Granuli indivisibili. O corde vibranti. Per spiegare l'intera realtà occorre cambiare il modo in cui pensiamo a spazio e tempo. Stiamo per vivere una svolta epocale? Probabilmente sì: «La situazione della fisica di oggi assomiglia a quella di un secolo fa, quando eravamo disorientati dalla scoperta della radioattività». E questo è di buon auspicio. 

Parola del premio Nobel David Gross, direttore dell'Istituto Kavli per la fisica teorica all’Università della California (Usa). La sua dichiarazione ha concluso la 23a conferenza Solvay, il 3 dicembre 2005 a Bruxelles. Qui era riunito il meglio della fisica teorica mondiale: 60 scienziati, tra cui 5 premi Nobel, chiamati a fare il punto sugli sviluppi della “Teoria del tutto”. Nel 1911, ricordava Gross, gli scienziati riuniti alla prima conferenza Solvay (c’era anche Einstein) erano in crisi di fronte al fenomeno della radioattività. Ma quella crisi portò alla comprensione dell’atomo che ha rivoluzionato le nostre idee sulla materia... E oggi? Si punta a rivoluzionare i concetti di spazio e di tempo ben oltre quanto abbia già fatto Einstein.


Più piccolo non si può La strada da percorrere non è ancora chiara, ma si sono già fatti passi avanti. E oggi una cosa è certa: il punto di partenza sono le porzioni più piccole di spazio e di tempo che si possano concepire. Forse da qui sarà possibile costruire una teoria capace, come nessuna finora, di spiegare tutto l'universo e tutte le forze che vi agiscono: la Teoria del tutto, appunto. Fino a un secolo fa, si pensava allo spazio come a qualcosa di fisso, a un grande contenitore che racchiude tutte le cose. «Einstein dimostrò che lo spazio può cambiare forma, piegarsi, distorcersi (v. Focus n° 97, ndr)» dice Brian Greene, docente di fisica all’Università Columbia di New York (Usa) e autore del best seller L'universo elegante (Einaudi). La Teoria della relatività di Einstein va benissimo per descrivere il mondo delle galassie. Ma diventa problematica se si guarda “nel piccolo”. I problemi sorgono cioè se si immagina di raggiungere le dimensioni della “lunghezza di Planck”, la più piccola distanza di cui abbia senso parlare: è pari a circa 10-33 cm (cioè 0,000...01 cm, scritto con 33 zeri) ed è, in proporzione, molto più piccola rispetto a un atomo di quanto lo sia un uomo rispetto all'universo. 


Previsioni... imprevedibili Per capire ciò che accade se si cerca di misurare distanze così piccole, bisogna ricordare che nel mondo microscopico valgono le leggi della meccanica quantistica (v. Focus n° 122) e il cosiddetto “principio di indeterminazione”, secondo il quale non si possono mai conoscere con precisione sia la posizione, sia la velocità di una particella. Le particelle sono infatti soggette a fluttuazioni quantistiche, cioè a variazioni imprevedibili di posizione, velocità, energia. «Secondo il principio di indeterminazione, le fluttuazioni aumentano quanto più si cerca di osservare distanze piccole e tempi brevi» spiega Greene. Su distanze e tempi infinitamente piccoli come la lunghezza di Planck (10-33 cm) e il tempo di Planck (10-43 secondi), ci sarebbero fluttuazioni di energia tali da distorcere la struttura dello spazio-tempo e creare una “schiuma” di buchi neri e vortici spaziotemporali che nascono e svaniscono in un istante... Se immaginassimo di rimpicciolirci al punto da entrare in un tale marasma, sperimenteremmo il caos più totale: viaggeremmo in continuazione nel passato e nel futuro, e non potremmo orientarci, perché le coordinate spaziali (si pensi a meridiani e paralleli) cambierebbero in continuazione. L’ipotesi è stata formulata circa 50 anni fa dal fisico Usa John Archibald Wheeler, l’inventore del termine “buco nero”. Ma solo oggi si cerca di sviluppare quest’idea fino a includerla in una Teoria del tutto. Le strade più accreditate sono due: quella della Teoria delle stringhe e quella della cosiddetta “Loop quantum gravity”. 


Atomi di spazio «Secondo la Loop quantum gravity, lo spazio non può essere suddiviso all'infinito» spiega Carlo Rovelli, docente all'Università del Mediterraneo a Marsiglia (Fr) e tra i fondatori di questa teoria «ma ha struttura granulare: esistono, cioè, grani “minimi” di spazio (così come la materia è composta da atomi), di larghezza simile alla lunghezza di Planck. È importante notare che questi grani non sono “immersi” in uno spazio esterno, ma sono essi stessi lo spazio». Non solo, secondo la teoria anche il tempo è “granulare”: «Non scorre come il fluire di un fiume» spiega Rovelli «ma “a scatti”. Non ce ne accorgiamo perché ogni rintocco è brevissimo, con una durata paragonabile al tempo di Planck».

