La termodinamica incontra la cosmologia: il parametro di Grüneisen e l’espansione dell’universo
Uno studio recente, pubblicato sulla rivista Results in Physics, ha esplorato l’espansione dell’universo attraverso l’applicazione del parametro di Grüneisen, un concetto fondamentale della termodinamica. Questa ricerca, condotta da scienziati dell’Università Statale di San Paolo (UNESP), ha evidenziato come il raffreddamento continuo dell’universo sia correlato alla sua espansione adiabatica e come la potenziale variabilità della costante cosmologica metta in discussione i modelli tradizionali.
La scoperta dell’espansione accelerata
La scoperta che l’universo si stia espandendo in modo accelerato, piuttosto che rallentato dalle forze gravitazionali, ha introdotto il concetto di energia oscura, che si ritiene rappresenti oltre il 68% dell’energia totale nell’universo attualmente osservabile. Questo elemento, insieme alla materia oscura e alla materia ordinaria, costituisce la composizione energetica dell’universo.
L’applicazione della termodinamica in cosmologia
Il professor Mariano de Souza dell’UNESP ha spiegato come i concetti fondamentali della termodinamica permettano di inferire che l’espansione adiabatica dell’universo sia sempre accompagnata da un raffreddamento, a causa dell’effetto barocalorico, che è quantificato dal rapporto di Grüneisen. Questo parametro combina tre proprietà fisiche: il coefficiente di espansione, il calore specifico e la comprimibilità isotermica.
Ricerche recenti utilizzando il parametro di Grüneisen
La ricerca ha utilizzato il parametro di Grüneisen per descrivere aspetti complessi dell’espansione dell’universo, proponendo che tale parametro sia dipendente dal tempo nell’era dominata dall’energia oscura. Inoltre, ha utilizzato concetti di fisica dello stato solido, come stress e deformazione, per descrivere l’espansione anisotropica dell’universo.
Termodinamica ed espansione anisotropica dell’universo
Gli autori hanno dimostrato che il raffreddamento continuo dell’universo è associato a un effetto barocalorico che correla pressione e temperatura e si verifica a causa dell’espansione adiabatica dell’universo. Hanno inoltre proposto che il parametro di Grüneisen sia variabile nel tempo nell’era dominata dall’energia oscura.
Energia oscura e implicazioni teoriche
Il passaggio da un regime di espansione decelerante a uno accelerante ricorda una transizione di fase termodinamica, poiché il parametro di Grüneisen effettivo cambia segno quando l’espansione passa da decelerante ad accelerante. Questo cambiamento di segno ricorda la tipica firma delle transizioni di fase nella fisica della materia condensata.
L’energia oscura è spesso associata alla costante cosmologica, introdotta originariamente da Einstein nel 1917. Tuttavia, altri modelli presuppongono che la densità dell’energia oscura, e quindi la costante cosmologica, vari nel tempo. Riconoscere il parametro di Grüneisen come dipendente dal tempo permette di inferire una dipendenza temporale anche per la costante cosmologica o la costante di gravitazione universale.
Questo studio potrebbe portare a importanti sviluppi in quanto offre una nuova interpretazione dell’espansione dell’universo in termini di termodinamica e fisica della materia condensata.
Il lavoro è stato supportato dalla FAPESP attraverso due progetti e ha visto la collaborazione di diversi ricercatori dell’UNESP e dell’Università di San Paolo.