Il fisico che nega l’esistenza della materia oscura

“È una di quelle persone della materia oscura“, ha detto Mordehai Milgrom a proposito di un collega che si è fermato nel suo ufficio al Weizmann Institute of Science. Milgrom sostiene che il suo amico sta cercando prove della materia oscura.

“Non esistono ‘persone della materia oscura’ e ‘persone MOND‘”, ribatté il suo collega.

“Io sono ‘gente di MOND’“, proclamò con orgoglio Milgrom, riferendosi alla Dinamica Newtoniana Modificata, la sua teoria che fissa la fisica newtoniana invece di postulare l’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura, due cose che, secondo il modello standard della cosmologia, costituiscono 95,1% del contenuto totale di massa-energia dell’universo.

C’è qualcosa di quasi fuorviante nel fisico di 70 anni che indossa pantaloncini nella calda estate israeliana, la cui voce sommessa si spezza ogni volta che si eccita. Nulla del suo comportamento piacevole rivela che quest’uomo afferma di essere la terza persona a correggere la fisica newtoniana: prima Max Planck (con la teoria dei quanti), poi Einstein (con la relatività), ora Milgrom.

Ma cosa apprezza Milgrom di The Structure of Scientific Revolutions di Thomas Kuhn e perché pensa che la materia oscura e l’energia oscura non esistano?

Cosa ti ha spinto a dedicare la tua vita al movimento delle stelle?

Ricordo molto vividamente il modo in cui la fisica mi ha colpito. Avevo 16 anni e ho pensato: ecco un modo per capire come funzionano le cose, ben oltre la comprensione dei miei coetanei. Ero attratto dalla bellezza di trovare ragioni più profonde per gli eventi, dall’estetica di scoprire simmetrie nascoste. Non era un piano a lungo termine. Era un’attrazione quotidiana. Semplicemente amavo la fisica, allo stesso modo in cui altre persone amano l’arte o lo sport. Non ho mai sognato un giorno di fare una scoperta importante, come correggere Newton.

Ho avuto un ottimo insegnante di fisica a scuola, ma quando studi materiale da manuale, studi affari fatti. Continui a non vedere lo sforzo che serve per fare scoperte scientifiche, quando le cose non sono chiare e i progressi sono fatti in modo intuitivo e spesso vanno male. Non te lo insegnano a scuola. Ti insegnano che la scienza va sempre avanti: hai un corpo di conoscenza, e poi qualcuno scopre qualcosa ed espande quel corpo di conoscenza. Ma in realtà non funziona così. Il progresso della scienza non è mai lineare.

Come sei stato coinvolto nel problema della materia oscura?

Verso la fine del mio dottorato, il dipartimento di fisica voleva espandersi. Così hanno chiesto ai tre migliori dottorandi, studenti che lavorano sulla fisica delle particelle, di scegliere un nuovo campo. Abbiamo scelto l’astrofisica e l’Istituto Weizmann ha tirato un po’ di corda con le istituzioni all’estero in modo che ci accettassero come postdoc. E così sono andato alla Cornell per colmare le mie lacune in astrofisica.

Dopo alcuni anni di astrofisica delle alte energie, lavorando sulla fisica della radiazione di raggi X nello spazio, ho deciso di spostarmi in un altro campo: La dinamica delle galassie. Sono passati alcuni anni dall’arrivo delle prime misurazioni dettagliate della velocità delle stelle in orbita attorno alle galassie a spirale. E, beh, c’era un problema con le misurazioni.

Per comprendere questo problema, è necessario avvolgere la testa attorno ad alcune rotazioni celesti. Il nostro pianeta orbita attorno al Sole, che a sua volta orbita attorno al centro della galassia della Via Lattea. All’interno dei sistemi solari, l’attrazione gravitazionale della massa del Sole e la velocità dei pianeti sono in equilibrio. Per le leggi di Newton, questo è il motivo per cui Mercurio, il pianeta più interno del nostro sistema solare, orbita intorno al sole a più di 150.000 chilometri all’ora, mentre il pianeta più esterno, Nettuno, striscia a poco più di 15.000 chilometri all’ora.

Ora, potresti presumere che la stessa logica si applichi alle galassie: più la stella è lontana dal centro della galassia, più lentamente le ruota attorno; tuttavia, mentre a raggi più piccoli le misurazioni vanno come previsto dalla fisica newtoniana, le stelle più lontane si sono rivelate molto più veloci di quanto previsto dall’attrazione gravitazionale della massa che vediamo in queste galassie. Il divario osservato è diventato molto più ampio quando, alla fine degli anni ’70, i radiotelescopi sono stati in grado di rilevare e misurare le nubi di gas freddo alla periferia delle galassie. Queste nuvole orbitano attorno al centro galattico cinque volte più lontano delle stelle, e quindi l’anomalia è diventata un grande enigma scientifico.

