Tom's Hardware Italia
Spazio e Scienze

La controversa ipotesi sulla gravità supera il primo test

La controversa, nuova ipotesi sulla gravità formulata da Erik Verlinde trova una prima conferma nei test. Ma la Relatività Generale di Enstein continua ad essere preferibile. Ecco perché.

"L'ipotesi di Verlinde" è il nome con cui ci si riferisce alla proposta del fisico teorico dell'Università di Amsterdam, che sostituirebbe la teoria di Einstein per spiegare la gravità. L'idea si basa sul fatto che la gravità potrebbe comportarsi diversamente rispetto a quanto previsto dalla Relatività Generale e ora uno studio condotto su un gran numero di galassie potrebbe avallare l'ipotesi di Verlinde.

Tuttavia la suddetta ipotesi risulta essere fortemente criticata rispetto ad alcune grandi lacune che presenta e che cercheremo di illustrare per gradi, per cui al momento si continua a preferire la teoria della Relatività Generale che, classicamente e con le opportune accortezze, risulta sperimentalmente sempre verificata. La teoria di Verlinde, poi, non è che una di una pletora di teorie proposte in sostituzione o in estensione della Relatività Generale e citata come "toy model" sotto il nome di Gravità Entropica.

Leggi anche: Non abbiamo capito come funziona la gravità? La nuova teoria

aa

Ma se la Relatività Generale funziona così bene perché cambiarla? La risposta è, in primo luogo, che la Relatività Generale è una teoria fondamentalmente classica, ma quando si cerca di darne una versione microscopica (quantistica) si incontrano estreme difficoltà, che risiedono nella formulazione della stessa. Questo è ciò che spinge i fisici a guardare oltre alla Relatività Generale: la necessità di riuscire a definire una teoria che spieghi la gravità e preveda la Meccanica Quantistica, che regola i fenomeni che avvengono su scale microscopiche.

Leggi anche: La meccanica quantistica come non l'avete mai capita

Un aspetto che caratterizza la teoria della gravità formulata con la Relatività Generale è la necessità di introdurre tipi di materia diversi da quella ordinaria. In particolare, attorno alle galassie l'effetto della gravità è molto più forte di quello che si produrrebbe con la sola materia visibile. Questo effetto è tanto ricorrente e la Relatività Generale funziona tanto bene per la materia visibile, che si è introdotto un nuovo tipo di materia, la cosiddetta Materia Oscura, presente nell'Universo in una porzione molto maggiore di quella ordinaria.

Il problema legato alla Materia Oscura è che ad oggi non sappiamo di cosa sia costituita, perché l'unica interazione che subisce è quella gravitazionale, rendendone particolarmente difficile l'"osservazione". Le particelle che compongono la materia ordinaria sono "osservabili" proprio perché subiscono altre interazioni oltre a quella gravitazionale: l'interazione elettromagnetica, quella nucleare forte e nucleare debole. Numerosi esperimenti sono in corso per cercare di riuscire a dare una descrizione in termini particellari di questi ammassi di materia sconosciuta, con discreti successi. Nel corso del tempo sono stati individuati diversi tipi di particelle che costituiscono esigue porzioni di Materia Oscura, non ancora valide per giustificarne interamente la costituzione.

 

cc 6f68a8a574ffa7fe031cf1ee730bf88d1
Immagine del Bullet Cluster ottenuta componendo varie osservazioni. I colori falsati indicano il gas (rosso) e la distribuzione della Materia Oscura (blu). Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/ M.Markevitch et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al. Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Una delle conseguenze della teoria di Verlinde è che non necessita l'introduzione di altri tipi di materia, perché cambia completamente il punto di vista (e non è neanche l'unica teoria che non rende necessario includere la Materia Oscura).

Margot Brouwer e il suo gruppo di ricercatori dell'Università di Leiden in Olanda hanno prodotto dei risultati che avvalorerebbero l'ipotesi di Verlinde, ma vediamo in che termini. È stata accuratamente studiata la distribuzione di materia di più di 33000 galassie, sfruttando il fenomeno del lensing gravitazionale. Questo fenomeno è un ottimo modo per misurare la porzione di materia "pesante", quindi ordinaria e oscura, perché è di natura esclusivamente gravitazionale. In parole povere, la luce proveniente da stelle, galassie, ammassi, che ci raggiunge, viene deviata e curvata per la presenza di materia intermedia (che funge da lente), producendo effetti misurabili. In particolare, è misurabile la distribuzione di materia che produce la suddetta deviazione della luce.

