Quale universo?

Come la fisica fondamentale ha smarrito la strada

David Lindley, Simonetta Frediani

• Publisher: EINAUDI
• Year: 2021
• ISBN:
  9788858436608
• Topic: Physical Sciences
• Subtopic: Physics
• Index: Physics

La storia delle riflessioni umane sul cosmo, dall'astrologia babilonese alla rivoluzione quantistica: un racconto avvincente sulla nascita della scienza moderna e su come la fisica fondamentale stia regredendo alle sue radici prescientifiche. All'inizio del Seicento, Galileo si liberò dal giogo dell'antica filosofia platonica e aristotelica. Affermando che la comprensione della realtà si sarebbe dovuta basare su ciò che possiamo osservare e non sul pensiero puro, Galileo rivoluzionò drasticamente la nostra visione del mondo naturale. In questo modo inventò quella che è stata chiamata scienza e preparò il terreno a Keplero, Newton ed Einstein. Ma all'inizio del Ventesimo secolo la scienza inizia a cambiare rotta. Quando la fisica quantistica condusse in regni sempre piú lontani da ciò che si poteva osservare direttamente, i teorici furono costretti ad affidarsi alle virtú estetiche della matematica per sviluppare la loro concezione della realtà fisica. Per molti fisici, il potere della matematica iniziò a sostituire le intuizioni scientifiche su cui si erano basati i predecessori. Questo processo, però, rese le loro teorie sempre piú resistenti all'esame sperimentale e all'osservazione. Di conseguenza, oggi gran parte della fisica teorica è ancora una volta piú simile alla filosofia di Platone che al modello secolare di scienza da cui ha avuto origine. Ma la scienza che ha perso ogni collegamento con i fenomeni misurabili, si chiede David Lindley in questo libro, è ancora scienza?«Immaginare che la fisica potesse rendere conto di ogni singolo dettaglio della costruzione e dei contenuti del nostro universo era senza dubbio esagerato, ma ora la ricerca sembra essere finita all'estremo opposto. Secondo l'ipotesi del multiverso, la risposta a quasi ogni domanda su come o perché il nostro universo ha l'aspetto che ha è che una risposta non esiste. Nel nostro universo le cose hanno questo aspetto, ma in qualche altro universo ne hanno uno diverso. È un bel passo indietro rispetto alle stravaganti speranze di qualche decennio fa. In piú, ne deriva una domanda provocatoria: esattamente, che cosa stanno cercando di ottenere oggi gli studiosi di fisica fondamentale? Se le loro teorie non hanno uno specifico potere esplicativo riguardo al nostro universo in particolare, a quale domanda piú generale, se ne esiste una, stanno cercando di rispondere? Questo nuovo libro è la mia esplorazione di quella domanda e giunge ad alcune conclusioni che pochi fisici che si occupano di questioni fondamentali o cosmologiche saranno felici di sentire».

Parte quarta

Scienza o filosofia?

Se la fisica fondamentale si è distaccata, come credo, dalla corrente principale del lavoro scientifico odierno e dal modello galileiano che l’ha servita cosí bene per secoli, oggi è una scienza praticata in un modo nuovo o in un vecchio modo riportato in auge, oppure è diventata un’attività completamente diversa? Per ripetere la domanda posta nella prefazione: che cosa stanno cercando di ottenere oggi gli studiosi di fisica fondamentale?

Capitolo tredicesimo

Gli ultimi problemi

Nel 1919, il fisico polacco Theodor Kaluza ebbe un’idea intelligente per ottenere una teoria unificata dell’elettromagnetismo e della gravità. Iniziò con la relatività generale di Einstein, in cui lo spaziotempo è curvato dalla presenza di massa: quella curvatura fa sí che gli oggetti che si muovono liberamente percorrano traiettorie non rettilinee. Sulla scorta di Newton, ci aspettiamo che gli oggetti viaggino in linea retta. Quando invece seguono un percorso curvo, ne deduciamo che sono soggetti a una forza e nel caso di un sasso lanciato in aria chiamiamo gravità quella forza. Ciò che mostrò Einstein è che non c’è alcuna forza, è la curvatura dello spazio a far muovere il sasso lungo una parabola.

