Ecco dove era la materia oscura! (dark matter) [studio]

cito:
https://www.facebook.com/groups/meccanicaquantistica.gs/posts/10168864510580551/

Federico Re

Ieri è uscito sull’archivio online, quindi disponibile a tutti, il mio ultimo articolo di ricerca:
https://arxiv.org/abs/2403.03227
Non ha ancora passato il processo di revisione tra pari, lo invierò proprio oggi a una rivista specialistica perché cominci (durerà mesi). Vorrei però proporlo qui sul gruppo, se i mod sono d’accordo, raccontando rapidamente di cosa parla in modo comprensibile anche ai non esperti.
Non è fisica quantistica. Le equazioni che uso sono quelle della Relatività Generale – quindi teoria della gravitazione – per descrivere la dinamica delle galassie. Questo ha però delle conseguenze sulla materia oscura.
Che cos’è la materia oscura? Sono particelle elementari ancora sconosciute, come ritengono in molti? È un’altra cosa? Esiste davvero? Questo è uno dei più grandi misteri della fisica attuale. Col mio lavoro, spero di dare un piccolo contributo.
Immaginiamo di vedere una cosa che gira in tondo. Come ce lo spieghiamo?
Possiamo dire che una qualche forza invisibile la attira verso il centro, facendola ruotare come la fionda di un fromboliere. Oppure, possiamo dire che che un qualche vortice invisibile la porta con sé, come una nave trascinata dal Maelström, o come un lavandino pieno d’acqua che si svuota.
La prima spiegazione è quella che si è rivelata corretta per i pianeti, che girano attorno al Sole perché attratti dalla sua enorme gravità. Newton l’ha capito più di tre secoli fa. Da allora, i moti degli oggetti astronomici sono stati spiegati con la forza di gravità, ottenendo innumerevoli successi.
Anche le galassie sono fatte di stelle che ruotano attorno a un centro, come un gigantesco sistema solare fatto da miliardi di oggetti. In particolare alcune galassie, a forma di disco, gli somigliano molto. La nostra galassia, la Via Lattea, è fatta proprio così. È stato quindi naturale spiegare questa rotazione sempre con lo stesso metodo: dicendo che è l’attrazione di gravità a mantenere le stelle sulla loro orbita galattica.
Negli anni sessanta, ci siamo però accorti di un problema: le galassie ruotano troppo velocemente. Anche tenendo conto di tutte le stelle, di tutto il gas, di tutta la materia di cui sono fatte, non si riesce a capire come possano avere così tanta gravità da rimanere insieme. Questo, se si usa la vecchia legge di Newton. Le galassie dovrebbero smembrarsi, per forza centrifuga. Come una fionda che gira troppo veloce, fino a spezzare la corda.
Quasi tutta la comunità scientifica ritiene quindi che ci sia della materia invisibile. Più materia vuol dire più gravità, e così la galassia può stare assieme. La chiamiamo materia oscura.
Attenzione, perché a molti non esperti la materia oscura può sembrare una spiegazione pigra. Non è così. Ci sono buoni motivi se quasi tutti gli scienziati ci credono. La rotazione delle galassie è solo uno dei molti fenomeni, astronomici e cosmologici, in cui la gravità non torna, e tutti quanti suggeriscono che esista una qualche materia invisibile che ci sfugge. Sono tutte prove indirette. Ma sono tante, indipendenti fra loro.
Per esempio, un’altra di cui parlo nell’articolo è quella della lente gravitazionale: la massa della galassia è tale da attrarre anche la luce, piegandone i raggi come una lente. Quanto più vediamo che la lente distorce le immagini, tanto più pesante dev’essere la galassia. E anche in questo caso, la materia visibile non basta a spiegare le osservazioni. Quindi si presume esista una materia invisibile.
Molte volte, nella storia della fisica, si è ipotizzata l’esistenza di qualcosa per ragioni indirette e alla fine si è scoperto di avere ragione: il pianeta Urano, il neutrino, e mille altri casi.
Tutto questo ci tengo a dirlo nonostante il mio articolo vada di fatto *contro* all’ipotesi della materia oscura. Ma non voglio fare la parte di quello che salta su e dice che sono tutti stupidi tranne lui. Questa è la dinamica con cui nascono le pseudoscienze e me ne voglio tenere ben lontano. Ma non voglio neanche tirarmi indietro dall’esplorare strade anticonvenzionali. L’importante è mantenere il rispetto nei confronti dei colleghi, dei dati e della logica.
Arriviamo quindi al mio articolo. Io e alcuni altri ricercatori stiamo esplorando l’altra spiegazione possibile: quella del vortice. Cerchiamo di spiegare la rotazione delle galassie come sostenuta da un vortice invisibile, oltre che dalla solita forza attira verso il centro. Se abbiamo ragione allora la materia oscura, o almeno una certa parte di essa, il realtà non esisterebbe. Sarebbe una sorta di effetto ottico. Dovuto al fatto che non si è tenuto conto del vortice e del suo contributo.
Ma che cosa sarebbe questo vortice?
Circa un secolo fa, Einstein ha formulato una teoria della gravitazione che supera quella di Newton, andando a coinvolgere aspetti molto profondi della realtà fisica: lo spazio, il tempo e i sistemi di riferimento. Questa rivoluzione si può immaginare così: prima di Einstein, lo spazio e il tempo erano come il palco di un teatro, su cui si esibivano come personaggi i corpi, le forze e i campi, interagendo fra loro. Einstein ci ha insegnato che spazio e tempo sono un’unica cosa, lo spazio-tempo, e che questo è a sua volta un personaggio del dramma a tutti gli effetti, che non rimane inerte ma si fa influenzare e reagisce.
