M. T.

“Una buona teoria è quella che produce un alto numero di predizioni suscettibili, in linea di principio, di essere confutate dall’osservazione. Ogni volta che nuovi esperimenti forniscono risultati in accordo con le predizioni, la teoria sopravvive e la nostra fiducia in essa aumenta; ma se troviamo anche solo una nuova osservazione in disaccordo con le previsioni, dobbiamo abbandonare o modificare la teoria” (Karl Popper). Combinando la teoria della relatività generale con la meccanica quantistica si prospetta una struttura dello spazio tempo quadridimensionale del tutto nuova: senza singolarità e senza confini, simile alla Terra ma con un numero maggiore di dimensioni.

Torniamo ad occuparci delle teorie dell’Universo recensendo “La grande storia del tempo”, libro scritto alcuni anni fa da Stephen Hawking, uno dei maggiori cosmologi viventi. Il XX secolo ha segnato l’evoluzione dei concetti di spazio e tempo, vedendo la nascita di due teorie in continuo conflitto tra loro: la teoria della relatività generale da una parte e la meccanica quantistica dall’altra. Mentre la prima ha preso ad oggetto l’infinitamente grande, la seconda si è occupata dell’infinitamente piccolo; si è verificata così nel tempo una delle più grandi fratture nel mondo della fisica teorica. Il tentativo di assorbire una teoria nell’altra è stato fallimentare più di una volta: gli ultimi successi sembrano delineare un nuovo quadro che si avvale di entrambe le teorie.
H. ripercorre la storia del sapere scientifico a partire dalla teoria della relatività ristretta fino ad arrivare alla teoria delle p-brane. E’ una storia piena di contraddizioni, durante la quale si è dovuto combattere contro il senso comune e aspettare il consenso degli esperimenti, perché le nuove teorie fossero accettate dai più. Possiamo ricordare il caso della finitezza della velocità della luce espressa da Einstein nella teoria della relatività ristretta che nella sua capacità di spiegare la variazione di frequenza delle eclissi lunari di Giove ha conosciuto il suo primo successo. Lo spazio e il tempo, da grandezze statiche e immutabili, che necessitano di un punto assoluto di riferimento, diventano concetti mutabili e arbitrari: non c’è alcuna differenza tra due coordinate spaziali qualsiasi. Possiamo inoltre ricordare la tanto contemplata relazione di Einstein, E=mc^2, che stabilisce la corrispondenza tra la massa ed energia. Per la prima volta si stabilisce una relazione tra la massa posseduta da un corpo e la sua energia corrispondente: ciò equivale a esprimere che se l’energia di un oggetto aumenta, aumenta anche la sua massa, ossia la sua resistenza all’accelerazione (variazione di velocità).