Kaluza aggiunse una quinta dimensione, di modo che ciascun punto dello spaziotempo di Einstein (tre dimensioni dello spazio e una del tempo) diventava un piccolo cerchio. Immaginate che quel cerchietto sia il quadrante di un orologio con una sola lancetta; Kaluza dimostrò che la posizione della lancetta poteva essere collegata al valore del campo elettromagnetico in quel punto. Al posto di una teoria della gravità con tre dimensioni spaziali e una temporale insieme a una teoria distinta dell’elettromagnetismo, Kaluza aveva elaborato un’unica teoria a 4 + 1 dimensioni in cui tra i due fenomeni esisteva un’intima connessione. In piú, era una teoria fondamentalmente geometrica, basata sulla teoria geometrica della gravità di Einstein.

A volte si dice che la storia della fisica è una storia di unificazione sempre piú ampia, in cui si scopre che fenomeni in precedenza considerati privi di connessioni sono parti di un unico sistema. La teoria della gravitazione di Newton unificò il fatto ben noto e relativo alla Terra che le mele cadono dagli alberi con il movimento senza fine della Luna che orbita intorno alla Terra. Nella termodinamica, il calore e il lavoro meccanico divennero manifestazioni diverse di una proprietà basilare chiamata energia. Maxwell inserí l’elettricità e il magnetismo in un’unica rappresentazione matematica e in piú scoprí che la luce consiste di onde elettromagnetiche.

L’idea che questi progressi fossero elementi di un intenzionale programma di unificazione è evidente solo a posteriori, tuttavia. All’epoca, gli scienziati erano impegnati a individuare connessioni piú profonde tra aspetti della fisica il cui collegamento era abbastanza ovvio. Quando i motori a vapore lasciarono il segno sulla società, divenne difficile non giungere alla conclusione che in qualche modo il calore produce lavoro meccanico; la termodinamica è la spiegazione scientifica di quella relazione. In maniera simile, gli sperimentatori sapevano da secoli che gli effetti elettrici e magnetici possono influenzarsi reciprocamente; la teoria di Maxwell è l’incarnazione matematica di quei collegamenti. Mettere insieme queste cose era il compito ovvio dello scienziato, un obiettivo naturale a cui mirare.

Le dichiarazioni che l’unificazione è di per sé il compito basilare della fisica fondamentale iniziarono a comparire solo nel Novecento. A segnare l’inizio di queste aspirazioni forse fu il tentativo di teoria di Kaluza, anche se non ebbe successo. Innanzitutto, era una teoria classica, che non offriva alcuna concessione alla meccanica quantistica. Nel 1926, il matematico svedese Oskar Klein cercò di rimediare a questa mancanza immaginando che i piccoli cerchi rappresentassero quanti di carica elettrica – un giro completo della dimensione nascosta corrispondeva alla carica di un elettrone. C’era però un grande problema: poiché la teoria di Kaluza-Klein, come fu chiamata in seguito, collegava l’elettromagnetismo alla gravità, anche il quanto di carica aveva una massa, che risultava enorme, piú o meno come la cosiddetta massa di Planck, pari a circa 0,02 milligrammi, che deriva da una combinazione di unità fisiche fondamentali. Si tratta di una massa maggiore di quella dell’elettrone di un fattore 2 seguito da 25 zeri.

Anche se la teoria di Kaluza-Klein scomparve rapidamente dalla circolazione, una sua eredità è ancora con noi: la possibilità che le dimensioni spaziali e temporali siano piú di quelle che si presentano ai nostri occhi. L’idea rimase latente per molti decenni, tuttavia, mentre la proliferazione di nuove particelle iniziata negli anni Trenta conduceva i teorici in una direzione diversa. I fisici individuarono due nuove forze fondamentali, l’interazione nucleare forte e l’interazione nucleare debole. La prima è ciò che tiene insieme i nuclei atomici e la seconda ha a che fare con la radioattività e i neutrini. Qualunque particella può essere caratterizzata in parte dalla reazione, o mancanza di reazione, a queste due forze e all’elettromagnetismo (il neutrino è sensibile soltanto alla forza debole ed è per questo motivo che è tanto elusivo). A quel punto, unificare significava mettere le forze elettromagnetiche, forti e deboli in un unico pacchetto ordinato. La gravità, senza conseguenze misurabili per le interazioni tra particelle elementari, per il momento fu lasciata da parte.

