La teoria del Tutto – parte prima: conflitto relatività generale e meccanica quantistica

In realtà fra la religione e la vera scienza non esiste parentele, né amicizia e neanche inimicizia: esse vivono su pianeti diversi. (Friedrich Nietzsche)

Se credete fermamente nella creazione biblica dell’universo e rifiutate ogni approccio della scienza per capire l’universo e le sue leggi, questo articolo e i successivi non fanno per voi.

Se al contrario volete fare un salto nell’affascinate mondo dell’immensamente grande e dell’infinitamente piccolo, nel fantasioso mondo delle stringhe e dei multiversi, allora … accomodatevi, il mio cane vi farà da padrone di casa e …. tranquilli anche se è un pitbull non fa male a nessuno, esattamente come le teorie.

teoria-del-tutto

La “Teoria del Tutto” è il sogno dì tutti gli scienziati.
E’ l’idea di trovare una unica ed elegante teoria che racchiuda in se tutto l’universo. Una unica legge per descrivere l’universo.
Anche Albert Einstein stava lavorando sulla teoria del tutto, ma non riuscì a completarla.

Vi state domandando se qualcuno ci è riuscito?
Per saperlo, per spiegare e capire cos’è la teoria del tutto è necessario procedere a piccoli passi.

Ok cominciamo.

Tutto inizia dal Big Bang.
C’è sempre il Big Bang di mezzo, perché in fin dei conti è l’unica buona teoria plausibile ed accettata da quasi tutto il mondo scientifico per spiegare la nascita del nostro universo.

Partendo da una singolarità iniziale puntiforme, a pressione e densità infinite, il Big Bang con la sua esplosione ha formato nel corso dei 13,7 miliardi di anni un mondo subatomico di particelle e ha dato origine alle galassie.
Questi due “mondi” dell’estremamente piccolo e dell’infinitamente grande sono spiegati dalla meccanica quantistica fondata da Max Planck e dalla relatività generale fondata da Albert Einstein.

La prima ci permette di comprendere il mondo atomico e subatomico (molecole, atomi, elettroni, quark, ecc.). La seconda svolge a meraviglia il compito di spiegare il comportamento degli oggetti di grandi dimensioni (stelle, galassie, ammassi di galassie, ecc.) presenti nell’Universo

Queste due teorie, che hanno consentito un progresso straordinario della fisica dell’ultimo secolo, presentano tuttavia un difetto insuperabile: non sono fra loro compatibili. Ovvero l’una non è capace di spiegare il comportamento dell’altra e viceversa. Praticamente entrano in conflitto se vogliamo unificarle.

Immaginiamo infatti che il Big Bang dopo aver prodotto le stelle e le galassie, tutto quello che si è frammentato torni ad unirsi.
L’Universo diventa sempre più piccolo, più caldo e più denso. Giunti di nuovo al Big Bang iniziale le due teorie che avevano spiegato il micro cosmo e il macro cosmo si inceppano. Ovvero le leggi fisiche se combinate entrano in collisione. Praticamente sono incompatibili.

A questo punto qualcuno di voi potrebbe dire cosa ci importa se sono incompatibili. Perchè affannarsi tanto a trovare una unica legge per spiegare l’universo. Lasciamo le cose così come sono e usiamo l’una o l’altra teoria separatamente rispettivamente nei loro campi di applicabilità.

E no! – interviene giustamente il mio cane – non ci possono essere due leggi contrastanti che valgono contemporaneamente. E’ come dire, per voi umani,  che il traffico automobilistico e pedonale sia regolato da due codici della strada contrastanti. Un semaforo che sia contemporaneamente rosso e verde, una segnalazione contemporanea ai pedoni di avanti e di stop per attraversare le strisce pedonali.

Esatto, bravo ed estremamente chiaro il mio cane.
Per sopravvivere in una città simile – aggiungo io – è necessario unire i due regolamenti per formare un unico codice che abbia una logica.
Quindi, nel nostro caso è necessario trovare una unica teoria che governi il tutto. Le teoria del Tutto, per l’appunto.

