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.

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.

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