L'Universo Informato
Quali sono le più importanti scoperte della fisica
contemponarea? Cosa ci dicono sulla nascita e il destino dell'universo?
di Carlo Donadio - 10/03/2014
L'Universo Informato
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
Lawrence M. Krauss
L'Universo dal Nulla - Libro >>
http://goo.gl/Y5B49E
Le rivoluzionarie scoperte che hanno cambiato le nostre
basi scientifiche
Editore: Macro Edizioni
Data pubblicazione: Novembre 2013
Formato: Libro - Pag 188 - 13,5 x 21,5 cm
