Quali sono le più importanti scoperte della fisica contemporanea? Cosa ci dicono sulla nascita e il destino dell'Universo?
Carlo Donadio - 10/03/2014
Negli
ultimi venti anni il panorama della ricerca scientifica, in particolare
nella fisica, si è pro-gressivamente rimodellato in un crescendo tanto
silenzioso, quanto radicale, al punto di sembrare sostanzialmente
immutato al grande pubblico, fatta eccezione per i grandi eventi che
hanno avuto un forte impatto mediatico, come la scoperta del
Bosone di Higgs.
Nel contempo si sono accumulati diversi lavori di notevole spessore
teorico rimasti però circoscritti all’ambito dei “tecnici”, lavori che
lasciano intravedere una significativa svolta di carattere concettuale
verso orizzonti ancora poco esplorati o, addirittura, sottovalutati da
folte schiere di scettici.
I Pilastri della FisicaQuali sono gli attuali fondamenti della fisica contemporanea e quali i suoi limiti?
Per
rispondere esaurientemente a questa domanda è necessario fare una
rapidissima panoramica concentrandoci con attenzione sul XX° secolo,
crocevia di vere e proprie rivoluzioni scien-tifiche. Questa esaltante
epoca si apre proprio nel 1900 con l’enunciazione “embrionale” della
teoria dei quanti da parte di
Max Planck,
proseguendo poi nel 1905 e nel 1916 con le rivoluzionarie teorie
relativistiche di Einstein le quali hanno dato inizio così a una vera e
propria escala-tion scientifica che dura sino a nostri giorni, seppur
con qualche battuta di arresto. Dopo vari sforzi teorici e sperimentali
costellati da numerosi successi, possiamo sintetizzare le attuali
conoscenze scientifiche in ambito fisico raggruppando da un lato le
interazioni fondamentali esistenti in natura e da un altro le teorie che
cercano di comprendere le leggi che le governano.
Le interazioni fondamentali conosciute sono:
- Nucleare Forte
- Nucleare Debole
- Elettromagnetica
- Gravitazionale
I modelli teorici di riferimento sono invece:
- Teoria della Relatività Ristretta e Generale
- Meccanica Quantistica
Questi
due paradigmi hanno sempre avuto difficoltà nel conciliarsi poiché il
primo, la relatività, funziona molto bene su scale cosmiche,
nell’immensamente grande, e riesce a descrivere in maniera abbastanza
esauriente il comportamento di stelle, pianeti e galassie introducendo
concetti innovativi come spazio-tempo e curvatura, mentre il secondo, la
meccanica quantistica, viene applicata con enorme successo
nell’infinitamente piccolo su scala atomica e sub-atomica.
L’uno completa l’altro, ma non riescono a trovare un linguaggio comune.
Nel
corso degli anni la relatività è rimasta sostanzialmente invariata
fatta eccezione per qualche soluzione particolare delle sue equazioni
ricavata successivamente alla sua enunciazione, come ad esempio per i
casi limite dei buchi neri, mentre la meccanica quantistica ha avuto
notevoli e importanti evoluzioni sino a consolidarsi nella
Teoria Quantistica dei Campi (QFT) e conseguentemente nel
Modello Standard abbracciando anche i sottomodelli dell’
Elettrodinamica Quantistica (QED) e delle
Cromodinamica Quantistica
(QCD) riuscendo a coprire in maniera soddisfacente la descrizione delle
prime tre interazioni prima menzionate, cioè quelle che rie-scono a
tenere insieme il nucleo degli atomi e che governano elettroni e fotoni.
Grande
sogno dei fisici è quello di riuscire a formulare una teoria quanto più
semplice ed elegante possibile che riesca ad esprimere in maniera
unitaria tutte le leggi della natura, ma l’impresa è molto ardua seppur
si intravedono accenni di una soluzione e qualche progresso è stato già
fatto. Si pensi alla teoria di unificazione elettrodebole,
sperimentalmente verificata, che unisce l’interazione nucleare debole
con l’elettromagnetismo.
