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Non abbiamo capito come funziona la gravità? La nuova teoria

Una nuova ipotesi sulla gravità si propone di sciogliere il mistero della Materia Oscura, non spiegato dal Modello Standard delle particelle. Cerchiamo di capire di che cosa si tratta.

Non abbiamo capito come funziona la gravità? La nuova teoria

Un fisico teorico ha formulato l'ipotesi che potrebbe finalmente spiegare il mistero della Materia Oscura, l'elusiva materia che si stima costituisca circa il 27% dell'Universo. Secondo quanto riportato nell'articolo proposto, ciò che occorre fare per escludere gli strani effetti della Materia Oscura nell'Universo è togliere di mezzo la gravità dalle equazioni, o meglio, farla emergere.

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"Urge rivedere le attuali concezioni circa lo Spazio, il tempo e la gravità. Da lungo sappiamo che la teoria della gravità di Einstein non può funzionare con la meccanica quantistica" dice l'autore, Erik Verlinde, dall'Università di Amsterdam. "I risultati stanno drasticamente cambiando, e credo che siamo sul punto di assistere a una nuova rivoluzione scientifica".

 

La corrente concezione della gravità e la Materia Oscura

Una rivoluzione scientifica avvenuta ormai un secolo fa per mano dell'estro di Einstein, ha portato a definire l'odierna concezione di spazio, tempo e gravità. La teoria prende il nome di Relatività Generale, generalizza la Relatività Speciale e descrive la gravità come una proprietà geometrica dello spazio e del tempo, che in questa formulazione entrano come unica entità: lo spazio-tempo. In particolare, la curvatura dello spazio-tempo è strettamente correlata all'energia associata a qualunque tipo di materia e radiazione presenti. "La materia dice allo spazio-tempo come curvarsi e lo spazio-tempo dice alla materia come muoversi", nella formulazione di Wheeler, sintetica e intuitiva, sul significato delle equazioni di Einstein.

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Foto: © paulfleet / Depositphotos

La teoria della Relatività Generale è stata sottoposta a numerosi esperimenti e ha avuto notevoli e svariate conferme di molti dei fenomeni che sono da essa predetti. Non solo: numerosi dei suoi effetti sono quotidianamente utilizzati dagli odierni dispositivi di comunicazione e localizzazione e, ovviamente, utilizzati come base della ricerca in ambito astrofisico e cosmologico. La Relatività Generale costituisce le basi per il Modello Standard della cosmologia, da non confondere con il Modello Standard delle particelle  che descrive l'origine e l'evoluzione dell'universo nel suo insieme.   

La precisione delle previsioni e la semplicità (almeno in termini intuitivi) della teoria, la fa preferire ad altre numerosissime teorie relativistiche che descrivono la gravità, le quali sono comunque correntemente studiate e supportate da gruppi meno vasti di ricercatori.

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Il Modello Standard (delle particelle)

Come entra la Materia Oscura in tutto questo? L'introduzione della Materia Oscura è necessaria a sostenere la formulazione del modello standard della cosmologia ed è stata introdotta per spiegare i dati legati alla formazione delle galassie, alla loro evoluzione e alle anisotropie registrate nella radiazione cosmica di fondo.

Il problema della materia deriva dal fatto che si registrano effetti delle gravità molto più consistenti di quelli prodotti dalla sola materia nella forma che conosciamo, specialmente se si considerano scale estremamente grandi, come le galassie. La soluzione coerente con la teoria della Relatività Generale? Si introduce un nuovo tipo di materia, che non interagisce con la materia ordinaria, ma è presente perché ha un peso. Ed è presente in quantità spropositata, tanto che quantitativamente è pari a 5 volte la quantità della materia che conosciamo e possiamo osservare.

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La galassia Dragonfly

 

La Relatività Generale e la meccanica quantistica non si incontrano

Il Modello Standard è la teoria della meccanica quantistica relativistica che ben descrive tutte le particelle che costituiscono la materia ordinaria e tre delle quattro interazioni tra esse: l'interazione elettromagnetica, l'interazione debole e l'interazione forte. L'aggettivo "relativistica" in questo caso si riferisce alla Relatività Speciale, indubbiamente valida.

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Crediti: http://physics.stackexchange.com/

La gravità non entra in questo tipo di descrizione e, tra le particelle ad oggi osservate, non esiste un legittimo candidato a costituire la Materia Oscura. Estensioni del Modello Standard, però, prevedono particelle che potrebbero giustificare tale tipo di materia. Proprio la fiducia nei confronti della teoria della Relatività Generale ha portato a elaborare svariati esperimenti alla ricerca di queste particelle sconosciute, ottenendo risultati soddisfacenti a giustificare solo una modestissima porzione della materia invisibile.

Siamo dunque di fronte a due teorie che parallelamente ci danno una visione del mondo: un mondo macroscopico, descritto da una teoria classica relativistica della gravità, e un mondo microscopico, descritto da una teoria quantistica relativistica delle particelle. Il problema fondamentale dell'incompatibilità delle due descrizioni sta nel fatto che la Relatività Generale descrive di fatto uno spazio-tempo dinamico, mentre la teoria del Modello Standard è formulata su uno "sfondo fisso", uno spazio-tempo statico.

