Il Portale del Mistero - IL PUNTO DI RIFERIMENTO ITALIANO PER GLI APPASSIONATI DEL MISTERO

IL "FISICO FILOSOFO" SPIEGA...

di Alice Ughi

Leonard Susskind è professore fisica teorica alla Standford University nel campo della teoria quantistica dei campi dal 1979 e nel 1998 gli è stato conferito il premio Sakurai per la fisica teorica.

L’emerito scienziato è stato intervistato dal giornalista scientifico e reporter investigativo Peter Byrne sul numero di settembre di “Le Scienze” a proposito dell’oggettività della scienza e sulla sua correlazione con la filosofia. Il filosofo preferito di Susskind è Thomas Kuhn, riguardo al quale dice “Ha capito esattamente che cosa succede quando cambia il paradigma scientifico. Improvvisamente, si verifica un cambio radicale di prospettiva. Idee, concetti, astrazioni e rappresentazioni totalmente nuove diventano fondamentali.”

Rivoluzioni insomma, come quella della teoria delle stringhe, della quale Susskind viene considerato uno dei padri. Ha collaborato inoltre a sviluppare la teoria moderna degli universi paralleli, basata sul “paesaggio” della teoria delle stringhe (The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design, Little, Brown and Company, Boston 2005, trad it. Il paesaggio cosmico. Dalla teoria delle stringhe al megaverso, Adelphi, Milano 2007), violando la convinzione dei fisici di poter spiegare l’universo come unico risultato possibile di principi fondamentali. “Ogni fisico deve avere la sensazione che nel mondo esistano cose oggettive e che il nostro compito sia capire che cosa sono. Non credo che riusciremmo a farlo senza avere la sensazione che esista una realtà oggettiva. La prova dell’oggettività è che gli esperimenti sono riproducibili. <…> Detto questo, i fisici non parlano quasi mai di realtà”, dice a Byrne.

Alla domanda sull’evoluzione della teoria delle stringhe da un modello unificante della realtà a descrizione di universi multipli il fisico risponde così, “Gran parte della comunità scientifica dei fisici ha smesso di tentare di spiegare in modo unico l’universo, come l’unico mondo matematicamente possibile. Attualmente il multiverso è l’unico modello in circolazione. Non ci stanno lavorando tutti, ma non esistono argomenti netti e coerenti che lo contraddicano”.

L’intervista si conclude con una domanda sulla necessità di un pensiero filosofico nell’operare scientifico, quesito al quale Susskind sembra rispondere in modo affermativo: “La gente pensa che vi siano regole chiare e definite nella scienza: realizziamo esperimenti, acquisiamo i risultati e li interpretiamo. Alla fine, otteniamo qualcosa. Il progresso scientifico invece, è umano, caotico e conflittuale come tutto il resto”.

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Nasce il network europeo di Meccanica Quantistica

La Meccanica Quantistica è la teoria di maggior successo nella storia della scienza. Formulata inizialmente per spiegare la struttura atomica della materia, oggi è utilizzata per descrivere i più diversi domini della fisica, dalle particelle elementari alle stelle che popolano l’universo. La teoria ha anche aperto la strada a importantissime innovazioni tecnologiche, che hanno cambiato la nostra vita quotidiana: il laser, il transistor, la risonanza magnetica nucleare (RMN) sono alcuni tra gli esempi più famosi.

Nonostante questi impressionanti successi, la Meccanica Quantistica non ha mai cessato di suscitare perplessità circa il suo significato e i suoi limiti di validità. Il dibattito è iniziato subito dopo la formulazione della teoria, coinvolgendo i maggiori protagonisti dell’epoca - Einstein, Schrödinger, Bohr, Heisenberg, Born - e oggi è più vivo che mai.

La comunità scientifica sta prendendo sempre maggiore consapevolezza che la teoria, seppur molto efficace sul piano predittivo, pone formidabili sfide sul piano matematico e interpretativo: dal "problema della misura", alla non località, alla transizione micro-macro, al rapporto con la gravità.

