Domande fondamentali
in cerca di risposte

Nel 1917 Albert Einstein scrisse al collega matematico Felix Klein una lettera nella quale esprimeva la sua opinione sul futuro di quella fisica che aveva radicalmente trasformato a partire dal 1905, prima con gli studi sull’effetto fotoelettrico che gli valsero il Nobel e ne fecero uno dei padri (suo malgrado) della meccanica quantistica, poi con i due grandi pilastri rappresentati dalla teoria della relatività speciale e generale.
Due anni dopo, le osservazioni dell’eclissi solare da parte dell’équipe di Sir Arthur Eddington avrebbero confermato quest’ultima teoria e assicurato a Einstein fama imperitura; egli, intanto, stava iniziando a orientare i suoi interessi sulla cosmologia. Guardando indietro al contributo che aveva fornito alla scienza, Einstein scrisse in quella lettera:

“Comunque si selezioni dalla natura un complesso di fenomeni usando il criterio della semplicità, in nessun caso la sua trattazione teorica risulterà per sempre sufficiente. La teoria di Newton, ad esempio, rappresenta il campo gravitazionale in modo in apparenza completo per mezzo del potenziale ϕ. Questa descrizione si dimostra carente, e le funzioni g_μν ne prendono il posto. Ma non ho dubbi che verrà il giorno in cui anche quest’ultima descrizione dovrà cedere il passo a un’altra, per ragioni che al momento non sospettiamo neppure. Sono convinto che questo processo di approfondimento della teoria non abbia limiti” (cit. in Amelino-Camelia, 2017).

Una ricerca senza fine
Per Giovanni Amelino-Camelia, fisico all’Università La Sapienza di Roma impegnato nel settore della gravità quantistica, autore del recente Oltre l’orizzonte. Quali nuove frontiere per la fisica?, questa lettera rappresenta “perfettamente il modo di porsi umilmente verso la natura del giovane Einstein, che lo condusse a tanti incredibili successi, e che fu poi rinnegato dallo stesso scienziato”: infatti, di lì a poco il grande teorico avrebbe iniziato a impegnarsi in quella vasta e infruttuosa ricerca di una teoria in grado di unificare gravità ed elettromagnetismo che Wolfgang Pauli avrebbe poi sprezzantemente definito “l’immondizia che Einstein sta producendo in questi ultimi anni” (ibidem).

I buchi neri sono da sempre considerati banchi di prova fondamentali delle teorie di gravità quantistica.

Cosa condusse il giovane e brillante genio per antonomasia a imboccare quel vicolo cieco dell’ultima, lunga fase della sua carriera? Fu, secondo Amelino-Camelia, lo stesso abbaglio che ha colpito tanti grandi scienziati: la speranza vana di trovare la risposta alla domanda fondamentale, ossia lo sviluppo di una teoria del tutto.
“Le teorie del tutto si definiscono in generale come teorie che si basano sugli studi in ogni campo rilevante del sapere attuale, fisica, astronomia, matematica eccetera, per cercare di spiegare tutto ciò che sappiamo a oggi dell’universo”, riassume Frank Close nel suo ultimo libro Teorie del tutto. Autore di libri divulgativi di grande successo come Antimateria (2010), Neutrino (2011), L’enigma dell’infinito (2013) e una biografia dell’italiano Bruno Pontecorvo (Vita divisa, 2016), Close riepiloga in questo testo le vicende che hanno portato i fisici sulla strada della ricerca dell’unificazione delle teorie. Cosa fu infatti la teoria della gravitazione universale di Isaac Newton, se non la prima grande unificazione della fisica celeste e di quella terrestre, che Aristotele e conseguentemente tutta la Scolastica medievale avevano invece tenuto divise?
L’elegante teoria newtoniana permetteva di spiegare tanto i moti rettilinei che spingevano le mele giù dagli alberi quanto i moti ellittici dei pianeti intorno al Sole come l’effetto di un’unica forza gravitazionale, descritta matematicamente. Fu l’inizio non solo della scienza moderna, ma di quello sforzo costante a ricondurre tutti i fenomeni della natura in un’unica cornice interpretativa. L’altro grande successo fu compiuto da James Clerk Maxwell con la teoria dell’elettromagnetismo, che dimostrò come quei due fenomeni apparentemente distinti che erano appunto elettricità e magnetismo non fossero che espressione di una stessa forza, descrivibili dalle equazioni che oggi portano il suo nome. Infine, Lord Kelvin con le leggi della termodinamica poté trovare il legame tra temperature, calore, lavoro ed energia.

