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Una teoria della gravità non ortodossa, l’ipotesi MOND, infrange il rapporto causa-effetto

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Gli astronomi sanno che le galassie in tutto l’universo si comportano in maniera strana. Alcune girano troppo velocemente, mentre altri sono semplicemente troppo calde e altri ancora si sono trasformate in super strutture troppo rapidamente.

Ma non sanno perché. Forse qualche nuova particella nascosta, come la materia oscura, potrebbe spiegare la stranezza. O forse la gravità agisce su questi ammassi di stelle che si coalizzano in un modo che gli scienziati non si aspettavano.

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Per decenni gli astronomi hanno discusso le possibilità. Sebbene la maggior parte degli astronomi creda che la materia oscura esista, alcuni pensano ancora che sia necessario modificare la nostra teoria della gravità.

Tuttavia, una nuova ricerca ha trovato un difetto critico nelle teorie sulla gravità modificate: consentono che gli effetti si verifichino senza cause e che le informazioni viaggino più velocemente della velocità della luce. Questo è un male … per la gravità modificata.

Su scala galattica e cosmologica, la comprensione della forza di gravità da parte degli astronomi è totalmente fuori posto, oppure c’è un nuovo ingrediente nel nostro universo che esercita la gravità che non riusciamo a vedere.

Quest’ultima idea è nota come materia oscura fredda (CDM), che è il nome dato a un’ipotetica forma di materia che è ancora sconosciuta alla fisica. Il “freddo” è lì per notare che qualunque particella esotica potrebbe essere responsabile della materia oscura, si muove lentamente, in contrasto con altri potenziali candidati alla materia oscura come il neutrino.

Se si rinuncia ai principi di causalità e località, significa che essenzialmente non siamo in grado di spiegare la struttura del modello standard della fisica delle particelle e della relatività generale“. Dice Mark Hertzberg, ricercatore capo e astrofisico della Tufts University.

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Riempiendo le galassie con una forma di materia invisibile alla luce, l’ipotesi CDM (Cold Dark Matter) ha un enorme successo nello spiegare la maggior parte delle osservazioni delle galassie e dell’universo su larga scala ed è di gran lunga la spiegazione più comunemente accettata del motivo per cui l’universo si comporta in quel modo.

Ma l’ipotesi CDM non è perfetta. Qualunque cosa sia, si trova al di fuori del Modello Standard della fisica delle particelle, il che significa che non abbiamo idea di cosa sia. Inoltre, ha difficoltà a spiegare qualcosa chiamato relazione barionica Tully-Fisher.

La relazione osservata mostra che la massa totale della materia normale, chiamata materia barionica, di una galassia è proporzionale alla quarta potenza della velocità di rotazione. Ma i modelli CDM prevedono che la relazione dovrebbe essere con la terza potenza, prevedendo che le galassie debbano ruotare più lentamente per una certa quantità di massa di quanto non facciano effettivamente.

Un’alternativa all’intera idea del CDM è una comprensione modificata della gravità.

I modelli più semplici rientrano in una classe chiamata MOND, per le dinamiche newtoniane modificate. Questi modelli sostituiscono la fisica newtoniana (si pensi a Forza = massa x accelerazione) con altre relazioni che corrispondono alla velocità di rotazione osservata delle stelle all’interno delle galassie.

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Sebbene questi modelli fossero popolari quando la materia oscura fu scoperta per la prima volta negli anni ’70 e ’80, non sono riusciti a spiegare le osservazioni degli ammassi di galassie e dell’universo su larga scala; in quanto tali, la maggior parte degli scienziati ha praticamente rifiutato questi modelli.

Ma le inadeguatezze del CDM per spiegare le dinamiche galattiche interne forniscono un’apertura per la sopravvivenza dell’ipotesi MOND. Se una teoria “MONDian” vuole competere sullo stadio galattico, tuttavia, deve essere compatibile con le nostre altre teorie della fisica, come la teoria speciale della relatività e la meccanica quantistica.

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Questo è esattamente ciò che Hertzberg e il suo team si sono proposti di fare. I risultati del loro studio sono stati pubblicati a maggio nel database di prestampa arXiv, quindi lo studio non è stato sottoposto a revisione paritaria.