Un modo per risolvere questo enigma è semplicemente aggiungere più materia. Se c’è troppo poca massa visibile al centro delle galassie per spiegare la velocità di stelle e gas, forse c’è più materia di quanta sembri, materia che non possiamo vedere, materia oscura.

Cosa ti ha fatto dubitare per la prima volta dell’esistenza stessa della materia oscura?

Quello che mi ha colpito è stata una certa regolarità nell’anomalia. Le velocità di rotazione non erano solo maggiori del previsto, ma diventavano costanti con il raggio. Come mai? Certo, se ci fosse materia oscura, la velocità delle stelle sarebbe maggiore, ma le curve di rotazione, ovvero la velocità di rotazione disegnata in funzione del raggio, potrebbero comunque salire e scendere a seconda della sua distribuzione. Ma non lo fanno. Mi è sembrato davvero strano. Così, nel 1980, ho preso il mio anno sabbatico all’Institute for Advance Studies di Princeton con la seguente intuizione: se le velocità di rotazione sono costanti, allora forse stiamo osservando una nuova legge della natura. Se la fisica newtoniana non può prevedere le curve fisse, forse dovremmo correggere Newton, invece di creare un’intera nuova classe di materia solo per adattarci alle nostre misurazioni.

Se hai intenzione di cambiare le leggi della natura che funzionano così bene nel nostro sistema solare, devi trovare una proprietà che distingua i sistemi solari dalle galassie. Quindi ho creato un grafico di proprietà diverse, come dimensione, massa, velocità di rotazione, ecc. Per ogni parametro, ho inserito la Terra, il sistema solare e alcune galassie. Ad esempio, le galassie sono più grandi dei sistemi solari, quindi forse le leggi di Newton non funzionano su grandi distanze? Ma se questo fosse il caso, ci si aspetterebbe che l’anomalia di rotazione diventi più grande nelle galassie più grandi, mentre, in realtà, non lo fa. Quindi l’ho cancellato e sono passato alle proprietà successive.

Alla fine ho trovato l’oro con l’accelerazione: il ritmo con cui cambia la velocità degli oggetti.

Di solito pensiamo alle auto terrestri che accelerano nella stessa direzione, ma immaginiamo una giostra. Potresti girare in tondo e continuare ad accelerare. Altrimenti, cadresti semplicemente. Lo stesso vale per le giostre celesti. Ed è nell’accelerazione che troviamo una grande differenza di scala, che giustifica la modifica di Newton: l’accelerazione normale per una stella che orbita intorno al centro di una galassia è circa cento milioni di volte più piccola di quella della Terra che orbita attorno al sole.

Per quelle piccole accelerazioni, l’ipotesi MOND introduce una nuova costante di natura, chiamata a₀. Se hai studiato fisica al liceo, probabilmente ricorderai la seconda legge di Newton: la forza è uguale alla massa per l’accelerazione, o F = ma. Sebbene questo sia uno strumento perfettamente valido quando si ha a che fare con accelerazioni molto maggiori di uno₀, come quelle dei pianeti intorno al nostro sole, ho suggerito che ad accelerazioni significativamente inferiori, inferiori anche a quella del nostro Sole attorno al centro galattico, la forza diventa proporzionale al quadrato dell’accelerazione, ovvero F = ma²/a₀.

Per dirla in altre parole: secondo le leggi di Newton, la velocità di rotazione delle stelle attorno ai centri galattici dovrebbe diminuire quanto più la stella è lontana dal centro di massa. Se MOND è corretto, dovrebbe raggiungere un valore costante, eliminando così la necessità di materia oscura.

Cosa ne pensano i tuoi colleghi di Princeton di tutto questo?

Non ho condiviso questi pensieri con i miei colleghi di Princeton. Avevo paura di sembrare, beh, pazzo. E poi, nel 1981, quando avevo già le idee chiare sulla MOND, non volevo che nessuno saltasse sul mio carro.

Beh, avevi 35 anni e hai proposto di aggiustare Newton.

Perché no? Qual è il grosso problema? Se qualcosa non funziona, aggiustalo. Non stavo cercando di essere audace. All’epoca ero molto ingenuo. Non capivo che gli scienziati sono influenzati quanto le altre persone dalle convenzioni e dagli interessi.

Come La struttura delle rivoluzioni scientifiche di Thomas Kuhn .

