Le nuove frontiere della fisica

A pensarci bene la Fisica che ci troviamo tra le mani oggi è un oggetto ben strano, non tanto per il corredo matematico richiesto a chi voglia capirne qualcosa, spesso inavvicinabile, ma soprattutto per la presenza di concetti ed idee fondamentali che esulano dall’esperienza quotidiana della gran parte dell’umanità. Le responsabilità di tale situazione vanno imputate, essenzialmente, a due teorie nate all’inizio del secolo scorso in Europa: la teoria della relatività e la meccanica quantistica. I nomi non sono una novità e fanno anche parte del lessico scientifico a disposizione degli studenti delle nostre scuole medie superiori. In realtà restano per l’appunto poco più che nomi, idee vaghe, come quel modellino dell’atomo di Bohr, così spesso riportato nei libri di testo di chimica e fisica, tanto simpatico e semplice da descrivere quanto privo di fondamento.

E’ un dato di fatto tuttavia che ‘relatività’ ‘dualismo onda-particella’ ‘indeterminazione’ non sono più termini sconosciuti, li si ritrova perfino nei quotidiani quando qualche giornalista tenta, con gran difficoltà, di riportare a un livello decente di comprensione qualche annuncio scientifico eclatante tra la polemica per l’ultimo goal annullato alla Juventus e gli indiziati dell’efferato assassinio di Pizzighettone.

In realtà: cosa stanno facendo oggi i fisici? Quali sono le ricerche di punta?

Sebbene i fisici teorici lo dicano con un certo fastidio, le vette della fisica teorica, dopo aver generato teorie tanto pazzesche che la fantascienza esce sbiadita dal confronto, si trovano immerse nelle nubi. Quella che viene universalmente considerata la mamma di tutte le scienze, un vero e proprio paradigma, è oggi in una situazione di impasse. In che senso?

Le due grandi teorie nate all’inizio del ‘900, Relatività e Quantistica, sono apparse sulla scena della ricerca scientifica con un fragore immenso, sbaragliando qualunque teoria rivale con un successo indiscutibile. La Relatività ha cambiato il nostro modo di vedere il mondo perché ci ha spiegato che lo spazio e il tempo non sono fissi, dipendono da come ci muoviamo. La Quantistica ci ha obbligato a cambiare il nostro concetto di determinismo, poiché le leggi fisiche non sono in grado di definire contemporaneamente tutti i parametri che identificano un sistema e ci consentono solamente di predire la probabilità che qualcosa accada.

Le due teorie si applicano però in ambiti differenti: la Relatività in sistemi in cui ci si muove ad elevate velocità (frazioni significative della velocità della luce) o sono comprese grosse masse (corpi stellari, galassie). La Quantistica per scale molto piccole (livello atomico o subatomico). In entrambi i casi sia che l’una che l’altra spiegano con precisione i fatti sperimentali. Per la vita di tutti i giorni la fisica sviluppata tra il 1600 e il 1800 (teoria della gravitazione di Newton ed elettromagnetismo di Maxwell) basta ed avanza.

Sembrerebbe una situazione idilliaca, se non esistessero sistemi che non si possono spiegare utilizzando solo una delle due teorie. Ad esempio le particelle subatomiche si possono muovere ad elevata velocità. In tal caso ci si aggiusta un po’ con le cosiddette correzioni relativistiche, ed ancora una volta i successi sono eclatanti. Tutto bene?

No. Per nulla. Le due teorie sono davvero inconciliabili, ed in casi particolari non si riesce a spiegare cosa succede.

L’esempio che si cita più frequente, perché sa davvero di fantascienza, è il buco nero (a volte gli scienziati sono maestri nell’invenzione di termini immaginifici) predetto dalla teoria della relatività generale.

Il buco nero è una stella che dopo aver finito il carburante si trasforma in un oggetto di elevatissima densità formato da particelle elementari che non hanno alcun motivo per respingersi e si attraggono l’una con l’altra collassando in un corpo di dimensioni nulle e densità infinita. Stelle esaurite che ‘scompaiono’ dal cosmo. L’attrazione gravitazionale di questo corpi è talmente intensa che neppure la luce può sfuggire da essi, e dunque sono ‘neri’.

Una tale assurdità venne osteggiata finché i buchi neri non furono ‘visti’ per davvero, ed anzi si scoprì successivamente che si tratta di oggetti comuni nel nostro universo, tra l’altro ce n’è uno anche al centro della nostra galassia.

Che in un punto privo di dimensioni possa concentrarsi una stella grande centinaia di migliaia di volte più del nostro Sole, è un’idea pazzesca, e soprattutto non funziona, perché se le dimensioni sono piccole la Relatività da sola non è applicabile, ci vuole la Quantistica, che però non va bene se ci si trova dinnanzi ad effetti gravitazionali importanti.