Per superare queste sfide, l’11 aprile 2011 gli scienziati che lavorano su queste problematiche si sono riuniti a Bruxelles per dare avvio al primo network europeo dedicato alla Meccanica Quantistica e ai suoi fondamenti. Il network si chiama "Fundamental Problems in Quantum Physics", è finanziato dal programma COST dell’Unione Europea, e vede la partecipazione di 40 tra i più importanti fisici del settore, provenienti da 20 paesi europei e limitrofi.

Questo progetto si è classificato primo rispetto ai 60 inizialmente presentati, dopo una complessa procedura di valutazione a cui hanno partecipato oltre 30 valutatori internazionali. Il network coordinerà la ricerca attraverso incontri periodici, conferenze, workshops, scambi bilaterali, e promuoverà l’inserimento di giovani ricercatori nel mondo della ricerca.

Durante l’incontro di Bruxelles, Angelo Bassi - ricercatore dell’Università di Trieste - è stato eletto coordinatore nel network, a conferma della vitalità e importanza della scuola di Meccanica Quantistica dell’ateneo triestino, che ora assume anche un ruolo di leadership a livello internazionale. Iniziata da GianCarlo Ghirardi e famosa in tutto il mondo per i suoi contributi alla comprensione della teoria quantistica, la scuola si è ampliata negli anni e continua, oltre all’alto livello dell’attività di ricerca, a formare studenti e dottorandi, a collaborare con giovani ricercatori, e a organizzare attività e incontri in ambito internazionale.

Il progetto individua quattro linee di ricerca principali:

1. Teoria Quantistica senza osservatori. È noto che la Meccanica quantistica pone seri problemi interpretativi, che non possono essere superati con una semplice riformulazione della teoria, come inizialmente ci si aspettava. Molto lavoro è stato fatto e molto resta da fare, per ri-fondare la Meccanica Quantistica su solide basi matematiche, e molti scienziati sono impegnati in questo compito difficile. Sta inoltre emergendo la convinzione, espressa anche da fisici famosissimi quali J. Bell, S.L. Adler, e il premio Nobel per la fisica A.J. Leggett, che il risultato di questi sforzi sarà una nuova teoria, ancora tutta da inventare, che rivoluzionerà la nostra comprensione del mondo.

2. Dinamiche efficaci per sistemi complessi. Un settore della ricerca molto studiato ma non ancora compreso a fondo è il confine tra il micro-mondo quantistico delle particelle e degli atomi e il macro-mondo classico della nostra esperienza quotidiana. In questo confine si trovano sistemi (tipicamente, molecole di grosse dimensioni), che sono troppo complessi per essere studiati tramite la meccanica quantistica, ma allo stesso tempo troppo piccoli per comportarsi come oggetti classici; sono sistemi a cavallo tra l’essere puramente quantistici e l’essere di fatto classici. La grossa sfida è elaborare modelli matematici che tengano conto di queste caratteristiche. Oltre all’interesse teorico, fondamentali sono le implicazioni dal punto di vista tecnologico. Una su tutte: la fotosintesi. Il meccanismo della fotosintesi è noto nelle sue linee generali, tuttavia la ragione per cui le piante sono in grado di produrre energia con un’elevatissima efficienza è ancora sconosciuta e probabilmente risiede nella natura quantistica degli scambi energetici. Capire questo meccanismo significa scoprire come produrre energia in modo molto più efficiente di quanto si riesca a fare finora.

3. La Meccanica Quantistica incontra la Relatività. Da oltre 50 anni la Meccanica Quantistica e la Relatività Speciale di Einstein sono state combinate in quella che ha preso il nome di Teoria Quantistica dei Campi. Il successo di questa teoria è impressionante; non a caso, un eccezionale sforzo economico e tecnologico è stato compiuto per costruire il nuovo acceleratore LHC al CERN di Ginevra, al fine di approfondire lo studio della teoria e del suo prodotto più avanzato: il Modello Standard delle particelle elementari. Tuttavia anche questa teoria presenta problematiche di fondo non ancora risolte: i suoi fondamenti matematici non sono ancora stati chiariti; il rapporto tra la richiesta di località della Relatività Speciale e il carattere non-locale della Meccanica Quantistica rimane un mistero; il programma di unificazione con la Relatività Generale non è completo. Il matrimonio tra Meccanica Quantistica e Relatività ha avuto molto successo sul lato pratico, ma è sempre stato problematico. Rimane una costante tensione tra le due teorie, ancora lontana dall’essere risolta.

