INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
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Traduzione dell’articolo di Ali Sundermier apparso su Symmetry Magazine il 18/07/2017:
https://www.symmetrymagazine.org/article/shaking-the-dark-matter-paradigm
Una teoria della gravità sfida la nostra conoscenza dell’universo
Per millenni gli uomini hanno creduto in qualcosa di meraviglioso, ovvero che il nostro pianeta, la Terra, fosse al centro di un vasto universo e che tutti i pianeti, le stelle e i corpi celesti le ruotassero intorno. Questo modello geocentrico, sebbene circolasse già dal VI secolo a.C., trovò la sua formulazione più elegante nell’opera di Claudio Tolomeo nel 140 d.C.
Quando tale schema s’imbatteva in qualche problema, come il moto retrogrado dei pianeti, gli scienziati rielaboravano i dati affinché rispondessero al modello, escogitando soluzioni quali epicicli e mini orbite.
Fu solo nel 1543, millequattrocento anni più tardi, che Niccolò Copernico diede avvio a un cambiamento di paradigma che avrebbe aperto la strada a secoli di nuove scoperte. Secondo la radicale teoria di Copernico, la Terra non costituiva il centro dell’universo, ma semplicemente uno dei numerosi pianeti che orbitano intorno al Sole.
Tuttavia, nonostante si accumulassero sempre più prove del fatto che ci troviamo in un sistema eliocentrico e scienziati come Galileo Galilei perfezionassero tale modello, fino all’inizio del XIX secolo la società rimase aggrappata alla convinzione che l’intero universo ruotasse intorno alla Terra.
Secondo Erik Verlinde, fisico teorico dell’Università di Amsterdam, l’idea della materia oscura sarebbe una sorta di modello geocentrico del XXI secolo.
“Oggi le persone non fanno che ricorrere all’uso di parametri liberi per poter adattare i dati” sostiene Verlinde. “Alla fine ottieni una teoria con così tanti parametri liberi che è difficile confutarla”.
La materia oscura – una forma di materia non ancora rilevata e che secondo gli studiosi costituirebbe più di un quarto della massa e dell’energia dell’universo – fu teorizzata per la prima volta quando gli scienziati notarono che le stelle ai margini esterni delle galassie e gli ammassi di galassie si muovevano a una velocità superiore a quella prevista dalla teoria gravitazionale di Newton. Fino a questo momento, gli scienziati hanno assunto che la migliore spiegazione di questo fenomeno sia l’esistenza nell’universo di una massa mancante, nella forma di materia oscura, che mantiene le stelle molto veloci al loro posto.
Invece, Verlinde ha proposto una serie di equazioni che spiega queste curve di rotazione galattica considerando la gravità come una forza emergente, ossia il prodotto della struttura quantistica dello spazio.
L’idea è connessa all’energia oscura, la quale, a detta degli scienziati, sarebbe la causa dell’espansione accelerata del nostro universo. Verlinde crede che quella che definiamo materia oscura sia in realtà solo il risultato delle interazioni tra le galassie e il mare di energia oscura nel quale esse sono immerse.
Prima d’intraprendere questo studio non avevo mai dubitato della materia oscura”, racconta Verlinde. “Ma poi iniziai a ragionare sul collegamento con l’informazione quantistica e mi resi conto che l’energia oscura contribuisce alla dinamica della realtà molto più di quanto pensiamo”.
Verlinde non è il primo teorico a proporre un’alternativa alla materia oscura. Molti trovano che la sua teoria riecheggi l’opinione del fisico Mordehai Milgrom e le sue equazioni della “dinamica di Newton modificata”, anche nota come MOND. Così come Einstein modificò le leggi della gravità newtoniane sulla scala di dimensioni dei pianeti e dei sistemi solari, la MOND modifica le leggi di gravità di Einstein su quella delle galassie e degli ammassi galattici.
