L’Universo Oscuro

Ero un fisico. Ho detto "ero" perché non lo sono più. Quando mi sono laureato, infatti, ho iniziato a lavorare per IBM e ho intrapreso una carriera completamente diversa nel settore della tecnologia dell’informazione. Tuttavia, poiché essere un fisico è una vocazione, non un lavoro, ho continuato a tenere il passo con le più recenti scoperte della comunità scientifica leggendo varie riviste specializzate e giornali. All’inizio leggevo solo articoli sulle particelle ad alta energia, perché ho lavorato in quell’area al CERN, SLAC e DESY, ma col tempo ho iniziato a leggere sempre di più su quasi tutto, dall’astronomia all’antropologia, dall’archeologia alla psicologia. A proposito, sono abbonato a "Le Scienze", la versione italiana di "Scientific American", dal 1978.

Ero un fisico, ma non teorico: ero un ricercatore. Quindi, anche se avevo una buona base matematica, ero più orientato all’osservazione e alla sperimentazione, piuttosto che a riempire fogli di carta con formule. Comunque, dopo 22 anni, la mia abilità nel giocare con integrali e derivate è drasticamente diminuita a livelli pre-scolastici. Quindi, non ho più gli elementi per rappresentare idee e ipotesi usando la matematica.

Uno degli argomenti che mi interessa molto in questo periodo è la cosmologia. In particolare, come è strutturato l’Universo e perché, il suo comportamento, la sua struttura, tutto ciò che riguarda il Cosmo. Come probabilmente sapete, due aree intriganti attualmente investigate dagli scienziati riguardano l’esistenza dell’energia oscura e della materia oscura.

L’energia oscura è una forma ipotetica di energia che permea tutto lo spazio e tende ad aumentare il tasso di espansione dell’universo. Secondo i teorici, rappresenta il 74% della massa-energia totale dell’universo.

D’altra parte, la materia oscura è una materia ipotetica che non interagisce con la forza elettromagnetica, ma la cui presenza può essere dedotta dagli effetti gravitazionali sulla materia visibile. Secondo i teorici, rappresenta il 22% della massa-energia totale dell’universo.

Quindi, il 96% del Cosmo è oscuro, cioè, fatto di materia ed energia che difficilmente interagiscono con la materia e l’energia che per secoli abbiamo pensato fossero i componenti del nostro Universo, quello visibile.

Esiste una relazione tra energia oscura e materia oscura? Esiste un modello di tale universo nascosto? Bene, ecco perché sto scrivendo questo articolo. Ho avuto un’idea, o se preferite, un’intuizione. Come ho detto, non sono in grado di elaborarla per farne una vera teoria scientifica. È solo un lampo. Quindi avevo due possibilità: dimenticarla, o esporla. La prima non presenta alcun rischio, ma non genera nemmeno valore. La seconda mi esporrebbe a critiche da parte degli esperti, anche feroci. Nel peggiore dei casi la mia idea potrebbe essere considerata inconsistente, magari addirittura ridicola.

Allora, cosa fare? Nessun dubbio: ho deciso di correre il rischio e di pubblicare la mia intuizione. Nel peggiore dei casi sarà ignorata, ma è anche possibile che possa diventare il punto di partenza per ulteriori considerazioni. Quindi eccola qui.

Come sapete, l’universo è un continuum spazio-temporale che è curvato dalla presenza della materia. Potete immaginarlo come una grande membrana elastica su cui sono posizionate sfere di varie masse. Più grande è la massa, più forte è la deformazione della membrana. La quantità di deformazione è chiamata sforzo. Se una sfera si muove su quella membrana, il suo percorso dipenderà dalla forma della superficie. Passando vicino a una massa pesante, la piccola sfera devierà verso di essa, come in un vortice, dando l’apparenza di essere attratta dall’altra massa. Questo è la gravità.

Ora, cosa succede se quella membrana non è solo un elemento geometrico senza massa ed energia? E se lo spazio stesso avesse una massa? E se potessimo considerarlo davvero come una membrana elastica, una fisica, con una relazione lineare tra sforzo e deformazione? Per una molla, la relazione tra deformazione e forza applicata è regolata dalla legge di Hooke, cioè,

F = -kx

dove x è lo spostamento, F è realmente la forza esercitata dalla molla – notate il segno negativo – e k è la costante della molla. Pertanto, più grande è la costante della molla, più elastica è la molla.

