Energia e materia: il lato oscuro

L’universo oscuro

I conti non tornano nel modello fisico-astronomico di rappresentazione del nostro universo. Tutti i tentativi di applicare le leggi note della fisica alla totalità del cosmo portano a una conclusione: c’è “qualcosa” che si nasconde alla nostra conoscenza scientifica. Affinché le equazioni energetiche e dinamiche siano rispettate nelle loro forme note, occorre ammettere che c’è della materia e dell’energia che l’uomo non riesce ancora a rilevare, nascoste, e da qui la denominazione di “energia oscura” e “materia oscura” a queste due nuove entità “esotiche“.

Non si tratta di quantità minime o trascurabili, tutt’altro: secondo l’attuale modello cosmologico, il Modello Lambda CDM che si basa sulla relatività generale di Einstein e sul cosiddetto modello Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker FLRW, l’universo è composto dal 5% di materia ordinaria, 25% di materia oscura e 70% di energia oscura. L’introduzione di queste due nuove entità non ha mancato di avviare dibattiti serrati nella comunità scientifica; mentre la ricerca contemporanea in cosmologia è concentrata sull’indagine delle variabili “oscure“, da un punto di vista filosofico occorre domandarsi cosa rappresentano e quanto è opportuno ammetterne l’esistenza.  Il dibattito dietro l’energia e la materia oscure riguarda la razionalità della scelta teorica: quali ragioni hanno gli scienziati per aver scelto una teoria piuttosto che un’altra? Come si possono prendere quelle decisioni razionali alla luce delle prove disponibili?

Come scegliere una teoria scientifica?

Esistono esempi nella storia della scienza che ben evidenziano il problema della razionalità della scelta della teoria e che possono rappresentare indicatori importanti anche per questo dilemma cosmologico. Consideriamo ad esempio la scoperta del pianeta Nettuno nel 1846. Il perielio anomalo del pianeta Urano era noto da tempo e due astronomi, Urbain Le Verrier e John Couch Adams, indipendentemente l’uno dall’altro, cercarono di riconciliare l’anomalia con la teoria newtoniana postulando l’esistenza di un nuovo pianeta chiamato Nettuno, la cui massa orbitale avrebbe dovuto interferire e spiegare l’orbita anomala di Urano. Il nuovo pianeta fu effettivamente osservato il 23 settembre 1846. Un fenomeno molto simile però fu osservato anche per il pianeta Mercurio, e anche in questo caso Le Verrier postulò l’esistenza di un nuovo pianeta, Vulcano, per spiegare l’anomalia osservata. Tuttavia, questa volta, il pianeta previsto non fu trovato e una spiegazione finale del fenomeno arrivò solo con l’avvento della relatività generale.

Questo esempio illustra un importante fenomeno che spesso appare nel corso delle ricerche scientifiche e di cui occorre sempre tener conto: il problema della “sottodeterminazione delle teorie da parte dell’evidenza“. Si tratta di un argomento di primaria importanza nell’ambito della filosofia della scienza e del metodo scientifico: ogni volta che abbiamo più di una teoria o ipotesi scientifica, le prove disponibili potrebbero non essere sufficienti per determinare la scelta di una teoria rispetto a una teoria rivale o concorrente.

Per esempio, nel caso di Urano, il perielio anomalo era la prova che qualcosa di sbagliato era contenuto nell’insieme delle ipotesi, composte dalle ipotesi principali teoriche sulla meccanica newtoniana e dall’ipotesi ausiliaria sul numero di pianeti nel sistema solare, la loro masse e orbite. Ma il perielio anomalo di per sé non ha rivelato agli scienziati se il colpevole dell’anomalia fosse l’ipotesi principale o quella ausiliaria, tant’è che nel caso di Mercurio l’evidenza finale fu diversa. Trovare la risposta giusta a queste domande potrebbe essere ben lontano dall’evidenza dei fatti.

Analizzando in maggior dettaglio l’argomento dalla sottodeterminazione e in che modo sfida la razionalità della scelta della teoria – senza peraltro scendere all’interno della complessità della questione – l’argomento procede da tre premesse a una conclusione.

• La convinzione degli scienziati per una teoria T1 è giustificata (cioè, hanno buone ragioni per credere che la teoria T1 sia vera);

• La teoria scientifica T1 deve essere enunciata alla lettera (es: se la teoria parla di moti planetari, dobbiamo assumere ciò che la teoria stabilisce sui moti planetari attenendosi rigorosamente al senso proprio delle parole, testualmente)

• T1 è “empiricamente equivalente” a un’altra teoria T2 quando T1 e T2 hanno le stesse conseguenze empiriche.

Date queste tre premesse, si può trarre la conclusione che i punti due e tre implicano congiuntamente che il punto uno debba essere falso. In altre parole, gli scienziati non sono giustificati nel credere che una teoria T1 sia vera, o corrisponda al modo in cui le cose sono effettivamente in natura, se esiste un’altra teoria rivale, T2, che è empiricamente equivalente a T1.