Sono state anche matematicamente formulate delle possibili
teorie di Grande Unificazione (GUT) volte a sintetizzare le prime tre interazioni, unificando quindi la forza elettrodebole alla nucleare forte
Il
grande ostacolo sembra essere la forza di gravità, così blanda e
inafferrabile quanto impor-tante, descrivibile matematicamente ma quasi
impossibile da rilevare strumentalmente al pari delle altre.
Su di
essa sono stati versati fiumi di equazioni nel tentativo di trovare una
soluzione al suo mistero. Uno spiraglio si intravede in quella che viene
chiamata Teoria delle Stringhe, un costrutto matematico capace di
descrivere tutte e quattro le forze. Essa prevede delle minuscole
quantità di energia vibranti in dimensioni extra, cioè oltre le tre
spaziali e quella temporale ma non percepibili. Vibrando a diverse
frequenze danno così luogo alle diverse interazioni. Una mi-croscopica
quanto immensa orchestra cosmica che dà forma al tutto ma che
attualmente non si è in grado di dimostrare sperimentalmente per via
delle energie necessarie che sono ben oltre la portata dell'attuale
tecnologia. Tuttavia essa rappresenta un modello estremamente
affascinante che ha aperto nuove ed avveniristiche prospettive.
Notevole di menzione è anche la
Teoria della Gravità Quantistica a Loop, ancora in fase di sviluppo ma molto promettente data la sua rigorosa impostazione matematica
Gravità OlograficaNel 1995 la Teoria delle Stringe ha raggiunto un apice di eleganza teorica con l’esposizione dalla
M-Teoria ad opera del fisico Edward Witten
il quale è riuscito a formalizzare un modello matematico in ben 11
dimensioni, 10 spaziali e una temporale, capace di coniugare
coerentemen-te le cinque principali versioni sino a quel momento
elaborate.
Successivamente nel 1997 Juan Maldacena propose alla
comunità scientifica il suo importantissimo lavoro sulla corrispondenza
tra gli
Spazi anti-de Sitter e le Teorie di Campo Conforme (AdS/CFT), ovvero sulla stretta relazione di corrispondenza che intercorre tra la
Teoria delle Stringhe e la Meccanica Quantistica.
A tutt’oggi esso è considerato tra gli sforzi più importanti della
fisica teorica, una pietra miliare di riferimento che vanta innumerevoli
citazioni e rappresenta la più congrua realizzazione matematica del
Principio Olografico proposto originariamen-te da Gerard ‘t Hooft e
successivamente promosso e sviluppato da Leonard Susskind.
Questo
principio, che viene applicato alla forza di gravità, sostiene il legame
tra le proprietà termodinamiche di una massa circoscritta a un volume e
l’interazione della sua superfice con lo spazio circostante, cioè tra
una proprietà tridimensionale e una bidimensionale legate tra di loro
dall’entropia intrinseca alla massa stessa come analogamente, ma in
senso relativistico, ipotizzò Ted Jacobson già nel 1995.
Tra il 2009
ed il 2010 l’olandese Erik Verlinde ha esposto un’ulteriore evoluzione a
questi concetti avanzando l’ipotesi che la gravità sia una proprietà
emergente e non fondamentale, una forza entropica che nella sua
descrizione riesce a includere sia le equazioni della Relatività
Generale che quelle della Gravitazione Newtoniana. Un risultato tanto
notevole quanto oggetto di critiche e scetticismi.
Di significativo
pregio anche il lavoro di Daniele Pesolillo, una tesi di Laurea
Magistrale pubblicata nel 2011, che risulta essere il primo lavoro
accademico di questo tipo in lingua italiana, anch’esso accolto con
scarso entusiasmo da tradizionalisti e conservatori.