4. Dalla teoria agli esperimenti. L’impegno dei fisici teorici nel capire la Meccanica Quantistica, e risolvere i misteri che essa presenta, è enorme. A esso corrisponde l’impegno dei fisici sperimentali nel verificare le proprietà più sorprendenti della teoria, e nel controllare i suoi limiti di validità. Molti gruppi europei sono impegnati a progettare e realizzare esperimenti di ottica quantistica, di fisica molecolare, atomica, nucleare e subnucleare. Lo scopo è capire più a fondo la teoria, verificarne le predizioni, e forse trovare nuovi effetti. Il premio Nobel per la fisica A.J. Leggett ha recentemente dichiarato: “Sono propenso a scommettere che se si spinge la Meccanica Quantistica oltre un certo limite, essa fallirà e qualcos’altro prenderà il suo posto - qualcosa di cui non conosciamo nulla al momento”.

I problemi fondamentali della Meccanica Quantistica qui rapidamente elencati sono di primissimo interesse concettuale, hanno aperto la strada ad alcuni tra i più interessanti esperimenti di fisica, i quali in futuro porteranno a nuove scoperte tecnologiche. Il network “Fundamental Problems in Quantum Physics”, guidato dal gruppo di Trieste, coordinerà la ricerca in questo che è uno dei più affascinanti settori della fisica contemporanea.

Per multiverso si intende un insieme di universi coesistenti e alternativi al di fuori del nostro spaziotempo, spesso denominati dimensioni parallele, che nascono come possibile conseguenza di alcune teorie scientifiche. Il concetto di multiverso viene ripreso anche come ambientazione da molti romanzi di narrativa fantasy o fantascientifica. Il concetto di multiverso fantasy e fantascientifico prende spunto da quello cosmologico.

Il multiverso è, scientificamente parlando, un insieme di universi coesistenti previsto da varie teorie, come quella dell'inflazione eterna di Andrej Dmitrievič Linde o come quella secondo cui da ogni buco nero esistente nascerebbe un nuovo universo, ideata dal fisico Lee Smolin. Le dimensioni parallele sono contemplate anche in tutti i modelli correlati al concetto di D-brane, classe di P-brane inerenti alla teoria delle stringhe.

Il concetto di multiverso viene proposto in modo serio per la prima volta nella cosiddetta "interpretazione a molti mondi" della meccanica quantistica, proposta da Hugh Everett III nella sua tesi di dottorato (The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, abbreviata in MWI); questa interpretazione prevede che ogni misura quantistica porti alla divisione dell'universo in tanti universi paralleli quanti sono i possibili risultati dell'operazione di misura.

La teoria del multiverso proposta da MWI ha un parametro di tempo condiviso. In molte delle sue formulazioni, tutti gli universi costituenti il multiverso sono strutturalmente identici, e possono esistere in stati diversi anche se possiedono le stesse leggi fisiche e gli stessi valori delle costanti fondamentali. Gli universi costituenti sono inoltre non-comunicanti, nel senso che non può esservi un transito di informazioni tra di essi, anche se nell'ipotesi di Everett potenzialmente possono esercitare un'azione reciproca.

Altre interpretazioni della molti-mondi sono quella di Copenhagen e quella delle "storie consistenti".In queste ipotesi, lo stato dell'intero multiverso è correlato agli stati degli universi costitutivi dalla sovrapposizione quantistica, ed è descritto da una singola funzione d'onda universale. Simili a questa visione sono l'interpretazione a molteplici storie di Richard Feynman e quella di H. Dieter Zeh a molte menti.

L'interpretazione a molti mondi (Many Worlds Interpretation) non può spiegare l'apparente universo antropico, questo perché le costanti fisiche di almeno una parte degli infiniti possibili "mondi" sono le stesse. L'interpretazione a molti mondi può, comunque, spiegare l'esistenza (all'apparenza improbabile) di un pianeta come la Terra. Vedasi l'Ipotesi della rarità della Terra: se l'interpretazione a molti mondi fosse corretta, allora esistono così tante copie del nostro universo che l'esistenza di almeno un pianeta come la Terra non è sorprendente.