I fisici hanno provato a interpretare i dati seguendo l'ipotesi di Verlinde e hanno concluso che questa teoria descrive i risultati, senza effettivamente bisogno di introdurre la Materia Oscura. Naturalmente i dati sono descrivibili anche con la teoria di Einstein della Relatività Generale, ma con l'introduzione della Materia Oscura.

La differenza tra introdurre o meno la Materia Oscura sta nella possibilità di descrivere un fenomeno con un diverso numero di parametri da fissare, i cosiddetti parametri liberi. Una teoria fisica è costituita da moltissimi elementi e deve rispondere a determinate caratteristiche, tra cui coerenza, predittività e falsificabilità dal punto di vista più generale. Nella sua formulazione, la teoria si declina riconoscendo relazioni tra gli oggetti in esame e la si descrive, usando il linguaggio matematico. Una volta condotto un esperimento, i dati ottenuti vanno confrontati con ciò che la teoria avrebbe previsto.

Se una teoria è descrivibile con un certo numero di parametri liberi, questo vuol dire che si ha una certa "libertà" nel dare un valore a tali parametri per poter adattare i dati e interpretarli nel contesto della teoria considerata. I dati ottenuti da Brouwer e collaboratori si adattano alla previsione della Relatività Generale con l'introduzione di 4 parametri liberi, a quella dell'ipotesi di Verlinde con nessun parametro libero da fissare.

Il numero di parametri liberi non è certamente l'unico criterio per cui una teoria è preferibile a un'altra. Basti pensare al Modello Standard, la teoria che descrive le particelle elementari e le loro interazioni. La teoria di Verlinde presenta, infatti, diversi lacune, già evidenziate da altri fisici. Vediamo quali sono i punti critici della teoria, partendo dal descriverla.

aa 80d5e73361b06c1520a55d10d71512733

L'idea di Verlinde si basa sulla necessità di superare le contraddizioni tra la gravità, che funziona su scale macroscopiche, e la Meccanica Quantistica, che funziona, invece, su scale microscopiche. La gravità viene descritta come un effetto statistico: poiché ogni particella è influenzata da un numero molto grande di particelle, quindi statisticamente rilevante, la gravità "emerge", perciò diventa un fenomeno su scala macroscopica. Tempo fa era stata criticata l'introduzione della gravità come forza entropica, perché quando una forza entropica agisce, l'entropia associata al fenomeno diventa altissima, con la conseguenza che le forze entropiche siano intrinsecamente irreversibili: questo vorrebbe dire che non si potrebbe ottenere uno stato precedente.

Il fisico delle stringhe Lubos Motl nel suo blog scrive che per esempio una cometa si avvicina al Sole, poi si allontana e poi si avvicina nuovamente. Con la versione di Verlinde non si otterrebbe lo stesso fenomeno in principio. Oltre a questo aspetto, non viene formulato un vero e proprio modello microscopico per descrivere lo spaziotempo, se non facendo riferimento alla "minirivoluzione", secondo cui "lo spaziotempo è entanglement". Ma questa è un'altra storia.

Leggi anche: Un mistero della Fisica spiegato in modo semplice

 "Ci chiediamo ora come possa svilupparsi la teoria e come questa possa essere ulteriormente testata" dice Brouwer parlando delle analisi dal suo gruppo condotte "Ma il risultato di questo primo test sembra senza dubbio interessante".

Marta Dell'Atti è laureata in fisica teorica e delle interazioni fondamentali presso l'Università del Salento. L'ambito dei suoi studi di ricerca riguarda i modelli teorici che spiegano e prevedono l'esistenza delle particelle elementari e il modo in cui tali particelle interagiscono. Si interessa di relatività generale e meccanica quantistica e si è occupata di divulgazione scientifica. È coautrice di una pubblicazione su JHEP (Journal of High Energy Physics).