Nota del redattore (10/9/19): Il cosmologo James Peebles ha vinto un premio Nobel 2019 per la fisica per i suoi contributi alle teorie su come il nostro universo è iniziato e si è evoluto. Descrive le ultime idee in cosmologia in questo articolo che ha scritto per Scientific American nel 2001.
Questo è un momento emozionante per i cosmologi: i risultati si stanno riversando, le idee stanno ribollendo e la ricerca per testare quelle idee sta bollendo via. Ma è anche un momento di confusione., Tutte le idee in discussione non possono essere giuste; non sono nemmeno coerenti tra loro. Come si può giudicare il progresso? Ecco come vado su di esso.
Per tutto il parlare di teorie rovesciate, i cosmologi hanno fermamente stabilito le basi del nostro campo. Negli ultimi 70 anni abbiamo raccolto abbondanti prove che il nostro universo si sta espandendo e raffreddando. In primo luogo, la luce proveniente da galassie lontane viene spostata verso il rosso, come dovrebbe essere se lo spazio si espande e le galassie vengono allontanate l’una dall’altra., In secondo luogo, un mare di radiazioni termiche riempie lo spazio, come dovrebbe se lo spazio fosse più denso e più caldo. Terzo, l’universo contiene grandi quantità di deuterio ed elio, come dovrebbe se le temperature fossero una volta molto più alte. In quarto luogo, le galassie miliardi di anni fa sembrano decisamente più giovani, come dovrebbero se sono più vicine al momento in cui non esistevano galassie. Infine, la curvatura dello spaziotempo sembra essere correlata al contenuto materiale dell’universo, come dovrebbe essere se l’universo si sta espandendo secondo le previsioni della teoria della gravità di Einstein, la teoria generale della relatività.,
Che l’universo si stia espandendo e raffreddandosi è l’essenza della teoria del big bang. Noterai che non ho detto nulla su una “esplosione” – la teoria del big bang descrive come il nostro universo si sta evolvendo, non come è iniziato.
Paragono il processo di stabilire tali risultati convincenti, in cosmologia o in qualsiasi altra scienza, all’assemblaggio di un framework. Cerchiamo di rafforzare ogni elemento di prova con l’aggiunta di rinforzo croce da diverse misure., La nostra struttura per l’espansione dell’universo è rinforzata abbastanza saldamente da essere solida. La teoria del big bang non è più seriamente messa in discussione; si adatta troppo bene. Anche l’alternativa più radicale—l’ultima incarnazione della teoria dello stato stazionario—non contesta che l’universo si stia espandendo e raffreddando. Si sentono ancora differenze di opinione in cosmologia, per essere sicuri, ma riguardano aggiunte alla parte solida.
Ad esempio, non sappiamo cosa stesse facendo l’universo prima che si espandesse., Una teoria guida, l’inflazione, è un’aggiunta interessante al quadro, ma manca di rinforzo trasversale. Questo è esattamente ciò che i cosmologi stanno ora cercando. Se le misurazioni in corso concordano con le firme uniche dell’inflazione, le conteggeremo come argomento persuasivo per questa teoria. Ma fino a quel momento, non vorrei risolvere eventuali scommesse sul fatto che l’inflazione è realmente accaduto. Non sto criticando la teoria; intendo semplicemente che questo è un lavoro coraggioso e pionieristico ancora da testare.,
Più solida è la prova che la maggior parte della massa dell’universo è costituita da materia oscura raggruppata attorno alle parti esterne delle galassie. Abbiamo anche un caso ragionevole per la famigerata costante cosmologica di Einstein o qualcosa di simile; sarebbe l’agente dell’accelerazione che l’universo sembra ora subire. Un decennio fa i cosmologi generalmente accolsero la materia oscura come un modo elegante per spiegare i moti delle stelle e dei gas all’interno delle galassie. La maggior parte dei ricercatori, tuttavia, aveva un vero disgusto per la costante cosmologica., Ora la maggioranza lo accetta, o il suo concetto alleato, quintessenza. I fisici delle particelle sono venuti ad accogliere la sfida che la costante cosmologica pone per la teoria quantistica. Questo cambiamento di opinione non è un riflesso di qualche debolezza intrinseca; piuttosto mostra il soggetto in un sano stato di caos attorno a un quadro fisso che cresce lentamente. Siamo studenti della natura e regoliamo i nostri concetti mentre le lezioni continuano.,
Le lezioni, in questo caso, includono i segni che l’espansione cosmica sta accelerando: la luminosità delle supernove vicine e lontane; le età delle stelle più antiche; la flessione della luce attorno a masse lontane; e le fluttuazioni della temperatura della radiazione termica attraverso il cielo. Le prove sono impressionanti, ma sono ancora a disagio per i dettagli del caso per la costante cosmologica, comprese le possibili contraddizioni con l’evoluzione delle galassie e la loro distribuzione spaziale. La teoria dell’universo in accelerazione è un work in progress., Ammiro l’architettura, ma non vorrei ancora trasferirmi.
Come potrebbe un giudice riferire nei media sui progressi della cosmologia? Mi sento a disagio per gli articoli basati su un’intervista con una sola persona. La ricerca è un business complesso e disordinato. Anche lo scienziato più esperto trova difficile mantenere tutto in prospettiva. Come faccio a sapere che questo individuo ha gestito bene? Anche un’intera comunità di scienziati può andare nella direzione sbagliata, ma succede meno spesso., Ecco perché mi sento meglio quando vedo che il giornalista ha consultato una sezione trasversale della comunità e ha trovato un accordo sul fatto che un certo risultato merita di essere preso in considerazione. Il risultato diventa più interessante quando altri lo riproducono. Inizia a diventare convincente quando linee di prova indipendenti indicano la stessa conclusione. A mio avviso, i migliori resoconti dei media sulla scienza descrivono non solo le ultime scoperte e idee, ma anche l’essenziale, se a volte noioso, processo di test e installazione del rinforzo trasversale.,
Nel tempo, l’inflazione, la quintessenza e altri concetti ora in discussione saranno solidamente integrati nel quadro centrale o saranno abbandonati e sostituiti da qualcosa di meglio. In un certo senso, stiamo lavorando noi stessi senza un lavoro. Ma l’universo è un posto complicato, per usare un eufemismo, ed è sciocco pensare che saremo a corto di linee produttive di ricerca in qualunque momento presto. La confusione è un segno che stiamo facendo qualcosa di giusto: è la commozione fertile di un cantiere.
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