La massa negativa è ovunque in fisica. Spiega anche la materia oscura

Rappresentazione di come sarebbero i filamenti della materia oscura se potessimo vederli a occhio nudo. Le macchie gialle rappresentano le galassie.

All'inizio di dicembre 2018 la blogosfera dei fisici è impazzita a causa di un articolo del 2017 (in realtà ancora una prestampa fino a questa data: arXiv: 1712.07962) in cui l'autore James Farnes, Università di Oxford, cerca di spiegare Dark Matter e Dark Energy con un ipotesi apparentemente assurde: la presenza di un fluido di massa negativa che permea l'Universo. L'idea in sé non è nuova e l'autore riconosce le opere passate di Albert Einstein, Hermann Bondi e altri. In breve, la materia di massa negativa si comporta nel modo seguente:

  • Interazione positivo-positivo: le due particelle si attraggono;
  • Interazione negativo-negativo: le due particelle si respingono;
  • Interazione positivo-negativo: entrambe le particelle accelerano nella stessa direzione, puntando dalla massa negativa alla massa positiva.

Come fisico delle particelle, non sono particolarmente convinto dell'argomento, ma ammetto che potrebbe esserci una scappatoia, se permettiamo alla massa di essere un parametro efficace come nella fisica dello stato solido, violando così (almeno apparentemente) l'equivalenza cara principio. Ciò significa che la massa che entra nell'equazione che governa il comportamento gravitazionale di questo fluido non è strettamente equivalente alla massa inerziale (quella che appare nella gloriosa legge di Newton sui movimenti come F = ma). La mia comprensione è che aggregati di materia regolare possono presentare tale comportamento in circostanze insolite, spesso associate a temperature molto basse. Ad esempio, anche gli elettroni possono mostrare una massa efficace nel regime di superconduttività (H. Frölich, volume Nature 168, pagine 280–281). Vi sono indicazioni che la massa effettiva negativa che deriva dal potenziale periodico nei reticoli potrebbe spiegare una serie di proprietà dispari dei superconduttori ad alta temperatura (cond-mat / 0210455).

La carta di Farnes va ben oltre le speculazioni di base. L'autore afferma di essere in grado di spiegare l'appiattimento delle curve di rotazione della galassia, la formazione di aloni galattici della materia oscura, grandi formazioni come filamenti di materia oscura che collegano le galassie e persino il destino finale dell'Universo (spoiler: si espanderebbe e si contrarrebbe ciclicamente ). Non sono un astrofisico e preferisco lasciare agli esperti un commento significativo a queste affermazioni. Alcuni hanno parlato dicendo che il modello è così elaborato che alla fine si può invocare il rasoio di Occam e continuare con il modello di cosmologia ΛCMD. Personalmente, alcuni degli argomenti del documento mi sono sembrati abbastanza agitando la mano, ad esempio la spiegazione della planarità dello spazio e la posizione del primo picco dello spettro di potenza CMB (vedere il paragrafo 4.4). D'altra parte, ho trovato molto stimolanti gli argomenti a supporto di una revisione dell'interpretazione di alcune misure critiche, come l'espansione dell'Universo con esplosioni di Supernovae. Mentre le misurazioni stesse danno per scontate, ciò che potrebbe non essere corretto è l'insieme di ipotesi che portano alle interpretazioni finali. In particolare, la positività della densità di energia di massa che viene quasi sempre applicata anche se in alcuni casi gli stessi esperimenti sembrano preferire diversamente (vedere il paragrafo 4.1 per ulteriori dettagli). Da una prospettiva bayesiana, posso solo avvertirti che la maggior parte dei nostri errori sono causati da ipotesi errate: è sempre il precedente!

In ogni caso, ho trovato il modello abbastanza semplice da essere implementato in un codice di computer che può essere eseguito su un laptop. Nel documento puoi trovare un riferimento a un'implementazione più corretta, mentre la mia sembra più un'animazione piuttosto che una simulazione realistica. Il codice si basa su una precedente simulazione di Dark Matter che avevo creato alcuni anni fa. Puoi leggere di più su questo modello in questo post. Il nuovo codice adattato è disponibile qui. Per eseguirlo, è necessario installare Processing e la libreria di fisica di Traer. Nella mia implementazione, diversamente da quello che penso James Farnes, creo tutta la materia con massa positiva, ma assegno un accoppiamento negativo (-G) alle interazioni tra oggetti negativo-negativo.

Spargo casualmente con una distribuzione uniforme le particelle di massa negativa. Invece, la materia regolare è collocata in due "gruppi" che rappresentano circa due galassie. Cosa pensi che succederà? La simulazione N-body procede senza alcun obiettivo esplicito a lungo termine. Almeno intuitivamente, ciò che accade è che la materia normale cerca di unirsi ancora di più, mentre la materia negativa tende ad espandersi. Tuttavia, si verificano interessanti dinamiche in prossimità di grossi gruppi di materia regolare: le particelle "galassie" sono attratte dalle particelle negative, ma non si concentrano troppo a causa dell'auto-repulsione. L'effetto netto, secondo l'articolo di Farnes, è la creazione di un "alone" attorno alle galassie e dei "filamenti" che le collegano. Riesci a individuare queste cose nel video? O è solo un pio desiderio?

Per concludere, è stata data una nuova vita alla vecchia e piuttosto alla moda idea della materia di massa negativa per spiegare alcuni dei più grandi misteri dell'Universo: materia oscura, energia oscura e la dinamica generale delle formazioni su scala cosmologica. Se affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie, non credo che tale prova sia stata presentata oltre ogni ragionevole dubbio. Tuttavia, potrebbe non essere la prima né l'ultima volta in cui un modello giocattolo si evolve in qualcosa di più complicato.

Originariamente pubblicato su disipio.wordpress.com il 9 dicembre 2018.