Materia oscura: un livello più profondo della realtà e una concezione del reale completamente nuova e diversa

Erik Verlinde è un fisico olandese che si occupa di fisica teorica e teoria delle stringhe. Nel 2010, Verlinde pubblicò un articolo che suscitò molto scalpore nella comunità scientifica internazionale "On the Origin of Gravity and the Laws of Newton", che può essere tradotto in "L'origine della gravità e delle leggi di Newton". In pratica, nel suo articolo lo scienziato olandese afferma che la gravità è un'illusione e che le leggi di Newton sono sbagliate. Un'affermazione davvero sorprendente se si considera che la teoria della gravità è una delle più importanti leggi della fisica.
In effetti le teorie di Verlinde stanno scatenando interessanti discussioni in quanto la sua visione sembra indagare in un nuovo ed interessante modo alcuni grandi temi della fisica contemporanea. Secondo il fisico matematico olandese, la gravità non sarebbe nient'altro che l'effetto visibile di una causa invisibile che agisce ad un livello della realtà ben più profondo del visibile. La teoria di Verlinde è chiara e netta: "La gravità non esiste. E' tutta un'illusione". 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. 

Per comprendere la posizione di Verlinde, bisogna immaginare 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 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”, spiega 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 unregno gigantesco e astratto di possibilità: in gergo tecnico, uno "spazio delle fasi" commisurato al loro repertorio inconcepibilmente ricco di comportamenti.
L’articolo di Verlinde applica 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", cioè un prodotto secondario di una sorta di dinamica a scala più fine, un pò come la pressione di un gas che emerge dal moto collettivo delle molecole.

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 pò, 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.

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.
Sembra che Verlinde abbia 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 edenergia 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. 

[Confronta con l'art. originale di George Musser su Scientific American].

Fonte