La teoria del tutto: alla ricerca del principio unificatore

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Dietro un fenomeno difficile da comprendere potrebbe celarsi un principio primo semplice. Un fotogramma dalla sequenza finale de "2001: Odissea nello Spazio" di S. Kubrick

DALL’ATOMO DI DEMOCRITO: LA RICERCA DELLA TEORIA DEL TUTTO – La realtà contiene un insieme di fenomeni molto diversi. Fin dall’antica Grecia, i filosofi si domandarono se questa diversità non avesse un numero limitato di cause sottostanti comuni. Questa semplice idea, evolutasi nel corso dei millenni, giunge a noi oggi stimolando la ricerca degli scienziati di una “teoria del tutto”. Un insieme di poche nozioni assiomatiche capaci di spiegare tutti i fenomeni conosciuti.

Tra le prime idee unificatrici vi è quella atomistica di Democrito (c. 400 a.C.). Egli postulò che la materia fosse composta da “atomi”, enti indivisibili ed indistruttibili, che fossero in continuo movimento. Ogni diverso fenomeno si poteva spiegare dunque al complicato moto comune di un numero enorme di atomi. Seppure Democrito non la mise in questi termini, le poche leggi naturali che governano il moto degli atomi sono le uniche responsabili della complessità della natura.

LA GRAVITAZIONE UNIVERSALE – L’idea di Democrito si evolve nel corso del tempo in una concezione riduzionista della realtà fisica. In ultima analisi, per capire l’intera realtà basta capire solo le leggi del moto dei costituenti fondamentali. Questo portò Pierre-Simon Laplace, nel 1814, a dire che un essere sufficientemente intelligente che conoscesse la posizione e la velocità di ogni atomo dell’universo in un particolare istante, potrebbe conoscerne la posizione e la velocità in ogni istante successivo. Benché l’avvento della meccanica quantistica nel XX secolo abbia modificato tale concezione deterministica dell’universo, essa rimane, mutatis mutandis, un pilastro della fisica moderna.

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Il cannone di Newton: un oggetto che orbita è solo un oggetto che cade più in là di altri.(Brian Brondel)

Nel ‘700, quando Newton propose le sue leggi della meccanica e della gravitazione universale, non stava semplicemente scrivendo una formula dell’attrazione gravitazionale. Fece l’importante deduzione che sia la caduta di oggetti sulla terra, sia l’orbita dei pianeti del sistema solare, già descritte dalle empiriche leggi di Keplero, avessero la stessa causa: l’attrazione universale tra tutti i corpi. Due fenomeni in apparenza diversi vengono spiegati con una sola nozione assiomatica. Sicuramente un passo verso una teoria del tutto, come auspicato da Laplace.

L’UNIFICAZIONE ELETTROMAGNETICA –  Il più grande risultato di unificazione dei fenomeni è dato dalla scoperta delle leggi che governano l’elettricità ed il magnetismo nella prima metà dell’800. All’inizio del secolo si fecero i primi progressi nella comprensione dei fenomeni elettrici e magnetici. In particolare nel 1831 Michael Faraday scoprì il fenomeno dell’induzione magnetica. Questo è il fenomeno in cui quando un campo magnetico cambia nel tempo, viene prodotto un campo elettrico (anch’esso variabile nel tempo). È il principio di funzionamento di un alternatore.

Successivamente James Clerk Maxwell riassume tutte le leggi note dei fenomeni elettrici e magnetici in una forma matematicamente concisa. Nel farlo, si accorge che tali equazioni sono inconsistenti e le modifica prevedendo l’esistenza di un nuovo fenomeno: un campo elettrico che cambia nel tempo produce un campo magnetico variabile nel tempo. Si tratta di uno dei primi, e migliori, esempi di utilizzo della matematica per predire un fenomeno nuovo. La matematica non è solamente un linguaggio usato per descrivere ma per ragionare e procedere logicamente da premesse a conclusioni.

Con le sue leggi al completo, Maxwell fa inoltre un’importante osservazione. Un campo magnetico che cambia nel tempo genera un campo elettrico che cambia nel tempo, che a sua volta genera un campo magnetico e così via. Capisce che campi elettrici e magnetici insieme possono propagarsi liberamente come un’onda. Egli calcola la velocità di tale onda che risultava essere circa 300.000 km/s. La velocità della luce visibile era stata già misurata in precedenza da Hyppolite Fizeau, con un esperimento geniale, che ottenne un valore molto simile. Maxwell concluse:

«…we can scarcely avoid the conclusion that light consists in the transverse undulations of the same medium which is the cause of electric and magnetic phenomena.»

Furono unificati l’elettricità ed il magnetismo e nel processo si capì qualcosa di totalmente nuovo riguardo la luce visibile, un fenomeno in apparenza completamente diverso. Questa fu la “teoria del tutto” dei fenomeni elettromagnetici.

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I ragazzi di Via Panisperna. Da sinistra: Oscar D’Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti ed Enrico Fermi. Furono i primi a studiare i decadimenti deboli negli anni ’30

I DECADIMENTI RADIOATTIVI – Negli anni ’30 del ‘900 Enrico Fermi studiò insieme ai suoi colleghi di Via Panisperna, a Roma, i decadimenti radioattivi dei nuclei atomici. Produsse in seguito una teoria dei decadimenti radioattivi che inviò alla famosa rivista scientifica Nature, il quale la rifiutò dichiarandola “completamente lontana dalla realtà”. Successivamente si rivelò non solo essere corretta ma utilissima nella comprensione e descrizione che oggi viene chiamata la forza debole. Oggi Nature dice che il rifiuto a Fermi fu uno dei maggiori errori editoriali della sua storia.