Maledette ParticelleProbabilmente
nell’ormai leggendario anno 2012 anziché “la fine del mondo”, ha avuto
luogo l’inizio di una nuova era scientifica a circa 100 metri di
profondità nel sottosuolo tra la Svizzera e la Francia nella monumentale
installazione del
CERN di Ginevra.
I rilevatori dell’LHC, l’acceleratore di particelle più grande e
sofisticato mai costruito prima, hanno osservato qualcosa di
estremamente affine alle previsioni fatte per il
Bosone di Higgs, scoperta che pare ormai confermata dalle numerose analisi sui dati.
Questa
particella costituiva il tassello mancante e fondamentale del Modello
Standard che, in sua assenza, sarebbe privo di consistenza essendo essa
responsabile del meccanismo che conferisce la massa alle altre
particelle.
Per chiarire meglio il concetto è necessario esplicitare
nel linguaggio comune i principi su cui si fonda il Modello Standard.
Esso è una schematizzazione della Teoria Quantistica dei Campi in
relazione alle particelle elementari, che costituiscono la materia, e
alle interazioni fondamentali che le governano, fatta eccezione per la
forza di gravità che non viene inclusa.
Molto grossolanamente possiamo generalizzare la suddivisione in due macro-famiglie di particelle:
- i Fermioni, costituenti la materia effettiva;
- i Bosoni, mediatori di interazione e del relativo campo.
Sinora
questo modello ha fornito precise previsioni puntualmente verificate
sperimentalmente con l’aggiunta talvolta di qualche lieve variante
esotica, ma per essere pienamente sostenibile si rendeva necessaria
l’esistenza di un campo scalare e onnipervasivo, cioè costante e
presente ovunque nell’universo, tale da fornire una base su cui i
Fermioni potessero acquisire consistenza materiale, potessero essere
cioè dotati di massa. Questo effetto è detto
Meccanismo di Higgs
ed è in grado anche di spiegare il fenomeno della Rottura Spontanea
della Simmetria, ovvero il processo primordiale di differenziazione
delle interazioni fondamentali.
Essendo questo campo, detto Campo di
Higgs, esso stesso quantizzato, operando una sufficiente perturbazione
al suo interno è possibile rilevarlo, ma per rendere fattibile e
affidabile questa osservazione si è reso necessario l’utilizzo delle
avanguardistiche tecnologie presenti nell’LHC, che alla fine hanno dato i
loro frutti premiando gli sforzi di oltre 50 anni di ricerca.
È un
risultato che fornisce importantissime risposte ma apre la strada ad
altre domande, come giusto che sia nella ricerca scientifica di base.
Resta però ancora esclusa l’incomprensibile interazione gravitazionale
che in questo modello, in assenza della rispettiva particella
mediatrice, l’ipotizzato Gravitone, proprio non può starci. Le Stringhe e
altre teorie correlate come la
Supersimmetria risolverebbero il problema, ma al momento sembrano richiedere tecniche di ri-scontro ancora non disponibili.
Intriganti ScenariApriamo una riflessione sul significato di questa scoperta cercando di estendere la filosofia fondante il
Modello Standard tenendo anche presente quanto esposto in precedenza.
I
principi di una gravità olografica, vista come forza entropica,
potrebbero non essere in disaccordo con la presenza di un tale campo,
anzi, questi due aspetti, apparentemente distinti, sono interpretabili
come due prospettive diverse di uno stesso principio, la prima come una
valutazione statistica su scala macroscopica e la seconda peculiare su
scala quantistica offrendo possibilità di ricongiunzione con la
Relatività Generale rimanendo coerente anche con la Teoria delle
Stringhe.