La formazione del nostro universo da una "bolla" del multiverso venne proposta da Andrej Linde.Questa teoria, nota come teoria dell'universo a bolle. Il concetto dell'universo a bolle comporta la creazione di universi derivanti dalla schiuma quantistica di un "universo genitore". Alle scale più piccole (quantistiche), la schiuma ribolle a causa di fluttuazioni di energia. Queste fluttuazioni possono creare piccole bolle e wormhole. Se la fluttuazione di energia non è molto grande, un piccolo universo a bolla può formarsi, sperimentare una qualche espansione (come un palloncino che si gonfia), ed in seguito potrebbe contrarsi. Comunque, se la fluttuazione energetica è maggiore rispetto ad un certo valore critico, si forma un piccolo universo a bolla dall'universo parentale, va incontro ad un'espansione a lungo termine, e permette la formazione sia di materia che di strutture galattiche a grandissima scala.

Una teoria formulata dal fisico Alexander Vilenkinafferma che il multiverso è formato da tanti universi, ognuno dei quali si trova eternamente confinato in una bolla in inflazione eterna (cioè in espansione), incluso il nostro. In alcune zone di una bolla, la deformazione dello spazio-tempo è tale da portare alla formazione di una nuova bolla, aprire un varco verso un nuovo universo; dopo un certo periodo, sempre per effetto della deformazione, la nuova bolla si stacca e si forma un universo del tutto indipendente, senza alcun punto di collegamento con quello di partenza.

Inoltre la "Teoria del Multiverso" conosce una fondamentale argomentazione da parte del fisico David Deutsch, uno dei massimi teorizzatori viventi della computazione quantistica e dei computer quantistici, che prevede proprio nella realizzabilità di tali dispositivi la prova sperimentale di una iper-struttura cosmologica detta appunto multiverso.

Nell'ambito della teoria delle superstringhe, troviamo un quarto tipo di multiverso, le membrane. Secondo la teoria delle stringhe, la materia è composta da minuscole corde vibranti in uno spazio di 11 dimensioni (10+1), dunque 7 in più dallo spazio 3 D a noi noto (più la dimensione temporale).

Le stringhe potrebbero essere aggregate a membrane 3 D (o più) immerse in uno spazio molto più ampio (iperspazio), ogni membrana è un universo distinto. Alcuni scienziati ritengono che il Big Bang che ha dato origine al nostro universo sia stato originato da uno scontro tra due o più membrane.

Seconda la teoria delle stringhe e delle superstringhe, le ipotesi di natura corpuscolare e ondulatoria della materia non sono alternative. A un livello più microscopico, la materia appare composta da particelle, che in realtà sono aggregati di cariche energetiche. Ad una dimensione di analisi crescente, queste particelle si presentano composte da energia.

Il costituente primo della materia sono stringhe di energia che vibrano ad una determinata frequenza o lunghezza d'onda caratteristica, e che si aggregano a formare particelle.

Gli infiniti universi paralleli potrebbero coesistere nello stesso continuum di dimensioni, vibrando a frequenze differenti. Il numero di dimensioni necessarie è indipendente dal numero di universi, ed è quello richiesto per definire una stringa (al momento 11 dimensioni). Questi universi potrebbero estendersi da un minimo di 4 a tutte le dimensioni in cui è definibile una stringa.

Se occupano 4 dimensioni, queste sono il continuo spazio-temporale: nel nostro spazio-tempo, coesisterebbero un numero infinito o meno di universi paralleli di stringhe, che vibrano entro un range di lunghezze d'onda/frequenze caratteristico per ogni universo. Coesistendo nelle stesse nostre 4 dimensioni, tali universi sarebbero soggetti a leggi aventi significato fisico analogo a quelle del nostro universo.

La novità di questa teoria è che gli infiniti universi non vivono in dimensioni parallele, né necessitano di postulare l'esistenza di più di 4 dimensioni di spazio-tempo. Ciò che consente di definire una pluralità di universi indipendenti non è un gruppo di 4 o più dimensioni per ogni universo, ma l'intervallo di lunghezze d'onda caratteristico.