La Relatività Generale è una teoria geometrica. Ci dice che la geometria dello spazio-tempo non è piatta, banale, ma che viene distorta e curvata dalla materia e dall’energia che contiene. Ciò che a noi, piccoli esseri umani, sembra una forza attrattiva che chiamiamo “gravità” è in realtà una curvatura geometrica, che obbliga gli oggetti a seguire traiettorie curve.
Se per esempio io comincio a camminare verso ovest, prima o poi farò il giro della Terra e sbucherò ad est. Perché la Terra è tonda. Su una geometria curva, anche la traiettoria più dritta possibile è pur sempre una curva. Allo stesso modo, i pianeti girano attorno al Sole perché il Sole genera una sorta di conca attorno a sé, e i pianeti non potrebbero andare più dritti di così.
Ora, con questa storia delle conche io ho parlato della curvatura del solo spazio. Ma ci ho tenuto prima a chiarire che, in Relatività, spazio e tempo sono una cosa sola. La teoria di Einstein prevede che tutto lo spazio-tempo possa essere curvato. E cosa significa quando lo spazio s’incurva rispetto al tempo?
Beh, è come se si creasse la corrente di un fiume, che trascina ogni cosa con sé. Si chiama “dragging”, che in inglese significa proprio “trascinamento”.
Ecco dunque la nostra ipotesi: che le galassie siano circondate da un vortice di dragging. Che la loro rotazione sia sostenuta non solo dall’attrazione verso il centro, prevista già da Newton; ma anche dallo scorrere dello spazio-tempo stesso, che può essere descritto solo con la teoria di Einstein. E sarebbe per questo che la velocità risultante è così alta, senza che la galassia si spappoli.
Sono già stati proposti modelli del genere. Ma le equazioni di Einstein sono molto difficili da risolvere, quindi si parte da casi semplificati, troppo banali per descrivere davvero la realtà. Il primo modello di questo tipo, del 2008, prendeva una galassia che ruota in modo rigido, come un frisbee, o una giostra. Una galassia vera è invece più simile a una nuvola di fumo, che scorre con velocità diverse in zone diverse.
In questo nuovo articolo, io ho invece cercato di formulare una versione più complicata – anche se è ancora un po’ idealizzata – superando i difetti dei modelli precendenti. Ho cercato di dare un formalismo più generale, che desse il “giusto nome” a tutte le quantità che appaiono nelle equazioni.
(Mi riferisco qui soprattutto al corretto sistema di riferimento da utilizzare per misurare la velocità della materia, quando la si vuole confrontare alle curve di rotazione osservate con il Doppler shift. Gli esperti possono leggere tutti i dettagli nella sezione 3.2)
Arriviamo ora alla parte più delicata. Diversi colleghi non sono d’accordo con la nostra linea di ricerca. Affermano che la teoria di Einstein non può restituire effetti importanti come crediamo noi. Einstein ha sviluppato la Relatività per descrivere cosa succede in situazioni estreme, per velocità molto alte e/o per campi gravitazionali molto intensi (per esempio vicino a un buco nero). In una galassia, la gravità non è molto intensa, e le velocità non sono così alte. Quindi, per quanto le riguarda, la descrizione di Einstein dovrebbe essere quasi uguale a quella di Newton. È come voler tenere conto di un capello che cade mentre si studia l’intero pianeta: non cambia quasi nulla.
Oltre a questa, sollevano anche altre obiezioni. Io ho cercato di tener conto di tutte.
Ovviamente tutti i loro calcoli sono corretti (tranne un piccolo errore di Costa&Natario sul gravitational lensing). Ma ogni calcolo parte da certe ipotesi. Per esempio, molte critiche riguardano il vecchio modello del 2008, quello della galassia rigida. E sono critiche giuste. Ma non si applicano al nuovo modello *non* rigido, fatto come una nuvola di fumo.
Un’altra ipotesi fatta di frequente, un po’ tecnica, è quella della “linearizzazione” delle equazioni di Einstein. In soldoni, vuol dire che la teoria di Einstein è difficilissima e per riuscire a fare i conti si prende invece una sua versione semplificata. In questa versione semplificata (“linearizzata”) è vero che il dragging viene piccolissimo. Quindi i casi sono due:
1) Le galassie sono descritte bene dalla teoria linearizzata, e i miei modelli di dragging non servono a niente;
2) Le galassie *non* sono ben descritte dalla teoria linearizzata. Vale a dire che le “non-linearità” della teoria non sono trascurabili. In soldoni: il mondo è più complicato e non si può prendere la scorciatoia.
Attenzione, io ancora *non lo so* se la risposta giusta sia la (1) o la (2). Ho fatto però notare che la possibilità (2) è ancora aperta.
Riassumendo, in questo lavoro io ho mostrato che la rotazione delle galassie *potrebbe* essere dovuta anche a un vortice di dragging. Potrebbe. Non è detto che sia davvero così.
Fare i conti nella loro forma più completa è molto difficile. Io non sono ancora stato capace di farli. Naturalmente continuo a lavorarci. Ma nel frattempo, si può attaccare il problema da un altro lato.
Per vedere se questo vortice c’è oppure non c’è, si possono fare delle misure. Non sono facili. Ma ne ho proposte almeno tre, che sfruttano tre tecniche diverse fra loro. Se si riuscisse a mettere in pratica almeno una di queste tre idee, taglieremmo la testa al toro: o il dragging si vede, oppure no. Se fosse addirittura possibile applicarne due o più, anche meglio! Avremmo un confronto incrociato.
Come dovrebbe sempre succedere nella scienza, l’ultima parola sta agli esperimenti e le osservazioni

