La materia oscura e l’energia oscura sono fenomeni misteriosi che da decenni suscitano l’interesse di astronomi, cosmologi e fisici delle particelle. Dato che entrambe sono “oscure” si potrebbe pensare che siano collegate. E forse lo sono, ma non nel modo che ci si aspetterebbe. La maggior parte dei fisici e degli astronomi le considera entità distinte, e anche gran parte della ricerca si basa sull’idea che abbiano pochi legami tra loro. A collegarle è soprattutto la tendenza degli scienziati del novecento ad applicare l’aggettivo “oscuro” a tutto ciò che non si vede o non si comprende.

Per capire la differenza tra materia ed energia bisogna conoscere la loro natura. La maggior parte di noi probabilmente ha incontrato questi due concetti della fisica nelle rappresentazioni pop della nota equazione di Albert Einstein E=mc2, in cui “E” è l’energia, “m” la massa e “c” la velocità costante della luce.

La massa corrisponde più o meno alla quantità di materia. Noi la conosciamo in modo intuitivo grazie alla gravità: sulla Terra, infatti, la massa determina la forza della nostra interazione gravitazionale con il pianeta, più nota come peso. Il peso ci dà un’idea approssimativa della quantità di materia contenuta nel nostro corpo.

L’energia è un concetto più astratto, che in genere richiede tempo per essere assimilato, perfino dagli studenti di fisica. Ricorrendo di nuovo alla nota equazione, un oggetto con una massa ha un’energia equivalente che si ottiene moltiplicando la massa per la velocità della luce al quadrato.

A rendere la relatività così autorevole contribuisce il fatto che l’equazione di Einstein supera la tradizionale distinzione newtoniana tra materia ed energia. Integrando questa idea con le scoperte della meccanica quantistica s’intuisce che dove c’è materia c’è energia, e dove c’è energia è possibile la comparsa della materia. A causa di questa equivalenza tra materia ed energia, i fisici delle particelle tendono a misurare entrambe in unità d’energia.

Quella della relatività, però, non è l’unica teoria della fisica che plasma il nostro pensiero. Se per Einstein lo spazio vuoto non contiene energia, per la meccanica quantistica invece sì. Ed è qui che ci s’imbatte nel cosiddetto problema della costante cosmo- logica. I calcoli quantistici prevedono che nello spazio tempo ci sia energia ovunque, anche in assenza di materia, ma le osservazioni astrofisiche raccontano un’altra sto- ria. Nel 1998 si è scoperto che l’espansione dello spaziotempo accelera con il passare del tempo, e la spiegazione teorica più semplice è la presenza di una costante cosmologica, un’onnipresente energia del vuoto. A causa dell’equivalenza tra materia ed energia, l’energia del vuoto può interagire con la gravità in modo simile agli oggetti dotati di massa, con la differenza che, invece di avere forza d’attrazione, un’energia del vuoto con valore positivo tende a respingere, allontanando lo spaziotempo.

La scoperta dell’accelerazione cosmica ha generato un altro mistero, perché la quantità di energia del vuoto necessaria per confermare i dati ricavati dalle osservazioni è nettamente inferiore a quella prevista dai calcoli quantistici. Si tratta del problema dell’energia oscura, piuttosto diverso da quello della materia oscura che ha a che fare con la massa che manca nelle galassie.

Anche se pensiamo che la materia oscura si manifesti come un oggetto dotato di massa e l’energia oscura no, nessuna legge della fisica esclude che tra le due ci sia una relazione. E dato che insieme costituiscono più del 96 per cento della materia-energia dell’universo, è naturale chiedersi in cosa consista questa relazione.

Nel corso degli anni alcuni fisici hanno preso in considerazione questa eventualità, e oggi anch’io mi unisco a loro, insieme a due colleghi. È presto per dire se il nostro modello funzionerà: magari alla fine l’unico legame tra la materia oscura e l’energia oscura sarà la nostra ignoranza su come funzionano. u sdf