L'intervallo teorico di frequenze/lunghezze d'onda per le vibrazioni di una stringa determina anche il numero finito/infinito di universi paralleli definibili.

Nel luglio del 2007 Tom Gehrels dell'University of Arizona ha pubblicato un articolo dal titolo "The Multiverse and the Origin of our Universe", in cui vengono suggeriti degli effetti misurabili dell'esistenza del multiverso.

Laura Mersini-Houghton propose la teoria che il "cold spot" rivelato dal satellite WMAP potrebbe fornire un'evidenza empirica misurabile per un universo parallelo all'interno del multiverso. Secondo Max Tegmark, l'esistenza di altri universi è conseguenza diretta delle osservazioni cosmologiche.

Tegmark descrive l'insieme generale di concetti correlati che condividono la nozione che esistono altri universi al di là di quello osservabile, e si spinge fino a fornire una tassonomia degli universi paralleli organizzata a livelli.

Per poter rendere chiara la terminologia, i fisici George Ellis, U. Kirchner e W.R. Stoeger consigliano l'utilizzo del termine "Universo" per il modello teorico della totalità dello spaziotempo connesso nel quale viviamo, dominio universo per l'universo osservabile o una parte simile dello stesso spazio-tempo, "universo" per uno spazio-tempo generale, che si applica sia al nostro "Universo" oppure ad un altro disconnesso dal nostro, multiverso per una collezione di spazio-tempi non connessi tra di loro, e universo a multi-dominio per riferirsi a un modello dell'insieme di spazio-tempi singoli connessi nella modalità descritta dai modelli della teoria dell'inflazione caotica.

I livelli secondo la classificazione di Tegmark descritti secondo la terminologia di Ellis, Koechner e Stoeger sono brevemente descritti in seguito.

I Livello (Multiverso aperto): Una predizione generica di inflazione cosmologica è quella dell'universo infinito dell'ipotesi ergodica, che, essendo infinito, deve contenere vari volumi di Hubble che adempiano tutte le condizioni iniziali.

II Livello (Teoria dell'universo a bolle di Andrej Linde): Nell'inflazione caotica, altre regioni termalizzate possono avere diverse costanti fisiche, diversa dimensionalità e diverso contenuto di particelle (sorprendentemente, questo livello include anche la teoria di Wheeler sull'universo oscillante).

Livello III (Interpretazione multimondo di Hugh Everett III): si tratta di un'interpretazione della meccanica quantistica che propone l'esistenza di universi multipli aventi tutti le stesse costanti fisiche ma che si differenziano per ciò che succede al loro interno: ad esempio, se in un universo una particella elementare subisce l'effetto tunnel, in un altro non lo fa; allo stesso modo, sempre a titolo di esempio, un uomo potrebbe venire ucciso in un universo ma non in un altro e così via.

Molti ritengono che l'interpretazione di Everett sia un'estensione conservativa della meccanica quantistica standard, il che vuol dire che se si riesce ad esprimere i suoi risultati nel linguaggio della meccanica quantistica ordinaria, essa non porta a nuovi universi con leggi e costanti fisiche diverse, ossia a nuovi risultati non-contemplati dalla fisica senza interpretazione everettiana, ciò che rende quest'ultima superflua dal punto di vista del Rasoio di Ockham.

Questo, secondo Tegmar, "è un fatto ironico, dal momento che storicamente questo livello è stato il più controverso". Nel settembre del 2007 David Deutsch ha presentato quella che viene considerata una prova dell'interpretazione a molti-mondi.

Livello IV (insieme definitivo di Tegmark): altre strutture matematiche danno differenti equazioni fondamentali per la fisica. Questo livello considera reale ogni ipotetico universo basato su queste strutture. Siccome esso contiene tutti gli altri insiemi porta a chiusura la gerarchia dei multiversi: non ci può essere un livello 5. La questione ancora aperta riguarda le possibili suddivisioni del livello IV in futuro.

Un multiverso di una specie differente è stato ipotizzato con l'estensione a 11 dimensioni della teoria delle stringhe conosciuta come Teoria M. In questa teoria il nostro universo, così come gli altri, sono creati da collisioni fra membrane in uno spazio a 11 dimensioni...