La forza debole è una piccolissima forza esercitata da tutte le particelle dell’universo e che è responsabile soprattutto per i decadimenti radioattivi dei nuclei, come ad esempio del carbonio-14. L’aggettivo debole è chiaramente utilizzato per indicare che essa ha una intensità molto più piccola della forza elettrica o magnetica e per questo non è comune incontrarla nella vita quotidiana.

SIMMETRIA E ROTTURA – Negli anni ’60 Abdus Salam e Steven Weinberg formularono una estensione della teoria di Fermi che teneva in conto il progresso sperimentale e teorico fatto nell’arco di 30 anni. Questa è la teoria moderna secondo la quale la forza elettromagnetica e la forza debole siano in realtà due facce della stessa medaglia. Oggi la chiamiamo forza elettrodebole.

L’idea è che come onde elettromagnetiche, o di fotoni (il quanto elettromagnetico), esistano anche onde di diverso tipo dette “W+”, ‘W-” e “Z”. Queste tre onde dovrebbero essere tutte e quattro uguali, in tutto e per tutto, alle onde elettromagnetiche, inclusa nella loro intensità. Si vedrebbero quindi dei nuovi tipi di fenomeni elettrici e magnetici – relativi a “W+”, “W-” e “Z” – completamente analoghi a quelli gia elettromagnetici già noti. La differenza in intensità è dovuta alla presenza del bosone di Higgs.

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Il “cappello messicano” è la maniera di descrivere la rottura della simmetria elettrodebole. La pallina, che rappresenta il nostro universo, è inizialmente nella posizione centrale simmetrica, ma cade in un qualsiasi punto del fondo in una posizione asimmetrica. (Nature)

Vi sarebbe quindi una simmetria tra fotone, “W+”, “W-” e “Z” che si dice rotta dalla presenza del bosone di Higgs. A parole povere, l’universo è completamente pieno di bosoni di Higgs, come una melassa che pervade il cosmo. Un’onda che attraversa questa melassa è rallentata, come un attrito, e quindi l’intensità di essa diminuisce drasticamente. Fortunatamente, la luce normale, ovvero onde elettromagnetiche, non interagisce con il bosone di Higgs e può propagarsi senza problemi nell’universo. Invece “W+”, “W-” e “Z” sono bloccati da questo campo e ne vediamo la presenza solo nei rari decadimenti radioattivi. Quindi si è trovata una unificazione, o “teoria del tutto”, limitata ai fenomeni elettrodeboli.

LA FRONTIERA DEL TUTTO – Oggi abbiamo una teoria estremamente precisa del mondo microscopico, un mondo controllato dalla meccanica quantistica. In questo mondo le interazioni elettrodeboli sono fondamentali. Abbiamo un’altra teoria, la relatività generale, che descrive la forza di gravità e quindi il moto del cosmo. Purtroppo le due teorie sono logicamente incompatibili con loro. Semplicemente la meccanica quantistica e la relatività generale, con i suoi spazi-tempi curvi e dinamici, sono in contrasto logico tra loro. L’obiettivo di trovare una “teoria del tutto” è ancora lontano.

Non c’è un problema sperimentale. In tutti gli esperimenti e le osservazioni che si sono mai riuscite a fare o la gravità è troppo debole, o lo è la meccanica quantistica. Non c’è un contesto facilmente sperimentalmente accessibile all’umanità in cui entrambi gli effetti siano importanti e che quindi diano indizi sul loro intreccio. Gli unici contesti in cui entrambe le teorie sarebbero rilevanti è nei primi istanti dopo il Big Bang, o in prossimità di un buco nero. Ahimè, è difficile andare a guardare proprio in quei posti.

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È possibile che guardando lo spazio tempo con uno zoom fortissimo lo vedremmo come una “schiuma”, un’entità con forme fluttuanti e quantisticamente incerte. (Foto da NASA)

Logicamente le teorie sono in contrasto e vorremmo quindi trovare una “teoria del tutto” che sia logicamente consistente e le contenga entrambe. Non è detto che la natura sia fatta così ma questo passo completerebbe l’idea di unificazione di Democrito. Sono oramai cento anni che le più brillanti menti, da Einstein in poi, lavorano su questo fronte. Pochi progressi sono stati fatti.

STRANE NUOVE IDEE – Probabilmente dovremmo rivalutare la nostra concezione di spazio-tempo. Se esiste un principio di indeterminazione per le particelle, è concepibile che ne esista uno sullo spazio-tempo. Potrebbe essere che esso stesso non ha alla base una forma ben determinata! Potrebbe essere che sia quantizzata, e quindi non sia infinitamente indivisibile, alla faccia di Zenone! Le possibilità sono immense. La risposta è ignota.

 

 

Sono dottorando in Fisica alla Sapienza di Roma, dove svolgo ricerca su cosmologia primordiale e particelle elementari. Ho lavorato come Teaching Assistant alla UCLA. Sono fondatore di Bunte Kuh e mi occupo della divulgazione scientifica.

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