La realtà è tutta interazione
di Marco Rovelli
C'è una situazione paradossale al centro della nostra conoscenza del
mondo fisico. Il Novecento ci ha lasciato due gemme: la relatività
generale, su cui sono cresciute cosmologia, astrofisica, studio delle
onde gravitazionali, dei buchi neri... e la meccanica quantistica, base
della fisica atomica, nucleare, delle particelle elementari, della
materia condensata e molto altro. Due teorie prodighe di doni e
fondamentali per la tecnologia odierna. Eppure le due teorie non possono
essere entrambe giuste, almeno nella loro forma attuale, perché si
contraddicono l'un l'altra. Uno studente universitario che assista alle
lezioni di relatività generale il mattino e a quelle di meccanica
quantistica il pomeriggio non può che concludere che i professori sono
citrulli, o hanno dimenticato di parlarsi da un secolo: gli stanno
insegnando due immagini del mondo in completa contraddizione. La mattina
il mondo è uno spazio curvo dove tutto è continuo; il pomeriggio, il
mondo è uno spazio piatto dove saltano quanti di energia. Il paradosso è
che entrambe le teorie funzionano terribilmente bene. La Natura si sta
comportando con noi come quell'anziano rabbino da cui erano andati due
uomini per dirimere una contesa. Ascoltato il primo, il rabbino dice
«hai ragione». Il secondo insiste di essere ascoltato, il rabbino lo
ascolta, e gli dice «hai ragione anche tu». Allora la moglie del
rabbino, che orecchiava dalla cucina, urla: «ma non possono avere
ragione entrambi!». Il rabbino ci pensa, annuisce, e conclude «hai
ragione anche tu». Un gruppo di fisici teorici sparsi per i cinque
continenti sta laboriosamente cercando di dirimere la questione. Il
campo di studio si chiama «gravità quantistica»: l'obiettivo è trovare
una teoria, cioè un insieme di equazioni, ma soprattutto una coerente
visione del mondo, in cui la schizofrenia sia risolta.
Non è la prima volta che la fisica si trova davanti a due teorie di
grande successo apparentemente contraddittorie. Lo sforzo di sintesi è
stato spesso premiato con grandi passi avanti nella comprensione del
mondo. Newton ha trovato la gravitazione universale combinando le
parabole di Galileo con le ellissi di Keplero. Maxwell ha trovato le
equazioni dell'elettromagnetismo combinando le teorie elettrica e
magnetica. Einstein ha trovato la relatività per risolvere un conflitto
apparentemente irriducibile fra elettromagnetismo e meccanica. Un fisico
quindi è felice quando trova un conflitto di questo tipo: è una
straordinaria opportunità. Possiamo costruire una struttura concettuale
per pensare il mondo che sia compatibile con quello che abbiamo scoperto
sul mondo con entrambe le teorie? È qui, sul fronte, oltre i bordi del
sapere attuale, che la scienza diventa ancora più bella. Nella fucina
incandescente delle idee che nascono, delle intuizioni, dei tentativi.
Delle strade intraprese e poi abbandonate, degli entusiasmi. Nello
sforzo di immaginare quello che ancora non è stato immaginato. Vent'anni
fa la nebbia era fitta. Oggi esistono piste che hanno suscitato
entusiasmo e ottimismo. Ne esiste più di una, quindi non si può certo
dire che il problema sia risolto. La molteplicità genera dissensi, ma la
polemica è sana: fino a che la nebbia non sia sparita, è bene che
esistano critica e opinioni opposte. Una direzione di ricerca è la
gravità quantistica «a loop», sviluppata in quasi tutti i Paesi avanzati
del mondo (eccetto l'Italia), da qualche centinaio di ricercatori, fra
cui eccellono diversi bravissimi giovani italiani (in università
estere). La gravità quantistica a loop è un tentativo di combinare
relatività generale e meccanica quantistica, tentativo in un certo senso
molto cauto, perché non utilizza alcun'altra ipotesi se non queste due
stesse teorie, opportunamente riscritte per renderle compatibili. Ma le
sue conseguenze sono radicali: una modifica profonda della struttura
della realtà.
L'idea è semplice. La relatività generale ci ha insegnato che lo spazio
non è una scatola rigida e inerte, bensì qualcosa di dinamico, come il
campo elettromagnetico: una specie d'immenso mollusco mobile in cui
siamo immersi, che si può comprimere e storcere. La meccanica
quantistica, d'altra parte, c'insegna che ogni campo di tal sorta è
«fatto di quanti», cioè ha una struttura fine granulare. Ne segue subito
che lo spazio fisico è anch'esso «fatto di quanti». La predizione
centrale della teoria dei loop, quindi, è che lo spazio non sia un
continuo, non sia divisibile all'infinito, ma sia formato da grani, cioè
da «atomi di spazio». Questi sono piccolissimi, un miliardo di miliardi
di volte più piccoli del più piccolo dei nuclei atomici. La teoria
descrive in forma matematica questi «atomi elementari di spazio» e le
equazioni che determinano il loro evolversi. Si chiamano «loop», cioè
anelli, perché ciascuno di essi non è isolato, ma è «inanellato» con
altri simili, formando una rete di relazioni che tesse la trama dello
spazio. Dove sono questi quanti di spazio? Da nessuna parte. Non sono in
uno spazio, perché sono essi stessi lo spazio. Lo spazio è creato
dall'interagire di quanti individuali di gravità. Il mondo sembra essere
relazione, prima che oggetti.