L’unica possibilità per ottenere qualcosa di nuovo [nel quadro della relatività e della meccanica quantistica] è aggiungere nuovi gradi di libertà“, ha spiegato Hertzberg in un’intervista a WordsSideKick.com. In altre parole, per far funzionare le teorie MONDian con la fisica conosciuta, devi aggiungere un sacco di cose strane alle teorie.

Nell’esaminare quella roba funky, Hertzerg e collaboratori trovarono “alcuni problemi teorici in agguato in questi tentativi“.

Ad esempio, Hertzberg ei suoi collaboratori hanno esaminato se le teorie MONDiane proteggono due principi: località e causalità. La località è il concetto che gli oggetti sono direttamente influenzati solo dall’ambiente circostante – affinché un oggetto possa influenzare un altro, deve trasmettere quell’influenza tramite qualcosa come una forza che viaggia a una velocità finita.

La causalità è la semplice nozione che tutti gli eventi hanno una causa.

Se una teoria viola la località e / o la causalità, è improbabile che si adatti alle nostre teorie della fisica, che proteggono entrambi i principi.

Se si rinuncia ai principi di causalità e località, significa che non siamo essenzialmente in grado di spiegare la struttura del modello standard della fisica delle particelle e della relatività generale, poiché sono alcuni dei principi centrali che entrano nella costruzione di queste teorie principali“, ha detto Hertzberg. “In altre parole, se la causalità fosse stata gravemente violata in natura, probabilmente l’avremmo già vista in varie correzioni alla fisica delle particelle in laboratorio o nei test di gravità nello spazio“.

In altre parole, avremmo dovuto notarlo ormai.

Poiché tutte le prove disponibili indicano che la località e la causalità sono preservate (almeno su scala macroscopica), allora dovrebbero essere considerate da qualsiasi nuova teoria della fisica. Il team di fisici ha messo alla prova le teorie MONDian e ha scoperto che contengono caratteristiche che consentono la non località e l’acausalità.

In altre parole, se le teorie MONDian sono corrette, allora è possibile che gli eventi accadano senza una causa e che gli effetti viaggino istantaneamente, il che viola il limite di velocità della luce nell’universo.

Dal momento che abbiamo scoperto che le proposte esistenti per una materia oscura radicalmente nuova e teorie simili a MOND hanno una qualche forma di acausalità, questo suggerisce che potrebbero essere incompatibilicon la fisica fondamentale, almeno nella loro forma attuale“, ha detto Hertzberg.

Potrebbe davvero essere possibile che la località e la causalità vengano violate su scala galattica, ma questo sarebbe estremamente difficile da conciliare con tutto ciò che sappiamo sulla fisica.

Quanto al futuro delle teorie MONDian, ipotizza Hertzberg, “motiva i tentativi di provare a costruire alcune classi di modelli simili che in qualche modo mantengono la causalità, ma questo sembra difficile da raggiungere. Nel nostro articolo, mostriamo che una forma generalizzata di questi modelli fallisce le prove di cui sopra per la coerenza“.

Tuttavia, il paradigma della “materia oscura fredda” ha difficoltà a spiegare i dettagli della fisica galattica. Potrebbero, però, esserci ragioni molto più banali per questo piuttosto che ribaltare tutta la fisica conosciuta. Modellare il modo in cui le galassie si formano ed evolvono, anche solo tenendo conto di tutti i processi disordinati in cui la materia normale gioca un ruolo, è molto difficile. Forse, una comprensione più sofisticata delle galassie fornirà una spiegazione per la relazione barionica Tully-Fisher osservata.

E CDM è di gran lunga la migliore spiegazione che abbiamo.

La cosa fantastica del CDM è che teoricamente si trova su un terreno solido e supera tutti i test di coerenza teorici di cui sopra, anche se non fa parte del modello standard della fisica delle particelle“, ha detto Hertzberg. “Il motivo per cui dico che è su un terreno solido è che non esiste una ragione teorica nota per cui non dovrebbero esserci alcune particelle stabili e neutre là fuori nell’universo che non si accoppiano molto a noi. Quindi il CDM è rinforzato, per ora, come idea principale“.

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