La gravità è un’illusione. La materia oscura non esiste. E l’univer­so funziona come un ologramma. A queste radicali conclusioni è giunto, dopo uno studio di sei anni, Erik Peter Verlinde, fisico teorico all’Università di Amsterdam, le cui idee sulla gravità sono radicalmente diverse da quelle accettate, che si rifanno a Newton e Einstein.

Affermazioni azzardate? Provocazioni? Non la pensa così l’European Research Council, la più importante istituzione dell’Unione Europea nel campo della scienza, che ha finanziato la ricerca con oltre 2 milioni di euro. E dall’astronomia arrivano i primi risultati a favore di Verlinde. C’è già chi lo acclama come l’Einstein dei nostri giorni.

Focus gli ha chiesto di spiegare la sua rivoluzionaria interpretazione dell’universo.

Causa o effetto. «La mia è una nuova teoria della gravità», racconta il fisico olandese. «Per Isaac Newton era la forza con cui due corpi dotati di massa, per esempio la Terra e la Luna, si attraggono reciprocamente. Invece la relatività generale di Albert Einstein descrive la gravità grazie alla geometria: una massa deforma lo spazio-tempo nelle sue vicinanze e quindi, per esempio, la Luna orbita attorno alla Terra perché si muove lungo questa curvatura». Un po’ come una biglia segue la pista disegnata sulla sabbia.

Le due differenti visioni sono accomunate dal fatto che considerano la gravità una forza fondamentale. Invece Verlinde ritiene che la gravità sia… un’illusione. Attenzione, questo non vuol dire che non sia reale, altrimenti la proverbiale mela non ci cadrebbe in testa! Però non sarebbe più la causa dei movimenti di stelle e pianeti, bensì un effetto: «Pensiamo alla temperatura. Ritenuta per tanto tempo una grandezza fondamentale, si è poi compreso che deriva dai movimenti di ciascuna della miriade di atomi e molecole che ci compongono». Ma toccando una teiera piena di acqua bollente avvertiamo il calore del recipiente (e magari ci scottiamo), senza percepire i moti delle singole particelle. Allo stesso modo, secondo Verlinde, la gravità è il prodotto di processi microscopici.

Informazione. Che cosa c’è sotto, allora? La risposta si nasconde in uno dei concetti più all’avanguardia della fisica contemporanea: i bit quantistici. Per capire di che cosa si tratta bisogna partire dai “bit”, cioè quelle sequenze di 0 e 1 che sono l’unità base dell’informazione per computer e telecomunicazioni (infatti la velocità della nostra connessione internet si misura in bit al secondo). Le particelle elementari seguono le regole della meccanica quantistica, che per esempio consentono loro di essere contemporaneamente in luoghi e stati diversi (una sorta di “ubiquità”, v. Focus n° 293). Quindi anche le loro caratteristiche devono essere espresse in termini di bit quantistici, o qubit, con i quali si possono svolgere operazioni inaccessibili con i bit classici (v. Focus 295).



Verlinde ha sviluppato una complessa trattazione matematica per analizzare la trasmissione dei qubit a livello microscopico. «Le informazioni associate alla materia e alla sua posizione si influenzano a vicenda», spiega. «Alla nostra scala umana non percepiamo il flusso di informazioni, che cambia istante per istante, ma solo il risultato, cioè materia che muta posizione nel tempo. Ecco come emerge la gravità». Questa visione porta con sé un’altra bizzarria: il cosmo può essere descritto come un enorme ologramma, cioè una rappresentazione in due dimensioni di un oggetto 3D. Verlinde, infatti, esprime l’universo e le relazioni tra le particelle che lo compongono in termini di qubit disposti su un piano: in pratica, è come dire che il cosmo può essere trascritto in un enorme foglio.

Oscuro. La teoria è ardita, ma ha un punto di forza: spiega in modo naturale le osservazioni astronomiche senza chiamare in causa la materia oscura, oggi ritenuta necessaria dalla maggioranza degli studiosi per spiegare certi fenomeni. Per esempio, in una galassia le stelle sono più addensate verso il centro. Quindi ci si aspetterebbe che, nelle zone periferiche, la forza di gravità diventi più debole e la velocità con cui le stelle orbitano attorno al centro diminuisca, perché sono meno attratte (vedi disegni qui sotto).

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che spiegano come agirebbe la materia oscura

Il problema secondo Newton ed Einstein. In una galassia “normale”, cioè senza materia oscura, la velocità con cui le stelle orbitano attorno al centro galattico, da una certa distanza in poi, deve diminuire in modo costante più si va verso la periferia. Così fanno i pianeti del Sistema solare, le cui velocità orbitali calano con la distanza dal Sole. |

Il comportamento osservato. Invece, nella maggior parte delle galassie a spirale, la velocità orbitale delle stelle, in regioni lontane dal centro, dapprima diminuisce, ma poi, allontanandosi ulteriormente, rimane circa costante. Come se attorno ci fosse della materia invisibile che “tira” le stelle sulle proprie orbite. |

La possibile soluzione ipotizzando la materia oscura. A oggi, la materia oscura (se esiste) non si sa di che cosa sia composta. Le ipotesi parlano di particelle non ancora scoperte, dette Wimps.

