Un fantasma si Aggira nell’Universo.

Un fantasma che sembra costituire quasi il 90% di…. TUTTO.

Da alcuni decenni ci siamo accorti che le Galassie ruotano troppo velocemente.

Mettendo insieme stelle, ammassi, nebulose, buchi neri, etc etc, in breve tutta la materia, visibile ed invisibile, ragionevolmente presente in una data Galassia, non si raggiunge la massa necessaria a farle ruotare alle velocità che misuriamo.

Apparentemente, esiste una ENORME quantità di materia, sconosciuta, che non interagisce con niente altro, diffusa nell’intero volume della galassia ed anche oltre, il cui unico effetto misurabile è quello di tenere insieme, grazie alla sua massa, la Galassia stessa. Grazie a questa materia oscura, si suppone, le Galassie ruotano più velocemente di quanto ci aspettiamo.

Questo è stato verificato per migliaia di galassie, a distanza crescenti. Riguarda TUTTE le Galassie: in generale sembra ci sia MOLTA più massa di quella che riusciamo a vedere o intuire. Per essere esatti: sembrerebbe che oltre il 90% della massa dell’Universo sia costituito da materia oscura.

Ecco quindi che da quasi cinquanta anni ci si chiede cosa sia questa massa.

Particelle WIMP, neutralini, microbuchi neri primordiali, calzini spaiati provenienti da un altro universo ( con abitanti molto disordinati, data la quantità di calzini spaiati)… la lista è lunga. Sappiamo che non può essere materia ” normale”: la quantità di deuterio presente nell’Universo è molto sensibile alla quantità di idrogeno ( e quindi di materia ordinaria) presente nell’Universo. La quantità di deuterio presente è congruente con la quantità di materia barionica che vediamo.

Qualunque cosa sia, quindi, è cosa esotica.

Ma se, dopotutto, si stesse cercando nella direzione sbagliata?

Il primo spunto me l’ha dato la lettura di un libro di Carlo Rovelli, sette lezioni di fisica, dove si parlava della difficoltà di legare la gravità ed il calore, non si riesce a distinguere le proprietà di un campo gravitazionale ” caldo” ed uno ” freddo”. Inoltre quando si prova a descrivere la gravità in termini quantistici, si perde il “tempo”, come variabile descrittiva.

Pure se esistono interazioni esistono relazioni fra le cose, vi deve essere qualcosa d’altro che ” tiene conto” di quel che succede. Cosa dipende da cosa, cosa CAUSA cosa. E se al posto del tempo avessimo un’altra grandezza con la quale descrivere il succedere delle cose?

Beh, una teoria in merito esiste: la Gravità Entropica: La teoria della gravità entropica di Erik Verlinde suggerisce che la gravità è un effetto emergente dell’entropia associata alle informazioni contenute nello spazio-tempo.

Secondo questa visione, le forze gravitazionali possono essere derivate da principi termodinamici, in particolare dal secondo principio della termodinamica che regola l’aumento dell’entropia.

In sintesi secondo Erik Verlinde:

Gravità come forza entropica: La gravità emerge come una forza entropica dovuta a cambiamenti nella quantità di informazione associata alla posizione degli oggetti materiali. Questa teoria suggerisce che la gravità è collegata alla termodinamica e alle informazioni nello spazio-tempo.

In altre parole, la gravità è una proprietà emergente, una conseguenza della tendenza naturale dei sistemi fisici a massimizzare l’entropia.

Principio olografico: La teoria si basa anche sul principio olografico, che suggerisce che tutta l’informazione contenuta in un volume di spazio può essere rappresentata come un’olografia sulla sua superficie di confine. Questo implica che le leggi fisiche all’interno di un volume di spazio possono essere descritte da informazioni su una superficie bidimensionale che circonda tale volume.

Secondo principio della termodinamica: Verlinde utilizza il secondo principio della termodinamica, che afferma che l’entropia di un sistema isolato tende a crescere nel tempo. La gravità, secondo questa teoria, risulta dal comportamento entropico dei microstati che descrivono la posizione e lo stato delle particelle.

Applicazione alle particelle: Quando una particella si avvicina a una superficie (ad esempio, un orizzonte degli eventi), c’è un cambiamento nell’entropia della superficie, che induce una forza che può essere interpretata come gravità. Questo è paragonabile all’effetto che le particelle subiscono in una teoria della gravità quantistica.

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Bene: qui arriva il bello, la mia ipotesi:

Curvatura Spazio-Temporale: Se accettiamo l’idea che l’entropia possa influenzare la curvatura dello spazio-tempo, allora è possibile che le distribuzioni di entropia nel cosmo possano contribuire alla curvatura dello spazio-tempo, in modo simile alla massa ed all’energia, secondo la relatività generale.

Ecco quindi che la materia oscura potrebbe essere un Effetto Entropico: Se l’entropia può creare curvature nello spazio-tempo, potrebbe spiegare parte delle anomalie gravitazionali attribuite alla materia oscura. Invece di postulare una forma di materia invisibile, potremmo considerare che l’aumento dell’entropia in certe regioni dello spazio produce una curvatura dello spazio-tempo che simula gli effetti gravitazionali osservati.

La cosa interessante è che l’entropia AUMENTA sempre.

Di conseguenza lo spazio tempo NON sarebbe rappresentabile come un telo perfettamente elastico ma come un telo elastico che, pian piano, si deforma permanentemente: l’inesorabile crescita dell’entropia si traduce in un aumento della curvatura, ovvero simula la presenza di una quantità di materia in realtà inesistente.