Verlinde, comunque, specifica che non sta ricavando le equazioni MOND, ma piuttosto ciò che egli chiama “relazione di scala” o un effetto di volume dello spazio-tempo che diviene importante solo sulle grandi distanze.
Stacy McGaugh, astrofisico della Case Western Reserve University, afferma che, mentre la MOND è una teoria fenomenologica secondo la quale la forza di gravità effettiva cambia con l’accelerazione, le idee di Verlinde sono un fondato lavoro teorico.
“Sta provando a osservare la struttura spazio-temporale e a vedere se quella che noi chiamiamo gravità è una proprietà che emerge dalla struttura quantistica, di qui la definizione gravità emergente” spiega McGaugh. “In linea di principio si tratta di un approccio totalmente nuovo, che non parte necessariamente dalla conoscenza della MOND e che non ha alcun legame con essa”.
Uno degli aspetti più affascinanti della teoria di Verlinde, dice McGaugh, è il fatto che riproduca in modo naturale la MOND, “così, senza volerlo”.
“È ciò che stiamo cercando” continua McGaugh. “Occorre una base per giustificare la MOND e questa teoria potrebbe fornirla”.
Le idee di Verlinde sono state accolte dalla comunità scientifica con una buona dose di scetticismo, in parte perché, secondo Kathryn Zurek – fisico teorico del Lawrence Berkeley National Laboratory del US Department of Energy – la sua teoria lascia molte cose inspiegate.
“Le teorie della gravità modificata cercano solo di riprodurre le curve di rotazione galattica [i pianeti molto veloci di cui sopra]”, afferma Zurek. “Come prova della materia oscura, queste costituiscono solo una piccolissima parte del puzzle. La materia oscura spiega tutta una serie di osservazioni, dal tempo della radiazione cosmica di fondo – quando l’universo non aveva che poche centinaia di migliaia di anni -, passando per la sua formazione strutturale, sino a oggi”.
Secondo Zurek, affinché gli scienziati inizino a dare maggior peso alle sue affermazioni, Verlinde ha bisogno di elaborare ulteriormente la sua teoria e di dimostrare che essa è in grado di interpretare una più ampia gamma di osservazioni. Tuttavia, aggiunge, ciò non significa che le sue idee debbano essere accantonate.
“Si dovrebbe sempre guardare con occhio critico al paradigma”, dice Zurek, “nonostante il paradigma della materia oscura fredda abbia riscosso un enorme successo, devi sempre verificare le tue assunzioni e assicurarti di non tralasciare qualcosa che potrebbe rivelarsi la punta dell’iceberg”.
McGaugh visse una crisi di fede nella materia oscura simile a quella di Verlinde mentre si occupava di un esperimento in cui le predizioni della MOND erano le uniche a essere verificate dai dati. Era alle prese con lo studio di galassie a bassa luminosità superficiale, dove le stelle sono disposte in maniera più rarefatta rispetto a galassie, quali la Via Lattea, in cui le stelle sono relativamente vicine.
McGaugh racconta che i suoi risultati erano privi di significato nell’ambito del modello standard della materia oscura e si scoprì che le proprietà che non tornavano erano già state previste mediante le equazioni MOND di Milgrom nel 1983, prima che si cominciasse anche solo a prendere sul serio l’idea delle galassie a bassa luminosità superficiale.
Sebbene questa esperienza lo portò a dubitare dell’esistenza della materia oscura e a sostenere la MOND, altri non sono stati altrettanto pronti a unirsi alla causa.
“Aderiamo a un determinato paradigma e la maggior parte dei nostri ragionamenti è costretta entro i suoi confini; di conseguenza, se incontriamo una situazione che richiede un cambio di paradigma, risulta estremamente difficile pensare fuori dagli schemi”, afferma McGaugh. “Anche se conosciamo le regole del gioco su quando cambiare idea e in linea teorica tutti proviamo a farlo, in pratica si tratta di cambiamenti di mentalità così radicali da contrastare con la nostra natura umana”.
