Il Sole-24 Ore, domenica 12 settembre 2004, pag. 36, Dibattito tra astrofisici

Con i «loop», dopo mezzo secolo si sta riallacciando il dialogo tra fisica e riflessione filosofica

Senza spazio né tempo

Carlo Rovelli

Conseguenze della Meccanica quantistica e della Relatività generale. Gli «anelli» non hanno bisogno di un contenitore. Sono tutt’uno con esso, così come i fili di una maglia costituiscono la maglia.
La scienza è una esplorazione continua di nuovi modi di pensare il mondo. È un processo in cui anche le strutture di pensiero più elementari vengono messe in discussione. Per quasi tre secoli, la fisica Newtoniana ha rappresentato una struttura concettuale per capire il mondo fisico, e molta tecnologia moderna si fonda su di essa. Ma nel corso del XX secolo la fisica è stata attraversata da sconvolgimenti profondi, che hanno mostrato i limiti della costruzione Newtoniana e hanno permesso uno sguardo nuovo e più profondo sul mondo fisico.
Ricerche sperimentali e teoriche dell'inizio del XX secolo hanno portato a due teorie che hanno cambiato il nostro modo di pensare. La Relatività Generale, trovata da Einstein nel 1915, ha modificato la nostra comprensione dello “spazio” e del “tempo”. La Meccanica Quantistica, sviluppata da Schrödinger, Heisenberg, Dirac e altri negli anni 20, ha modificato la nostra comprensione della “materia”. Queste teorie hanno quasi un secolo di vita e sono alla base di molta tecnologia, come i computer. Non sono ancora arrivate ad influenzare il modo di pensare comune, ma questo non deve sorprendere: la rivoluzione Copernicana, ad esempio, ha atteso ben più di un secolo, prima di dispiegare la sua immensa influenza culturale.
La rivoluzione scientifica aperta da queste teorie, tuttavia, è non è ancora conclusa. Il motivo è che le due teorie appaiono in contraddizione stridente: ciascuna è formulata come se l'altra non esistesse. Da un punto di vista pratico questo non è grave, perché regimi fisici dove intervengono entrambe esistono, ma sono casi estremi (i primi istanti dell'Universo, il centro dei buchi neri) a cui non abbiamo per ora accesso sperimentale. Per questo, per buona parte del XX secolo ha prevalso un atteggiamento pragmatico: più che a cercare una nuova sintesi, i fisici erano interessati a sfruttar la nuova potenza delle due teorie. La Meccanica quantistica ha dato origine a fisica atomica, fisica nucleare, fisica delle particelle, fisica della materia condensata, con innumerevoli applicazioni; mentre la Relatività generale ha dato origine a cosmologia, astrofisica relativistica, studio dei buchi neri, ricerca di onde gravitazionali, e molto altro.
Ma l'atteggiamento pragmatico non poteva durare e nel corso dell'ultimo decennio del XX secolo il problema di combinare le due teorie è diventato sempre più “il” problema fondamentale della fisica teorica. Si tratta di trovare una nuova sintesi che porti infine a compimento la rivoluzione scientifica del XX secolo. L'ipotetica teoria, cercata come un Santo Graal, capace di combinare quello che abbiamo imparato sul mondo con le due teorie si chiama gravità quantistica (la Relatività generale descrive la forza di “gravità”).
Il problema è insoluto, ma esistono tentativi di risolverlo. Una possibile soluzione è data dalla teoria dei loop (degli "anelli"), di cui mi occupo. La teoria, iniziata negli anni '80 da fisici americani e italiani, è oggi sviluppata da decine di centri di ricerca nel mondo, e trova applicazioni cosmologiche e astrofisiche. L'idea centrale è quella di accettare tutte le conseguenze concettuali della Meccanica quantistica e sopratutto della Relatività generale, anche se queste ci forzano ad una revisione profonda di idee acquisite. Quindi la teoria dei