
Con la scoperta della materia oscura e dell’energia oscura la scienza è un passo più vicina a definire la ‘teoria di tutto’. Ma per ora, l’energia oscura e la materia oscura continuano ad essere i più grandi misteri cosmologici del 21° secolo.
Fonti:
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‘Dark Matter and Dark Energy’ - History Channel- Documentario
2000 Equinox: Einstein’s Biggest Blunder – Documentario
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