Amo quel libro. L’ho letto più volte. Mi ha mostrato come la storia della mia vita è successa a tanti altri scienziati nel corso della storia. Certo, è facile prendere in giro le persone che una volta si opponevano a ciò che ora sappiamo essere una buona scienza, ma siamo diversi? Kuhn sottolinea che questi obiettori sono generalmente buoni scienziati con buone ragioni per obiettare. È solo che i dissidenti di solito hanno un punto di vista unico delle cose che non è condiviso dalla maggior parte degli altri. Ora ci rido su, perché MOND ha fatto molti progressi, ma ci sono stati momenti in cui mi sono sentito depresso e isolato.

Com’è essere un anticonformista scientifico?

In generale, gli ultimi 35 anni sono stati entusiasmanti e gratificanti proprio perché ho sostenuto un paradigma anticonformista. Sono un solitario per natura, e nonostante i tempi scoraggianti e dubbiosi, preferisco di gran lunga questo piuttosto che seguire le mode. Ero abbastanza fiducioso della validità di base di MOND fin dall’inizio, il che mi ha aiutato molto a prendere tutto questo con calma, ma ci sono due grandi vantaggi per la persistente opposizione a MOND: in primo luogo, mi ha dato il tempo di dare più contributi a MOND di quanto avrei fatto se la comunità fosse saltata sul carro MOND all’inizio. In secondo luogo, una volta accettato MOND, la lunga e ampia resistenza ad esso avrà solo dimostrato quanto sia non banale un’idea.

Alla fine del mio anno sabbatico a Princeton, avevo scritto segretamente tre articoli per presentare MOND al mondo. Pubblicarli, tuttavia, era tutta un’altra storia. All’inizio ho inviato il mio articolo del kernel a riviste come Nature e Astrophysical Journal Letters, ed è stato rifiutato quasi subito. Ci è voluto molto tempo prima che tutti e tre i documenti fossero pubblicati, fianco a fianco, su Astrophysical Journal.

La prima persona che ha sentito parlare di MOND è stata mia moglie Yvonne. Francamente, mi vengono le lacrime agli occhi quando dico questo. Yvonne non è una scienziata, ma è stata la mia più grande sostenitrice.

Il primo scienziato a sostenere MOND fu un altro anticonformista della fisica: il defunto professor Jacob Bekenstein, che fu il primo a suggerire che i buchi neri dovrebbero avere un’entropia ben definita, in seguito soprannominata entropia di Bekenstein-Hawking. Dopo aver presentato la trilogia iniziale di MOND, ho inviato i preprint a diversi astrofisici, ma Jacob è stato il primo scienziato con cui ho discusso di MOND. Era entusiasta e incoraggiante fin dall’inizio.

Lentamente ma inesorabilmente, questa piccola opposizione alla materia oscura è cresciuta da soli due fisici a diverse centinaia di sostenitori, o almeno scienziati che prendono sul serio MOND. La materia oscura è ancora il consenso scientifico, ma MOND è ora un formidabile avversario che proclama che il re è nudo, che la materia oscura è l’etere della nostra generazione.

Allora, cos’è successo? Per quanto riguarda la materia oscura, davvero niente. Una serie di esperimenti alla ricerca della materia oscura, tra cui il Large Hadron Collider, molti esperimenti sotterranei e diverse missioni spaziali, non sono riusciti a osservarne direttamente l’esistenza. Nel frattempo, MOND è stata in grado di prevedere con precisione la rotazione di un numero sempre maggiore di galassie a spirale, oltre 150 galassie fino ad oggi, per essere precisi.

Alcuni articoli affermano che MOND non è in grado di prevedere la dinamica di alcune galassie.

È vero e va benissimo, perché le previsioni di MOND si basano su misurazioni. Data la distribuzione della sola materia regolare e visibile, MOND può prevedere la dinamica delle galassie. Ma quella previsione si basa sulle nostre misurazioni iniziali. Misuriamo la luce proveniente da una galassia per calcolarne la massa, ma spesso non sappiamo con certezza la distanza da quella galassia, quindi non sappiamo con certezza quanto sia davvero massiccia quella galassia. E ci sono altre variabili, come il gas molecolare, che non possiamo osservare affatto. Quindi sì, alcune galassie non corrispondono perfettamente alle previsioni di MOND, ma tutto sommato è quasi un miracolo che abbiamo abbastanza dati sulle galassie per dimostrare che MOND ha ragione, più e più volte.

I tuoi avversari dicono che il più grande difetto di MOND è la sua incompatibilità con la fisica relativistica.

Nel 2004, Bekenstein ha proposto il suo TeVeS, o teoria gravitazionale relativistica per MOND. Da allora, sono state avanzate diverse formulazioni relativistiche di MOND, inclusa una da me, chiamata Bimetric MOND, o BIMOND.