Tornando al nostro argomento, dovremmo chiederci quali sono le prove del modello di concordanza in cosmologia e se anche in questo caso potrebbero esserci rivali empirici equivalenti. Queste domande sono ancora più urgenti se si considera che la ricerca di energia oscura e materia oscura è ancora in corso attraverso ampie indagini galattiche.

Eppur qualcosa c’è!

È noto da tempo che l’Universo si sta espandendo, il che si traduce nel fatto che gli oggetti nell’Universo si allontanano tra loro nel tempo. Osservando un oggetto galattico che si allontana, la sua luce sarà gradualmente traslata verso le frequenze più basse (redshift) a causa dell’effetto Doppler. Poiché l’Universo si sta espandendo, ci si attenderebbe che la luce proveniente dalle supernove nelle galassie lontane venga spostata verso la parte rossa dello spettro, e in effetti questo è ciò che si osserva. Tuttavia, nel calcolare la quantità prevista di slittamento verso il rosso per le supernove in base alla distanza che conosciamo, esse sembrano essere troppo “rosse” per tenere conto del tasso di espansione calcolato dell’Universo. Ciò significa che le galassie distanti si stanno allontanando da noi molto più rapidamente del previsto e – di conseguenza – l’Universo si espande più rapidamente di quanto si pensasse in precedenza. Cosa potrebbe causare questa espansione accelerata? Nessuno lo sa per certo, ma il termine “energia oscura” è stato coniato per descrivere questo fenomeno e per spiegare l’enorme percentuale di energia-massa mancante.

L’energia oscura è anche nota come “energia del vuoto” poiché si ritiene che sia l’energia intrinseca dello spazio vuoto e la sua identità rimane ancora un mistero, anche se la spiegazione più semplice è conosciuta come la “costante cosmologica” (Einstein), così chiamata perché la sua densità è costante nello spazio e nel tempo. La costante è una soluzione elegante al problema dell’energia oscura perché spiega molte osservazioni cosmologiche con un semplice numero: la densità dell’energia del vuoto. Sappiamo quanta energia oscura esiste perché sappiamo come influenza l’espansione dell’universo. Oltre a questo, è un mistero completo.

Per quanto riguarda invece la materia oscura, osservando attentamente la velocità di rotazione delle nubi di gas nelle galassie, gli astronomi hanno determinato l’intensità della forza gravitazionale delle galassie (secondo la teoria di Einstein) a varie distanze dai loro centri. Tutte le stelle orbitano intorno al centro galattico, dove è situato il centro di massa di una galassia e compiono una rivoluzione completa in tempi più o meno lunghi, a seconda di quanto siano lontane dal centro. La forza di gravità è tale che per mantenere un’orbita stabile intorno al centro di massa di un sistema è richiesta maggiore velocità quando si è vicini al centro e minore velocità quando si è lontani. Ma quello che si è scoperto è sorprendente: la curva di rotazione delle galassie, cioè la variazione della velocità orbitale delle stelle in funzione di quanto sono lontane dal centro della galassia, è molto meno ripida di quello che dovrebbe essere. In altre parole, le stelle più lontane dal centro galattico orbitano quasi con la stessa velocità delle stelle più vicine al centro. Ciò può significare una cosa soltanto: nelle galassie c’è molta più materia di quella visibile tenendo conto della quantità totale di stelle, gas e polveri diffuse. La teoria scientifica standard sembra indicare che la maggior parte della materia in queste galassie è completamente invisibile e ulteriori osservazioni astronomiche hanno confermato questa incoerenza.

Gli scienziati sono concordi su alcune proprietà della materia oscura. Primo, la materia oscura non interagisce con la luce o con nessun’altra forma di elettromagnetismo; inoltre, poiché esiste una forte evidenza che la materia oscura fosse esistita ben prima che le particelle fondamentali iniziassero a formare atomi, gli scienziati hanno concluso che la materia oscura è probabilmente composta da una o più particelle subatomiche stabili ancora sconosciute e inosservate.

Le teorie concorrenti

Vista la natura ancora estremamente molto incerta delle teorie sull’energia e la materia “oscure“, esistono certamente teorie rivali e concorrenti a tali determinazioni. Per quanto riguarda l’energia oscura, esistono sostanzialmente due anti-teorie:

1. Il modello non omogeneo di Lemaitre-Tolman-Bondi (o LTB). Contrariamente a quanto afferma il modello standard FLRW, che presuppone che l’Universo sia approssimativamente omogeneo e isotropo, cioè abbia la stessa struttura uniforme in tutte le posizioni e direzioni spaziali, il modello LTB nega l’omogeneità e presume che ci siano variazioni spaziali nella distribuzione della materia nell’Universo. La Terra , secondo questo modello, si troverebbe in una regione di densità ridotta o “vuoto” dell’Universo (una “bolla di Hubble“), che si sta espandendo a un ritmo più veloce della media.