Ma torniamo a noi.
Come mai le due teorie della relatività generale e quella quantistica entrano in conflitto?
Qui vi chiedo di fare un po’ di attenzione.

Seguendo la relatività generale, lo spazio-tempo è qualcosa che può distendersi o curvarsi. La Meccanica quantistica dice che su piccole scale le cose diventano casuali.

Mi spiego meglio.
Per descrivere l’universo su larga scala ci serviamo della teoria della relatività generale che ci spiega come tutti i corpi vengono attratti reciprocamente. E’ la leggi di gravità.
La relatività generale ci presenta lo spazio come un tappeto elastico dove gli oggetti pesanti come le stelle possono deformare e allungare.
Proprio come un peso posizionato su un tappeto elastico si viene a creare una depressione in cui un vicino oggetto rotolerà, così un corpo di enormi dimensioni come un pianeta distorce lo spazio, attraendo gli oggetti vicini.
Le ipotesi fatte dalla teoria della relatività generale, se avete qualche dubbio, sono assolutamente precise.

Per capire l’universo in scala ridotta ricorriamo alla meccanica quantistica, che è a sua volta assolutamente precisa.
Una delle idee chiave in questo caso è che più piccola è la scala attraverso cui si guarda il mondo, più le cose diventano casuali. Il principio di indeterminazione di Heisenberg è forse l’esempio più famoso di ciò. Questo principio stabilisce che quando si considera una particella in movimento, per esempio un elettrone che orbita attorno ad un nucleo di un atomo, non si possa mai misurare sia la sua posizione sia la sua quantità di moto con precisione arbitraria. Analizzando lo spazio attraverso una scala microscopica può capitare di misurare la posizione con grande precisione, ma non altrettanto si potrà fare per la quantità di moto. Questo non perché gli strumenti di misura siano imprecisi. Semplicemente perché la quantità di moto può assumere un’intera gamma di valori che la quantità di moto può assumere, ognuno con una certa probabilità.
In breve, c’è casualità.

Cosa vuol dire tutto questo in parole povere? Ve lo lascio spiegare dal mio assistente a quattro zampe.

La visione dello spazio – racconta il mio cane – nella meccanica quantistica è completamente diversa dalla visione dello spazio della relatività generale da sembrare che descriva un universo completamente differente.
Per percepire il conflitto delle due teorie bisogna farci piccoli. Estremamente piccoli, avvicinandoci al mondo del microscopico.
Le immagini dello spazio in cui tutto segue regole prevedibili, lascia il posto a un mondo dalla struttura molto più incerta. Raggiungendo dimensioni miliardi di volte inferiori ai più infinitesimali elementi della materia, ossia gli atomi e le particelle in esse contenute in base alle leggi delle meccanica quantistica la struttura dello spazio diventa irregolare e caotica.

Si giunge in un mondo talmente caotico da sfidare ogni logica. Qui lo spazio e il tempo sono così distorti – prosegue il mio fedele amico – che i concetti convenzionali di destra e sinistra, di alto e basso, e persino l’idea di prima e dopo cessano di avere senso.
In pratica non si può dire di essere con certezza qui o lì o in un’altra parte o in entrambi i luoghi “contemporaneamente”. Forse ero qui prima di essere arrivato la.
Nel mondo dei quanti niente è immobile. E’ un luogo caotico e frenetico.

Nessuna meraviglia – proseguo io a questo punto.
Perché il mondo dei  piccoli oggetti delle particelle subatomiche dovrebbero sottostare alle leggi a cui siamo abituati nella realtà della nostra vita di tutti i giorni? Perché dovrebbe comportarsi nello stesso modo?

L’immagine fluttuante e caotico dello spazio e del tempo elaborata dalla meccanica quantistica è quindi in conflitto con la teoria lineare e geometrica dello spazio e del tempo descritto dalla relatività generale.