Stephen Hawking si dichiarò convinto nel 1980 che la fisica fosse vicina a scoprire una teoria del tutto.

Nubi all’orizzonte
Furono queste grandi sintesi della fisica moderna a spingere alcuni luminari dell’epoca, come Philipp von Jolly dell’Università di Monaco, al quale il giovane Max Planck si rivolse per un consiglio nel 1874, a proclamare: “In fisica si è già scoperto tutto quello che c’è da scoprire, e resta solo da sistemare alcuni dettagli poco interessanti” (cit. in Amelino-Camelia, 2017). E invece, grandi nubi si stagliavano all’orizzonte. Il 27 aprile 1900, al Royal Institute di Londra, Lord Kelvin tenne un famoso discorso, ricordato da Close in apertura al suo libro e noto come il “discorso delle due nubi”.
Si trattava, da un lato, del fallimento dell’esperimento di Michelson e Morley per individuare l’etere luminifero, presunta sostanza che doveva fungere da mezzo di propagazione della radiazione elettromagnetica; e la radiazione di corpo nero, che comportava a livello teorico un fenomeno noto come “catastrofe ultravioletta”, una radiazione elettromagnetica con potenza infinita emessa da un simile oggetto.
Quelle che Kelvin sperava potessero rivelarsi solo nubi passeggere si trasformarono di lì a poco in una tempesta che spazzò via la fisica classica e portò, nel giro di qualche anno, alla nascita della meccanica quantistica e della relatività generale. Le basi della fisica vennero completamente rifondate. Quello che si scoprì è che la gravitazione di Newton non era che un’approssimazione di una teoria più fondamentale, quella della relatività einsteiniana, e l’elettrodinamica approssimazione di una teoria, la meccanica quantistica, che descriveva la radiazione elettromagnetica non più solo come onda, ma anche come espressione di una particella: il fotone.

Una collisione tra particelle nell’acceleratore LHC, dove è stato scoperto nel 2012 il bosone di Higgs.

Teorie del quasi-tutto
Einstein, nella lettera a Klein del 1917, si diceva convinto che anche queste due teorie un giorno si sarebbero dimostrate approssimazioni di una verità più generale, e che questa ricerca di livelli ulteriori non sarebbe mai finita.
Il suo torto, secondo Amelino-Camelia, fu invece di credere di poter accedere a un livello “ultimo” di realtà, attraverso una teoria unificata che risolvesse anche i paradossi della meccanica quantistica. Quello che non poteva sapere, tuttavia, è che la forza elettromagnetica e quella gravitazionale non sono le uniche due forze esistenti in natura: solo negli anni Trenta le prime scoperte sulla radioattività, che avrebbero condotto alla fissione nucleare, spinsero i fisici sulla strada dell’interazione debole, terza forza fondamentale; e solo la scoperta dei quark, agli inizi degli anni Sessanta, portò alla scoperta dell’interazione forte, che tiene uniti i quark all’interno dei protoni e dei neutroni.
Ne risultò un’estensione della meccanica quantistica, prima con l’elettrodinamica quantistica (QED), la teoria quantistica del campo elettromagnetico, poi con la teoria elettrodebole che dimostrò che ad altissime energie elettromagnetismo e interazione debole sono espressione di un’unica forza, e infine con la cromodinamica quantistica, descrizione matematica dell’interazione forte.
Quello che oggi i fisici chiamano “Modello Standard”, definito giustamente la “teoria del quasi tutto” (Oerter, 2008), riunisce in unico quadro tutte le particelle note e le loro interazioni, riuscendo così a descrivere l’intero spettro della fisica eccezion fatta per la gravità (che in teoria sarebbe descrivibile come il prodotto dell’interazione tra gravitoni, ma tali particelle ipotetiche non sono mai state scoperte). Si tratta, per la verità, di teorie “poco belle”, ma estremamente funzionali, perché su di esse si basa il funzionamento tanto degli smartphone quanto dei GPS, e innumerevoli altre applicazioni pratiche.
Poco belle, spiega Amelino-Camelia, perché se confrontiamo le equazioni della legge di composizione della velocità di Einstein con quelle di Galileo ci troviamo con una notazione molto più complessa ed esteticamente brutta; eppure funziona, come funziona l’intera armatura della relatività.
D’altro canto, il Modello Standard prevede per le particelle che compongono la materia (i fermioni) ben tre generazioni dalle proprietà identiche ma con masse diverse. Perché tre, anziché una? Perché tutte queste particelle? Perché le loro masse? Certo, rispetto al caos di particelle che gli esperimenti negli acceleratori produssero a partire dagli anni Sessanta, spingendo qualcuno a lamentarsi che la fisica particellare di quegli anni assomigliasse molto alla botanica, con una sequenza di nomi e proprietà da mandare a memoria senza alcun legame apparente, il Modello Standard ha fatto incredibilmente ordine. Eppure…

L’ipotesi del multiverso, avanzata negli ultimi anni come soluzione a una serie di problemi della fisica, è un caso di “post-empirical science”.

