Cosa è la materia oscura e come influisce sull'evoluzione dell'universo?

La materia oscura è uno dei misteri più affascinanti della cosmologia moderna. Sebbene non sia visibile attraverso la radiazione elettromagnetica, la sua esistenza è inferita dalle sue influenze gravitazionali sulle galassie e sulle strutture cosmiche. La sua scoperta ha cambiato profondamente la nostra comprensione dell'universo, eppure la natura di questa materia rimane ancora una questione aperta. Negli anni, diverse ipotesi si sono susseguite, ma nonostante i progressi, il modello perfetto è ancora da trovare. Ciò che rende questa ricerca entusiasmante è il fascino di ciò che ci sfugge: la seduzione irresistibile di una risposta appena intravista.

Le evidenze raccolte finora suggeriscono che la materia oscura avvolge le galassie, contribuendo a dare loro la forma che vediamo oggi. Si estende nello spazio intergalattico e costituisce più di cinque sesti della materia dell'intero universo. Gioca un ruolo fondamentale nella sua formazione. A differenza della materia ordinaria, che può dissipare energia emettendo onde elettromagnetiche, come una stella che irradia luce, la materia oscura non emette radiazione. Di conseguenza, essa conserva più energia ed è più stabile, tendendo a formare strutture più durevoli e compatte.

L'influenza gravitazionale della materia oscura ha permesso alla materia ordinaria di densificarsi abbastanza velocemente da sopravvivere all'espansione dell'universo durante la formazione delle strutture primordiali, dando vita ad aggregati enormi come gli ammassi di galassie. Oggi, la materia oscura si organizza in ammassi e filamenti che avvolgono e abbracciano la materia ordinaria e luminosa di cui siamo direttamente esperienti, come la Via Lattea e altre galassie. Queste strutture cosmiche locali contrastano l'espansione dell'universo, impedendo alle galassie di disperdersi. Questo modello, che ci consente di capire come si sono formati gli oggetti che vediamo nel cielo, è però incompleto in diversi aspetti. Alcuni fenomeni astronomici non possono essere spiegati assumendo che la materia oscura sia composta solo da particelle nel senso classico del termine.

Questi fenomeni suggeriscono la necessità di una riformulazione delle leggi della gravità. Alcuni teorici hanno proposto, quindi, una modifica della seconda legge fondamentale della dinamica di Newton, che lega la forza esercitata su un corpo alla sua massa e accelerazione. Le teorie che derivano da questa idea sono note come MOND (dinamiche newtoniane modificate) e si basano sulla modifica del legame tra forza, massa e accelerazione. Queste teorie cercano di spiegare, ad esempio, la discrepanza osservata nella velocità di rotazione delle stelle nelle galassie senza ricorrere alla materia oscura. Tuttavia, nessuna di queste teorie ha ancora trovato una formulazione convincente e rimangono altamente dibattute.

Nel tentativo di conciliare queste due visioni, cioè quella delle particelle di materia oscura e quella delle modifiche alla gravità, è stata proposta una teoria affascinante nel 2015 dai fisici Lasha Berezhiani e Justin Khoury. La loro proposta si ispira a un fenomeno ben conosciuto della fisica: la transizione di fase. Le transizioni di fase, come il passaggio dall'acqua allo stato solido (ghiaccio), descrivono mutazioni drastiche nel comportamento di un sistema fisico che richiedono una diversa formulazione matematica. Allo stesso modo, la materia oscura potrebbe comportarsi come un superfluido all'interno delle galassie. Questo ipotetico superfluido sarebbe un sistema privo di frizione interna, caratterizzato dal comportamento collettivo delle sue particelle, che interagiscono anche a grandi distanze grazie agli effetti quantistici.

La teoria del superfluido è ancora speculativa, ma ha suscitato interesse poiché potrebbe spiegare come la materia oscura si condensi in gocce attorno alle galassie, come il vapore acqueo si condensa nell'aria a causa della presenza di polvere atmosferica. Indipendentemente dalla validità di questa teoria, l'immagine poetica della materia oscura che si trasforma in "pioggia invisibile" rappresenta una suggestiva visione del nostro universo.

