heteronymos

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                   Oggetto del libro di  Lee Smolin, L’ universo  senza stringhe. Fortuna di una teoria e turbamenti della scienza (Einaudi, Torino, 2007, pp. 368), è un quesito che riguarda la fisica e, in generale, tutta la scienza moderna, anche se l’autore si interroga soprattutto sulla formulazione della teoria standard delle particelle, cuore della nostra immagine della materia e del mondo naturale.

I paradigmi della fisica teorica si sono sviluppati in maniera ininterrotta a partire dalle idee di Galileo e di Newton sul moto, nel XVII secolo, proseguendo con quelle di Faraday e Maxwell sull’elettromagnetismo, fino agli inizi del ‘900 con la teoria dei quanti di Planck e Bohr e la relatività speciale e generale di Einstein. Non fu però possibile raggiungere un’unificazione tra teoria quantistica e teoria relativistica come era successo per quelle dell’elettricità e del magnetismo nel secolo XIX, perché una vera e propria impasse sembrò sbarrare la ricerca della cosiddetta gravità quantistica.

Il tentativo ambizioso di conciliare la visione quantistica con quella relativistica è stato la cosiddetta teoria delle stringhe proposta negli anni ’70 del ‘900. Si tratta di uno strumento matematico elegantissimo e complicato che però, dopo più di trent’anni, non è stato verificato né falsificato da alcun dato sperimentale.

La stringa è un oggetto uni-dimensionale, laddove la particella è un oggetto puntiforme e zero-dimensionale, per il quale è piuttosto difficile  raffigurare lo spin; non è infatti possibile usare allo scopo l’immagine di una rotazione attorno al proprio asse dal momento che una struttura puntiforme non possiede alcun asse. L’idea di stringa si adatta alla teoria quantomeccanica dell’onda-corpuscolo di cui sembra giustificare alcune stranezze, oltre ad essere compatibile con molti concetti portanti della teoria fisica, come la simmetria e le sue rotture. Le stringhe possono essere aperte o chiuse, prive di massa come i fotoni che deriverebbero da vibrazioni di stringhe aperte o  gravitoni che deriverebbero da vibrazioni di fibre chiuse. Una delle grandi potenzialità della teoria è che essa permetterebbe l’unificazione di bosoni e fermioni perchè entrambi deriverebbero dalle oscillazioni di un solo tipo di oggetti fondamentali. Da queste originerebbero anche i campi di gauge responsabili di elettromagnetismo e forze nucleari deboli.

La teoria delle stringhe impiega inoltre concetti topologici compatibili con una geometria dello spazio che può comportare molteplici dimensioni, variabili nascoste e altri  enti matematici applicabili ai comportamenti delle particelle elementari finora postulate teoricamente e identificate sperimentalmente. L’unica particella postulata ma non ancora documentata sperimentalmente è il bosone di Higgs, con il relativo campo che ci si aspetta venga identificato in breve tempo dall’enorme macchina del CERN di Ginevra. E’ però possibile che il tentativo fallisca. Questo possibile fallimento, che avrebbe conseguenze destabilizzanti sull’intera nostra immagine dell’universo, implicherebbe anche una crisi del cosiddetto modello standard. Come è noto, il modello standard è stato costruito per rappresentare l’insieme delle forze e delle particelle conosciute sperimentalmente e inquadrate in una teoria. Scrive Smolin (p. 13): “Dodici particelle e quattro forze sono tutto ciò di cui abbiamo bisogno per spiegare ogni cosa del mondo conosciuto. Inoltre, comprendiamo molto bene le caratteristiche fisiche essenziali di di queste particelle e forze. Tale comprensione si esprime in una teoria che rende conto di tutte queste particelle e di tutte queste forze tranne la gravità: il modello standard della fisica delle particelle elementari o, in breve, il modello standard. In questa teoria, che non presenta il problema degli infiniti […], possiamo calcolare qualsiasi cosa ottenendo come risultato un  numero finito. Da quando è stata formulata, più di trent’anni fa, molte sue previsioni sono state verificate sperimentalmente. Ogni singolo esperimento ha confermato la teoria”.

