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Un modello non standard – l’ipotesi MOND – prima parte

La maggior parte dei cosmologi afferma che la materia oscura deve esistere. Finora, non si trova da nessuna parte. Una teoria rivale, l'ipotesi MOND, ampiamente disprezzata spiega perché

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La teoria standard della cosmologia è chiamata modello Lambda della materia oscura fredda (CDM). Come suggerisce il nome, la teoria postula l’esistenza della materia oscura, una sostanza misteriosa che (secondo i teorici) comprende la maggior parte della materia nell’Universo.

Ogni cosmologo che lavora oggi è stato educato nella tradizione del Modello Standard e praticamente tutti danno per scontata l’esistenza della materia oscura. Nelle parole del premio Nobel PJE Peebles:Le prove per la materia oscura del Big Bang caldo che è in grado di fornire la cosmologia sono buone quanto quelle delle scienze naturali“.

C’è un problema, tuttavia.

Per quattro decenni e oltre, gli scienziati non sono riusciti a rilevare particelle di materia oscura nei laboratori terrestri. Si potrebbe pensare che questo abbia generato qualche dubbio sul modello cosmologico standard, ma tutte le indicazioni sono contrarie.

Secondo l’edizione 2014 della prestigiosa Review of Particle Physics: “Il modello di concordanza [della cosmologia] è ora ben consolidato e sembra che ci sia poco spazio per una revisione drammatica di questo paradigma“. Tuttavia, la mancanza di conferme sperimentali non dovrebbe almeno farci riflettere?

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In effetti, ci sono teorie cosmologiche in competizione, e non tutte comprendono la materia oscura. Il concorrente di maggior successo si chiama dinamica newtoniana modificata (MOND).

Le osservazioni che sono spiegate nel Modello Standard invocando la materia oscura sono spiegate in MOND postulando una modifica alla teoria della gravità. Se gli scienziati avessero confermato l’esistenza delle particelle oscure, ci sarebbero poche motivazioni per esplorare teorie come MOND ma, data l’assenza di rilevazioni, l’esistenza di una valida teoria alternativa priva di materia oscura ci invita a chiederci: esiste davvero la materia oscura?

I filosofi della scienza sono affascinati da tali situazioni, ed è facile capire perché. Il modo tradizionale di valutare la verità o la falsità di una teoria è testare le sue previsioni. Se una previsione è confermata, tendiamo a credere alla teoria; se la previsione viene confutata, tendiamo a non crederci. E così, se due teorie sono ugualmente in grado di spiegare le osservazioni, sembrerebbe non esserci modo di decidere tra di esse.

Cosa deve fare un povero scienziato? Come deciderà? Si scopre che i filosofi hanno alcuni suggerimenti. Sottolineano che le teorie scientifiche possono raggiungere la corrispondenza con i fatti in due modi molto diversi.

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Il modo “cattivo” è tramite un accomodamento post-hoc: la teoria viene adattata, o aumentata, per allinearla con ogni nuovo dato non appena diventa disponibile. La via ‘buona’ è attraverso la previsione preventiva: la teoria predice correttamente i fatti prima della loro scoperta, senza – e questo è cruciale – aggiustamenti alla teoria originale.

Probabilmente è sicuro dire che nessuna teoria ottiene tutto esattamente al primo tentativo. Ma i filosofi sono quasi unanimi nell’affermare che la previsione preventiva e di successo di un fatto assegna una garanzia maggiore per la fede nella teoria predittiva rispetto all’accomodamento post-hoc di quel fatto.

Ad esempio, il filosofo della scienza Peter Lipton ha scritto: “Quando i dati devono essere sistemati… lo scienziato conosce la risposta che deve ottenere, e fa tutto il necessario per ottenerla… Nel caso della previsione, al contrario, non c’è motivo di falsificare, poiché lo scienziato non conosce il risultato in anticipo… Di conseguenza, se la previsione risulta corretta, fornisce una ragione più forte per credere alla teoria che l’ha generata”.

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Alcuni filosofi spingono fino a sostenere che gli unici dati che possono dare qualsiasi sostegno ad una teoria sono dati che sono stati previsti in anticipo sulla conferma sperimentale; nelle parole del filosofo Imre Lakatos, “l’unica evidenza rilevante è l’evidenza anticipata da una teoria“.

Poiché solo una (al massimo) di queste due teorie cosmologiche può essere corretta, ci si potrebbe aspettare che solo una di esse (al massimo) riesca a raggiungere la corrispondenza con i fatti nel modo preferito. Quell’aspettativa si rivela esattamente corretta. E (spoiler alert!) non è il Modello Standard la teoria favorita secondo il criterio dei filosofi.