Nel corso della storia della cosmologia, le scoperte e le teorie hanno spesso spinto i confini della nostra comprensione. Nel 1917, Einstein introdusse un errore nelle sue equazioni generali della relatività per descrivere un universo statico, che si rivelò incompatibile con la successiva scoperta dell'espansione dell'universo. Negli anni '90, osservazioni di supernove portarono a una scoperta sorprendente: l'espansione dell'universo stava accelerando. Questo risultato ha suggerito l'esistenza di una forma di energia oscura, un misterioso "motore cosmico" che, opponendosi alla gravità, fa espandere lo spazio. La materia oscura e l'energia oscura sono ora tra i principali enigmi cosmologici, e la loro comprensione profonda cambierà probabilmente per sempre il nostro concetto di universo.

Oggi, la scienza è ancora alla ricerca di una spiegazione completa della materia oscura. L'esplorazione delle teorie, dai modelli di particelle ai concetti più radicali come i superfluidi, è solo all'inizio. Le sfide sono enormi, ma anche in questa complessità si nasconde il fascino di una conoscenza che si rivela lentamente, come un velo che si solleva, svelando poco a poco la vera natura dell'universo.

Cos'è l'Inflazione Eterna e come Influisce sull'Origine dell'Universo

L'idea che l'Universo stia attraversando un'inflazione "eterna" solleva una visione completamente nuova e affascinante della nostra realtà. Questo processo di inflazione, che potrebbe essersi verificato più volte nel corso della storia cosmica, ha portato alla formazione di innumerevoli "bolle" di spazio-tempo, piene di materia e radiazione. Ogni bolla, o universo separato, vive al di fuori dell'inflazione predominante, sospesa nell'espansione infinita di un multiverso che cresce senza sosta. Queste bolle sono mondi indipendenti, inaccessibili, governati da leggi fisiche proprie, con costanti fondamentali specifiche, e occupate da particelle che potrebbero essersi formate attraverso meccanismi diversi da quelli che conosciamo.

Da questa nuova prospettiva di inflazione eterna, l'Universo stesso è solo una di queste bolle, una versione di possibili configurazioni casuali di materia ed energia generate dall'inflazione. La domanda sul perché le costanti fondamentali dell'Universo abbiano valori così estremamente precisi – gli unici compatibili con la nostra esistenza – assume un significato diverso. Si supera la seduzione di un modello antropocentrico. E anche la domanda sul perché l'energia oscura abbia un valore così peculiare trova una risposta: ogni bolla potrebbe possedere costanti fondamentali e densità di energia oscura diverse dalle altre. La nostra bolla è semplicemente l'unica che abitiamo, quella che ha i parametri e la quantità di energia necessari a garantire l'emergere di un Universo con le caratteristiche che osserviamo.

Questo nuovo paradigma sfida l'illusione della "centralità" del nostro mondo. Il nostro Universo non è né speciale né unico. Come scriveva Michel Cassé, la scienza è una lunga battaglia contro il geocentrismo e l'antropocentrismo, un progressivo decentramento che provoca dolore narcisistico in alcuni, estasi e liberazione in altri. L'idea di un multiverso popolato da innumerevoli "universi-bolla", governati da leggi fisiche differenti, pur essendo bizzarra, potrebbe trovare fondamento in un elemento importante della fisica teorica contemporanea: la teoria delle stringhe.

Partendo dalla materia, la teoria del Modello Standard fornisce una descrizione di tutti i costituenti della materia sotto forma di particelle elementari e delle loro interazioni fondamentali. Se esaminassimo la materia come se stessimo disimballando una bambola russa, troveremmo l'atomo, che contiene un nucleo, che a sua volta contiene neutroni e protoni. Scendendo ancora più in profondità, troveremmo i costituenti ultimi, i quark. Queste particelle non hanno massa intrinseca; la acquisiscono invece attraverso l'interazione con una particella effimera, il bosone di Higgs, che è stato osservato nel 2012 grazie all'acceleratore di particelle LHC del CERN. Oggi, la teoria delle stringhe è una delle teorie più accettate (sebbene con riserve e limitazioni) per spiegare l'esistenza di tutte le particelle incluse nel Modello Standard. Ma non è solo questo. Essa fornisce anche una risposta a una delle questioni centrali della fisica moderna: come integrare i principi della relatività generale con quelli della meccanica quantistica e tracciare l'origine microscopica di tutte le forze fondamentali, compresa la gravità.

