di Piero Di Giorgi
Da sempre l’uomo, almeno da quando è stato lasciato qualcosa di scritto, si è posto domande di senso riguardanti l’origine dell’universo, chi siamo, da dove veniamo e dove andiamo. L’uomo preistorico aveva una concezione animistica e mitologica, attraverso la quale creava un mondo magico, dominato da dèi costruiti a propria immagine e somiglianza e compiva riti propiziatori per accaparrarsi la necessaria protezione. Progressivamente, dai politeismi si è passato ai monoteismi e contemporaneamente alle teogonie si sono affiancate le cosmogonie.
Com’e noto, le prime congetture e ipotesi sull’origine e la composizione dell’universo sono cominciate dai presocratici 25 secoli fa a Mileto, luogo del primo Parlamento della storia del mondo, il Panonion, dove s’incontravano i delegati della lega Ionia. Come probabilmente ho scritto altre volte, dopo i greci non è stato inventato granché di nuovo. Alcune delle idee odierne sulla struttura dello spazio e sulla natura delle cose si riferiscono a concetti introdotti nel VI secolo a.C. Ed è proprio da lì che Carlo Rovelli, uno dei più importanti fisici teorici italiani (La realtà non è come ci appare, Cortina Milano 2014), fa iniziare i prodromi della scienza, da Talete, Anassimandro, Anassimene, Leucippo e soprattutto l’allievo di quest’ultimo, Democrito. Per la prima volta, i filosofi milesi non facevano riferimento a miti, spiriti e dèi, ma cercavano risposte nella natura stessa delle cose. Avevano capito che il mondo si può spiegare con la ragione. L’idea di Democrito era che l’Universo fosse formato da innumerevoli atomi che si muovono nello spazio e che dal loro combinarsi si producesse l’infinita varietà di tutte le forme di cui è fatto il mondo. Noi stessi siamo il risultato di questa danza infinita di atomi, il prodotto di una selezione causale e accidentale, avvenuta in un lunghissimo arco di tempo. Platone e Aristotele hanno combattuto le idee razionali di Democrito, contrapponendovi la loro visione finalistica e ciò ha creato per secoli ostacoli al crescere della conoscenza. Purtroppo, la quasi totalità degli scritti di Democrito sono andati perduti e quel che sappiamo ci deriva dal De rerum natura di Lucrezio (allievo di un allievo di Democrito), la cui opera fu messa al bando, nel 1551, dal Concilio di Trento . Invece, ci è rimasto tutto Aristotele, sul quale si è costruito il pensiero occidentale. Nel caso contrario, sarebbe stata tutta un’altra storia.
Con l’avvento del cristianesimo e fino al XV secolo gli ecclesiastici hanno avuto il monopolio della filosofia e del sapere. Ciò ha comportato il passaggio dalle ipotesi alle certezze dogmatiche e alla visione di un Universo creato da Dio secondo il racconto biblico della Genesi. Ed è stata proprio questa concezione che ha portato alla condanna dell’eliocentrismo copernicano-galileiano. La fine del Medioevo e l’avvento dell’età moderna si sono caratterizzati per la diminuita autorità della Chiesa e la concomitante crescita dell’autorità della scienza, alla cui nascita contribuirono quattro grandi scienziati: Copernico, Keplero, Galileo e Newton. Da allora la scienza ha compiuto grandi passi avanti, soprattutto dai primi del Novecento, nel passaggio dalla fisica classica a quella quantistica, che ha modificato la concezione newtoniana-cartesiana di mondo, introducendo elementi di relatività e di indeterminazione nella scienza moderna e approfondendo la nostra comprensione dell’universo.
Il libro di Carlo Rovelli racconta come è cambiata la visione del mondo, prima facendo una breve carrellata attraverso i classici, per soffermarsi poi sulle due grandi teorie della fisica del XX secolo: relatività generale e meccanica quantistica. E lo fa proprio con un racconto semplice e piacevole, trasportando il lettore in un fascinoso viaggio alla scoperta dell’Universo e con la passione e i dubbi del vero scienziato. Le due teorie hanno messo in discussione le nostre idee convenzionali sul mondo, soprattutto per quanto riguarda i concetti di spazio e tempo e di materia ed energia. E costituiscono anche la base per cercare la gravità quantistica, della cui ricerca Rovelli è uno dei protagonisti principali in quanto direttore del gruppo di ricerca dell’Università di Aix-Marsiglia.