È MOND

La materia oscura è stata una risposta a un’anomalia sorta, alla fine degli anni ’70, dalle osservazioni di galassie a spirale come la nostra Via Lattea. La velocità con cui le stelle e le nubi di gas orbitano attorno al centro di una galassia dovrebbe essere prevedibile data la distribuzione osservata della materia nella galassia.

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L’ipotesi qui è che la forza gravitazionale della materia osservata sia responsabile del mantenimento delle stelle nelle loro orbite circolari, proprio come la gravità del Sole mantiene i pianeti nelle loro orbite.

Ma questa previsione è stata decisamente contraddetta dalle osservazioni. Si è scoperto che, sufficientemente distanti dal centro di ogni galassia a spirale, le velocità orbitali sono sempre più alte del previsto. Questa anomalia doveva essere considerata.

I cosmologi avevano una soluzione. Hanno postulato che ogni galassia è incorporata in un “alone di materia oscura“, una nuvola approssimativamente sferica composta da una sostanza che genera la giusta quantità di gravità extra necessaria per spiegare le alte velocità orbitali.

Poiché non osserviamo direttamente questa materia, deve consistere in una sorta di particella elementare che non interagisce con la radiazione elettromagnetica (che include la luce, ma anche le onde radio, i raggi gamma, ecc.).

All’epoca non si sapeva di nessuna particella con le proprietà richieste, né i fisici delle particelle hanno ancora trovato prove nei loro esperimenti di laboratorio per una tale particella, nonostante le ricerche molto approfondite dall’inizio degli anni ’80. I cosmologi avevano la loro soluzione per l’anomalia della curva di rotazione, ma mancavano i dati concreti per eseguirne la verifica.

Milgrom ha preso sul serio la possibilità che la teoria della gravità potesse essere semplicemente sbagliata.

Nel 1983 è stata proposta una spiegazione alternativa per l’anomalia della curva di rotazione di Mordehai Milgrom, fisico del Weizmann Institute of Science in Israele. Milgrom notò che i dati anomali avevano due regolarità sorprendenti che non erano spiegate dall’ipotesi della materia oscura.

Primo: le velocità orbitali non sono semplicemente maggiori del previsto. In ogni galassia, la velocità orbitale aumenta man mano che ci si allontana dal centro e quindi rimane ad un valore elevato per quanto le osservazioni lo consentono. Gli astronomi chiamano questa proprietà “piattezza asintotica della curva di rotazione“.

Secondo: le velocità orbitali anormalmente elevate compaiono invariabilmente in regioni dello spazio in cui le accelerazioni dovute alla gravità scendono al di sotto di un certo valore caratteristico e molto piccolo. Cioè: si può prevedere, in qualsiasi galassia, esattamente dove i moti inizieranno a deviare dalla dinamica newtoniana.

Questo valore di accelerazione caratteristica è molto inferiore l’accelerazione dovuta alla gravità del Sole in qualsiasi punto del nostro sistema solare. Quindi, misurando le velocità orbitali alla periferia delle galassie a spirale, gli astronomi hanno testato la teoria gravitazionale in un modo che non era mai stato fatto prima.

In tre articoli pubblicati nel 1983, Milgrom ha proposto una semplice modifica alle leggi di Isaac Newton che mettono in relazione la forza gravitazionale con l’accelerazione (la teoria di Albert Einstein si riduce alla teoria più semplice di Newton nel regime delle galassie).

Il lavoro di Milgrom dimostrò che la sua modifica predice correttamente la piattezza asintotica delle curve di rotazione orbitale.

Milgrom è stato attento a riconoscere di aver progettato la sua ipotesi per produrre quel risultato noto. Ma la sua teoria prevedeva anche che la forza gravitazionale effettiva fosse calcolabile data la distribuzione osservata della sola materia normale, non solo nel caso di accelerazioni ultra basse, ma ovunque. E quando gli astronomi hanno testato questa previsione audace, hanno scoperto che era corretta.

L’ipotesi di Milgrom predice correttamente la curva di rotazione di ogni galassia che è stata testata in questo modo. E lo fa senza postulare la presenza di materia oscura.

Si noti la netta differenza tra il modo in cui le due teorie spiegano i dati anomali della curva di rotazione. Il modello cosmologico standard esegue una manovra ad hoc: postula semplicemente l’esistenza di qualsiasi quantità e distribuzione di materia oscura necessaria per riconciliare i moti stellari osservati con le leggi di Newton.

