Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Non è vero che i topi amano il formaggio. In realtà sono golosi di cioccolata. Nella mia casa, appena fuori Oxford, la uso come esca e funziona benissimo. Purtroppo i topi hanno capito come prenderla senza far scattare la trappola, sembra che abbiano imparato dagli errori dei compagni più sfortunati». Due ore di colloquio con Sir Roger Penrose danno un senso di vertigine. Prima di esporre le sue ipotesi sulla coscienza (e come queste si possano applicare anche ai topi) o raccontare la lunga amicizia con Stephen Hawking, il celebre fisico-matematico britannico ha demolito a colpi di logica tre pilastri della cosmologia moderna: la teoria delle stringhe, la repentina espansione dell’Universo neonato (nota come inflazione), l’applicazione della meccanica quantistica al macrocosmo. Per decenni centinaia di ricercatori sono stati sedotti da queste tre grandi costruzioni concettuali, convinti che rappresentassero il passo finale verso la comprensione del Tutto: l’origine dell’Universo, la sua fine, la sua struttura più intima. Roger Penrose, solitario e un po’ folle come un personaggio shakespeariano, ora si rivolge loro e dice: «Avete sbagliato, le generazioni future bocceranno le vostre teorie».
Professore emerito all’Università di Oxford, Penrose ha speso gran parte dei suoi ottantacinque anni a immaginare formule matematiche che descrivessero i lati più nascosti dell’Universo, dai buchi neri alla mente umana. E ha raccontato la sua avventura intellettuale in libri di successo come La mente nuova dell’Imperatore ( 1989), dove avanzava l’ipotesi che la coscienza possa aver origine da fenomeni quantistici interni ai neuroni. Ci riprova con un saggio ancor più provocatorio per l’establishment scientifico: Fashion, faith and fantasy in the new physics of the universe, pubblicato dalla Princeton University Press. In cinquecento pagine affascinanti e complesse Penrose sferra un duro colpo alla Nuova fisica: le stringhe, l’inflazione, la gravità quantistica hanno fallito.
Professor Penrose, perché questo fallimento ha a che fare con moda, fede e fantasia?
«Perché anche chi lavora sulle frontiere della fisica può farsi condizionare nell’abbracciare una teoria piuttosto che un’altra. In alcuni casi, moda, fede e fantasia aiutano gli studiosi. In altri li portano fuori strada. E questo è successo con stringhe, meccanica quantistica e inflazione».
Cominciamo dalla teoria delle stringhe ( le particelle elementari anziché puntiformi sarebbero stringhe a una dimensione). Si è affermata nella comunità scientifica perché “alla moda”?
«È quello che penso. Lo scopo principale della teoria delle stringhe era descrivere il mondo conciliando gravità e fisica delle particelle. In realtà descrive un universo che non è quello in cui viviamo. Invece delle quattro dimensioni che conosciamo (tre spaziali e una temporale) ne prevede ventisei. Ma allora perché non le vediamo? La risposta di chi sostiene la teoria delle stringhe è che si tratta di entità così piccole da non poter essere percepite, che ci vorrebbe una energia grandissima per eccitare e far distendere le extra-dimensioni normalmente raggomitolate su se stesse. Può essere vero sulla Terra, ma non nell’Universo: ci sono fenomeni che sprigionano energie enormi, si pensi all’interazione tra due buchi neri, e ne basterebbe una piccola frazione per eccitare le dimensioni nascoste e renderle visibili. Eppure restano nascoste».
Veniamo alla fede. È sbagliato credere all’infallibilità della meccanica quantistica?
«Sarei uno stupido se criticassi la meccanica quantistica per le sue previsioni sulle particelle, sulla chimica, sulle proprietà dei materiali. Al contrario della teoria delle stringhe, che in oltre quarant’anni non ha fatto previsioni verificabili, la teoria dei quanti ha una enorme serie di conferme. Tuttavia lo stesso Schroedinger, uno dei fondatori, sottolineò con l’esempio del gatto che se si applicano le sue stesse equazioni al mondo macroscopico si arriva a un paradosso (il gatto è sia vivo che morto). Ci sono filosofi che portando alle estreme conseguenze le equazioni di Schroedinger, immaginano che di fronte a una scelta il mondo di sdoppi: in un mondo il gatto è vivo, nell’altro