Si potrebbe avanzare quindi l’ipotesi di una revisione del
Modello Standard in chiave olografica considerando come riferimento
universale il Campo di Higgs e tutte le altre particelle come proiezione
di un'informazione quantistica, analogamente a come viene ricostruita
un’immagine tridimensionale da una lastra bidimensionale. Analogia che,
nella realtà fisica, potrebbe trovare riscontro nella corrispondenza
AdS/CFT a più dimensioni. In questa visione la gravità assumerebbe il
ruolo particolare di proprietà emergente strettamente geometrica
prodotta dall’interazione del Campo di Higgs e la massa da esso stesso
conferita. Per rendere meglio l’idea visivamente, è un effetto molto
simile a quello prodotto da un corpo immerso parzialmente in un liquido
leggermente perturbato, un po’ come un ciottolo sulla sponda di un lago,
che in questa interazione produce localmente un fenomeno di
autointerferenza con il liquido stesso.
La forza di gravità potrebbe
essere quindi interpretata come una proprietà plastica del vuoto di cui
il Campo di Higgs, date le sue caratteristiche, è un elemento
fondamentale. Essa può essere descritta secondo principi olografici in
uno spazio-tempo curvo secondo la Relatività Generale, considerando,
cioè, in cui in ogni punto, una superficie “virtuale” di proiezione, un
oggetto puramente matematico, che ne codifica la geometria di
interazione. In ultima analisi il
Campo di Higgs
potrebbe essere una manifestazione del vuoto stesso, una sua varietà, e
conseguentemente dello spazio-tempo che si rivelerebbe così anch’esso
quantizzato e consistente dal punto di vista sperimentale
Per
penetrare ancora più efficacemente questa ipotesi è necessario
soffermarsi con attenzione sul concetto, tutt’altro che aleatorio, di
informazione, intesa in un senso strettamente fisico e misurabile a
livello sia statistico che quantistico. Se l’intero universo è un
ologramma cosmico, come suggerisce Susskind, deve essere inevitabilmente
prodotto da informazioni definite ee opportunamente codificate.
Ricordiamo
che l’olografia si basa sul principio dello schema di interferenza,
ovvero di un ag-gregato di onde che possono interferirsi sia in ampiezza
che in fase e che così correlate tra di loro rappresentano fedelmente
un’informazione.
Il concetto di onda in Meccanica Quantistica è
fondamentale per descrivere la realtà e di recente è stato anche
approfondito in maniera molto raffinata. David Tong ha strutturato un
modello per la Cromodinamica Quantistica interpretando i gluoni,
mediatori dell’interazione forte tra i quark che costituiscono protoni e
neutroni, come solitoni, particolari onde che hanno la proprietà di non
disperdersi, né di attenuarsi lungo il loro tragitto. Essi vengono
studiati anche in fisica non lineare applicandoli alla propagazione di
segnali a lunghissima distanza e tra le loro singolari caratteristiche
hanno quella di interferire non in ampiezza, ma in fase, senza perdere
la loro individualità.
Solitoni e olografia sono matematicamente
integrabili tra di loro in una codifica a modulazione di fase prevedendo
come caso secondario la modulazione in ampiezza per le onde che
decadono con comportamento lineare.
Ordine e DisordineSeguendo
questa linea di pensiero, seppur al momento puramente speculativa, è
inevitabile prolungarsi sino all’orizzonte cosmologico ma, per
affrontare efficacemente questo impegno, è assolutamente necessario
valutare una revisione del concetto di
entropia.
Ricordiamo,
in estrema sintesi, che l’entropia è un parametro dipendente dallo
stato di “disordine” di un dato sistema. Più è elevata l’entropia tanto
più è elevato il disordine che caratterizza il sistema.
Si è sempre
dedotto che, essendo l’intero Universo assimilabile a un sistema chiuso e
limitato, la sua entropia totale non può che aumentare giungendo sino
ad un limite massimo definito “morte termodinamica” oltre cui non sono
più possibili interazioni fisiche e chimiche di alcun genere.
Alla
luce delle moderne osservazioni che mostrano il cosmo in continua
espansione ed unitamente ai risultati teorici precedentemente citati,
questa deduzione, formulata nel XIX° secolo, perde decisamente
consistenza.