La fine della fisica?
Il 29 aprile 1980, come conferenza inaugurale della cattedra lucasiana di matematica all’Università di Cambridge, Stephen Hawking scelse come titolo la domanda: “La fine è vicina per la fisica teorica?”. Come ricorda Close, egli si disse convinto “che c’era il 50% di probabilità che entro la fine del XXI secolo emergesse una teoria pienamente unificata”.
Successivamente si spinse anche oltre, concludendo nel 1988 il suo celebre best-seller Dal Big Bang ai buchi neri dichiarandosi convinto che la fisica sarebbe riuscita a conoscere prima o poi “la mente di Dio” (Hawking, 2015), e nel successivo Il grande disegno (2011) suggerì che la teoria M (un’estensione della teoria delle superstringhe che prevede undici dimensioni spaziali) potesse essere la migliore candidata a futura teoria del tutto.
Nel 1980 si era del resto certi che una teoria di gravità quantistica, ossia una descrizione in termini quantistici della teoria della relatività generale, sarebbe stata presto scoperta, unificando così i due paradigmi della fisica contemporanea. Hawking stesso aveva fornito importanti contributi preliminari in tal senso, insieme a Roger Penrose, descrivendo il comportamento dei buchi neri, considerati il banco di prova per eccellenza dei fenomeni estremi che avvengono nel regime di gravità quantistica. Ma da allora la situazione, anziché semplificarsi, si è drammaticamente complicata.
Due grandi nubi, spiega Close, offuscano l’orizzonte della fisica nel suo tentativo di unire la meccanica quantistica e la relatività generale. La prima è la scoperta, avvenuta nel 1998, di un’accelerazione dell’espansione dell’universo che implica l’esistenza di una “energia oscura” che produce effetti di tipo antigravitazionale.
Il tentativo di spiegarla come il prodotto dell’energia del vuoto, ossia delle interazioni che avvengono a scale ridottissime nel vuoto tra particelle virtuali come vuole l’elettrodinamica quantistica, dà un risultato di 120 ordini di grandezza superiore al valore calcolato dai cosmologi. C’è qualcosa di profondamente sbagliato.
La seconda nube è il problema della gerarchia, che può essere in estrema sintesi descritto come il mistero legato alla massa del bosone di Higgs, la particella il cui campo è responsabile della massa di tutte le altre particelle del Modello Standard. Se le teorie sono corrette, tale massa dovrebbe essere molto superiore, e conseguentemente anche tutte le altre particelle fondamentali dovrebbero possedere una massa circa 17 volte superiore a quella che osserviamo. Perché non è così? D’altronde, il fatto che non sia così permette al nostro universo di esistere: masse superiori delle particelle avrebbero trasformato l’universo in una costellazione di buchi neri ben prima che la vita avesse la possibilità di formarsi. A ciò, Amelino-Camelia aggiunge anche il mistero della materia oscura. Le stelle alla periferia delle galassie si muovono a una velocità superiore a quella prevista in base alla teoria della relatività, secondo cui il loro moto dovrebbe rallentare al crescere della distanza dal centro galattico (dove si concentra la maggior parte della massa della galassia). Per spiegare questo mistero, bisogna ipotizzare che le galassie siano circondate da aloni di materia oscura, composta da particelle che non interagiscono con la forza elettromagnetica. Ma il Modello Standard non prevede nulla di tutto ciò, il che vuol dire che nelle nostre teorie c’è qualcosa di sbagliato.

Così anche la teoria delle stringhe, proposta a partire dalla fine degli anni Sessanta e oggi entrata in crisi.