è morto. E questo per ogni possibile situazione, con un proliferare di universi paralleli. Assurdo. La meccanica quantistica è evidentemente incompleta. Persino Paul Dirac, che è stato mio professore a Cambridge, sosteneva che fosse una teoria capace di fare previsioni ma che presto o tardi sarebbe stata sostituita da una migliore. E invece molti scienziati pensano di poterla applicare indifferentemente alle particelle e ai buchi neri: hanno “fede”. Secondo me non funziona più bene quando la gravità diventa importante. Più è grande la massa degli oggetti coinvolti, più si riduce il lasso di tempo in cui c’è una sovrapposizione di stati tipica della meccanica quantistica. Un gatto è abbastanza pesante perché questo tempo sia ridicolmente breve: la sovrapposizione tra gatto vivo e gatto morto dura un istante. Poi prevale uno dei due stati».
L’ultima parola è fantasia. L’inflazione è pura fantasia?
«Quando ne sentii parlare la prima volta provai orrore. Serve a spiegare perché l’Universo è uniforme e piatto: la fase di espansione rapidissima, chiamata inflazione e verificatasi pochi istanti dopo il Big bang, avrebbe stirato e appiattito tutte le irregolarità. Ma c’è bisogno di una fisica inventata ad hoc, a cominciare dall’inflatone, particella la cui esistenza serve solo a giustificare l’inflazione. È una teoria “artificiale”, che non risolve il problema fondamentale sull’origine dell’Universo: cos’è davvero il Big bang? L’esplosione da cui tutto ha avuto origine non è, come si potrebbe immaginare, l’inverso di un buco nero che collassa su se stesso. Mentre nel collasso di un buco nero la massa è dominata dalla gravità, nel Big bang la gravità è soppressa. E l’inflazione non spiega perché».
Come se ne esce professor Penrose?
«Immaginando un “prima” del Big bang. E lo si può fare guardando al nostro futuro remoto: i buchi neri inghiottiranno via via tutta la materia, poi si mangeranno l’uno con l’altro producendo quantità enormi di onde gravitazionali. Alle fine rimarranno solo black hole. Ma Stephen Hawking ci ha spiegato che i buchi neri evaporano fino a dissolversi emettendo radiazione. Nell’Universo finale non ci sarà massa ma solo fotoni, come nel Big bang».
Sta dicendo che la nostra fine potrebbe coincidere con un nuovo inizio?
«Proprio così. L’attuale Universo può essere uno degli infiniti che costituiscono un Universo eterno: ogni Universo si espande da zero a infinito, ma l’infinito futuro di ogni Universo coincide con il Big bang di quello successivo».
C’è modo di verificare questa sua ipotesi?
«È già successo. Le onde gravitazionali prodottesi nell’Universo che ha preceduto il nostro sono arrivate fino a noi lasciando una traccia, dei cerchi concentrici, nella radiazione cosmica di fondo, il residuo calore prodotto dal Big bang. Quei cerchi li abbiamo osservati nel 2010, ma i nostri risultati sono stati ignorati dalla comunità scientifica. Come per le mie critiche alla teorie delle stringhe, la risposta è stata il silenzio».
Lei è sempre andato controcorrente. Si sente di consigliarlo ai giovani scienziati di oggi?
«È difficile. I miei studenti se vogliono trovare un lavoro altrove devono abbandonare le ricerche che hanno fatto con me. Certo, tra le ragioni che mi spingono a scrivere c’è anche l’idea di stimolare i giovani ad avvicinarsi alla scienza imboccando strade inesplorate. Ma le lettere che mi arrivano sono tutte scritte da pensionati. Sarà che sono i soli ad avere il tempo di leggere i miei libri».
A proposito di strade inesplorate, nei giorni scorsi si è tornati a parlare della sua teoria sull’origine quantistica della coscienza: un anestesista americano Stuart Hameroff sostiene che si è vicini a provarla sperimentalmente.
«La mia idea, condivisa da Hameroff, è che ci sono elementi per parlare di coerenza quantistica nel cervello a partire dai microtubuli, strutture proteiche all’interno dei neuroni. Quello che ci incoraggia a proseguire è che da studi indipendenti emerge che i principi attivi di molti anestetici agiscono proprio sui microtubuli».
Ma se la coscienza ha a che fare con la struttura dei neuroni, potrebbe non essere una esclusiva umana.
«È quello che penso anch’io ogni volta che i topi di casa eludono le trappole e portano via la cioccolata».

