La teoria delle teorie

Descrivere l’evoluzione dell’Universo riassumendo, in una teoria unitaria, un secolo di scoperte: è questa l’ambiziosa e importante operazione di sintesi compiuta dal carpigiano Massimiliano Rinaldi, assegnista di ricerca del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento. Appassionato di astronomia sin dalla più tenera età, a conquistarlo furono le lezioni di fisica del professor Alfonso Cornia. Dopo un dottorato di ricerca a Dublino e gli anni di ricerca presso l’Università di Ginevra – presso la quale ha frequentato gli ambienti del Cern – e quella di Namur in Belgio, è approdato a Trento. Iniziando a lavorare alla teoria circa tre anni fa, in maniera autonoma nei ritagli di tempo, è recentemente giunto a una formulazione più complessa, spiegando i risultati in un articolo apparso sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, ed è in procinto di presentarli al pubblico del 28th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics, in programma a Ginevra dal 13 al 18 dicembre. L’idea innovativa del lavoro di Massimiliano consiste nell’aver proposto una soluzione per implementare la relatività generale einsteiniana con le equazioni di Yang-Mils in ambito cosmologico, senza introdurre forme di materia ad hoc né modificare la relatività generale. “Nel mio modello – spiega lo scienziato – servono 11 equazioni per descrivere l’evoluzione nel tempo dell’universo a grande scala e della materia che contiene. Con degli avanzati metodi matematici ho dimostrato come questo modello riproduca fedelmente l’evoluzione del cosmo a partire dall’epoca successiva al Big Bang a oggi, in linea con i dati sperimentali ottenuti dalle osservazioni astronomiche. L’aspetto più attraente è il fatto che non sia necessario introdurre forme di materia apposite o modificare la relatività così come formulata da Einstein. Insomma, con questo lavoro ci si avvicina forse un po’ al sogno di una teoria unificata di tutte le forze”. Storia affascinante, quella dell’evoluzione dell’Universo: “sin dalla scoperta di Hubble nel 1929 – prosegue Rinaldi – sappiamo che l’universo è in espansione e che, in passato, era molto più piccolo, caldo e denso di quanto non sia oggi. Sino a qualche anno fa era dato per scontato che l’accelerazione fosse in realtà una decelerazione, perché l’intero contenuto di materia ed energia dell’universo agisce con una forza gravitazionale attrattiva frenante, secondo le leggi della relatività generale presentate un secolo fa da Einstein, nel novembre 1915. Nel 1998 due team indipendenti – premiati con il Nobel nel 2011 – scoprirono, studiando il rapporto tra luminosità e distanza di certe supernove che, in realtà, l’espansione dell’universo è accelerata. Questo significa che alle più grandi scale la gravità si comporta come se fosse repulsiva o come se l’universo fosse permeato da un’entità, chiamata energia oscura, che esercita una pressione negativa e che costituisce il 68% dell’intera energia presente”. A rendere le cose ancora più intriganti vi è il fatto che l’accelerazione è un fenomeno relativamente recente nella storia cosmica, essendo iniziata circa 5 miliardi di anni fa, mentre l’età dell’universo è stimata intorno ai 13.8 miliardi di anni. Dal punto di vista sperimentale, l’Agenzia Spaziale Europea sta mettendo a punto il satellite Euclid, il cui lancio è previsto nel 2020: tra gli altri avrà il compito di misurare con accuratezza l’evoluzione recente delle strutture a grande scala, come gli ammassi di galassie, permettendo una misura precisa e, si spera, decisiva, dell’energia oscura, la cui natura è oggetto di speculazione da quasi due decenni. Gli aspetti teorici di questa missione sono curati dall’Euclid Theory Science Working Group del quale Massimiliano è membro fondatore: “dall’esperienza quotidiana sappiamo che gli oggetti cadono verso il centro della terra per quella che chiamiamo comunemente forza di gravità. Questa forza è universale e attrattiva, come aveva già intuito Newton. I corpi materiali, dalla celebre mela che cade dall’albero sino alle galassie, interagiscono tra loro con una forza che diminuisce con il quadrato della distanza ma rimane sempre attrattiva. La scoperta del ’98 invece ci dice che, a grandissime distanze, i corpi smettono di attrarsi l’un l’altro ma è come se, al contrario, si respingessero, violando non solo la legge di Newton, ma anche le equazioni di Einstein, a meno di modificarle appositamente. L’esistenza della materia oscura è ormai universalmente accettata. Ne misuriamo la presenza solo in modo indiretto, ad esempio osservando il modo anomalo con cui ruotano le galassie. Questa forma di materia è detta oscura proprio perché sente solo la gravità. Non riflette, ad esempio, la luce, e le sue particelle interagiscono pochissimo con quelle della materia ordinaria (protoni, neutroni ed  elettroni). Sappiamo molto circa cosa la materia oscura non sia e pochissimo su cosa effettivamente sia. Io ipotizzo, insieme ad altri, che si tratti di uno o più tipi di particella elementare sconosciuta, ma solo gli esperimenti potranno dirci qualcosa in più”. Il percorso di Rinaldi è appena iniziato perché, come sempre in campo scientifico, ogni risposta genera nuovi interrogativi. “Ci sono ancora molti aspetti teorici rimasti da esplorare, ma non solo. Una qualsiasi teoria fisica dev’essere comprovata da esperimenti che, in campo cosmologico, si traducono in osservazioni. Quindi una parte del lavoro futuro consisterà nel ricavare previsioni sperimentali dalla teoria e confrontarle con le osservazioni, un’operazione complessa e per la quale coinvolgerò altri esperti”.
Marcello Marchesini