L'Universo Informato

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 Fisica
Quali 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 Olografica
Nel 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 Particelle
Probabilmente 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 Scenari
Apriamo 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 Disordine
Seguendo 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.

Conclusioni
Abbiamo 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

http://www.scienzaeconoscenza.it/articolo/teorie-fisica-contemporanea.php