Un elemento chiave in questo nuovo tentativo di unificazione fu l’introduzione di simmetrie rotte. La simmetria aiutò a comprendere la proliferazione di particelle mostrando che potevano essere organizzate in gruppi o famiglie con proprietà collegate. La proposta della rottura della simmetria era che, a energie molto elevate, le tre forze elementari coincidono e le differenze emergono soltanto quando l’energia tipica delle particelle diminuisce. La ragione fondamentale per cui si introdusse la rottura di simmetria è che permise agli scienziati di mettere in collegamento tra loro forze elementari che non presentano connessioni ovvie. Il collegamento si interrompe nel nostro mondo di basse energie, ma si ripristina, stando alla proposta, a energie molto elevate. A questo punto, l’unificazione delle forze in una sola teoria era l’obiettivo dichiarato della teorizzazione e si decise che il concetto di rottura di simmetria avrebbe fatto parte della strategia per realizzarlo.

Ciò che permette alla rottura della simmetria di funzionare è qualcosa di cui forse avete sentito parlare: il bosone di Higgs o piuttosto tutto un gruppo di bosoni di Higgs adatti a scopi diversi. Lo scopo di qualsiasi bosone di Higgs è la rottura di una simmetria. La moderna teoria quantistica associa le forze fondamentali a particelle. Per l’elettromagnetismo, la particella è il fotone, il quanto del campo elettromagnetico. Per l’interazione forte, vi è un insieme di particelle chiamate gluoni, che sfrecciano avanti e indietro tra i quark, tenendoli saldamente insieme. Per l’interazione debole, le particelle sono tre: il bosone neutro Z e il bosone carico W, nelle due versioni, negativa e positiva. L’unificazione dell’interazione debole e della forza elettromagnetica fu il primo passo. L’idea era che nelle collisioni tra particelle ad altissime energie le particelle W e Z non hanno massa, come i fotoni. In queste condizioni, la forza debole e quella elettromagnetica si comportano in modi molto simili e possono essere facilmente considerate come aspetti diversi di un’unica interazione elettrodebole. A energie minori, tuttavia, entra in azione l’incarnazione elettrodebole del meccanismo di Higgs. Il bosone di Higgs privo di massa acquisisce massa e nel farlo conferisce massa anche alle particelle W e Z. Questa è una rottura della simmetria – da una situazione in cui il fotone e le particelle W e Z erano tutti privi di massa si passa in un nuovo stato in cui soltanto il fotone resta privo di massa. È il fatto che W e Z hanno una massa a far sí che l’interazione debole si comporti in modo molto diverso dall’elettromagnetismo nel nostro mondo a bassa energia.

Le particelle W e Z sono state rilevate nel 1983 al CERN, il laboratorio europeo per la fisica delle particelle nei pressi di Ginevra, e le loro caratteristiche misurate sono in buon accordo con le aspettative della teoria unificata dell’interazione elettrodebole. Finché non si scoprí il bosone di Higgs, tuttavia, rimase aperta una questione importante: esisteva davvero una cosa come la rottura di simmetria e, anche se esisteva, il meccanismo di Higgs ne rendeva conto o era necessaria qualche altra astuzia teorica?

L’acceleratore del CERN, il Large Hadron Collider (LHC), è stato costruito con l’obiettivo primario di trovare il bosone di Higgs elettrodebole. In base alla teoria, il valore della massa del bosone di Higgs doveva cadere in un certo intervallo e, dato che gli esperimenti dell’LHC, pur raggiungendo energie sempre piú elevate, continuavano a non trovare la particella, i fisici considerarono un valore della massa di Higgs vicino al limite superiore dell’intervallo consentito. Alla fine, comunque, nel 2012, il bosone di Higgs si è rivelato, quasi all’ultimo momento. Il valore stimato della sua massa rientra, seppur di poco, nell’intervallo giudicato accettabile dai fisici.

Questo risultato, tuttavia, presentava un lato negativo. Il meccanismo di Higgs non corrisponde all’idea di bellezza matematica di nessuno. È geniale, ma è un trucco, un espediente, un kludge (una soluzione poco ortodossa ma efficace), come gli informatici chiamano una parte di codice che viene aggiunta a un programma per svolgere un compito necessario che era stato trascurato. Spiegare perché il meccanismo di Higgs non è attraente ci farebbe entrare in dettagli tecnici. Qui basterà dire che il suo unico scopo è rompere la simmetria di una teoria e che lo ottiene grazie all’aggiunta di un nuovo ingrediente, il campo di Higgs, dotato di proprietà ideate interamente dai teorici per realizzare la suddetta rottura di simmetria. Non ha nulla di naturale o inevitabile, e di certo nulla di elegante. Però fa il suo lavoro.

