Materia oscura: uno sguardo a un livello più profondo della realtà?

Materia oscura: uno sguardo a un livello più profondo della realtà?

I fisici teorici che cercano una teoria di unificazione della fisica si trovano di fronte un
ostacolo apparentemente insuperabile: le due teorie che vorrebbero unificare, teoria quantistica
dei campi e relatività, sono incompatibili tra loro. Nuove teorie cercano di superare l’impasse
considerando lo spazio-tempo come il livello più superficiale di nuovi gradi di libertà
dell’universo. La materia oscura sarebbe quindi il segno di un’altra fisica, uno “sguardo nelle
profondità” di una concezione del reale completamente nuova e diversa.

di George Musser

Due anni fa, con alcuni colleghi di SciAm discutemmo a lungo via mail su che cosa fare di un nuovo
articolo del teorico delle stringhe Erik Verlinde. Non credo di essere mai stato così spiazzato nel
leggere le reazioni a un lavoro da parte della comunità dei fisici. Dal punto di vista matematico,
non avrebbe potuto essere più semplice: per gran parte del testo, la trattazione non andava oltre
un’algebra da scuola superiore. Dal punto di vista logico e fisico, invece, c’era da rompersi la
testa.

I fisici teorici che consultammo dissero che non riuscivano a seguirlo, una risposta che ci sembrò
un modo gentile per dire che il loro collega era andato fuori di testa. Alcuni blogger furono più
espliciti e gli diedero apertamente dello svitato. Ma chi lo conosce sa che non merita
l’appellativo: Verlinde è un brillante fisico teorico, e la quantità di discussioni provocate dal
suo articolo fa pensare che la maggior parte dei suoi colleghi vi abbia trovato qualcosa di
stimolante. La vicenda catturò l’attenzione del “New Scientist” e del “New York Times” ma alla fine
a SciAm optammo per una pausa di riflessione.

Questa primavera ho incontrato Verlindea un seminario del Kavli Institute for Theoretical Physics.
Insisteva con le tesi del suo articolo, rincarando la dose, e la reazione dei colleghi non era
cambiata. Uno di loro mi ha detto: “Ha messo insieme molte idee in modo interessante, ma per noi è
un po’ duro decifrarle, per cui sospendo il giudizio”. Ma quello che ha fatto realmente Verlinde è
stato interpretare un sentimento diffuso tra i teorici delle stringhe, e svilupparlo fino alle sue
logiche conclusioni.

Chiunque aspiri all’unificazione della fisica si trova di fronte a un problema di fondo. Le teorie
che cerca di unificare – la teoria quantistica dei campi e la teoria della relatività generale di
Einstein – poggiano su solide basi e ottime verifiche sperimentali, ma sono incompatibili tra loro.
Riconciliarle richiederà l’abbandono di alcune intuizioni profondamente radicate, la prima delle
quali è che il mondo esiste nello spazio-tempo. I partecipanti al seminario del Kavli erano inclini
a pensare che spazio e tempo non siano enti fondamentali ma “emergenti”: l’universo che vediamo
esistere nello spazio e nel tempo potrebbe essere soltanto il livello di superficie, sul quale
galleggiamo come barchette, mentre i i leviatani si agitano nelle profondità.

L’argomentazione più forte a sostegno di questa visione sono i buchi neri. Le leggi della gravità
prevedono che questi aspirapolveri cosmici obbediscano a versioni delle leggi della termodinamica,
il che è strano, dato che la termodinamica è il ramo della fisica che descrive sistemi compositi,
come i gas costituiti da molecole. Un buco nero non ha affatto l’aria di un sistema composito, ma
piuttosto di una regione deformata di spazio da cui sarebbe bene stare alla larga. Perché un buco
nero sia composito, dovrebbe esserlo anche lo spazio stesso.

Se è così, i buchi neri rappresentano una nuova fase della materia. Al di fuori del buco, i gradi di
libertà dell’universo – tutto ciò di cui sono capaci i suoi mattoni più elementari – sono nello
stato energetico più basso, formando ciò che potremmo immaginare come un cristallo con una
disposizione fissa e regolare che noi percepiamo come il continuum spazio-temporale. Ma all’interno
del buco, le condizioni diventano così estreme che il continuum si frantuma.

Nel modello di Verlinde, tutta la materia, sia ordinaria sia oscura, consiste di vibrazioni dei
gradi di libertà dell’universo sottostanti e perciò viene creata e distrutta in continuazione
“E’ possibile fondere lo spazio-tempo: in effetti, è qui che lo spazio-tempo finisce”, mi ha detto
Verlinde. “Per capire che cosa succede, bisogna usare questi gradi di libertà sottostanti”. E questi
gradi di libertà non possono essere pensati come se esistessero in un luogo o in un altro.
Trascendono lo spazio. La loro vera sede è un regno gigantesco e astratto di possibilità: in gergo
tecnico, uno “spazio delle fasi” commisurato al loro repertorio inconcepibilmente ricco di
comportamenti.

L’articolo di Verlinde del 2010 applicava questa linea di ragionamento alle stesse leggi della
gravità. Invece di essere una forma fondamentale della natura, come tutti i fisici hanno pensato a
partire da Newton, la gravità potrebbe essere una “forza entropica”, un prodotto di una sorta di
dinamica a scala più fine, un po’ come la pressione di un gas emerge moto collettivo delle molecole.
Al Kavli, Verlinde è andato oltre, sostenendo che la nozione di uno spazio-tempo emergente trasforma
la nostra intera concezione dell’universo. “Se si accetta che lo spazio delle fasi sia più ampio –
ma molto più ampio – di quanto riteniamo di solito, si pensa alla cosmologia in modo differente”, ha
affermato.