In uno spazio tridimensionale, la legge è un po’ più complicata, poiché la costante di proporzionalità tra sforzo e deformazione è un tensore di ordine 4 ma il principio rimane lo stesso. Il tensore di deformazione è una matrice di 81 elementi basata su 21 coefficienti elastici indipendenti. Inoltre, se la membrana è fatta di materiali isotropici, le cui proprietà sono indipendenti dalla direzione nello spazio – e possiamo assumere che il continuum spaziale sia isotropico – il tensore di deformazione è simmetrico. In tal caso tutti i coefficienti possono dipendere solo da due costanti scalari: E, chiamato modulo di elasticità, e ν, noto come rapporto di Poisson.

Quando deformiamo una molla, immagazziniamo in essa un’energia potenziale che viene rilasciata quando la molla viene rilassata. Quella quantità di energia è data da

V = ½ kx2

Questo è vero anche per la membrana, anche se la formula è molto più complicata. In tal caso l’energia potenziale dipenderà da E e ν, ovviamente. Se una sfera pesante viene rimossa dalla superficie, infatti, assumendo che la membrana non abbia isteresi, cioè, non mostri memoria della deformazione, la superficie riprenderà la forma originale.

La mia prima ipotesi è che l’energia oscura sia la quantità totale di energia potenziale associata alla deformazione dello spazio generata da tutta la materia visibile. Dipenderebbe praticamente dalla massa visibile complessiva dell’universo e dai coefficienti di elasticità dello spazio.

Torniamo ora alla membrana che rappresenta lo spazio. Supponiamo che abbia uno spessore e una densità uniforme, cioè, supponiamo che lo spazio stesso abbia una massa finita. Supponiamo anche che quando una massa deforma lo spazio, lo spessore della membrana diminuisca in modo che la massa totale della zona deformata non cambi. Poiché la gravità è determinata dalla deformazione, la massa della membrana stessa non ha effetto sulle singole sfere, ma deve essere considerata quando pensiamo all’Universo nel suo insieme.

Quindi, la mia seconda ipotesi è che la materia oscura sia dovuta alla membrana stessa, cioè, alla massa dello spazio. È una costante, perché mentre l’Universo si espande, lo spazio diventa sempre più sottile, cioè, la densità della membrana diminuisce uniformemente. A proposito, sappiamo che l’Universo non è infinito. Quindi non lo è nemmeno la massa dello spazio.

Ma cosa succede a una membrana reale se la allunghiamo? Bene, anche la deformazione causata dalle sfere diminuisce, ma cambierebbero anche i coefficienti di elasticità. Quindi è possibile che la densità dell’energia oscura rimanga la stessa. Questo è il tipico caso in cui l’intuizione fallisce e dovrei eseguire alcuni calcoli.

E perché l’energia oscura è responsabile dell’accelerazione dell’espansione dell’Universo? Perché si oppone alla gravità? Secondo le teorie attuali, una densità positiva di energia oscura genera una pressione negativa, e quindi accelera l’espansione dell’Universo.

Nel modello che sto proponendo, l’energia oscura è associata all’energia potenziale relativa alla deformazione dovuta alle masse visibili. Immaginate ora che la nostra membrana sia davvero un pallone. Cosa sta succedendo a quell’energia potenziale mentre il pallone si gonfia? La membrana sta diventando sempre più sottile, ho detto. Localmente sta diventando anche sempre più piatta e la tensione riduce la deformazione, cioè, la deformazione dovuta a una certa massa diminuisce. In teoria si potrebbe dire che la forza di gravità si sta indebolendo. Ma se la gravità si sta indebolendo, i gruppi di materia visibile tendono a disperdersi. Forse la struttura stessa dello spazio si sta indebolendo. Quindi, qualunque cosa abbia causato l’espansione dell’Universo trova sempre meno resistenza all’espansione. È questa una spiegazione? Non lo so. A questo punto, è necessario definire un modello matematico basato sulla mia intuizione e vedere se funziona o meno.

Se qualcuno è disposto a lavorarci su, è il benvenuto.