Specola Vaticana: osservare lo spazio da prospettive diverse

La scelta del linguaggio matematico migliore è fondamentale per analizzare le coordinate spazio-temporali

Il cosmologo Padre Gabriele Gionti e l’astrofisico don Matteo Galaverni della Specola Vaticana, l’istituto astronomico della Santa Sede, hanno elaborato due punti di vista diversi per descrivere la forza di gravità, quando entra in gioco un “campo scalare”, un campo fisico che riempie l’universo e le cui particelle di base (bosoni mediatori) non subiscono alterazioni sotto l’effetto delle rotazioni (si dice che sono a “spin zero”). Questi due punti di vista, chiamati “frame di Jordan” e “frame di Einstein”, sono in grado di generare la stessa fisica ma, allo stesso tempo, possono creare nuove soluzioni delle equazioni di Einstein, che descrivono l’universo a larga scala, generando scenari dissimili o universi con particolarità sconosciute. Per comprendere tutto ciò Gionti e Galaverni hanno fatto ricorso ad un particolare metodo matematico noto come “formalismo ADM-hamiltoniano”, che analizza in modo preciso il comportamento dello spazio e del tempo, tenendo presente le equazioni che descrivono come evolve l’universo. Hanno parlato anche di “termini bordo”, vale a dire di quei dettagli spesso trascurati che attengono ai confini delle regioni di spazio-tempo oggetto di analisi, necessari per determinare le equazioni dinamiche. I termini di bordo devono essere studiati bene, per poter ottenere le formule di moto esatte. Prima i risultati non erano ottimali e le equazioni prodotte erano parziali o errate, perché venivano ignorati questi termini di bordo. Studiando con molta attenzione questi “margini”, i due studiosi sono pervenuti alle formule corrette per ambo i punti di vista. È stato interessante constatare cosa accade quando si passa da Jordan ad Einstein con una trasformazione matematica. Se la trasformazione è regolare, allora le due descrizioni si equivalgono (ogni soluzione nel frame di Jordan corrisponde ad una nel frame di Einstein); se incorrono invece delle “trasformazioni singolari” impreviste, che comportano la rottura del legame tra i due frame, si generano  scenari innovativi e si fanno avanti nuove soluzioni gravitazionali, come buchi neri inattesi o “singolarità nude”, quindi luoghi spaziali che, nella normalità, non sarebbero visualizzabili. In sintesi, quando si cambia punto di vista si producono universi alternativi. Questo studio è utile ai fini della comprensione del funzionamento dei buchi neri o delle condizioni dello spazio primordiale. Concorre al perseguimento di un obiettivo prioritario per la fisica di oggi: unificare la gravità, che si occupa dell’attrazione esercitata dalla terra sulle cose vicine, con la meccanica quantistica, che studia il comportamento della materia e dell’energia a livello atomico e subatomico. La scelta del linguaggio matematico è fondamentale per indagare coerentemente la realtà cosmica. La ricerca è stata pubblicata sull’European Journal of Physics C.