Cerchi senza centro La teoria oggi più studiata, però, è quella delle stringhe, secondo la quale tutte le particelle sono minuscole corde vibranti. In questo caso, si ipotizza che la struttura più intima dello spazio e del tempo sia determinata dalle stringhe: «Si stima che siano una decina o un centinaio di volte più lunghe della lunghezza di Planck» spiega Gabriele Veneziano, tra i fondatori della teoria e docente al Cern di Ginevra e al Collège de France di Parigi. «In un certo senso, la lunghezza delle stringhe è il limite oltre il quale non possono andare gli strumenti di misura, e perciò è anche la lunghezza minima di cui abbia senso parlare». Questo principio è ben più rivoluzionario di quanto possa sembrare a prima vista. Immaginiamo una stringa chiusa come un cerchio: ci viene spontaneo pensare che abbia un centro... ma quest'immagine è sbagliata, perché si basa sul nostro concetto tradizionale di spazio secondo il quale il centro del cerchio è un punto. Nella Teoria delle stringhe, però, i punti non esistono e quindi non può esistere neppure il “centro” di un'ipotetica stringa circolare, perché nulla può essere più piccolo della stringa stessa. «Il mondo delle stringhe non può essere descritto con il linguaggio tradizionale dello spazio e del tempo» dice Greene. «Bisogna sviluppare un nuovo linguaggio».

Oltre lo spazio e il tempo David Gross aggiunge: «Tutto ciò cambierà probabilmente il nostro modo di pensare allo spazio e al tempo, e potrebbe perfino eliminare completamente questi due concetti come basi della nostra descrizione della realtà». I principi fondamentali della realtà, insomma, sarebbero per così dire al di fuori dello spazio e del tempo. Lo spazio e il tempo, invece, “emergono” forse dall’unione di molti mattoni di base. Il concetto è molto astratto, ma è simile al fatto che la materia, come la intendiamo noi, è composta da atomi: i cristalli, l’acqua, la vita “emergono” anch’essi dall’unione di molti atomi.
Meglio la spiaggia! La sfida è così ardua che gli scienziati sembrano aver perso la bussola. Durante la conferenza Solvay, si è discusso di tutto, e senza “tabù” concettuali. Per esempio, si è parlato della possibilità che esistano due dimensioni temporali... Che vuol dire? Che invece di avere tanti istanti di tempo ordinati uno dietro l’altro, in successione dal passato verso il futuro come fotogrammi di un film, i vari istanti di tempo sarebbero dispersi in due dimensioni, come fotogrammi sparsi su un tavolo. Con quali conseguenze? Che si perderebbe la nozione del prima e del dopo e, forse, anche il principio di causa ed effetto... «Non si può dubitare di tutto» si è però lamentato uno scienziato «altrimenti faremmo meglio ad andare in spiaggia invece di stare qui a discutere». Spesso, però, in fisica, i momenti di grande crisi prefigurano grandi rivoluzioni. Ed è anche possibile che, in futuro, la Teoria delle stringhe e la Loop quantum gravity convergano in un'unica Teoria del tutto. «Forse stiamo sviluppando la stessa teoria fondamentale da due punti di vista diversi» dice Greene. E, forse, una svolta potrà arrivare grazie a un nuovo principio, quello dell'universo olografico.

Cercansi esperimenti Il difetto delle attuali teorie, però, è che hanno perso contatto con la realtà. Non esistono, infatti, strumenti per osservare quel che accade alla lunghezza di Planck (la più piccola lunghezza misurata è “solo” di 10-16 cm, circa un miliardesimo del diametro di un atomo). Anche se altri esperimenti, in corso di preparazione, potrebbero fornire elementi utili di confronto. L'acceleratore di particelle Lhc (Large hadron collider) in costruzione al Cern di Ginevra, per esempio, potrebbe scoprire nuove particelle previste dalla teoria. Gli studi ad altissima precisione delle orbite planetarie, invece, potrebbero dimostrare l’esistenza di dimensioni nascoste (v. Focus n°138). La prossima generazione di osservatori di onde gravitazionali, infine, potrebbe darci informazioni sui primissimi istanti dopo il Big Bang e forse anche prima (v. riquadro in alto). Prima, cioè, di quella che è tradizionalmente considerata “l’origine del tempo”.

Focus, n. 4, marzo 2006, pag. 82