Nel capitolo XI abbiamo visto alcuni esempi di fisici che portarono le proprie teorie in nuovi territori spinti da un desiderio di bellezza matematica. Il meccanismo di Higgs è un esempio opposto. Non è bello, ma è utile e versatile. La scoperta del bosone di Higgs dell’unificazione elettrodebole lo rese un ingrediente rispettabile della fisica delle particelle piú in generale e rafforzò l’argomento a favore dell’uso del meccanismo di Higgs in altre parti del programma di unificazione. La sua diffusa adozione suggerisce però che l’attaccamento dei teorici all’eleganza matematica è piuttosto opportunistico: se una parte esteticamente sgradevole di una teoria fa un lavoro prezioso e trova conferma empirica, la usano senza esitazioni. La bellezza assume un ruolo piú importante solo quando la teoria conduce in domini al di fuori della portata degli esperimenti.

In ogni caso, il passo successivo nel programma di unificazione fu la combinazione della forza elettrodebole con l’interazione forte e i suoi gluoni nelle cosiddette grandi teorie unificate (escludendo ancora la gravità, comunque). Esistono varie versioni di queste teorie, che usano un meccanismo di Higgs che agisce a energie di poco inferiori a un bilione di volte l’energia di collisione dell’LHC e quindi inconcepibilmente al di là della capacità degli esperimenti realizzabili sulla Terra. Rendendosi conto che avrebbero dovuto cercare altrove per verificare le proprie teorie, i fisici delle particelle si interessarono alla cosmologia del Big Bang. Nei primissimi istanti di vita dell’universo, minuscole frazioni di secondo dopo il Big Bang, il cosmo era un caos di particelle a temperature elevatissime. All’inizio, se il programma di unificazione era corretto, la forza elettromagnetica e le interazioni forti e deboli facevano tutte parte di uno schema simmetrico. Quando la temperatura diminuí, dapprima lasciò la compagnia e se ne andò per la sua strada l’interazione forte, quando l’universo esisteva da un bilionesimo di bilionesimo di bilionesimo di secondo, e in seguito, all’avanzata età cosmica di un miliardesimo di secondo, si ruppe la simmetria elettrodebole, lasciandoci nel regno della fisica che conosciamo. I fisici pensarono che questi momenti di rottura di simmetria avessero lasciato il segno sulla storia del cosmo e forse anche sottili indizi che si sarebbero potuti rilevare.

La cosa si rivelò piú facile a dirsi che a farsi. In effetti la cosmologia poteva separare il grano dal loglio, distinguendo le grandi teorie unificate che erano plausibili da quelle che non lo erano, però quelle plausibili erano molte. Poi la situazione si fece ancora piú complicata.

Nel 1981, Alan H. Guth concepí l’universo «inflazionario», che nella sua prima incarnazione era uno spin-off della grande unificazione. Il meccanismo di Higgs funziona facendo sí che un sistema di particelle e di forze passi da uno stato simmetrico a uno non simmetrico. Questa transizione è innescata da un cambiamento di ciò che i fisici chiamano stato fondamentale del sistema, in sostanza il suo stato di minima energia, quello in cui si trova quando non accade nulla di eccitante. Guth capí che questa transizione aveva implicazioni cosmiche, poiché l’energia dello stato fondamentale imita il comportamento della costante cosmologica che Einstein introdusse per poi pentirsene. Per di piú, il cambiamento di quell’energia, quando si rompe la simmetria della grande unificazione, è enorme. Se oggi, come presumeva Guth, il valore della costante cosmologica è basso perché l’energia dello stato fondamentale di Higgs non simmetrico in cui viviamo è bassa, allora all’inizio, prima che entrasse in azione il meccanismo di Higgs della grande unificazione, doveva essere davvero molto alto.

Il modello inflazionario della cosmologia si basa su questi effetti gravitazionali. L’universo inizia nello stato fondamentale simmetrico di alta energia e, quando si è raffreddato abbastanza, invece di passare gradualmente allo stato a bassa energia, resta bloccato per un po’ nello stato di alta energia. Durante questo intervallo di tempo, il valore elevato della costante cosmologica spinge il cosmo a espandersi in maniera esponenziale con il tempo – di qui il nome «inflazione». Questo periodo inflazionario ha due conseguenze positive, come capí Guth: spiega perché l’universo oggi è in equilibrio nel punto critico tra una perenne espansione e un collasso finale su se stesso e spiega perché l’universo, in generale, ha un aspetto tanto uniforme (è vero, ci sono galassie e ammassi di galassie separati da enormi spazi vuoti, ma alle scale piú grandi l’aspetto del cielo è molto simile da qualsiasi punto di osservazione).