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Brevi cenni sul cosmo

Stringhe e vibrazioni. Un’unica costruzione matematica capace di descrivere il Tutto: dalle particelle elementari alle quattro forze fondamentali (gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole). È questa l’ambizione con cui è stata costruita negli anni Ottanta la teoria delle stringhe. Le basi furono in realtà gettate nel 1968 dal fisico italiano Gabriele Veneziano, allora ricercatore al Cern di Ginevra, e ancor prima, negli anni Venti del Novecento, dal tedesco Theodor Kaluza e dallo svedese Oskar Klein. Kaluza e Klein immaginarono che per unificare gravità ed elettromagnetismo si potesse ipotizzare una quinta dimensione nascosta perché ripiegata su se stessa. Sviluppando questo concetto, ogni particella è stata descritta non più come un punto ma come un anello chiuso (una stinga appunto) che vibra a una certa frequenza. Ma le stringhe possono esistere solo in un universo che ha più dimesioni delle 4 che conosciamo (una temporale e tre spaziali): 26 o 10 a seconda delle versioni della teoria.

Meccanica quantistica. Luce e materia si possono descrivere sia come onde che come particelle. L’energia non è continua ma discreta, formata da pacchetti chiamati “quanti”. Non è possibile determinare con precisione sia la posizione che la velocità di una particella, una “indeterminazione” provocata in certo senso dall’osservatore, che con la sua misurazione interferisce col sistema fisico. Non si può dire quindi con certezza dov’è un elettrone intorno al nucleo atomico, ma solo parlare della probabilità di trovarlo in certo stato. Quando fu introdotta, all’inizio del Novecento, la meccanica quantistica rivoluzionò il modo di concepire la realtà. In un secolo di vita si è dimostrata uno dei maggiori successi scientifici, capace di descrivere fenomeni che vanno dal bosone di Higgs ai pannelli fotovoltaici. Unico cruccio: l’incompatibilità con la Relatività generale, altra grande costruzione teorica di inizio Novecento in cui Einsten ha ipotizzato (confermato da decine di esperimenti nel corso dei decenni) che la materia curva lo spazio e il tempo.

L’ipotesi dell’inflazione. Perché se l’Universo è nato da una esplosione è così piatto? Non dovrebbe essere curvo come la superficie di un palloncino che si gonfia? E perché è così omogeneo? Sono domande a cui prova a rispondere l’inflazione: un fenomeno cheavrebbe trasformato una piccola anomalia del vuoto cosmico nel gigantesco Universo che conosciamo. Il tutto in un tempo ridicolmente breve: 10-35 secondi (0,0..001 con 35 zeri). In quell’istante a dominare l’Universo neonato sarebbe stato l’inflatone, una particella per ora solo ipotizzata, che avrebbe spinto verso l’esterno il niente che c’era allora fino a fargli assumere le dimensioni del tutto che vediamo ora. Quando l’inflazione si è placata sono comparse le particelle di materia che conosciamo oggi e l’espansione da parossistica è diventata graduale. Manca la pistola fumante, ma se si osserva la radiazione cosmica di fondo si scopre una omogenità incredibile.«Che si può spiegare solo ammettendo che tutto ciò che ci circonda è frutto dell’espansione istantanea di un unico punto» dicono i sostenitori dell’inflazione.

Il gatto di Schroedinger. Erwin Schroedinger, uno dei padri della meccanica quantistica, ideò un esperimento mentale per dimostrare come la teoria se applicata a sistemi fisici macroscopici conduca a risultati paradossali, in particolare per quanto riguarda il principio di sovrapposizione: un sistema quantistico si può trovare in una sovrapposizione di possibili stati e solo quando interviene l’osservatore esterno la situazione si fissa in uno stato specifico. Schroedinger immaginò di chiudere in una scatola un gatto, una fiala di veleno e una sostanza radioattiva che ha il 50% di probabilità di emettere radiazioni in un’ora. Le radiazioni se emesse provocherebbo la rottura della fiala e quindi l’avvelenamento del gatto. Ma in base alla meccanica quanstistica gli atomi radioattivi sono in una “sovrapposizione” dei due possibili stati: “radiazione emessa” e “radiazione non emessa”. In questo modo però si giunge al paradosso che anche il gatto si trova nella sovrapposzione di stati “gatto vivo” e “gatto morto”.

Il Big bang e l’universo. Ora nessuno mette più in dubbio la grande esplosione. Ma a coniare l’espressione Big bang fu, paradossalmente, uno dei suoi più fieri oppositori. Nel 1949 l’astronomo Fred Hoyle ai microfoni della Bbc spiegò come a lui sembrasse impossibile che tutto avesse avuto origine da un “grande botto”: «Trovo più accettabile l’idea della creazione di un atomo di idrogeno all’anno». In realtà la teoria dello “stato stazionario” di Hoyle ( in base alla quale nuova materia doveva essere creata per compensare l’espansione dell’Universo) è stata archiviata. E tutte le prove sperimentali confermano che 13,798 miliardi di anni fa ci fu il Big bang. Tuttavia, se si va a ritroso, le temperature, le pressioni e le forze in gioco sono tali da creare una “singolarità” dove le formule usate dai cosmologi impazziscono e non sono più in grado di fare previsioni. Dunque su cosa ci fosse prima si possono fare solo ipotesi: il nulla, di tanto in tanto turbato da flutuazioni quantistiche. Una di queste, invece di richiudersi su se stessa, per qualche misterioso motivo si è espansa a dismisura. Ed è diventata Universo.

LUCA FRAIOLI