Tanto per cominciare, la materia oscura potrebbe essere uno “sguardo nelle profondità”. Per spiegare
l’anomala dinamica interna delle galassie e dei sistemi più vasti, gli astronomi pensano che il
nostro universo debba essere riempito da una forma invisibile di materia, che supera in abbondanza
la materia ordinaria di un fattore cinque. Tuttavia, questa materia non è mai stata rivelata
direttamente, e per essere una cosa tanto predominante, la materia oscura ha un effetto
sorprendentemente sottile. I moti anomali si manifestano solo alla periferia delle galassie, dove
stelle e nubi di gas si muovono più velocemente di quanto dovrebbero. Però non fanno nulla di
davvero stravagante: è come se il campo gravitazionale della galassia visibile fosse semplicemente
amplificato.

Di conseguenza, alcuni astronomi e fisici sospettano che la materia oscura potrebbe non esistere
affatto. Se vedete che le assi del pavimento di casa sono imbarcate come se sopportassero un peso
eccessivo, potreste dedurne che nella stanza c’è un gorilla da 200 chili. Non lo vedete, quindi
dev’essere un gorilla invisibile. Non lo sentite, quindi dev’essere un gorilla silenzioso. Non ne
annusate l’odore, quindi deve essere un gorilla che non odora. Dopo un po’, il gorilla appare così
improbabile che iniziate a pensare che possa esserci un’altra spiegazione delle assi deformate: per
esempio, che la casa si stia assestando. Allo stesso modo, forse le leggi della gravità e quelle del
moto che hanno spinto a dedurre l’esistenza della materia oscura sono sbagliate. “Personalmente,
ritengo che la materia oscura sia il segno di un altro tipo di fisica”, dichiara Verlinde.

Forse le leggi della gravità e quelle del moto che hanno spinto a dedurre l’esistenza della materia
oscura sono sbagliate

La principale alternativa alla materia oscura è nota come MOND, Modified Newtonian Dynamics.
Verlinde ha reinterpretato la MOND non solo come una revisione delle leggi della fisica, ma come la
prova dell’esistenza di un vasto substrato. Ha derivato la formula della MOND assumendo che la
materia oscura non sia un nuovo tipo di particella ma la manifestazione delle vibrazioni di alcuni
gradi di libertà sottostanti, e precisamente, le vibrazioni prodotte da fluttuazioni termiche
casuali. Tali fluttuazioni sono attenuate e diventano intense sono dove l’energia termica media è
bassa, come alla periferia delle galassie. Soprendentemente, Verlinde è riuscito a ottenere il
rapporto cinque a uno della massa della materia oscura rispetto a quella ordinaria. “Sono partito
considerandola come una manifestazione di questo grande spazio delle fasi”, ha aggiunto.

La MOND è una teoria estremamente incerta, come ha spiegato più volte il cosmologo Sean Carroll, e
sarei propenso a essere d’accordo se non fosse per una cosa. La MOND riesce a rendere conto di
un’ampia gamma di moti galattici anomali con una sola semplice formula. Anche se non sovverte le
leggi della fisica, la MOND ha mostrato che la materia oscura si comporta in modo semplice. Tutte le
complicate dinamiche della materia oscura devono sistemarsi in qualche modo in uno schema molto
regolare. I ricercatori che lavorano ai modelli della materia oscura mi dicono che devono ancora
trovare una spiegazione di questo.

Verlinde va controcorrente non solo sulla materia oscura, ma anche su gran parte della restante
cosmologia. Per esempio, ha reintrodotto elementi della teoria dello stato stazionario che la
maggior parte dei cosmologi pensava di aver escluso negli anni sessanta. Nel suo modello, tutta la
materia, sia ordinaria sia oscura, consiste di vibrazioni dei gradi di libertà sottostanti e perciò
viene creata e distrutta in continuazione. In effetti, gli stessi gradi di libertà spiegano anche la
materia oscura, unificando così tutte le componenti dell’universo.

Ciò che differenzia queste componenti è la rapidità con cui rispondono: la materia ordinaria è
l’onda in superficie, la materia oscura l’insieme delle lente ma poderose correnti in profondità e
l’energia oscura è la quieta immensità del mare. Quanto a un’altra teoria cosmologica importante,
quella dell’universo inflazionario, Verlinde non ha una grande opinione neppure di questa.

Quanto più diventano grandiose le affermazioni di Verlinde, tanto meno sembrano plausibili. Eppure,
Verlinde ha colto la sensazione dei fisici teorici che i misteri cosmologici siano il segnale di una
nuova era per la fisica. L’impulso a spiegare materia oscura ed energia oscura come le firme di una
realtà più profonda anziché un’aggiunta alle teorie attuali, non emerge solo nella teoria delle
stringhe ma anche in teorie alternative quali la gravità quantistica a loop e la teoria degli
insiemi casuali. E se Verlinde ha torto e lo spazio-tempo è una caratteristica di base del nostro
mondo, quale altra intuizione dev’essere abbandonata? Quali altre cose di cui ci sentivamo certi
sono sbagliate?

La versione originale di questo articolo è apparsa su scientificamerican.com l’11 giugno 2012-06-16

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