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a cura di Maurizio Melis
Il traguardo più alto a cui punta la fisica, da
Einstein in avanti, è la Grande Unificazione. Espressione
che cela il tentativo di ricondurre tutte e 4 le forze note
in natura, e quindi anche le equazioni che le descrivono,
a una sola forza e a una sola equazione fondamentale: qualcosa
che potremmo definire "Teoria del Tutto".
L'idea di fondo è che il quadro fisico oggi noto,
composto da una novantina di particelle elementari e quattro
forze (elettromagnetica, nucelare forte, nucleare debole
e gravitazione), sia una sorta di paesaggio che emerge dal
"raffreddamento" di un componente più semplice
ed elementare. Concettualmente, è simile a ciò
che accade all'acqua quando, congelando, forma stalattiti,
iceberg, lastre di ghiaccio e fiocchi di neve: oggetti apparentemente
diversi, ma tuttavia costituiti da uno stesso elemento e
tenuti assieme dallo stesso legame chimico. E' sufficiente
innalzare la temperatura per ricondurre tutte queste forme
diverse allo stesso, ben noto liquido.
La difficoltà, nel caso dei costituenti dell'Universo,
è che questi "si sciolgono" a temperature
(sarebbe più corretto parlare di energie) estremamente
elevate, per avvicinarsi alle quali sono necessari esperimenti
complessi e costosi come l'LHC. Inoltre, ogni forza si "fonde"
con le altre a una temperatura diversa.
Le attuali capacità tecnologiche e conoscenze teoriche
ci situano a tre quarti del percorso. La forza elettromangnetica
e le due forze che agiscono all'interno dei nuclei atomici
sono state unificate: sfugge solo la gravitazione, e su
questa sono concentrati gli sforzi dei fisici teorici e
sperimentali. Tuttavia la gravità è profondamente
diversa dalle altre tre forze, e l'impresa di ricondurla
a uno schema comune si sta rivelando difficilissima.
Ma perché la fisica va in questa direzione?
Lo chiediamo a David Gross, premio Nobel per la fisica nel
2004 e scienziato tra quelli che più hanno contribuito
a questa discussione.
Ascolta l'audio dell'intervista
Dunque Gross: perché i fisici ritengono che solo
riunificando le 4 forze potremo affermare di aver compreso
in profondità la natura dell'Universo?
Beh, un po'è la lezione della storia, infatti direi
che è a partire da Newton che i fisici cercano l'unificazione.
Per Newton la realizzazione di questo obiettivo - con il
famoso esperimento della mela - consistette nel riconoscere
che la forza che faceva cadere la mela dall'albero, e quella
che manteneva la Luna in orbita intorno alla Terra, erano
in realtà la stessa forza. E questa fu la prima unificazione.
Maxwell, più tardi, grazie ai lavori di Faraday,
capì che elettricità e magnetismo, fenomeni
apparentemente del tutto diversi, erano invece manifestazioni
di un'unica forza: l'elettromagnetismo: questo fu il primo
caso di unificazione di forze diverse. D'altronde, in un
certo senso, tutta la scienza di base è una ricerca
di principi semplici e costituenti semplici capaci di spiegare
una vasta schiera di fenomeni fisici differenti.
Questo approccio "riduzionista" della scienza
ha avuto grande successo in passato, e ancora oggi ci sono
indicazioni che ci spingono in questa direzione: una direzione
che, perciò, dobbiamo seguire.
E ancora una volta, credo che così facendo avremo
successo. Credo cioè che riusciremo a trovare una
teoria più essenziale, e in un certo senso più
semplice delle teorie attuali, che dimostrerà come
le quattro forze conosciute siano in realtà una sola
forza.
La strada per arrivare a questo risultato è complicata,
e anche la teoria unificatrice, per ora, appare molto complicata,
ma quando avremo un una teoria definitiva, sarà una
teoria semplice.
Attualmente i fisici che si occupano di unificazione
sono fortemente focalizzati sullo studio del vuoto. Capire
questo vuoto sembra diventato decisivo. Tanto che lei fa
spesso una battuta: dice che i fisici non stanno studiando
niente. E infatti studiano il niente. Perché?