Secondo la teoria delle stringhe, i costituenti ultimi della materia non sono "puntuali", come immaginiamo che siano i quark e i leptoni. Esiste un altro strato. Addentrandoci ancora di più, troviamo qualcosa di diverso: gli elementi fondamentali della materia, filamenti di energia che, vibrando a frequenze specifiche, generano le particelle che osserviamo. Come le corde di un violino che, a seconda della vibrazione a cui sono sottoposte, producono una vasta gamma di note. Le stringhe possono presentarsi in due forme: chiuse o aperte. Le stringhe chiuse possono propagarsi in tutte le direzioni nello spazio e descrivono il comportamento dei gravitoni (le particelle che mediano la gravità, mai osservate direttamente). Le stringhe aperte, invece, esistono solo nelle quattro dimensioni dello spazio-tempo e descrivono il comportamento dei mediatori delle forze fondamentali, come i fotoni e i gluoni. Queste stringhe aperte sono collegate ai loro estremi a membrane multidimensionali chiamate D-brane (brani di Dirichlet). I punti di attacco delle stringhe collegate al D-brane possono essere considerati come particelle puntiformi. Potremmo anche pensare al nostro Universo come a uno stack tridimensionale di D-brane con molte stringhe attaccate che appaiono come particelle.

A differenza della relatività generale, la teoria delle stringhe richiede più di tre dimensioni spaziali per essere matematicamente coerente. Alcune formulazioni immaginano 25 dimensioni spaziali, altre 9 o 10. Le dimensioni extra che erano presenti all'inizio dell'Universo potrebbero essersi compattate o arricciate nel tempo a dimensioni impercettibili per i sensi umani. La loro esistenza potrebbe essere provata solo con esperimenti che coinvolgano energie estremamente elevate.

Le dimensioni extra, avvolte su sé stesse, presentano una soluzione interessante al "problema gerarchico" apparentemente inspiegabile. Come abbiamo visto, delle quattro forze fondamentali, quella gravitazionale è di gran lunga la più debole, addirittura 40 ordini di grandezza più debole della forza nucleare forte. Poiché le stringhe chiuse, che mediano la forza di gravità, possono muoversi in tutte le direzioni, parte dell'intensità del campo gravitazionale si dissipa all'interno delle dimensioni compatte. La gravità diventa simile a una sorgente d'acqua dispersa in mille rivoli. Al contrario, altre forze, come quella elettromagnetica, sono mediate da stringhe aperte e quindi sono limitate a propagarsi solo nelle dimensioni spazio-temporali che osserviamo, senza disperdersi nelle dimensioni extra. Non è facile immaginare dimensioni grandi e facilmente visibili insieme a dimensioni minuscole, ripiegate su sé stesse, così piccole che, anche se fossimo circondati da esse, non riusciremmo a percepirle.

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Come la relatività speciale trasforma la nostra percezione della realtà

La relatività speciale, proposta da Albert Einstein nel 1905, ha cambiato profondamente la nostra comprensione della realtà, non tanto perché il mondo diventi diverso, ma perché il nostro modo di osservarlo cambia. Uno degli esperimenti più affascinanti che conferma la validità di questa teoria riguarda i muoni, particelle subatomiche instabili che viaggiano vicino alla velocità della luce. Queste particelle, quando vengono emesse dallo spazio profondo e entrano nell'atmosfera terrestre, sembrano sfidare le leggi della fisica classica.

I muoni hanno una vita media di circa 2,2 microsecondi. Se li consideriamo fermi, come accade in laboratorio, essi si decaderanno rapidamente in un tempo che è insufficiente per percorrere lunghe distanze. Se emessi ad alta velocità dalla cima dell’atmosfera, tuttavia, si osserva un fenomeno sorprendente: i muoni arrivano al livello del mare ancora "vivi", nonostante la loro breve durata di vita. Questo accade perché, secondo la relatività speciale, quando una particella si muove ad una velocità vicina a quella della luce, il suo tempo di vita si dilata: il tempo misurato dall'osservatore sulla Terra è più lungo rispetto al tempo che percepisce la particella stessa. Questo fenomeno è noto come "dilatazione del tempo" ed è una delle dimostrazioni sperimentali più potenti della teoria di Einstein.