Eppure i fisici pensano che tutto il nostro mondo, dalla danza frenetica delle particelle subatomiche alle maestose spirali delle galassie, dovrebbero essere spiegato da un unico principio fisico. Da una unica grande equazione. La Teoria del Tutto, perché così ci appare l’universo.

Ora trovare questa formula significherebbe rivelare come funziona l’universo in ogni tempo e luogo. Cioè una legge che possa spiegare l’immensamente grande con l’infinitesimamente piccolo per conciliare la meccanica quantistica con la relatività generale.

Tutto chiaro?
Bene, il seguito al prossimo post. Parleremo della teoria delle stringhe.


Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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22 risposte a La teoria del Tutto – parte prima: conflitto relatività generale e meccanica quantistica

  1. Num3ri ha detto:

    Anche questo post e’ fenomenale🙂
    Aspetto il seguito😀

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  2. gabriarte ha detto:

    molto interessante seguirò con attenzione ciao buona serata

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  3. bruce ha detto:

    Grazie a tutti.
    Torno a ripetere che è molto arduo esprimersi in maniera semplice e chiara su un argomento così complicato. Mi è costata quasi più fatica scrivere queste poche righe ora che imparare la teoria dei quanti all’università, perchè una volta imparata pensi di saperla descrivere facilmente. Non è sempre così.
    I successivi sono più alla portata. Credo.
    Buona notte.

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  4. MARGHIAN ha detto:

    Ciao. Per ora. Lo smart non mi lascia scrivere. Ho letto tutto. Ciao

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  5. Rebecca Antolini ha detto:

    Buondi caro Einstein anzi Zweistein😀 proprio il big bang l’inizio del universo era quello che ho esaminato in questi gioni di pausa… sembra telepartia i nostri riflessioni… il big bang non è una esplusione ma una gonfiamento del universo o meglio un slagramento del universo praticemente l’universo aumumenta ogni secondo e si slarga… non sono brava con le temine della scienza comunque ho visto una reportage televisiva in germania sabato pomeriggio … pioveva in montagna e cosi mi sono guardato tutto questo erano 6 puntate trasmesso tutti nello stesso pommergio… fralla nascita del universo fino alla nostra terra.. pure anche la scinza americana dice erano tante fatalita che fa capire che dietro tutto questo deve essere un Creatore … a me ha affacianto tutto questo… serena giornata Pif

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    • bruce ha detto:

      Bravissima Rebecca, sembra proprio telepatia.
      Dire che l’universo ha avuto inizio da una esplosione è un modo convenzionale per dire che tutto ha avuto origine da lì.
      In relatà c’è del vero in questa definizione, in quanto prima non c’era nulla, nè lo spazio, nè il tempo e la causa scatenante che ha dato origine a tutto è stata proprio una esplosione, come l’innesco di una bomba tramite una spoletta che non sarebbe mai esplosa senza di essa.
      Una volta che l’esplosione ha determinato lo spazio e il tempo, allora ecco che lo spazio ha iniaziato a “gonfiarsi”, quello che i fisici chiamano “stiramento” dell’universo.
      Ora che ci sia dietro un Creatore non è tipico della scienza che si basa su prove, ma è tipico della teologia che si basa su dogmi.
      Buona giornata anche a te cara.

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      • Rebecca Antolini ha detto:

        Hai mai pensato come pensa una persona che non è cresciuta con nessuna religione … e tu racconti questa persona che tutto e venuto casulamente anche se la scienza amette che ci sono troppe coincidenze… vorrei sapere se una persona pensa che li dietro c’è la mano di un Creatore (non dio come lo vediamo noi) ma un essere superiore di noi… filosofia mia ovvio… ma credo fra casualita e creazione deve essere un legame un insieme…

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        • bruce ha detto:

          Ciao Rebecca, la esistenza o meglio la esigenza di Dio è stata resa necessaria nel corso dei millenni per la nostra incapacità a dare spiegazione a eventi apparentemente inspiegabili. Necessità che persiste tutt’ora. Se l’umanità fosse nata “colta scientificamente” si sarebbe posta il problema della Creazione sotto altre forme, non necessariamente divine. Forse quel Creatore che molti identificano in Dio non sarebbe altro che l’Universo stesso.