Cambi di paradigma
Le speranze di Hawking e di molti altri fisici, tra gli anni Novanta e i primi anni Duemila, erano legate alla teoria delle supestringhe, che univa la teoria delle stringhe (in grado di descrivere tanto le particelle del Modello Standard quanto la forza gravitazionale come l’effetto di vibrazioni di una stringa unidimensionale in uno spazio a dieci o undici dimensioni) con la teoria della supersimmetria, che prevede l’esistenza di particelle speculari a quelle del Modello Standard con masse superiori che potrebbero “rinormalizzare” tanto l’energia del vuoto (rendendola compatibile con il valore della costante cosmologica) tanto la massa del bosone di Higgs, risolvendo il problema della gerarchia. Eppure, la scoperta delle particelle supersimmetriche data pressoché per scontata da molti fisici teorici non è ancora avvenuta, e anche le energie altissime dell’acceleratore LHC sembrano incapaci di produrle.
“Una volta pubblicizzata come la descrizione unica del nostro universo che gli scienziati cercavano da tempo immemore, la teoria delle superstringhe si è rivelata essere come la leggendaria Idra di Lerna, a cui spuntavano due teste per ogni testa che le veniva tagliata”, riassume Close. Il risultato è l’emergere di soluzioni radicali, come quella del multiverso, secondo cui le innumerevoli possibili soluzioni della teoria delle superstringhe corrispondono ad altrettanti innumerevoli universi; e quella della scienza post-empirica, che suggerisce di abbandonare il criterio sperimentale per definire vera una teoria, e che ha provocato in tanti fisici reazioni di profonda ostilità, come quella di Amelino-Camelia, secondo cui “l’obiettivo di queste operazioni è riportare la scienza ai suoi miserevoli standard medievali: i sostenitori presentano con parole protese al futuro il ritorno alla scienza pre-galileiana, la pre-empirical science del Medioevo, il tipo di sapere dell’Inquisizione e del sistema aristotelico-tolemaico”. L’ottimismo riguardo alla teoria del tutto si è insomma incrinato seriamente da qualche anno a questa parte, e per Amelino-Camelia è meglio così.
Commentando il titolo di un libro del premio Nobel Steven Weinberg Dreams of a Final Theory (1992), il fisico italiano si chiede:

“Come è possibile che l’ipotesi di una teoria finale sia un sogno per Weinberg? E cosa potremmo fare una volta raggiunta tale teoria? Smettere di interrogarci su quali siano le domande scientifiche giuste da porsi e di affannarci a trovare le risposte? Teoria finale significa quindi fine della fisica? Il sogno di Weinberg e degli altri sostenitori della teoria del tutto per me e tanti altri fisici è un incubo orribile. Per fortuna, come spero di aver spiegato in modo esauriente nella prima parte di questo capitolo, il sogno di Weinberg è semplicemente impossibile: la condizione umana non ci consente di arrivare a una teoria del tutto. Il suo orribile sogno non si realizzerà mai, e il mio peggiore incubo assume le sembianze di pura fantasia, irrealizzabile nella realtà”.

Per Amelino-Camelia, è invece corretto l’assunto fatto da Einstein nella lettera a Klein del 1917: sarà possibile trovare nuove teorie che renderanno le precedenti mere approssimazioni, comunque valide nei loro ambiti di applicabilità (per esempio la gravitazione newtoniana per velocità molto inferiori a quella della luce), ma questo processo non avrà mai fine. Anche Close è dello stesso avviso, e ciò spiega il plurale usato per il titolo del suo libro: non ci sarà mai una teoria del tutto, ma ogni volta una migliore “teoria del tutto” come lo furono a suo tempo la gravitazione universale newtoniana, la teoria elettromagnetica, la termodinamica, la relatività generale, l’elettrodinamica quantistica, la cromodinamica quantistica.
Si spinge un poco oltre, tuttavia, a chiusura del libro, dichiarandosi fiducioso del fatto “che in una futura teoria del tutto si scoprirà che lo spazio e il tempo non sono fondamentali ed emergono invece da un concetto più profondo. Il primo che riuscirà a stabilire di cosa si tratta entrerà nel pantheon della scienza, insieme a Newton, Maxwell ed Einstein”.
Di certo, qualsiasi forma assumerà la nuova teoria del tutto del XXI secolo, ci costringerà a rivedere le fondamenta stessa della fisica contemporanea: le due nubi all’orizzonte, ancora una volta, promettono tempesta.

• Frank Close, Antimateria, Einaudi, Torino, 2010.
• Frank Close, Neutrino, Raffaello Cortina, Milano, 2011.
• Frank Close, L’enigma dell’infinito, Einaudi, Torino, 2013.
• Frank Close, Vita divisa. Storia di Bruno Pontecorvo, fisico o spia, Einaudi, Torino, 2016.
• Stephen Hawking, Il grande disegno, Mondadori, Milano, 2011.
• Stephen Hawking, Dal Big Bang ai buchi neri. Breve storia del tempo, BUR, Milano, 2015.
• Robert Oerter, La teoria del quasi tutto, Codice, Torino, 2006.
• Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory, Pantheon Books, 1992.