Conciliarle? Tentativi tanti, risultati pochi. Il fatto è che le due teorie concepiscono spazio e tempo in modo differente. La Quantistica concepisce lo spaziotempo come un reticolo fisso e immutabile che fa da cornice al mondo fisico, mentre la Relatività insegna che le caratteristiche dello spaziotempo sono generate dai corpi e dalla loro modalità di moto.

La cosa non dovrebbe preoccupare. L’inconciliabilità di Relatività e Quantistica non sembra un problema all’ordine del giorno del nostro vivere quotidiano, tuttavia nel mondo della fisica teorica la cosa preoccupa. Vediamo perché e cosa c’entra la Coca Cola.

Sia la Relatività che la Quantistica nascono in Europa all’inizio del ‘900. Per entrambe Einstein ci mette lo zampino, anche se poi la Quantistica non gli piacerà mai del tutto (famosa la battuta del ‘Dio che gioca ai dadi’). Sono teorie ‘Europee’ che scaturiscono da un modo di fare fisica che ha origine nella concezione Galileiana del mondo ed in una visione della ricerca scientifica che ha le basi nel mondo mitteleuropeo e anglosassone. Le vicende storiche spostano il baricentro della ricerca scientifica verso gli Stati Uniti, luogo nel quale la ‘Produzione’ di risultati scientifici positivi viene posta alla base della possibilità di fare scienza. Il metodo potrebbe sembrare quanto di meglio si possa desiderare, tuttavia ha la limitazione di escludere quasi del tutto la presenza dei personaggi controcorrente, coloro che avendo idee ed intuizioni ai margini della comunità scientifica, devono essere in grado di poter vagliare strade a rischio elevato di fallimento.

Come risultato sia la Relatività che la Quantistica hanno conosciuto un periodo di eclatanti successi che hanno sbalordito, conducendo in particolare alla Teoria Standard delle particelle elementari compiuta a metà degli anni ’70.

Ciò significa 70 anni di successi continui, di inarrestabile e tumultuoso progresso scientifico.

A metà degli anni ’70 saltò fuori, anche se non per la prima volta, la Teoria delle Stringhe, e promise di continuare i successi precedenti facendo balenare la possibilità di una Teoria del Tutto che inglobasse in modo elegante Relatività e Quantistica.

Bisogna dire che i Fisici sono viziati. Per loro una nuova teoria deve spiegare tutto ciò che non spiegano le teorie precedenti, e soprattutto deve permettere di predisporre nuovi esperimenti i cui risultati devono essere previsti. Ciò si è puntualmente verificato sia per la Relatività che per la Quantistica, ma non per la Teoria delle Stringhe: dalla metà degli anni ’70 la fisica che prediceva i nuovi risultati si è fermata. La Teoria delle Stringhe non è in grado di predire alcunché, ovvero predice l’esistenza di un mondo in cui il concetto stesso di fisica come noi l’abbiamo concepito fino ad ora deve essere cambiato.

Che ne diremmo di un mondo in cui qualunque risultato è altrettanto valido, gli universi sono in numero infinito ed in ciascuno le leggi locali sono diverse? Oppure il fatto che il nostro universo esiste perché così ci siamo noi che possiamo vederlo?

Momenti come questo la fisica ne ha visti altri, anzi si tratta di problemi che agli scienziati piacciono, ma non se durano per un trentennio. I problemi sono belli se sono complicati ma si trova una soluzione ragionevole, quelli che non si risolvono (soprattutto se la portata include tutta la fisica) o che richiedono di cambiare le regole del gioco (soprattutto ciò che la fisica deve essere in tema di predizioni) preoccupano, e tanto.

Attualmente gran parte della fisica teorica è occupata a studiare questo guazzabuglio delle stringhe, che chiamarlo guazzabuglio è poco. E pensare che alla base della teoria c’è l’idea apparentemente semplice che tutti i fenomeni fisici possano essere spiegati sulla base di un modello del mondo che prevede l’esistenza di un’unica tipologia di oggetti (si tratta di ‘corde’, string in inglese) di piccolissime dimensioni secondo la nostra esperienza quotidiana, che vibrano producendo gli effetti che noi percepiamo come particelle elementari, e che interagiscono tra loro. La teoria delle stringhe era sembrata poter comprendere al proprio interno sia la Quantistica che la Relatività, e poi bisogna dire che ci sono anche altri fattori che ce la fanno piacere. Che dire ad esempio del fatto che ‘string’ in inglese traduce i nostri ‘archi’ della musica classica? Lo string quartet è il quartetto d’archi, ed allora ecco che la Teoria delle Stringhe si associa alla ‘Musica della Natura’, le corde vibranti che suonano la musica dell’universo, e via così.