Molto più plausibilmente è possibile riconsiderare l’entropia in senso informazionale, così come formulata da
Claude Shannon,
in un contesto olografico su scala cosmica senza necessariamente
demolire la termodinamica classica, ma ridefinendola in maniera ancor
più rigorosa in accordo con la Teoria dell’Informazione, così come già
suggerito in un precedente articolo.
Le conseguenti implicazioni cosmologiche sono di rilevanza non trascurabile.
Si
potrebbe considerare l’Universo come un immenso agglomerato di
informazioni codificato olograficamente, in cui il contenuto del suo
volume è equivalentemente impresso sulla sua ipotetica superfice.
In
quest’ottica il decorso che va dal Big Bang sino all’attuale e futuro
stato di evoluzione può essere paragonato, per analogia tecnologica, a
un processo di decompressione di informazioni che vanno via via
strutturandosi come un sistema dinamico tendente a un attrattore.
Ciò
mette in discussione anche le congetture di uno stato iniziale
infinitamente piccolo e denso, nonché di singolarità, che andrebbero
sensibilmente riviste.
Potremmo ipotizzare, diversamente, un primo
stadio di accumulazione/condensazione di ener-gia/informazione che,
giunto a uno stato critico, innesca una singolarità destabilizzante a
cui fa seguito lo stadio di espansione ancora in atto. Espandendosi
l’Universo struttura se stesso ge-nerando spazio, tempo e materia, dando
luogo a stelle, galassie, pianeti e tutto ciò che esiste come in un
progetto che va realizzandosi autonomamente.
Materia Oscura ed Energia Oscura,
ovvero ciò che attualmente l’astrofisica non riesce ancor bene a
definire, seppur elementi predominanti ed estremamente influenti nel
contesto cosmo-logico, delineerebbero universalmente le due tendenze
evolutive di sintropia ed entropia, con-vergenza e divergenza, Logos e
Caos, che si compenetrano, equilibrandosi, in un’armoniosa danza
creativa.
ConclusioniAbbiamo esaminato in
questa panoramica solo alcuni dei più recenti sviluppi in ambito
scientifico che ci fanno però intuire quanto esso sia interdipendente da
quello umanistico, dal pensiero umano in genere.
Per un
significativo progresso tecnico e sociale è inevitabilmente necessario
un profondo cambio di approccio, di impostazione concettuale, uno sforzo
di spregiudicata, ma rigorosa, apertura al nuovo teso al superamento
degli attuali limiti che, spesso, sono dettati da altre circostanze.
Un cammino di riconciliazione culturale possibile per cui auspico feconde prospettive.
Riferimenti Bibliografici- Wikipedia, “Quantum Field Theory”, http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theory
- Wikipedia, “String Theory”, http://en.wikipedia.org/wiki/String_theory
- Wikipedia, “M-Theory”, http://en.wikipedia.org/wiki/M-theory
-
J. M. Maldacena, "The Large N Limit of Superconformal Field Theories
and Supergravity", Adv. Theor. Math. Phys. 2:231-252, 1998
- L. Susskind, “The World as Hologram”, SU-ITP-94-33, 1994
- E. P. Verlinde, “On the Origin of Gravity and the Laws of Newton”, JHEP 1104:029, 2011
-
D. Pesolillo, “La Gravità come Forza Entripica e l’Espansione
Accelerata dell’Universo”, Tesi di Laurea Magistrale in Astrofisica e
Cosmologia, Università di Bologna, A. A. 2010-2011
- Wikipedia, “Higgs Boson”, http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson
- Wikipedia, “Spontaneous Symmetry Breaking”, http://en.wikipedia.org/wiki/Spontaneous_symmetry_breaking
- D. Tong, “Baths and Quarks: Solitons Explained”, http://www.youtube.com/watch?v=Ederft9dkag