§§§

Risposta:

Ing. A.M.P. Tufano:

Non tutti hanno chiaro che le equazioni di Einstein sono alle derivate parziali e sono simmetriche, mentre le cose non sono mai perfettamente simmetriche.

Inoltre la soluzione di Schwarzschild si riferisce alla materia massiva e nella ipotesi che la velocità della luce sia insuperabile: v < c.

Cosa succede quando ci si approssima alla velocità della luce?

Alcuni, come Lorentz ed Einstein teorizzano che la massa si espanda:

m=m0*γ

dove m0 è la massa alla velocità v=0

dove γ = 1/sqrt(1-v^2/c^2)

Quindi introducono una singolarità matematica per cui se v=c ne segue γ=infinito

L’errore di questa impostazione è che si può verificare che INVECE la massa ancora massiva non solo non aumenta, ma diminuisce trasformandosi in “radiativa” e cioé onda elettromagnetica.

E’ il fenomeno naturale per cui le stelle sono accese secondo la equazione (Vedi Silvestroni di Chimica volume 1)

D + D -> He + energy
(deuterio D, isotopo dell’idrogeno, che si compatta in elio, He, e una parte di energia per quella che è scomparsa a primo termine dalla fusione sulle stelle)

dove

energy=mc^2

dove la massa è quella a riposo perché la m=costante in un sistema isolato.

Quindi tutta la massa massiva è ora massa elettromagnetica (energia), quando v=c.