La relatività speciale sfida anche il concetto di velocità della luce. Nella teoria di Maxwell, la luce è descritta come un'onda elettromagnetica che si propaga nel vuoto alla velocità di circa 300.000 chilometri al secondo. Ma Einstein scoprì che la velocità della luce può essere modificata quando attraversa materiali diversi dal vuoto. In acqua, ad esempio, la luce si sposta più lentamente, a circa 225.000 chilometri al secondo. Tuttavia, fenomeni come i neutrini, particelle che interagiscono debolmente con la materia, non subiscono questo rallentamento e si muovono quasi alla stessa velocità della luce nel vuoto.

Un altro esempio che evidenzia la relatività della luce è il fenomeno della rifrazione, che si verifica quando la luce attraversa il confine tra due mezzi diversi, come l'aria e l’acqua. Quando la luce passa dall'aria nell’acqua, cambia direzione a causa delle differenze nella velocità di propagazione tra i due mezzi. Questo fenomeno non solo fa apparire una cannuccia immersa in un bicchiere d’acqua "piegata", ma implica anche che il percorso più veloce per un oggetto che desidera raggiungere un punto sott’acqua non è la linea retta, ma una traiettoria spezzata, come quella seguita dalla luce. Questo esempio aiuta a capire come la luce non perda tempo nel trovare il percorso più rapido, proprio come un subacqueo cercherebbe la via più veloce per arrivare a un punto sott’acqua.

Nel 1905, l’anno che è passato alla storia come l'annus mirabilis della fisica, Einstein pubblicò una serie di lavori che hanno rivoluzionato diversi ambiti della scienza. Oltre alla sua famosa teoria della relatività speciale, Einstein propose anche una nuova visione del comportamento della luce, introducendo il concetto di "quantizzazione" della radiazione elettromagnetica, che avrebbe poi dato origine alla teoria quantistica. La sua spiegazione del cosiddetto effetto fotoelettrico dimostrò che la luce, oltre ad avere una natura ondulatoria, possiede anche una componente particellare, i cosiddetti "quanti di luce", che oggi chiamiamo fotoni.

Nel suo studio sul moto delle particelle microscopiche sospese nei liquidi, Einstein spiegò anche il fenomeno del moto browniano, un movimento apparentemente casuale delle particelle in un fluido. Questo lavoro è fondamentale per comprendere la natura delle molecole e dei fluidi a livello microscopico, e fu una delle prime applicazioni della statistica alla meccanica dei fluidi.

Nel suo quarto lavoro del 1905, Einstein sollevò una questione cruciale per la relatività: se l'inerzia di un corpo dipenda dalla sua energia. In questa ricerca, che portò alla famosa formula E = mc², Einstein rivelò la profonda connessione tra massa ed energia, una relazione che avrebbe trasformato il nostro modo di concepire la materia e l’energia.

A tutto ciò va aggiunto che la teoria della relatività speciale non è solo una questione di tempo e spazio, ma porta con sé una riflessione più profonda: la nostra percezione della realtà è legata al nostro punto di vista, al nostro sistema di riferimento. Ogni osservatore, sebbene possa percepire il mondo in modo diverso a seconda della sua velocità e posizione, è ugualmente valido nel suo sistema di riferimento. La relatività ci invita a considerare che non esistono punti di vista privilegiati, ma solo prospettive relative, tutte influenzate dalla velocità e dalla posizione dell'osservatore.

Infine, è importante comprendere che la relatività non è solo una curiosità teorica, ma ha applicazioni pratiche molto concrete, come la correzione dei segnali GPS, che deve tener conto degli effetti relativistici per garantire la precisione della localizzazione. La relatività ha dunque un impatto diretto sulla tecnologia che usiamo ogni giorno, dimostrando quanto profondamente le teorie scientifiche possano interagire con la realtà quotidiana.