Domande sulla cosmologia

La materia "ordinaria" (stelle, pianeti, gas e noi) costituisce solo una piccolissima parte del cosmo. La composizione dell'universo si divide principalmente in:

I modelli attuali indicano che, a causa della predominanza dell'energia oscura, l'universo continuerà ad espandersi per sempre in modo accelerato. Questo scenario porterà, tra molti miliardi di anni, al cosiddetto Big Freeze (o "morte termica"), in cui le stelle si spegneranno e il cosmo diventerà freddo e buio.

È una tipologia ipotetica di buco nero che potrebbe essersi formata non dalla morte di una stella, ma nei primissimi istanti dopo il Big Bang, a causa di fluttuazioni di densità estreme nello spazio primordiale. Alcuni scienziati ipotizzano che possano spiegare una parte della materia oscura.

La costante cosmologica è stata teorizzata per la prima volta da Einstein e descrive la densità dell’energia nell’universo. Il problema è che dalle osservazioni astronomiche sembra che la costante sia parecchio più piccola di quanto predetto dai fisici.

Nel 1998, i cosmologi sono rimasti di sasso nello scoprire che l’espansione dell’universo era in accelerazione. Questa osservazione sconvolgente è stata legata alla “energia oscura,” una forza misteriosa che sembra costituire due terzi dell’universo, ma a cui deve ancora essere data una spiegazione convincente.

Einstein capì che la gravità, come qualsiasi cosa in natura, dovrebbe poter essere descritta secondo i termini della meccanica quantistica. Eppure, qualsiasi tentativo di far quadrare le due fallisce non appena la gravità si fa estremamente potente, come in prossimità di un buco nero.

A dispetto del lavoro immenso di Stephen Hawking sulla radiazione dei buchi neri, Allen e Lindstrom sottolineano come “un mistero fondamentale dato dal motivo per cui l’entropia dovrebbe essere proporzionale all’area anziché al volume, come succede per altri sistemi fisici” quando si parla di buchi neri.

Si ritiene che le informazioni siano codificate sulla superficie dell’orizzonte degli eventi e rispedite indietro come radiazione. Eppure, tutti i buchi neri di una massa particolare emettono radiazioni nello stesso identico modo, a prescindere dalle informazioni sull’orizzonte degli eventi. Questo, suggerisce che i buchi neri distruggano informazioni, cosa che viola le leggi della termodinamica.

Alcuni ritengono che l’universo si sia espanso in modo esponenziale nei primi secondi di esistenza.

Sulla base del Modello Standard della fisica particellare, la materia e l’antimateria avrebbero dovuto annichilirsi completamente nell’universo primordiale, lasciando solo fotoni in giro. Invece, c’è una relativa abbondanza di materia e una mancanza di antimateria. Che è successo?

Le osservazioni di alcune galassie lasciano supporre che circa un quarto dell’universo sia fatto di materia oscura, ma per ora i fisici non sono riusciti a rilevare una particella che possa comprovare gli effetti osservati. Si rivelerà essere un assione, una WIMP o qualcos’altro ancora?

Nel Modello Standard, ci sono quattro particelle elementari — il quark up (o su) il quark down (o giù), l’elettrone e il neutrino. Eppure esistono seconde e terze ‘generazioni’ (leggi: copie) di ognuna di queste particelle come il quark charm, il quark strange, i muoni. Perché??

Da dove ottengono la propria massa le quattro particelle elementari elencate poco fa? Si ritiene che le masse siano relative alla forza delle loro interazioni con i campi associati (per esempio, quello di Higgs), ma le anomalie rendono questa semplice spiegazione inadeguata.

Il Modello Standard non può spiegare perché la forza nucleare debole sia tanto più forte (10,000,000,000,000,000,000,000,000 volte) della gravità.

Le tre forze non gravitazionali (forte, debole ed elettromagnetica) si combinano come elementi di una singola teoria unificata della forza. Come sia possibile è ancora un mistero.

Le simmetrie sono proprietà di un sistema che rimangono immutate quando quello stesso sistema subisce una trasformazione. La Coniugazione di carica, parità e tempo (CPT) è una simmetria che non è mai stata violata, per quanto ogni elemento ha un suo valore. È possibile violare la CPT?

Alcuni aspetti del bosone di Higgs suggeriscono che l’universo sia solo “stabile marginalmente,” o che si trovi in una fase di transizione verso uno stato più stabile che risulterebbe in un universo con proprietà fondamentali diverse. La domanda è ancora aperta.

In genere, si presuppone che i quark siano circoscritti al volume del proprio protone e che richiedano quantità relativamente abbondanti di energia per essere rimossi da questo spazio. Ci sono sempre più indizi che i quark debbano restare sempre confinati, ma non ci sono prove rigorose ancora.

Gli acceleratori di particelle come il LHC hanno portato alla scoperta di un sacco di nuove particelle. Continueranno così? È una domanda seria per i fisici che lavorano in posti come il CERN.

Può darsi che ci siano tipi di stelle che ancora non abbiamo scoperto, come le stelle massicce Population 3 formatesi all’inizio dell’universo e fatte di solo idrogeno ed elio, o le “stelle oscure” alimentate tramite annichilimento di materia oscura anziché fusione.

I ricercatori hanno scoperto un’abbondanza di nuove fasi della materia negli ultimi anni, come i quasicristalli e i cristalli di tempo. Cos’altro c’è là fuori, che aspetta solo di essere scoperto?

È possibile che esista un numero infinito di universi, ognuno dotato di leggi proprie? Possibile che il nostro universo sia casualmente perfetto per l’emergere della vita intelligente, un’idea nota come principio antropico? E, ancora più importante, come facciamo a provare qualsiasi di queste ipotesi con la scienza?

Che ‘forma’ ha l’universo? Se l’universo è strutturato in modo tale che singolarità nude, wormhole e/o loop temporali chiusi sono possibili, allora viaggiare indietro nel tempo dovrebbe essere possibile.

Se l’universo ha avuto un’origine, è iniziato davvero tutto con un bang? Guardare al passato ci aiuterà magari a capire il nostro futuro e se stiamo andando verso un ‘big rip’ in cui tutta la materia sarà alla fine ridotta a brandelli.

Le teorie unificate come la supersimmetria e la teoria delle stringhe tendono a dare per scontata la teoria generale della relatività anziché spiegarla. Ma si può derivare la teoria della gravità formulata da Einstein dall’energia del vuoto o dai campi della teoria delle stringhe? In caso negativo, da dove arriva la gravità?