          A parte questa brevissima divagazione, ora vediti questa breve clip e capirai il punto di vista scientifico. Non di tutti ovviamente, perchè il bello della scienza è la libertà di avere opinioni al contrario della religione.

          Quando tu dici “lì dietro c’è la mano del Creatore…” non so a quale “lì dietro” ti riferisci.
          Non ci può essere nessun “lì dietro”, perchè non c’è nessun “posto” dove Dio poteva stare nel creare l’Universo perchè non esisteva un posto, nè uno spazio, nè un tempo.

          Inoltre si porrebbe anche il problema di chi ha creato Dio, da dove è sbucato fuori. Che sarebbe ancora più difficile da spiegare.
          Ciao

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          • Rebecca Antolini ha detto:

            Questo video conosco e molto bello… ma ora ti spiego una cosa noi siamo influenzati delle religioni capisci con Dio noi associamo ad una vita un essere visibile ( alcuni pensano direttura gesù era dio.. gli ebrei aspettano ancora al messia ecc) allora uno che non conosce nessun Dio nessuna religione sente dentro di se che deve essere un creatore osservando la natura e il mondo il sistema solare le galassie e l’universo…
            vedi noi non vediamo l’aria o l’ossigeno ma crediamo che esiste, non vediamo il gas grazie a persone inteligente possiamo ora anusare il gas, ma il gas normalmente inodore.. e pure crediamo nella esistnza del gas ne vedndolo e nemmeno conoscendolo senza il odore aggiunto di noi.. forse il Creatore non ha bisogno di un luogo una dimora esiste e basta.. noi crediamo in tnte cose senza sapere se veramente tutto e così… ci sono tante fattalita nella teoria del big bang e tanti anelli mancanti della teoria evolutiva ma ci crediamo senza sapere … allora cosa ci impedice a pensare che dietro tutto questo c’è un Creatore??? E chi poi dire il contrario con 100 x 100 di certezza… ascolta la scienza stessa parla della creazione del universo … strano o no???

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          • bruce ha detto:

            La scienza parla di creazione della materia, ma cerca le leggi che la regolano, non di chi l’ha creata, fin quanto non l’ha provato.
            L’ossigeno è materia, come il gas, materia esistente. Non si può dire la stessa cosa di Dio di cui non si sa nulla, proprio nulla. Questa è la differenza.
            Il resto è solo un modo, lodevole, di auto-coinvincimento di ciò che non esiste e di dare un senso, un significato divino alla nostra esitenza, che nulla ha a che fare con la scienza.
            Ma anche questo è la bellezza del genere umano: credere senza un perchè.

            Ciao cara, ho terminato proprio ora il secondo post che pubblicherò fra un paio di giorni (ho iniziato a scrivere il terzo, mi diverto, passo il tempo e … mi istruisco anch’io).
            Spero che tu lo legga, così come i successivi, semplicemente per essere a conoscnza di quanto è bella la forza della intelligenza umana. Il sapere.
            Poi le opinioni sono strettamente personali. Ci mancherebbe che non fosse così.
            Un abbraccio.

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  6. MARGHIAN ha detto:

    Spero che la scoperta del gravitone riesca un domani a quadrare il cerchio. Spero che venga scoperto che esistno i s elettroni e gli squark. Un selettrome..nella ovasupersimmetria..e un bosone, il fotino-vcontrofigyra del fotone- li e fermione. Ma bisogna p

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    • bruce ha detto:

      Ciao marghian, immagino che il tuo smart ti abbia lasciato a metà commento.
      Ma quanto ci vuole per cambiare un modem? Non è in garanzia?