Bah, forse è perché non ce ne siamo accorti…
[ride]
Scherzi a parte: anzitutto dobbiamo partire dal fatto tutte
le particelle dell'Universo sono in un certo senso piccole
fluttuazioni, perturbazioni del vuoto. Parlo delle stesse
particelle di cui siamo fatti noi, per cui si capisce che
attribuiamo molta importanza a questi piccoli blocchetti
di materia. Ma in realtà, gli stessi atomi sono fatti
in gran parte di vuoto, e di particelle tenute assieme da
forze che solo a loro volta piccole increspature di questo
vuoto. Tuttavia, quando cerchiamo di indagare alcune proprietà
nascoste, non ovvie, di queste particelle, vediamo che sono
correlate al vuoto, a questo medium di cui non sono altro
che piccole fluttuazioni.
D'altronde già nei primi fenomeni che sono stati
esplorati, come appunto l'elettromagnetismo, fu chiaro che
il vuoto giocava un ruolo molto importante: un ruolo attivo.
Certo che i fisici hanno problemi col vuoto da sempre…
Hanno problemi a fare il vuoto, a crearlo in laboratorio…
Veramente stavo pensando alla questione dell'Etere,
quando per spiegare la propagazione della luce, a fine '800,
si pensava che lo spazio fosse pervaso da questo mezzo estremamente
trasparente, rigido e impalpabile allo stesso tempo: insomma,
una discreta assurdità …
Sì, in effetti direi che è un ottimo esempio
del tentativo dei fisici di attribuire delle proprietà
al vuoto. E' così; è vero, il vuoto ha una
storia molto lunga. D'altronde non c'è nulla di strano,
il vuoto è il backgroung, il palcoscenico su cui
il gioco si svolge. E per capire il gioco bisogna prima
capire il campo di gioco.
Quello che stiamo imparando, però, è proprio
che la vecchia concezione di spazio come una specie di palcoscenico
immutabile e, per così dire, "neutrale"
rispetto ai fenomeni fisici, non regge. Ancora non sappiamo
con quale nuova concezione dovremo sostituire la vecchia,
ma le chiedo: in che senso la vecchia idea di spazio non
sta più in piedi?
Magari lo sapessi… Vede, spazio e tempo sono fenomeni
molto complessi. Impieghiamo circa due anni a metabolizzare
il senso dello spazio, da bambini; a costruirci un'idea
mentale di cosa sia lo spazio. E' un'impresa molto difficile,
perché in realtà noi non sperimentiamo lo
spazio direttamente. Direi anzi che lo spazio è il
primo esempio di modello fisico: un modello che ogni essere
umano ricostruisce da zero, per se stesso, a partire dalle
proprie percezioni. D'altronde ogni bambino deve necessariamente
costruirsi e imparare a manipolare un modello mentale dell'Universo
in cui vive, o non potrebbe nemmeno fare le cose più
ovvie, come camminare. Di questo modello fa appunto parte
lo spazio, il quale è di sicuro un concetto molto
utile, un concetto che ci aiuta a descrivere l'Universo,
ma questo non significa assolutamente che debba sottendere
una realtà fisica.
Ciò che ormai ci è chiaro, è che il
modello di spazio di cui disponiamo è un buon modello
per descrivere gli oggetti macroscopici. Ma quando provate
a usarlo per descrivere strutture microscopiche, a scala
molto, molto piccola, non funziona più. Quindi c'è
per forza qualcosa di sbagliato.
Una delle difficoltà è che questi fenomeni
microscopici di cui parlo non sono osservabili direttamente,
servono esperimenti molto complessi, e comunque si deve
ricorrere a osservazioni indirette, ma credo che alla fine
sapremo rispondere a questa domanda: quale sia, cioè,
il modo corretto di descrivere i fenomeni a scala molto
piccola. Il sospetto è che il modello di spazio che
ne verrà fuori, il più naturale per descrivere
l'Universo su scala microscopica, sarà molto diverso
da quello che usiamo attualmente per descrivere il mondo
macroscopico.
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