loop è da un lato conservatrice, dall'altro rivoluzionaria. È conservatrice, perché le sole ipotesi teoriche su cui si fonda sono Relatività generale e Meccanica quantistica, teorie ben verificate e quindi credibili. (Per contrasto, la teoria delle stringhe, principale approccio alternativo, si basa su ipotesi fisiche addizionali ancora da verficare: che esistano stringhe anziché particelle, altre dimensioni, particelle supersimmetriche"...) È rivoluzionaria, perché le conseguenze della congiunzione degli assunti delle due teorie porta a conseguenze radicali, che vengono fatte proprie dalla teoria dei loop. Queste hanno a che vedere con la natura dello spazio e del tempo.
Dalla Relatività generale abbiamo appreso che spazio e tempo formano un "continuo" che ha una dinamica propria: è come un foglio di gomma che si piega, si allunga e ondeggia. Dalla Meccanica quantistica abbiamo appreso che ogni oggetto dinamico di questo tipo è "quantizzato", cioè su piccola scala ha una struttura granulare, fatta di costituenti elementari, o "quanti". Le due idee insieme implicano che lo spazio e il tempo hanno natura granulare. Esiste cioè una grana fine dello spaziotempo. La teoria dei loop è una descrizione matematica di questa grana fine dello spaziotempo.
Dalla teoria risulta che questa grana ha una struttura filamentosa: lo spazio è fatto di loop, o anellini, che si intersecano. La differenza fra questi loop e le stringhe è sostanziale: le stringhe sono cordicelle che costituiscono la materia e si muovono nello spaziotempo. Mentre i loop costituiscono essi stessi lo spaziotempo, come i fili di una maglia costituiscono essi stessi la maglia. I loop sono atomi di spaziotempo, o "quanti" di spaziotempo.
Nella teoria, quindi, spazio e tempo diventano oggetti fisici, granulari, simili alla materia. Invece di avere particelle (quanti di materia) che si muovono nello spazio e nel tempo, si hanno solo quanti di vario genere in relazione tra loro. Lo spazio come “contenitore” del mondo e il tempo come ciò “lungo cui scorre” l'esistenza, spariscono dalla teoria. Il passo concettuale è evidentemente grande.
Einstein ha avuto l'intuizione che lo spaziotempo possa essere pensato come un "campo", il campo gravitazionale, analogo ai campi elettrici e magnetici introdotti da Faraday e Maxwell. (I loop sono l'analogo gravitazionale delle "linee di Faraday" del campo elettrico). Questa idea è portata dalla teoria dei loop alle sue conseguenze naturali: la teoria non parla più di spazio e di tempo, ma solo di "campi quantizzati in interazione". Questi campi non vivono nello spaziotempo, ma vivono, per così dire, uno sull'altro.
È possibile pensare il mondo fisico in termini genuinamente non-spaziali e non-temporali? Oppure bisogna esitare davanti a questo salto concettuale, e tornare a oggetti che si muovono nello spaziotempo, come fa la teoria delle stringhe? Il problema sconfina nel campo della filosofia. Come sempre nei momenti di maggiori cambiamenti concettuali, la fisica chiede aiuto e ispirazione alla filosofia. Per questo, dopo quasi mezzo secolo di separazione, il dialogo fra filosofia e fisica teoria si sta oggi riallacciando.
È giusta la teoria dei loop? Non lo sappiamo. Come gli altri approcci teorici che cercano di portarci alla gravità quantistica, si tratta di un tentativo. Fino ad oggi, la fisica ha saputo sempre risolvere i problemi fondamentali che ha incontrato, spesso grazie a vertiginosi salti concettuali. Ma solo quando avremo conferme sperimentali precise di previsioni della nuova teoria, potremo cominciare a dire che la teoria è credibile. Ma il percorso di esplorazione e di messa in discussione di idee acquisite continua comunque, ed è un affascinante viaggio del pensiero.