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Ci fu un tempo in cui la luce correva più veloce?


In un articolo apparso su Physical Review D, due ricercatori, sostenitori di una teoria controversa sulla non costanza della velocità della luce, presentano un modello le cui predizioni sul valore dell’indice spettrale, legato alle fluttuazioni cosmiche primordiali da cui sarebbero emerse le strutture cosmiche, potrebbero ora essere verificate sperimentalmente.


Alcuni ricercatori sostengono che il valore della velocità della luce sarebbe stato molto più elevato durante le primissime fasi della storia cosmica. Uno studio guidato da João Magueijo dell’Imperial College di Londra, in collaborazione col collega Niayesh Afshordi del Perimeter Institute in Canada, presenta ora una possibile predizione sulla veridicità di questa ipotesi che potrebbe essere verificata sperimentalmente. Lo studio è stato pubblicato questo mese su Physical Review D.

Nella teoria della relatività speciale, Einstein aveva introdotto il postulato sulla costanza della velocità della luce, implicando che lo spazio e il tempo possono modificarsi nell’ambito di situazioni differenti. Il fatto che la velocità della luce sia una costante della natura sta alla base di diverse teorie fisiche, come la relatività generale. In particolare, essa gioca un ruolo importante nei modelli che tentano di descrivere gli istanti iniziali della storia dell’Universo. Infatti, secondo la cosmologia standard, le strutture cosmiche, come le galassie, si sarebbero formate dalle primissime fluttuazioni primordiali, cioè da quelle minuscole variazioni della densità di materia presenti nelle diverse regioni dello spazio, che dominavano l’Universo subito dopo il Big Bang. Le tracce di queste fluttuazioni primordiali sarebbero oggi impresse nella radiazione cosmica di fondo e i cosmologi le descrivono mediante un parametro noto come “indice spettrale”.

Partendo dall’ipotesi che queste fluttuazioni primordiali siano state influenzate dalla varianza della velocità della luce, Magueijo e Afshordi hanno utilizzato un modello per produrre un valore più accurato dell’indice spettrale. I cosmologi stanno ora cercando di capire se è possibile verificare sperimentalmente alcune predizioni che avvalorino o meno il loro modello. Il valore dell’indice spettrale ottenuto dagli autori viene mostrato fino alla quinta cifra dopo la virgola: stiamo parlando di 0,96478, molto vicino a quello derivato dalle osservazioni della radiazione cosmica di fondo il cui valore, entro i margini d’errore, risulta 0,969 (vedi, per esempio, “Planck 2015 results. XX. Constraints on inflation“, p. 20). «La teoria, proposta inizialmente verso la fine degli anni ’90, ha raggiunto oggi una certa maturità perché permette di fare delle predizioni che possono essere verificate sperimentalmente», spiega Magueijo. «Se le osservazioni di prossima generazione saranno in grado di derivare questo parametro in maniera più accurata, allora si potrebbe introdurre qualche modifica nella teoria di Einstein. Quando venne proposta inizialmente, l’idea sulla non costanza della velocità della luce era alquanto radicale. Tuttavia, se ora abbiamo una predizione numerica, allora i fisici hanno in mano qualcosa che possono finalmente testare. In altre parole, se ciò risulterà vero, dovremo ammettere che anche le leggi della natura non dovevano essere esattamente le stesse così come sono oggi».

Esiste, però, un’altra teoria rivale: stiamo parlando dell’inflazione cosmica. Secondo questa teoria, l’Universo subì, subito dopo il Big Bang, una fase di rapida espansione esponenziale con un ritmo ancora più elevato rispetto all’attuale espansione cosmica. Perché sarebbe necessaria l’inflazione? Essa permette di superare il cosiddetto problema dell’orizzonte. L’Universo che osserviamo oggi appare mediamente uguale in tutte le direzioni e mostra una distribuzione di densità della materia relativamente omogenea. Ciò potrebbe essere vero solo se tutte le regioni dell’Universo furono in grado, in qualche modo, di influenzarsi a vicenda. Ma se assumiamo che il valore della velocità della luce sia rimasto sempre costante, allora non deve essere trascorso abbastanza tempo per far sì che la luce si sia propagata fino a raggiungere l’altra estremità dell’Universo. Ad esempio, per riscaldare una stanza in maniera omogenea, l’aria calda emessa dai radiatori deve propagarsi in tutta la stanza e rimescolarsi completamente. Nel caso dell’Universo, il problema è che la parte dello spazio osservabile, che assume il ruolo della “stanza”, appare molto più grande per permettere che ciò sia accaduto in un intervallo di tempo dal momento in cui si è formato.

L’idea che sostiene la non costanza della velocità della luce suggerisce che i fotoni dovevano propagarsi molto più velocemente nell’Universo primordiale, un valore pari ad almeno 60 ordini di grandezza superiore, permettendo così alle parti più distanti dello spazio di connettersi man mano che l’Universo si espandeva. Il valore della velocità della luce si sarebbe, quindi, “ridotto” in un modo prevedibile mentre cambiava la densità della materia. Ed è proprio su questo punto che si è basato il lavoro dei due autori. L’inflazione tenta di risolvere questo problema assumendo invece che l’Universo primordiale divenne omogeneo mentre era ancora incredibilmente piccolo, per poi espandersi immediatamente dopo mostrando la sua attuale uniformità spaziale. «Anche se il meccanismo inflazionario implica da un lato che la velocità della luce e le leggi della fisica, così come noi le conosciamo, rimangono preservate, dall’altro si richiede l’introduzione di un campo scalare, cioè un insieme di condizioni iniziali che dovevano esistere solamente durante le primissime fasi iniziali della storia cosmica», conclude Magueijo.


Leggi  il preprint: su arXiv:

 https://arxiv.org/pdf/1603.03312v2.pdf

Fonte

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