Quindi la

energy=mc^2

va “interpretata”!

interpretazione:

la massa massiva diverrà tutta energia quando diverrà radiativa alla velocità v=c

Il vincolo della insuperabilità della velocità della luce quindi disturba poco la verifica (delle equazioni di Einstein) sull’orbita dei pianeti che vedono v << c, e quindi non influisce -tale vincolo- sulla soluzione di Schawarzschild, operativa nel caso di masse prevalentemente massive.

Da ciò va superato:

  1. il tabù della insuperabilità della luce.
  2. il modello a due masse di Einstein. (per esempio il calcolo dell’orbita di Mercurio con Mercurio ed il Sole, che da buoni risultati in questi casi semplici).

Questa rivoluzione copernicana è già stata eseguita da due scienziati:

il fisico Amadori, ed il matematico Lussardi che generalizzano le equazioni di Einstein anche alla particella “fotone” e quindi non più massiva!

(qui, nel seguito, i dettagli della simulazione software già pubblicata da Amadori e Lussardi, e da me estesa anche all’interim di trasformazione della particella, nel cammino di trasformazione da solo materia massiva versus materia in parte massiva e radiativa, ed infine solo radiativa)

C’è però un altro fatto fondamentale per superare il tabù che serva “materia oscura”.

Il fatto che spiega bene Lagrange nello studio della gravitazione a 3 corpi e poi ad n-corpi.

Se infatti la soluzione di Einstein è un micro-sistema a 2-corpi, va da se che è una semplificazione della gravitazione degli altri pianeti del sistema solare rispetto alla gravitazione del Sole ed un solo pianeta, come se il Sole fosse inchiodato sulla sua posizione e solo si osservi il moto di un solo pianeta alla volta.

Purtroppo la forma storica di Lagrange usa la meccanica di Newton e quindi va aggiornata con Equazioni di Einstein ad n-corpi (io l’ho fatto).

Ma la complessità matematica di impostare equazioni su miliardi di corpi spiega il perché si preferisce pensare la semplificazione di un corpo solo maggiore al centro, per esempio della via Lattea, e domandarsi perché in periferia non c’è coerenza tra (1) il modello a due corpi e (2) la periferia, confrontando teoria & le osservazioni sperimentali.

Molti fisici già teorizzano che il cosmo si comporta con modelli vicini alla fluido dinamica, ed altri osservano che il sistema si comporta come “un disco metallico anziché un disco fluido riferendoci alle galassie”.

Ciò è perché ..

la gravitazione a molti corpi, come dimostra Lagrange, non può trascurare che quando i sistemi non sono solo il corpo maggiore e i molti corpi minori, ma tutti allo stesso livello di grandezza (approssimativamente), allora, il legame tra i corpi in moto si comporta come un “reticolo” che acquista rigidità.

Rigidità .. perché nell’ambito del Sole + pianeti, si può trascurare le galassie lontane, o i sistemi stellari lontani, ma non nello studio delle galassie!

Ma nel calcolo delle orbite di tutta una galassia NON si può trascurare che le varie stelle non necessitano di essere computate tutte la centro della galassia in questione, ma “si tengono tra loro, le stelle, nella associata posizione nell’universo” in un equilibrio metastabile in cui pur ruotando nel nostro universo, tendono a mantenere le distanze relative tra i vari sottosistemi: quindi -circa- come un disco rigido.

Ne parlo in questo articolo: (scusate la lunghezza)

Come funziona il MOTORE A CURVATURA di STAR TREK (fisics matematics)

Ed in merito alla teoria di interpretazione “per cui non serve il concetto di materia oscura” propongo questo questo altro articolo:

E’ del fisico Daniele Gasparri che era on line qualche hanno fa ma che io ho salvato:

 

In cui Daniele Gasparri mostra, in Fig 4.5 e Fig. 4.6
come il comportamento di una galassia possa rispettare proprio la matematica di Gauss e quindi aversi una velocità a decrescere nei sistemi planetari ordinari (Fig. 4.4), mentre su fattori di scala di livello delle galassie e anche maggiori, la “velocità periferica” della galassia non solo tenda a rimanere costante -> ma sia misurata in leggero aumento!

Comunque rispetta nella “velocità periferica v=v_TG” un aumento di velocità v_TG all’aumentare dle raggio, tale che il comportamento sia simile ad un disco rigido in cui è omega=2*pi/T ad essere circa costante; essendo v_TG=2*pi*r/T=omega*r; omega*r=v_TG.

Per i commenti:

parmenidea@gmail.com

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