Tanto per iniziare non si capisce in quale universo vibrino. Certamente non in quello che siamo abituati a concepire noi, fatto di quattro dimensioni, tre spaziali ed una temporale. Ce ne sarebbero di più. Forse più di venti o forse solo una dozzina o giù di lì. La maggior parte delle quali piegate su sé stesse così che siano talmente piccole da non poter essere percepite.

Poi in realtà non ci sono solo stringhe, ci sono anche ‘brane’, che sarebbero come delle membrane, ma anch’esse in chissà quante dimensioni, ed anzi forse anche altri oggetti altrettanto strani, sempre in mondo multidimensionale. Anzi forse le stringhe vibrano in numero di dimensioni inferiore a quello che contiene le brane, come dire che noi potremmo essere le proiezioni quadridimensionali di un organismo multidimensionale di cui non possiamo percepire la vastità.

Poi non c’è la matematica che supporta la teoria, anzi a veder bene le cose forse ce n’è troppa, perché la struttura dello spazio che va bene alle stringhe alle brane ed agli altri oggetti multidimensionali è indeterminata, nel senso che sappiamo grossomodo che caratteristiche dovrebbe avere ma non lo conosciamo, un po’ come dire a un amico: “Vai alla stazione a cercare Emilio; ha i capelli ma non so quanti”.

Qualcuno (e non pochi) comincia a chiedersi cosa sia veramente la Teoria delle Stringhe visto che ad oggi non si riesce neppure a scrivere un sistema di equazioni che trasformi tutto il lavoro degli ultimi trent’anni in una Teoria Fisica formalizzata. Ci si interroga soprattutto su come sia potuto succedere che una teoria (se di ciò si tratta) abbia avuto tanto successo senza funzionare nel modo in cui tutti i fisici degni di tal nome si aspettano che debba farlo, e precisamente predicendo dei risultati che possano essere falsificati attraverso la predisposizione di opportuni esperimenti.

E qui torna in ballo la Coca Cola: come mai la troviamo in tutti i bar?

Non perché è buona, o meglio non solamente per questo. E’ un insieme di marketing, colonizzazione, interessi, modi di vivere. E tutto proviene dal modello degli Stati Uniti, luogo in cui l’uniformità è la regola di vita e si trova lo stesso MacDonald da est a ovest a sud a nord. La Coca Cola è il paradigma dell’essere statunitensi.

Quando la scienza ha lasciato l’Europa ha cambiato paradigma. Il modello del duro lavoro quotidiano di team su temi che producessero risultati, tanti e in fretta, sviluppato negli states ha funzionato benissimo per lo sviluppo rapido della fisica fino agli anni ’70. E’ un modo di lavorare che se si imbrocca la strada giusta e si hanno un mucchio di soldi per importare cervelli da mezzo mondo (o più), va da dio, produce risultati scientifici (premi Nobel) e tecnici (armi) a ripetizione.sbaragliando qualunque tipo di concorrenza.

Se però per un meccanismo perverso (che si spiega con la teoria delle catastrofi) il numero di ricercatori convinti di dover andare in una direzione supera una dimensione critica e diviene determinante nell’assegnazione dei fondi per la ricerca, ciò avviene senza che il controllo scientifico sia realmente efficace.

Pare che per la Teoria delle Stringhe sia avvenuto proprio questo, ha occupato gran parte della scena della Fisica Teorica nello stesso modo in cui la Coca Cola ha occupato i nostri bar, e così come tutti noi beviamo zucchero e bollicine, gran parte dei teorici mastica le stringhe.

Non preoccupiamoci troppo. La scienza non è nuova a simili situazioni, anche se ai nostri studenti insegniamo che la fisica è fatta prima di tutto di verifiche sperimentali (ah, Galileo) e l’affaire delle Stringhe è sospetto, in fondo dietro la ricerca scientifica ci sono un sacco di denari e non solo, oggigiorno scienza e potere sono connessi come non mai.

Consoliamoci con la teoria delle catastrofi, che spiega come nei momenti di crisi dei sistemi complessi appaiono le nuove vie, i nuovi sentieri e scenari. Quali?

Quantistica e Relatività sono teorie parziali della realtà. Lo stesso Einstein, deriso dai contemporanei occupati a correre con l’obiettivo di schiantarsi sul muro della metà degli anni ’70, cercò per tutta la vita una teoria più vasta, la teoria del tutto, senza trovarla.

Tornano in auge le critiche fondamentali ai concetti di spazio e tempo, e si cominciano ad intravedere teorie quantistiche della gravità e pazzoidi controcorrente, che tanto pazzoidi non devono essere se è vero che fior di professori in odore di Nobel ascoltano le loro tesi, asseriscono come il tempo in realtà non scorra ma sia fisso come una coordinata temporale.

Queste le nuove vie, si spera, con buona pace di quantistica e relatività, che non abbiamo fatto in tempo a studiarle bene che adesso ce le mettono pure in crisi, entrambe... Non c’è più religione.

Anna Tolu