La prova definitiva dell’ipotesi atomistica di Democrito, secondo il quale la realtà dell’Universo è granulare, ha dovuto attendere il 1905, quando un giovane di 25 anni, Albert Einstein, ha inviato tre articoli alla più prestigiosa rivista del tempo, gli Annalen der Physik, il primo dei quali per l’appunto confermò la composizione atomica, calcolando la dimensione degli atomi. Einstein, nello stesso 1905, ha fatto una scoperta stupefacente. Tra passato e futuro di ciascun evento esiste una zona intermedia, che ha chiamato “presente esteso”, cioè una zona che non è né passato né futuro. È la teoria della relatività ristretta. Questa zona intermedia dipende dalla distanza. Più un luogo è lontano da me, più lunga è la sua durata. Sulla luna, la durata del “presente esteso” è di qualche secondo, su Marte di un quarto d’ora, sulla galassia Andromeda di due milioni di anni. In altri termini spazio e tempo sono indissolubilmente legati. Tempo e spazio vengono fusi in un concetto unico di spaziotempo, come il campo elettrico e il campo magnetico si fondono in un campo unico, chiamato campo elettromagnetico; nello stesso tempo si fondono i concetti di massa ed energia, come due lati della stessa medaglia. L’una si può trasformare nell’altra, come indica la famosa formula E=mc2.
Ma il capolavoro di Einstein è la relatività generale, pubblicata dieci anni dopo. La relatività ristretta aveva turbato Einstein perché non corrispondeva a quel che si sapeva sulla gravità di Newton. Egli ha intuito che, come esiste il campo elettromagnetico, ci deve essere anche un campo gravitazionale. Nel 1915 trova le equazioni di una nuova teoria della gravità. Il campo gravitazionale è, per Einstein, proprio lo spazio di Newton, che però non è uno spazio piatto e fisso, ma, essendo un campo, è qualcosa che si muove ed ondeggia. Non è qualcosa di diverso dalla materia ma una delle componenti materiali del mondo, che si flette, s’incurva e si storce. Il sole con la sua massa piega lo spazio intorno a sé e la terra non gli gira intorno perché attratta da una misteriosa forza, ma perché sta correndo diritta in uno spazio che s’inclina. Più precisamente quel che s’incurva è lo spaziotempo. E se anche il tempo s’incurva, più in alto il tempo passa a velocità più bassa e due gemelli che abbiano vissuto uno al mare e l’altro in montagna, quando si rincontrano, quello vissuto in montagna si ritrova più giovane dell’altro. Quando una stella è molto più grande del sole, lo spazio si curva così fortemente da sprofondare dentro un vero e proprio buco nero. La teoria della relatività generale predice che lo spazio s’increspi e queste increspature sono onde simili a quelle elettromagnetiche. Lo spaziotempo è un campo ed è il campo gravitazionale.
Anche la meccanica quantistica è un pilastro fondamentale della fisica del Novecento, consentendo applicazioni che hanno cambiato la nostra vita quotidiana: computer, laser, semiconduttori, cellule fotoelettriche, chimica e biologia molecolare si devono ad essa. Questa storia avvincente è cominciata nel 1900 con Max Plank, che ha ipotizzato che l’energia non è una grandezza continua ma fatta di pacchetti, quanti, cioè piccole quantità d’energia. La teoria è stata confermata ancora una volta da Einstein in uno dei tre articoli, quello dell’effetto fotoelettrico, in cui egli ha mostrato che la luce, che pure sembra un fenomeno ondulatorio, è formata da particelle di luce, chiamate fotoni. La meccanica quantistica ha permesso di comprendere tre pilastri fondamentali della natura delle cose. Il primo, secondo cui «il mondo è un susseguirsi di eventi quantistici granulari». Niels Bohr ha scoperto che anche gli elettroni assumono valori quantizzati. Il secondo pilastro è l’aspetto relazionale di tutte le cose. Werner Heisenberg ha scritto le equazioni della meccanica quantistica e ha compreso che gli elettroni si materializzano soltanto quando interagiscono. Un elettrone è un insieme di salti da una interazione all’altra. La realtà è data dalle relazioni. Sono le relazioni che danno origine alla nozione di “cosa”. La meccanica quantistica ci insegna a pensare in termini di processi e non di cose. E un processo è il passaggio da un’interazione all’altra. Il terzo pilastro è l’indeterminismo, che è intrinseco alla natura. Il quando e il dove compare l’elettrone non possono prevedersi con certezza. A causa dell’indeterminismo, le cose sono soggette continuamente a un movimento casuale, a una fluttuazione continua. A livello profondo domina la probabilità.