Considerando che l’ipotesi di Milgrom predice correttamente le velocità orbitali data la distribuzione osservata della sola materia normale. Nessun teorico del modello standard ha mai escogitato un algoritmo in grado di fare qualcosa di così impressionante.

Qualsiasi filosofo sosterrebbe che questo successo predittivo della teoria di Milgrom ci dà una garanzia per credere che la sua teoria – al contrario del Modello Standard – sia corretta.

Ma la storia non finisce qui.

La teoria di Milgrom fa una serie di altre nuove previsioni che sono state confermate dagli astronomi osservativi. Rendere giustizia a tutto questo richiederebbe un libro, ma citerò qui un esempio: la teoria di Milgrom prevede che la massa totale di una galassia nella materia normale (non oscura), che gli astrofisici amano chiamare “massa barionica“, è proporzionale alla quarta potenza della velocità di rotazione misurata lontano dal centro della galassia. Anche questa nuova previsione si è rivelata corretta (per oscure ragioni storiche, la relazione predetta da Milgrom è oggi chiamata la “relazione barionica Tully-Fisher” o BTFR).

L’astrofisica è piena di correlazioni tra le quantità osservate, ma relazioni esatte come il BTFR sono sconosciute.

Cosa prevederebbe un cosmologo del modello standard per una relazione come il BTFR? La risposta semplice è: niente. La loro teoria non contiene alcuna prescrizione per mettere in relazione la massa barionica di una galassia con la sua velocità di rotazione asintotica.

Ma gli astrofisici sono diligenti e intelligenti, e hanno messo a punto un modo per cercare di soddisfare le relazioni come la BTFR sotto la Λmodello CDM.

Il loro schema consiste nell’effettuare simulazioni al computer su larga scala della formazione e dell’evoluzione delle galassie, partendo da condizioni iniziali uniformi nell’Universo primordiale. Le galassie simulate possono quindi essere “osservate” e le loro proprietà tabulate.

I primi tentativi di questo tipo non hanno prodotto nulla di molto simile alla relazione prevista da Milgrom. Ma nei decenni successivi, i teorici hanno escogitato meccanismi più o meno plausibili per collegare la materia normale e oscura nelle loro galassie simulate, in modo tale da poter ottenere qualcosa che si avvicini al BTFR.

Il meccanismo attualmente preferito, chiamato “feedback“, si basa sull’idea (ragionevole) che parte del gas che altrimenti si condenserebbe in stelle viene espulso dall’alone scuro dalle stelle stesse, tramite venti stellari o esplosioni di supernova.

I teorici del modello standard non sono ancora riusciti a riprodurre il BFTR tramite le loro simulazioni. Ma supponiamo che, un giorno, ci riescano. Quel successo sosterrebbe la loro teoria cosmologica, nello stesso modo in cui la riuscita previsione ab initio della relazione di Milgrom avvalora la sua ipotesi?

Il problema non è che la teoria rivale sia troppo complicata; è che il Modello Standard è troppo semplice.

I filosofi della scienza hanno una risposta: un sonoro “no”.

John Worrall, per esempio, scrive che “quando una teoria ha rappresentato un insieme di fatti mediante aggiustamento di parametri, mentre un rivale spiega gli stessi fatti direttamente e senza espedienti, allora il rivale ottiene supporto da quei fatti”.

Da questo punto di vista, non importa se i parametri da regolare sono destinati a rappresentare processi fisici effettivi (come il feedback) o meno. Il fatto che l’ipotesi di Milgrom preveda correttamente la relazione ‘senza espedienti’ significa che essa ‘vince’: è l’unica ipotesi che trae supporto da quei dati.

Ora, la preferenza da parte dei filosofi per teorie scientifiche che predicono in anticipo leggi o rapporti prima sconosciuti è abbastanza in linea con la preferenza che gli stessi scienziati hanno espresso, più e più volte, da secoli.

Ad esempio, Gottfried Wilhelm Leibniz scrisse nel 1678: “Queste ipotesi meritano la massima lode… con il cui aiuto si possono fare previsioni, anche su fenomeni o osservazioni che non sono stati verificati prima“. E quindi sorge spontanea la domanda: perché la maggior parte dei cosmologi è stata così sprezzante nei confronti di MOND, dato che MOND mostra la stessa qualità che gli scienziati apprezzano così tanto?

(seconda parte)