Non voglio entrare nei dettagli della cosmologia inflazionaria. Il libro di Guth del 1997, The Inflationary Universe, la descrive in modo esauriente ed esamina a fondo le tribolazioni successive alla sua enunciazione iniziale¹. In particolare, la speranza originaria di Guth che il meccanismo di Higgs della grande unificazione funzionasse si dimostrò irrealizzabile, perciò i fisici e i cosmologi inventarono un meccanismo di Higgs completamente nuovo proprio allo scopo di far funzionare l’inflazione come desiderato. Non fu affatto facile e affinché questo meccanismo di Higgs cosmico producesse una cosmologia in accordo con ciò che sappiamo fu necessario progettarlo con grande cura e scrupolo. Questa spiacevole necessità va contro lo scopo originario dell’inflazione. L’idea era che un generico modello inflazionario avrebbe prodotto in modo automatico e senza grandi sforzi un universo simile a quello in cui viviamo, sbarazzandosi cosí di tutta la regolazione fine delle condizioni iniziali al momento del Big Bang o subito dopo. Partendo da qualsiasi Big Bang, si pensava, la magia inflazionaria avrebbe garantito di ottenere, all’incirca dieci miliardi di anni dopo, il nostro universo. Si scoprí, però, che far venire fuori l’universo nel modo giusto è una questione delicata e che per riuscirci erano necessari ritocchi e regolazioni fini di ogni genere del meccanismo di Higgs inflazionario. Non si eliminava la regolazione fine, la si spostava soltanto da un posto all’altro e su questo problema torneremo tra poco.

L’altro grande sviluppo si realizzò quando i fisici delle particelle scoprirono che la cosmologia offriva loro un’arena in cui esplorare la verosimiglianza e le conseguenze delle proprie teorie e cosí la spinta a includere la gravità nell’unificazione delle forze fondamentali della natura riprese vigore. Il Big Bang in sostanza è il momento in cui la gravità si differenziò dalle altre tre forze. Prima del Big Bang (eviteremo di domandarci se «prima» significhi qualcosa in questo caso), la densità dell’universo era cosí alta che la gravità aveva un’intensità paragonabile a quella delle altre forze. Una volta accaduto il Big Bang e iniziata l’evoluzione cosmica, l’espansione dell’universo segue le regole non quantistiche della relatività generale, mentre per descrivere i contenuti dell’universo si deve usare la teoria quantistica. Questo primo periodo corrisponde ai «primi tre minuti» della storia cosmologica resi famosi dal libro di Steven Weinberg del 1977 con questo titolo². Weinberg portò all’attenzione del pubblico la nuova scienza della «cosmologia delle particelle». Una volta trascorsi tre minuti, l’universo è composto di atomi conosciuti e pieno di radiazione elettromagnetica e nella maggior parte dei casi i cosmologi e gli astrofisici non devono piú prestare attenzione alle stranezze delle teorie di unificazione.

La formulazione di teorie quantistiche della gravità è stata una sorta di industria artigianale sin dai tempi del teorema di Kaluza-Klein. Negli anni Settanta, per esempio, venne proposta la teoria della cosiddetta supergravità, dove il prefisso «super» veniva dal concetto precedente di supersimmetria, che era in parte un tentativo di spiegare perché l’energia a cui l’interazione forte si separa dalla forza elettrodebole e l’energia a cui l’interazione elettrodebole si suddivide nella componente debole e in quella elettromagnetica fossero tanto lontane. Nella supersimmetria, ciascuna particella elementare della famiglia dei bosoni deve avere un partner tra i fermioni (i bosoni e i fermioni si distinguono in base al loro spin quantistico). Tra le altre cose, la supersimmetria c...

Table of contents

• Copertina
• Frontespizio
• Prefazione
• Quale universo?
• Parte prima. Come ebbe inizio la scienza
• Parte seconda. La fisica classica regna sovrana
• Parte terza. La fisica fondamentale traccia il proprio percorso
• Parte quarta. Scienza o filosofia?
• Ringraziamenti
• Note
• Letture consigliate
• Indice analitico
• Il libro
• L’autore
• Dello stesso autore
• Copyright