Secondo McGaugh molti dei suoi colleghi credono ci siano talmente tante prove a favore della materia oscura che considerare una qualsiasi alternativa equivalga a una perdita di tempo. Tuttavia egli pensa che tutte queste prove potrebbero indicare piuttosto che c’è qualcosa di sbagliato nelle nostre teorie della gravità.
“Ho paura che ci stiamo dirigendo verso un altro migliaio di anni di oscuri epicicli”, dice McGaugh.
Ma secondo Zurek, se la MOND fornisse una prova anche solo paragonabile a quelle accumulate a sostegno del paradigma della materia oscura, tutti la seguirebbero. Il problema, spiega, è che al momento la MOND è molto lontana dal superare la quantità di test passati dalla materia oscura fredda. Aggiunge che secondo alcuni fisici il paradigma della materia oscura fredda riesce di fatto a spiegare le osservazioni relative alle galassie a bassa luminosità superficiale.
Recentemente, la Case Western University ha organizzato un workshop nel quale rappresentanti di diverse comunità, inclusi coloro che si occupano di modelli per la materia oscura, si sono riuniti per discutere di galassie nane ed effetto di campo esterno, ossia la teoria secondo la quale gli oggetti a densità molto bassa sono influenzati da ciò che li circonda. Secondo la MOND la dinamica di una piccola galassia satellite dipende dalla prossimità alla sua ospite gigante in un modo che non accade con la materia oscura.
McGaugh racconta che al workshop era presente un gruppo di persone più incline al pensiero filosofico che, per giudicare le teorie, ricorrono a una serie di regole elaborate osservando come le teorie si sono sviluppate in passato.
“Una delle cose più interessanti che ne sono emerse è che la MOND sta avendo la meglio sul cartoncino segnapunti”, dice. “Ha una migliore performance, nel senso che sta fornendo predizioni esatte per nuovi fenomeni mentre, nel caso della materia oscura, dobbiamo continuamente introdurre aggiustamenti ad hoc per sistemare le cose”.
Le idee di Verlinde, comunque, non sono state citate molto spesso nel corso del workshop. McGaugh dice che le due teorie sono connesse abbastanza strettamente, tanto che si augura gli stessi seguaci della MOND si dimostrino interessati alla teoria di Verlinde; aggiunge però che non tutti condividono il suo punto di vista. Molti restano in attesa di uno sviluppo a livello teorico e di ulteriori osservazioni sperimentali.
“La teoria deve fornire una predizione chiara cosicché possiamo ideare un programma per metterla alla prova”, spiega. “Occorre lavorarci ancora per andare oltre quanto finora acquisito”.
Verlinde dichiara d’aver capito di dover sviluppare ulteriormente le proprie idee e ampliarle per spiegare fenomeni quali la formazione delle galassie e gli ammassi galattici. Sebbene abbia lavorato a questa teoria praticamente da solo, riconosce l’importanza di costruire una comunità attorno alle sue idee.
Negli ultimi mesi ha tenuto presentazioni in diverse università, comprese Princeton, Harvard, Berkeley, Stanford e Caltech. Al momento esiste un consistente gruppo di persone che lavora sui concetti di informazione quantistica e gravità, dice, e il suo obiettivo principale è far sì che sempre più scienziati, in particolare teorici delle stringhe, comincino a ragionare sulle sue idee per aiutarlo a migliorarle.
“Penso che quando comprenderemo meglio la gravità e useremo quelle equazioni per descrivere l’evoluzione dell’universo, saremo forse in grado di rispondere con maggiore precisione alle domande sulla sua nascita”, dichiara Verlinde. “Credo davvero che l’attuale descrizione sia solo una parte della storia e che esista un modo di comprenderla molto più profondo – e forse persino più bello”.
Traduzione a cura di Camilla Paola Maglione, Ufficio Comunicazione INFN-LNF