Il bosone di Higgs – definito dal Nobel Leo Lederman “la particella di Dio” – è dunque l’unica particella postulata ma non ancora documentata sperimentalmente. Il successo o lo scacco dell’identificazione sperimentale della “particella di Dio” sarà decisivo rispetto al destino del modello standard e della stessa teoria delle stringhe. In questa prospettiva, Smolin mette in evidenza il carattere della teoria delle stringhe che ne fa una sorta di gioco d’azzardo, in cui si può vincere ma si può anche perdere.

Il problema è che in questi ultimi anni stringhisti sono comunque diventati quasi tutti i fisici degli USA che hanno occupato le cattedre di fisica teorica. Smolin è stato stringhista e in certo senso lo è tuttora, anche se, con grande onestà intellettuale, è pronto a riconoscere di essersi potuto sbagliare. Nonostante la mancanza di una solida base sperimentale, la teoria delle stringhe è diventata paradigma dominante: il suo predominio – che non è affatto assoluto, che è stato costellato da critiche, scetticismi e confutazioni – sembra davvero decretato dalla grande quantità di consensi che la teoria stessa ha ricevuto nell’ambito della comunità scientifica. Con buona pace di Karl Popper, il successo di una teoria scientifica che tiene banco da circa trent’anni è stato decretato soprattutto da fattori di carattere sociologico e istituzionale. Afferma infatti, drasticamente, Smolin: “L’incompletezza della teoria delle stringhe è tale che la sua stessa esistenza è una congettura non dimostrata” (p. XVII).

Date queste premesse, si può dire che la lettura del saggio di Smolin è abbastanza ansiogena, per due sostanziali ragioni: a causa del condizionamento degli enormi capitali spesi per la costruzione delle apparecchiature necessarie alla verifica sperimentale, ma soprattutto a causa della sensazione di catastrofe legata al possibile fallimento della verifica in corso.

Smolin riconosce l’era scientifica attuale come una fase rivoluzionaria della storia del pensiero scientifico, anche se si tratta di una rivoluzione incompleta.

Tale incompletezza può essere associata a cinque problemi ancora in attesa di soluzione, il primo dei quali è l'unificazione della teoria quantistica con quella della relatività generale. Questo comporta un completamento della teoria quantistica che, così com’è, si deve considerare incompiuta. Occorre quindi liberare il modello standard delle forze e delle particelle dai pericoli di produrre quantità infinite non rinormalizzabili. E la “rinormalizzazione”, come è noto, è un procedimento matematico mirato ad eliminare le quantità infinite riducendole a quantità finite. Un procedimento matematico, dunque. O, più esattamente, come è stato detto, un “espediente matematico”, se non addirittura un “imbroglio matematico” (Leo Lederman).

Un quarto problema riguarda l’esistenza di una materia oscura e di un’energia oscura, mentre il quinto e ultimo problema attiene alla modifica dei valori della gravità a grande scala (ci si chiede quindi perché i parametri del modello standard abbiano i valori che hanno).

Naturalmente la storia è molto più complicata di quanto non possa trasparire da questa scheletrica esposizione, sia in relazione all’insieme delle cose materiali esistenti che a quello delle astrazioni teoriche possibili.

E’ pertinente, qui, il richiamo ad un pensiero di Spinoza, secondo il quale l’ordine e la disposizione delle cose corrisponde all’ordine e alla disposizione delle idee. Questo equivale ad unificare geometria e mondo degli oggetti in un’ipotesi refrattaria ad ogni verifica o falsificazione. Se lo sviluppo della fisica dal XVII al XX secolo sembra convalidarla, parrebbe che oggi, con l’impossibilità di ottenere una prova sperimentale della teoria delle stringhe, si sia raggiunto una sorta di limite invalicabile.