La cosa interessante è che si può verificare immediatamente questa ipotesi:

Se l’apparente contributo gravitazionale legato alla materia oscura è davvero legato all’entropia, le galassie più remote, che vediamo all’inizio della loro storia, avendo avuto meno tempo per far crescere l’entropia, sembrerebbero avere meno materia oscura.

Analogamente, le galassie più vicine e fra queste quelle con la popolazione stellare più anziana ( le galassie ellittiche) avrebbero una apparente maggiore presenza di materia oscura.

Infine essendo questa deformazione dello spazio tempo legata all’entropia, sarebbe anche proporzionalmente legata alla storia termodinamica di ogni singola parte dell’universo in cui vediamo effetti apparentemente riferibili alla materia oscura.

Ipotesi affascinante ma…. le prove?!!

Verifica:

Studi e Dati Esistenti
Galassie Lontane: Esistono già alcuni studi che mostrano che le galassie nelle prime fasi dell’universo hanno curve di rotazione che suggeriscono meno materia oscura rispetto alle galassie moderne. Questi studi potrebbero essere ulteriormente analizzati alla luce della mia ipotesi.

In particolare, uno studio recente mostra come la ” materia oscura”, per le galassie più distanti, sembri essere meno ” aggregata” intorno alle galassie o agli ammassi galattici di quanto farebbe prevedere il modello cosmologico standard, il cosidetto modello CDM:

https://physics.aps.org/articles/v15/117
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220801103023.htm

E’ ESATTAMENTE quello che ci attendiamo se la mia estensione cosmologica alla teoria gravitazionale entropica ha fondamento. Nelle fase iniziali della storia dell’Universo, è successo ancora ” poco”.

L’entropia è ” bassa” ed è diffusa su aree vaste. Con il tempo, l’aggregarsi delle galassie, la nascita delle stelle di prima e seconda generazione, fanno succedere MOLTE cose intorno e dentro a loro e quindi, seguendo il secondo principio della termodinamica, l’entropia aumenta più rapidamente intorno a questi centri di condensazione.

Ci attendiamo quindi che per galassie simili ma a distanza e quindi di età diverse, la distribuzione e la quantità apparente di materia oscura siano diverse. Anche questa potrebbe essere una linea di indagine: prendendo galassie di identica tipologia ma ” fotografate” in epoche diverse, NON ci attenderemmo una distribuzione simile della materia oscura.

Non solo: a parità di epoca, a pari distanza da noi, galassie con storie diverse avrebbero quantità diverse di materia oscura.

Dove la popolazione stellare è più evoluta, dove sono successe più cose, dove l’entropia è maggiore, ci attenderemmo effetti attribuibili ad una maggiore quantità di materia oscura. Le galassie ellittiche sono più ” evolute”, hanno una storia più complessa ed una popolazione stellare tipicamente più anziana di quelle a spirale. Se l’estensione cosmologica della gravità entropica, da me proposta, ha fondamento, ci attendiamo quindi una maggiore discrepanza tra massa visibile ed effetti gravitazionali per le galassie ellittiche, nei confronti delle altre tipologie, a parità di età.

L’ipotesi sembra confermata da alcuni studi, sempre recenti, ad esempio:

https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/2207.02945

https://ar5iv.org/pdf/2207.02945

Conclusione provvisoria: Esiste la possibilità che quella che chiamiamo materia oscura sia in realtà una caratteristica profonda dello spazio tempo: l’aumento dell’entropia provoca, nel tempo, una deformazione permanente dello stesso, che si manifesta come una forza apparente, che attribuiamo, in mancanza di meglio ad una ” misteriosa ” materia oscura”.

In questa interpretazione, l’universo invecchia e con lui invecchia lo spazio tempo. Il telo perfettamente elastico che rappresenta, in due dimensioni, lo spazio tempo quadridimensionale di Enstein, non è più perfetto: via via che l’entropia aumenta, invecchia, si deforma permanentemente, mantiene la storia di quello che è successo.

In questo articolo ho proposto due rapide verifiche che sembrano dare riscontri a favore dell’ipotesi. Mi auguro che altri, con ben altre basi prendano in mano l’idea, la sviluppino, la verifichino o, nel caso, confutino.

Di seguito un’appendice ” numerica” per i più curiosi, che mostra i fondamenti della teoria gravitazionale entropica ed una sua possibile estensione cosmologica, che è quello che propongo.

1. Entropia e Informazione

La gravità entropica si basa sull’idea che l’entropia, una misura del disordine o dell’informazione di un sistema, giochi un ruolo cruciale nella formazione della gravità. Il cambiamento dell’entropia ΔS associato a uno spostamento di un oggetto di massa m è dato da:

Aumento dell’Entropia e Gravità

Per mostrare come un aumento dell’entropia corrisponda a un aumento della gravità, consideriamo un sistema in cui l’entropia totale S aumenta. Secondo la relazione termodinamica, la forza gravitazionale è proporzionale alla variazione dell’entropia:

Conclusione

Il formalismo matematico della gravità entropica mostra che la gravità può emergere come una forza dovuta ai cambiamenti nell’entropia di un sistema. Un aumento dell’entropia comporta un aumento della forza gravitazionale percepita, collegando direttamente la termodinamica con la gravità.

Questo approccio innovativo offre una nuova prospettiva sulla natura della gravità come fenomeno emergente piuttosto che come forza fondamentale.

L’estensione cosmologica, da me proposta, postula che l’emergenza della gravità dai cambiamenti di entropia implichi un suo aumento continuo proporzionale alla storia termodinamica della parte di Universo che viene considerata.

In pratica postula un’isteresi nel tessuto spazio temporale. Da notare come questo si leghi, in modi che qui non tratterò, con la conservazione dell’informazione nei buchi neri, un problema ancora largamente aperto, che potrebbe essere affrontato in modi nuovi.