      Il gravitone? Se segui il seguito di questo post ( ce ne saranno altri tre😆 mi sono sfrenato) parlerò anche di questo.
      Per le altre particelle, non sono un esperto, ma da quello che ho capito, non se ne scopriranno altre. Troppa energia in gioco ci vuole cosa che attualmente i nostri acceleratori non sono in grado di disporre. E poi mi sembra di aver capito anche che oramai i nuovi elementi decadono troppo rapidamente per essere delle vere e proprie particelle sub-atomiche che costituiscono la materia. Oltre i quark non c’è più nulla tranne ….. le stringhe. Vedrai, se mi segui.
      Ci vorrebbe qui un intervento di un fisico nucleare. Forse troverò qualcosa nella rivista che ricevo dallo INFN.
      Ciao

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  7. Rebecca Antolini ha detto:

    Caro Silvano se trovo il tempo leggo volentieri i tuoi post, questo dovevi ormai capire… noi partiamo mervoledi sera con il camper fino domenica per staccare un pò la spinna della vita quotidiana… ma quando torno visito il tuo blog e aprofondo l’argomento.. serena serata

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    • bruce ha detto:

      Quindi non mi rimane che augurarti un buon lungo fine settimana.

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      • Rebecca Antolini ha detto:

        grazie .. speriamo che il tempo è anche un pò gentile con noi e non piove tutti i giorni 😀 allora anche a te un felice settimana e un buon weekend … lunedì e un giorno speciale😀 il compleanno di Tatanka lei fa 9 anni … vedrai che simpatico post😀

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  8. MARGHIAN ha detto:

    In gsranxia infatti.Ma ci sonostare queste feste. Negozio ha riaoerto oggi. Ciao.

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  9. MARGHIAN ha detto:

    Oh ce l’ho fatta. Per l’argomento…a dopo.
    Ciao.

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  10. bruce ha detto:

    Te devi abitare in un posto sempre in festa. Qui non hanno praticamente mai chiuso (anche mia moglie).😆
    Che oggi sia la volta buona?
    Ciao e buone cose. Sto scrivendo come un matto con un milione di pagine di internet aperte per succhiare il meglio, anzi il più comprensibile e plasmarlo alla mia maniera, Bleff permettendo.

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    • MARGHIAN ha detto:

      Non so, Bruce, se il ragazzo del negozio di informatica ha fatto festa per i ponti pasquali eccetera o se aveva qualche problema personale, familiare..non gliel’ho chiesto. Comunque, oggi – un’oretta fa- mi ha portato il modem nuovo. Infatti ho scritto questo commento in un minuto, praticamente..sono tornato, ciao
      (ho visto, ho visto quanto stai scrivendo…caspita, e ti leggero’, ciao.

      Marghian

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      • bruce ha detto:

        Meglio tardi che … tardissimo.😆
        Questi giorni ci ho dato sotto, il tenpo non mi manca, praticamente ho finito. Saranno 5 post. speriamo che la casalinga … non si annoi😆
        Ciao

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  11. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Gia’ dalla finestrella dello smart avevo letto le tue comsiderazioni sulla ricerca di nuove particelle da cui estrapolo questa frase: “non se ne scopriranno altre, troppa energia in gioco ci vuole…”. E’ vero, infatti. Ma..questo limite mi fa riflettere sul “mistero di fondo”. Non scoprirne altre potrebbe voler dire che magari altre particelle ancora piu’ piccole esistono, ma non sono osservabili. Non si arrivera’ mai ad una particella “ultima”, oltre la quale non ci puo’ essere ulteriore “suddivisione”. In teoria la divisione di una particella in altre piu’ piccole puo’ continuare all’infinito. O forse non e’ cosi’. Forse il “fondo del barile” sono proprio le stringhe. Ciao.
    Marghian

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