Quindi, no, incorporare MOND nella fisica einsteiniana non è più una sfida. Sento ancora fare questa affermazione, ma solo da persone che lo ripetono a pappagallo, che non sono al passo con gli sviluppi degli ultimi 10 anni. Esistono diverse versioni relativistiche di MOND. Ciò che rimane una sfida è dimostrare che MOND può spiegare le anomalie di massa in cosmologia.

Un altro argomento che i cosmologi usano spesso è che la materia oscura è necessaria non solo per il movimento all’interno delle galassie, ma su scale ancora più grandi. Cosa ha da dire MOND a riguardo?

Secondo la teoria del Big Bang, l’universo è iniziato come una singolarità uniforme 13,8 miliardi di anni fa. E, proprio come nelle galassie, le osservazioni fatte sulla radiazione cosmica di fondo dell’universo primordiale suggeriscono che la gravità di tutta la materia nell’universo semplicemente non è sufficiente per formare i diversi modelli che vediamo attualmente, come le galassie e le stelle, in appena 13,8 miliardi di anni. Ancora una volta, la materia oscura è stata chiamata in soccorso: non emette radiazioni, ma impegna il materiale visibile con la gravitazione. E così, a partire dagli anni ’80, il nuovo dogma cosmologico era che la materia oscura costituiva uno sbalorditivo 95% di tutta la materia nell’universo. È durato, beh, fino a quando la bomba ci ha colpito nel 1998.

Si è scoperto che l’espansione dell’universo sta accelerando, non decelerando come tutti noi pensavamo inizialmente. Qualsiasi forma di materia genuina, oscura o meno, avrebbe dovuto rallentare l’accelerazione. E così è stato inventato un nuovo tipo di entità: l’energia oscura. Ora la cosmologia accettata è che l’universo è composto dal 70% di energia oscura, dal 25% di materia oscura e dal 5% di materia regolare.

Ma l’energia oscura è solo una soluzione rapida, come la materia oscura. E proprio come nelle galassie, puoi inventare un tipo completamente nuovo di energia e poi passare anni a cercare di capirne le proprietà, oppure puoi provare a correggere la tua teoria.

Tra le altre cose, MOND indica una connessione molto profonda tra struttura e dinamica nelle galassie e cosmologia. Questo non è previsto nella fisica accettata. Le galassie sono strutture minuscole all’interno della grande scala dell’universo e quelle strutture possono comportarsi in modo diverso senza contraddire l’attuale consenso cosmologico. Tuttavia, MOND crea questa connessione, legando i due.

Questa connessione è sorprendente: per qualsiasi ragione, la costante MOND di uno₀ è vicina all’accelerazione che caratterizza l’Universo stesso. Infatti, la costante di MOND è uguale alla velocità della luce al quadrato, divisa per il raggio dell’universo.

Quindi, in effetti, per la tua domanda, l’enigma indicato è valido al momento. MOND non ha ancora una cosmologia sufficiente, ma ci stiamo lavorando. E una volta che avremo compreso appieno MOND, credo che comprenderemo anche l’espansione dell’universo e viceversa: una nuova teoria cosmologica spiegherebbe MOND. Non sarebbe fantastico?

Cosa ne pensi delle teorie unificate della fisica proposte, che fondono MOND con la meccanica quantistica?

Tutto ciò si rifà al mio articolo del 1999 su “MOND come effetto del vuoto“, in cui è stato sottolineato che il vuoto quantistico in un universo come il nostro può produrre un comportamento MOND all’interno delle galassie, con la costante cosmologica che appare sotto forma di MOND costante di accelerazione, a₀ . Ma sono molto contento di vedere queste proposte avanzate, soprattutto perché sono fatte da persone al di fuori della tradizionale comunità MOND. È molto importante che i ricercatori di altri contesti si interessino a MOND e portino nuove idee per approfondire la nostra comprensione della sua origine.

E se avessi una teoria fisica unificata che spiega tutto? Cosa poi?

Sai, non sono una persona religiosa, ma penso spesso al nostro puntino blu e al lavoro scrupoloso che facciamo qui noi fisici. Chi lo sa? Forse da qualche parte là fuori, in una di quelle galassie in cui ho passato la vita a fare ricerche, c’è già una nota teoria unificata della fisica, con una variazione di MOND incorporata. Ma poi penso: e allora? Ci siamo comunque divertiti a fare i conti. Avevamo ancora l’emozione di cercare di avvolgere le nostre teste intorno all’universo, anche se l’universo non se ne era mai accorto.