La presenza di un alone di materia oscura permetterebbe di spiegare perché le stelle vicine al nucleo galattico (nella zona verde del disegno) si comportino in modo “normale” mentre quelle più distanti (nella regione azzurra) orbitino a una velocità maggiore di quella prevista dalle leggi della dinamica di Newton e da quelle della relatività di Einstein: è la forza di gravità esercitata dalla materia oscura a tirare le stelle della periferia galattica. Quelle verso il centro, invece, sono troppo addensate l’una all’altra per risentirne. |

Così avviene nel Sistema solare, dove i pianeti lontani dal Sole si muovono più lentamente di quelli vicini. Ma le osservazioni dicono che oltre una certa distanza dal centro galattico la velocità orbitale delle stelle non cala, come se ci fosse una grande quantità di materia invisibile capace di mantenere elevata la gravità e dare una “spinta” alle stelle.

Un discorso simile vale per gli ammassi di galassie, dove la somma della gravità dovuta alle singole galassie componenti è inferiore a quella necessaria per tenerle insieme negli ammassi (vedi foto sotto). Per questo gli astrofisici hanno introdotto la materia oscura, chiamata così perché non emette luce né altre radiazioni elettromagnetiche, ma rivela la propria presenza solo grazie ai suoi effetti gravitazionali.

Questione di scala. Tutto a posto, quindi? Niente affatto, perché nonostante decenni di ricerche non si è ancora capito di cosa la materia oscura sia costitui­ta. E dato che sarebbe quasi sei volte più abbondante di quella normale, significa che non sappiamo che cosa formi l’85% della materia nell’universo! Verlinde risolve il problema alla radice: «I miei ultimi calcoli mostrano che la gravità cambia considerando dimensioni sempre più grandi. Alla scala dell’universo nel suo insieme assume proprio le caratteristiche che spiegano il movimento delle stelle nelle galassie e la struttura degli ammassi. Quindi non c’è più bisogno di introdurre artificiosamente la materia oscura, che semplicemente non esiste».

E non è tutto: alle variazioni della gravità è associata un’energia che ha proprietà simili all’altra grande protagonista della cosmologia moderna, l’energia oscura, ipotizzata per spiegare perché il cosmo si stia espandendo in modo accelerato. «Anche l’energia oscura è stata aggiunta ad hoc per spiegare le osservazioni. Invece nella mia teoria risulta in modo spontaneo dai calcoli», sottolinea Verlinde.

L’ammasso di galassie Bullet Cluster, a 4,5 miliardi di anni luce. In blu, dove si troverebbe la materia oscura. |

Si cercano prove. A questo punto ci si potrebbe chiedere se esiste un modo per verificare tesi così audaci. Ci ha provato un gruppo guidato da Margot Brouwer, dell’Università di Leida, nei Paesi Bassi, che ha studiato ben 33.000 galassie che producono lenti gravitazionali. Questo fenomeno si manifesta perché la massa di una galassia curva lo spazio circostante in modo che la luce emessa da un’altra che si trova dietro (quindi più lontana) possa “aggirarla” e arrivare ugualmente ai nostri telescopi. Di fatto, la galassia più vicina concentra la luce di quella più distante verso di noi, come una lente. Questo effetto è già descritto dalla relatività. Ma la deviazione dei raggi luminosi prevista dalla teoria di Einstein combacia con i valori misurati da Brouwer e colleghi solo ipotizzando, di nuovo, l’esistenza di una giusta quantità di materia oscura. I dati sono invece in buon accordo con quanto predetto da Verlinde. L’interessato, però, non canta vittoria: «Ci vorranno ancora anni di lavoro perché la mia teoria spieghi con sufficiente precisione la struttura a grande scala dell’universo».

Novità in arrivo? Recenti osservazioni compiute con il Very Large Telescope in Cile suggeriscono che circa 10 miliardi di anni fa le galassie, allora giovanissime, fossero prive di materia oscura: la velocità di rotazione delle stelle più lontane dal centro calava drasticamente, invece di rimanere costante. La materia oscura si sarebbe aggiunta in un secondo tempo, e questo comportamento “ritardatario” ha sorpreso un po’ tutti: al momento non c’è una spiegazione chiara.



C’è un’altra novità. Qualche mese fa, due team di ricerca hanno individuato nei dati dei satelliti Chandra della Nasa e Xmm-Newton dell’Esa le possibili tracce di un’ipotetica particella, il “neutrino sterile”, che potrebbe essere uno dei costituenti della materia oscura. Intanto sta entrando in azione la versione avanzata di Virgo, il cacciatore europeo delle onde gravitazionali previste da Einstein, che darà indicazioni sull’abbondanza nell’universo dei buchi neri, altri candidati per la materia oscura. Chissà che Verlinde non sia costretto a rivedere le proprie idee grazie a un satellite con il nome di Newton e a uno strumento realizzato per verificare la teoria di Einstein. La sfida della gravità è ancora aperta.



Andrea Bernagozzi per Focus