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