La nuova teoria della gravità non ha bisogno della materia oscura

Nel 2010, un teorico delle stringhe dell'Università di Amsterdam di nome Erik Verlinde pubblicò il primo articolo sulla sua teoria alternativa della gravità. In questa teoria, la gravità non è un'interazione fondamentale o un campo come descritto da Einstein, ma un fenomeno emergente che è il risultato di sistemi fisici tendenti al disordine come enunciato dalla seconda legge della termodinamica.

La teoria di Verlinde ha creato una spaccatura nella comunità dei fisici, le cui risposte contrastanti sono state descritte in modo chiaro da Andrew Strominger, fisico di Harward, sul New York Times: "Qualcuno ha detto che non poteva essere vero, altri che era vero e questo lo sapevamo già—che si tratta di qualcosa di vero e profondo, vero e banale. Bisogna dire che è…un insieme d'idee molto interessante ma che riguarda cose che non dobbiamo capire in modo profondo del nostro universo."

Interessante, certo, ma in fisica un intrigo non costituisce un fatto. La vera domanda è rimasta ancora senza risposta: la teoria di Verlinde potrebbe essere confermata attraverso prove sperimentali?

Di recente, un team di astronomi olandesi—guidato da Margo Brouwer all'Osservatorio di Leiden—ha cercato di fare chiarezza su questa domanda conducendo il primo esperimento sulla teoria di Verlinde, usata per prevedere la distribuzione della gravità di 33.000 galassie. Quando queste previsioni sono state confrontate con la distribuzione gravitazionale osservata, Brouwer ha scoperto che la distribuzione di gravità prevista dalla teoria di Verlinde corrispondeva alle osservazioni effettive.

Una delle grandi domande in fisica è perché la forza di gravità osservata intorno a una galassia è molto più forte rispetto a ciò che aveva predetto la teoria della relatività generale di Einstein, anche a distanze che superano cento volte l'area della galassia. Finora, questa strana distribuzione della gravità è stata spiegata con la materia oscura e l'energia, che in teoria giustifica il 95 per cento della massa e dell'energia dell'universo.

Tuttavia, come evidenzia Verlinde in un paper pubblicato su arXiv a novembre, "il fatto che il 95% del nostro universo sia composto da forme misteriose di energia o materia è una motivazione sufficiente per riconsiderare questo punto di partenza." Verlinde pensa che se consideriamo la gravità come un fenomeno emergente, causato da principi entropici (come esposto nella sua teoria del 2010), sia possibile descrivere questa distribuzione di gravità senza basarsi su sostanze come la materia e l'energia oscura.

"Il vero motivo per cui la maggior parte dei fisici crede all'esistenza delle particelle di materia oscura non è l'osservazione, ma è perché non c'è né evidenza teorica né un argomento concettuale per il fallimento di queste leggi alle dimensioni in cui i nuovi fenomeni sono stati osservati,", ha scritto Verlinde nel suo ultimo paper. "Quando c'è un motivo concettuale di una nuova fase della forza gravitazionale, che è governato da diverse leggi, e questo è combinato con una conferma del suo comportamento quantitativo, l'evidenza punta verso l'altra direzione."

In breve, Verlinde aveva la sua teoria della gravità emergente—tutto ciò di cui aveva bisogno, per spostare il peso dell'evidenza fuori dalla materia ed energia oscura che dominano l'universo, era la prova quantificabile della sua teoria. Qui entrano in gioco Brouwer e i suoi colleghi dell'osservatorio di Leiden, che è diventato il primo team a mettere alla prova la teoria di Verlinde.

Per raggiungere quest'obiettivo, Brouwer e i suoi colleghi hanno calcolato la densità di massa della superficie di 33.613 galassie usando lenti gravitazionali—un modo di calcolare la distribuzione di gravità osservando com'è emanata la luce da una galassia—e poi hanno comparato questi calcoli alla densità di massa della superficie che sarebbe risultata dalla teoria di Verlinde. Hanno riscontrato che "la predizione della gravità emergente…concorda con le immagini osservate delle lenti gravitazionali."

In altre parole, la teoria di Verlinde sembra essere in grado di spiegare la strana distribuzione di gravità intorno alle galassie che non ha senso basandosi sulla teoria della relatività generale—e lo fa solo grazie alla materia osservabile, piuttosto che appellarsi all'esistenza di particelle oscure misteriose.

Nonostante questi risultati quantitativi stiano incoraggiando la teoria di Verlinde, c'è ancora un primo passo da compiere per confermarla. Secondo Brouwer, c'è un certo numero di domande che la teoria della gravità emergente di Verlinde non può spiegare, quindi "c'è bisogno di ulteriori progressi sia sulla struttura teorica sia sugli esperimenti di osservazione della gravità emergente prima di poterla considerare una teoria verificata, vale a dire completamente sviluppata e solida."