Ma è la seconda conseguenza della teoria che è la più estrema. Come
sparisce l'idea dello spazio continuo che contiene le cose, così
sparisce anche l'idea di un «tempo» continuo che scorre. Le equazioni
che descrivono grani di spazio e materia non contengono più la variabile
«tempo». Questo non significa che tutto sia immobile e non esista
cambiamento. Al contrario, significa che il cambiamento è ubiquo, ma i
processi elementari non possono essere ordinati in una comune
successione d'istanti. Alla piccolissima scala dei quanti di spazio, la
danza della natura non si svolge al ritmo del bastone di un singolo
direttore d'orchestra: ogni processo danza indipendentemente con i
vicini, seguendo un ritmo proprio. Lo scorrere del tempo è interno al
mondo, nasce nel mondo stesso, dalle relazioni fra eventi quantistici
che sono il mondo e sono essi stessi il tempo.
Il mondo descritto dalla teoria è quindi lontano da quello che ci è
familiare. Non c'è più lo spazio che «contiene» il mondo e non c'è più
il tempo «lungo il quale» avvengono gli eventi. Ci sono solo processi
elementari dove quanti di spazio e materia interagiscono tra loro in
continuazione. L'illusione dello spazio e del tempo continui attorno a
noi è la visione sfocata di questo fitto pullulare di processi
elementari. Così come un quieto e trasparente lago alpino è formato da
una danza veloce di miriadi di minuscole molecole d'acqua.
Una delle conseguenze spettacolari della teoria, ben raccontata nel
libro Prima del Big Bang. Storia completa dell'universo di Martin
Bojowald, da poco tradotto in italiano da Bompiani, riguarda l'inizio
dell'universo. Sappiamo ricostruire la storia del nostro mondo fino a un
periodo iniziale in cui era piccolissimo. Ma prima? Le equazioni dei
loop ci permettono di ricostruire la storia dell'universo ancora più
all'indietro. Quello che troviamo è che, quando l'universo è
estremamente compresso, la meccanica quantistica genera una spaventosa
forza repulsiva, con il risultato che il Big Bang, la «grande
esplosione», potrebbe essere stato in realtà un Big Bounce, un «grande
rimbalzo»: il nostro mondo potrebbe essere nato da un universo
precedente che stava contraendosi sotto il proprio peso, fino a
schiacciarsi in uno spazio piccolissimo, per poi "rimbalzare" e
ricominciare a espandersi, diventando l'universo in espansione che
osserviamo attorno a noi. Il momento del rimbalzo, quando l'universo è
compresso in un guscetto di noce, è il vero reame della gravità
quantistica: spazio e tempo sono del tutto scomparsi, il mondo è
dissolto in una pullulante nuvola di probabilità, che le equazioni
riescono tuttavia ancora a descrivere.
Noi esseri umani siamo ossessionati da noi stessi. La maggior parte del
nostro sapere non è che un rigirarsi dell'uomo attorno a sé, come
fossimo la cosa più importante dell'universo. Credo che a me la fisica
piaccia perché apre la finestra. Guarda altrove. Mi dà un senso di aria
fresca che entri in una camera. Quello che vediamo al di là della
finestra non fa che stupirci. Ci rendiamo conto che siamo pieni di
pregiudizi e la nostra immagine intuitiva del mondo è parziale,
parrocchiale, inadeguata. La Terra non è piatta, non è ferma. Se
proviamo a mettere insieme quanto abbiamo imparato sul mondo fisico nel
Novecento, gli indizi puntano a qualcosa di profondamente diverso dalle
nostre idee istintive su materia, spazio e tempo. La gravità quantistica
a loop è un tentativo di leggere questi indizi e guardare un po' più
lontano.
Siamo sicuri di quello che troviamo? No, per ora non lo siamo. Uno dei
passi più belli della storia della scienza è la pagina del Fedone di
Platone dove Socrate spiega la forma della Terra. È il testo più antico
che ci sia giunto che parli esplicitamente della Terra rotonda. Socrate
sostiene che la Terra è una sfera e che ci sono grandi valli dove vivono
gli uomini. Un po' di giusto e un po' di confusione. E aggiunge «non
sono sicuro». È il riconoscimento chiaro dei limiti del sapere del suo
tempo. È grazie a questo riconoscere i limiti del proprio sapere che
abbiamo imparato così tanto sul mondo. Siamo sicuri di quello che oggi
sospettiamo? No. Non lo siamo. Ma se non proviamo a capire, non capiremo
mai.
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Il Sole 24 ore - 2 settembre 2012
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