Nel corso del XX secolo si è formulata l’odierna teoria quantistica dei campi che rende compatibile la teoria quantistica con la relatività ristretta di Einstein. Da più di trent’anni, tutti gli esperimenti hanno riconfermato la teoria, compreso la rivelazione del bosone di Higgs del 2013, che è uno dei campi del modello standard. Rovelli definisce la relatività generale di Einstein e la meccanica quantistica le due gemme del Novecento ma rileva che le due teorie sembrano contraddirsi nella loro realtà attuale, in quanto il campo gravitazionale è descritto senza tenere conto della meccanica quantistica e del fatto che i campi sono quantizzati e la meccanica quantistica è formulata senza tenere conto che lo spaziotempo s’incurva ed è soggetto alle equazioni di Einstein. Ma gli esperimenti sembrano dare ragione a entrambe le teorie. C’è qualcosa che non quadra. L’obiettivo è trovare un insieme di equazioni e una visione del mondo coerente, in cui sia risolta la discrasia tra le due teorie. L’autore introduce, a questo punto, la teoria della gravità quantistica a loop (anello), nata verso la fine degli anni ’80 e di cui Rovelli è uno dei protagonisti, che cerca di combinare, con molta cautela, la relatività generale e la meccanica quantistica. L’assunto è che lo spazio fisico, essendo un campo, è anch’esso fatto di quanti. La stessa struttura granulare che caratterizza gli altri campi caratterizza anche il campo gravitazionale quantistico e quindi lo spazio. Ci si aspetta che esistano quanti di spazio come esistono quanti di luce, come aveva intuito Democrito. Si è visto che lo spazio come contenitore delle cose sparisce con la gravità quantistica. Lo spazio è il tessuto delle loro relazioni di vicinanza. Allo stesso modo sparisce anche l’idea del tempo che scorre, nel corso del quale avvengono i fenomeni. I quanti di gravità non evolvono nel tempo. Le cose cambiano solo in relazione l’una all’altra. A livello fondamentale il tempo non c’è. La sensazione del tempo che scorre ha valore soltanto su scala macroscopica. A livello microscopico non c’è lo spazio che contiene il mondo e non c’è il tempo lungo il quale si svolgono gli eventi.
In conclusione, le particelle sono quanti di campo, la luce è formata da quanti di un campo, lo spazio non è che un campo quantistico anch’esso e il tempo nasce dai processi di questo campo. Il mondo è fatto di campi quantistici. Teoria della relatività e meccanica quantistica diventano compatibili non appena si realizzi che spazio e tempo sono aspetti di un campo quantistico, come gli altri campi. Il mondo in cui viviamo è un mondo che non esiste nello spazio e non evolve nel tempo, è un mondo fatto di campi quantistici in interazione, il cui pullulare di quanti genera, attraverso una rete di interazioni reciproche, spazio, tempo, particelle, onde e luce.
La teoria, come sottolinea l’autore, è ancora nella sua infanzia e deve ancora passare gli esami della sperimentazione, ma mostra comunque una sua coerenza e un suo fascino. D’altronde, si può aggiungere che anche altre teorie, come ad esempio quella delle superstringhe e degli universi paralleli hanno un loro fascino, ma anch’esse sono prive di conferme sperimentali. Ed è questo il modo di procedere della scienza: formulare teorie, che devono essere confermate dalla verifica sperimentale.
Dialoghi Mediterranei, n.13, maggio 2015
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Piero Di Giorgi, già docente presso la Facoltà di Psicologia di Roma “La Sapienza” e di Palermo, psicologo e avvocato, già redattore del Manifesto, fondatore dell’Agenzia di stampa Adista, ha diretto diverse riviste e scritto molti saggi. Tra i più recenti:Persona, globalizzazione e democrazia partecipativa (F. Angeli, Milano 2004); Dalle oligarchie alla democrazia partecipata (Sellerio, Palermo 2009); Il ’68 dei cristiani: Il Vaticano II e le due Chiese (Luiss University, Roma 2008), Il codice del cosmo e la sfinge della mente (2014).
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