La teoria della relatività generale segna,in tal modo, una rivoluzione nel concetto di gravità che si vede mutare da forza attrattiva a conseguenza della curvatura dello spazio-tempo. I corpi seguono,infatti, le cosiddette geodetiche, che, in uno spazio curvo, sono il percorso più breve da percorrersi. Vi chiarifico brevemente il concetto di geodetica: la superficie terrestre è una superficie curva; i tragitti più brevi degli aerei sono quelli compiuti lungo il cerchio massimo – cerchio che ha come centro il centro della terra –, che in una mappa appiattita descrive una linea curva e non una retta. Infatti, un aereo che viaggia da New York a Roma per percorrere il tragitto più breve non deve seguire la direzione est ma bensì andare verso nord-est per poi girare gradualmente verso est e infine verso sud-est.
La storia della scienza ci conduce a questo punto alla meccanica quantistica, la teoria forse più discussa dei nostri giorni. Il modello dell’Universo viene così completamente sconvolto, in quanto si abbandona per la prima volta il determinismo di Laplace per entrare nel mondo dell’indeterminato. La teoria quantistica ha infatti come primo fondamento il principio di indeterminazione di Heisenberg che sancisce la fine del concetto di posizione e velocità come entità separate ma facenti parte di un unico stato quantico.
La meccanica quantistica apre le porte all’avvento della probabilità in fisica associando all’osservazione una serie di esiti con valori (pesi) differenti. Per capire meglio di cosa si tratti, possiamo immaginare un tiro nel gioco delle freccette: la teoria classica ci dice se la freccia colpisce il bersaglio o meno in quanto data la conoscenza delle condizioni iniziali, cioè la velocità e la gravità, è possibile determinare in anticipo il punto di arrivo della freccetta.
La meccanica quantistica ribalta questo sistema concettuale: per l’indeterminazione intrinseca nella natura non è possibile conoscere a priori il risultato, ma ci sarà sempre una probabilità di colpire o meno il bersaglio. In questo nuovo quadro il dualismo onde particelle diventa indissolubile e si afferma piuttosto il concetto di interferenza tra particelle. Lo sviluppo di tale teoria ha messo a dura prova il rapporto tra senso comune e spiegazioni fisiche del concetto di tempo, aprendo ipoteticamente le porte alla possibilità dei viaggi nel tempo. Per spiegare questo concetto immaginiamo di avere due eventi: l’evento A sulla Terra e l’evento B su Proxima Centauri, il primo sia avvenuto nel 2012 e il secondo nel 2013 stando al tempo terrestre; ma dal momento che dalla Terra a Proxima Centauri ci sono 4 anni luce di distanza, per un osservatore di Proxima Centauri, che si sta allontanando dalla Terra alla velocità prossima alla luce, l’ordine apparirà invertito. Questo osservatore potrebbe però dire che, ammesso di muoversi ad una velocità superiore a quella della luce, potrebbe tornare indietro da A a B prima che l’evento sia stato compiuto. L’ostacolo teorico a un tale viaggio nel tempo rimane però l’impossibilità, sostenuta da Einstein, di superare la velocità della luce. Esiste in realtà un’ipotesi alternativa, ma, giunti a questo punto, le cose diventano alquanto complicate. Si può infatti piegare il tessuto spazio-temporale creando una scorciatoia tra A e B che va sotto il nome di tunnel spazio-temporale (wharmhale). E’ un po’ come immaginarsi di dover superare una montagna di poter, inveceche salire la cima e poi discendere, passare per una galleria che l’attraversi; in questo modo la velocità di percorrenza rimane inferiore alla luce ma il tragitto sarebbe più corto (“ponti” di Einstein e Rosen 1935).
Per capire di che cosa si tratti, immaginiamo che la materia sia come una sfera (curvatura positiva); perciò, per distorcere lo spazio-tempo, avremmo bisogno di una curvatura negativa che è possibile solo come energia negativa. Le teorie che ci hanno insegnato a scuola a questo punto ci abbandonano perché ci hanno sempre detto che l’energia può essere solo positiva e invece la meccanica quantistica ci smentisce al riguardo. Secondo alcune teorie elaborate da uno dei più grandi fisici moderni, Richard Feynman, si può supporre, già a livello di singole particelle, la possibilità del viaggio indietro nel tempo. Feynman sostiene che il fenomeno di annichilazione di una particella con la sua antiparticella che si muove in un circuito chiuso di spazio e tempo può essere vista come una particella A che si muove avanti nel tempo fino al punto B e quindi poi ritorna indietro nel tempo fino ad A.
Si aprono quindi scenari completamente nuovi che, come vediamo, cambiano il nostro immaginario dell’Universo e trasferiscono nel campo della fisica concetti che fino a pochi anni fa erano esclusiva pertinenza della fantascienza. Rimane però aperto il conflitto tra teoria della relatività e meccanica quantistica, anche se si stanno aprendo la strada nuove teorie di unificazione tra le quali citiamo la teoria delle stringhe e delle brane. In queste nuove elaborazioni i mattoni dell’Universo non sono più particelle ma filamenti che vibrando danno vita a varie particelle e a mondi paralleli.

Potremmo continuare a lungo a citare le nuove teorie, una più affascinante dell’altra, che animano quotidianamente i dipartimenti di fisica delle università e il mondo del web. Il mio post vuol essere un invito a lasciarsi affascinare da questo mondo e a farsi trasportare in questi viaggi alla scoperta della struttura dell’Universo.