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Foto: © spgirolamo / Depositphotos

Notevoli sforzi sono stati compiuti per cercare di formulare una teoria che riuscisse a unificare la Relatività Generale e il Modello Standard, con lo scopo di approdare a una teoria del tutto. La ricerca nell'ambito della fisica teorica che opera in questo senso può essere denominata gravità quantistica e ha dato origine a numerose teorie, sottoposte a una costante evoluzione e studio da parte dei ricercatori di tutto il mondo. Tra queste spiccano la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop. Le teorie finora elaborate, però, sono soggette talvolta a delle inconsistenze e a difficoltà legate a un'effettiva verifica sperimentale, oltre che spesso molto poco intuitive e "comprensibili" solo se si ha la padronanza del "linguaggio" in cui sono scritte.

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Ogni volta che si parla di una teoria fisica che descrive un certo fenomeno, si suole dire "ad oggi" - facendo intendere che si parla di qualcosa di mutevole e superabile. La storia della Fisica ci ha insegnato questo, che anche le convinzioni più strenue possono essere superate, al fine di raggiungere una comprensione più profonda della realtà e di generare un intero universo fatto di nuove domande.  Ciò che è indispensabile è l'approccio critico, che non deve mai mancare al ricercatore, allo scienziato. Di fronte a una nuova teoria bisogna cercare di comprenderla, quindi farla propria e provare a riprodurre risultati già noti. 

Un nuovo punto di vista 

La teoria proposta da Verlinde si basa sull'affrontare l'intero problema in un altro modo. La sua convinzione deriva dal fatto che l'introduzione della Materia Oscura è seguita da un'inconsistenza della Teoria della Relatività Generale, quindi forse il problema non è la Materia Oscura, forse il problema è che non comprendiamo davvero come funzioni la gravità.

L'idea di Verlinde si basa sul fatto che la gravità possa non essere un'interazione fondamentale della natura, ma piuttosto un fenomeno emergente. Dobbiamo pensare a un analogo della temperatura, che può essere visto come un fenomeno emergente dal movimento microscopico delle particelle. La gravità, quindi, viene vista come un effetto collaterale di ciò che accade nell'Universo, non come la causa.

Verlinde aveva esposto alla comunità scientifica la sua idea di gravità già nel 2010. Secondo quanto afferma nel nuovo articolo, introducendo la sua visione della gravità nella descrizione dell'Universo, non si ha più bisogno di considerare la Materia Oscura: il comportamento delle galassie è correttamente descritto.

"Abbiamo le prove che questa nuova visione della gravità corrobori le osservazioni" sostiene Verlinde. "Sembra che a grandi scale, semplicemente la gravità non si comporti come Einstein predice".

Dall'introduzione del nuovo articolo:   

Nella relatività generale di Einstein lo spazio-tempo non ha caratteristiche intrinseche, oltre che la sua geometria curva: costituisce semplicemente uno sfondo, un palco, su cui la materia si muove sotto l'influenza delle forze. La fisica dei buchi neri e la teoria delle stringhe fanno presagire che le nostre nozioni 'macroscopiche' di spazio-tempo emergano da una descrizione microscopica latente, in cui non hanno alcun significato a priori.    

Per giungere alle sue conclusioni, Verlinde è partito dal cercare di comprendere come si forma la gravità a livello microscopico. I suoi calcoli suggeriscono che la gravità potrebbe essere un fenomeno che emerge dall'entropia dell'universo. Possiamo pensare all'entropia come a qualcosa che ci permetta di descrivere il grado di disordine di un sistema. Oppure come la quantità di informazione necessaria a descrivere il dato sistema: più il sistema è disordinato, caotico, maggiore informazioni occorrono per descriverlo, maggiore è l'entropia ad esso associata.

Verlinde applica all'entropia dell'universo il principio olografico, una congettura proposta nell'ambito della termodinamica dei buchi neri, ma estesa a svariati campi di ricerca in gravità quantistica. Secondo la congettura l'informazione contenuta in un volume di spazio può essere rappresentata da una teoria valida sul bordo di tale volume.

L'idea di base è che esistono bit fondamentali di informazione nel tessuto dello spazio-tempo, da lui indicati come "atomi" dello spazio-tempo, che possono traslare al fine di raggiungere valori più alti di entropia. Secondo i calcoli di Verlinde, queste traslazioni producono una forza entropica che agisce come la gravità.

La sfida, ora, è testare questa nuova ipotesi. Il modo più immediato per darla per errata sarebbe quello di trovare una particella che spieghi la Materia Oscura. Tuttavia, il modello proposto da Verlinde può essere studiato e messo alla prova dai fisici semplicemente cercando di riprodurre le osservazioni dei fenomeni nell'universo.

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Foto: © Anquetas/ Depositphotos

L'articolo è disponibile online su arXiv nella versione pre-print, perché sia disponibile alla comunità scientifica e a tutti coloro che volessero studiarlo. Tuttavia non è ancora stato pubblicato da alcuna rivista di settore, perché in fase di revisione. Nonostante la veridicità della teoria, rimane interessante confrontarsi con idee che vanno oltre a ciò che si è comunemente abituati a pensare.

Verlinde non è il solo a proporre una nuova visione di concetti come lo spazio, il tempo e la gravità, né il primo a proporre l'idea del fatto che questi possano "emergere", per esempio nella teoria dell'amplihedron lo spazio-tempo emergerebbe da una struttura geometrica latente. Sicuramente è parte di una comunità scientifica volta a "revisionare l'intera teoria", sostenendo di "essere sull'orlo di una nuova rivoluzione scientifica, che cambierà completamente la nostra visione sulla realtà e sulla natura dello spazio, del tempo e della gravità".

 

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).

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