2. Modifica della Relatività Generale di Einstein. I sostenitori di questa teoria affermano che la Relatività Generale debba essere integrata con altri valori di gravità modificata.

La maggior parte dei cosmologi trova il modello LTB poco “attraente”, perché ci posiziona in una posizione molto speciale (una “bolla di Hubble“) nell’universo. Ciò viola il cosiddetto “Principio Copernicano” secondo cui la Terra non è in una posizione centrale o di particolare privilegio e le creature umane non sono osservatori privilegiati dell’universo.

Per quanto riguarda la seconda ipotesi, se la Relatività Generale fallisse sulla scala del cosmo nel suo insieme, gli oggetti più grandi come i superclusterdovrebbero iniziare a collassare a un ritmo non standard. Inoltre, non esiste un valido candidato per sostituire la Relatività Generale, pertanto né le considerazioni preliminari né le evidenze provenienti dai dati favoriscono l’abbandono della teoria di Einstein, sebbene la possibilità continui a essere investigata.

Per quanto invece concerne la materia oscura, la teoria concorrente è rappresentata dalla Dinamica Newtoniana Modificata o MOND (Modified Newtonian Dynamics), proposta da Mordehai Milgrom (1983), e nella sua forma relativistica da Jacob Bekenstein (2010). Secondo quest’ultimo «Per le galassie disco, MOND è più economico e più falsificabile (secondo il criterio di Popper, vedi nostro precedente articolo “Cosmologia: tra metafisica e scienza“) del paradigma della materia oscura». In pratica, il MOND prevede che la nota relazione newtoniana F=manon sia applicabile per le basse accelerazioni nelle periferie delle galassie.

Trattandosi di una teoria “ad hoc“, applicabile solo in alcuni casi ristretti e non generalizzata, la maggior parte della comunità dei cosmologi tende a non accettare il MOND.

Supporto empirico

Tornando al problema della sottodeterminazione, potremmo chiederci quali sono le prove disponibili per il modello di concordanza Lambda CDM? L’epistemologo francese Pierre Duhem  ha fatto notare come una singola prova negativa non invalidi necessariamente l’ipotesi teorica principale, ma possa invece indicare la necessità di introdurre un’ipotesi ausiliaria.

Se questo è il caso, allora il problema della sottodeterminazione della teoria da parte dell’evidenza si profila all’orizzonte, come mostra la tabella in figura.

Quindi, se l’argomento della sottodeterminazione è corretto, allora la scelta tra il modello di concordanza e alcuni dei suoi rivali non sembra essere una soluzione razionale.

Si potrebbe azzardare un’ipotesi sociologica del perché gli scienziati raccolgano il loro consenso attorno al modello di concordanza e all’ipotesi di energia oscura e materia oscura. Si potrebbe sostenere – infatti – che è più facile mantenere una teoria ben consolidata e ben accettata come la relatività generale più l’ipotesi ausiliaria di energia oscura, che tentare di modificare la teoria. E anche nei casi in cui abbiamo un’alternativa molto ben elaborata come MOND, si potrebbe preferire mantenere le dinamiche newtoniane tradizionali a causa della natura ad-hoc della modifica richiesta da MOND.

Eppure c’è molto di più nella scelta della teoria che non solo la capacità di due teorie rivali di implicare o comportare la stessa prova. È in questo contesto che la filosofia della scienza si appella alla nozione di “supporto empirico” come una via da seguire nel dibattito sulla sottodeterminazione della teoria attraverso l’evidenza e la razionalità della scelta della teoria. Ad esempio, il modello di concordanza non è solo empiricamente supportato da prove dirette che potremmo essere in grado di trovare un giorno sull’energia oscura e sulla materia oscura, ma è incastonato in un quadro teorico più ampio: la relatività generale. Così facendo, il modello riceve indirettamente supporto empirico da qualsiasi altra prova che è una conseguenza della più ampia struttura teorica entro cui il modello è incorporato.

Seguendo linee analoghe di ragionamento, sebbene nessuno dei fenomeni della meccanica terrestre sia direttamente rilevante per le curve di rotazione delle galassie, si potrebbe fare appello alla validità della dinamica newtoniana attraverso questo ampio spettro di fenomeni come argomentazione per un ottimo supporto empirico, che non ha bisogno di alcuna modifica ad hoc – come quelle richieste da MOND – per spiegare fenomeni anomali in cosmologia.

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La natura sembra giocare un trucco epistemologico su tutti noi. Le cose che osserviamo hanno generalmente un solo aspetto, ma quelle che non possiamo osservare potrebbero avere modi illimitati di esistenza. La materia oscura e l’energia oscura sono la soluzione più semplice a un problema complicato, eppure non c’è alcuna garanzia che possa mai essere chiarito. Non lo afferreremo mai tra le nostre mani, rimarrà fuori dal mondo: vivere in un universo che è in gran parte inaccessibile è come vivere in un regno di infinite possibilità.