Che cos’è la materia? (Parte II)

Fig. 1 – Filamenti di materia oscura?

Il concetto di materia nella storia del pensiero filosofico e scientifico.

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Da Newton ai giorni nostri.

Che cos’è la materia? (Parte II)

di Giorgio Masiero

Nello scorso articolo ho esaminato il concetto di materia, come elaborato dai Greci e dalla Scolastica medievale prima, ed evoluto nella scienza galileiano-newtoniana nei secoli XVII-XIX.

Nel primo periodo la materia fu pensata come l’elemento indistinto costitutivo del mondo sensibile. Man mano che progredì la riflessione a riguardo, la filosofia si divise in diverse scuole. Anzi, proprio sulla concezione della materia e sulla sua relazione con un altro concetto fondamentale della filosofia, quello di realtà, si costituirono i grandi sistemi di pensiero tuttora vigenti.

Con l’affacciarsi della scienza empirica a partire dal ‘600, il termine materia acquisì un significato misurabile, perché venne a coincidere con la massa, introdotta da Newton in meccanica. Un problema però, irresolubile negli schemi della fisica di allora (la “fisica classica”), risultò dalla convivenza nella massa di due proprietà apparentemente contraddittorie e niente affatto indistinte: l’inerzia, che è la resistenza dei corpi a subire cambi di velocità in intensità o in direzione, e la gravitazione, che è la loro capacità di attirarne altri e di esserne attirati. Inoltre la materia vi venne a perdere il suo monopolio di substrato unico della realtà fisica, perché le due più grandiose costruzioni scientifiche dell’epoca, la gravitazione di Newton e l’elettromagnetismo di Maxwell, tanto belle nella forma matematica quanto precise nelle predizioni sperimentali, rivelarono l’esistenza di un secondo elemento costituente: i campi.

In questo articolo esaminerò i capovolgimenti scientifici intervenuti nel XX secolo e come essi abbiano portato ad un’ulteriore smaterializzazione dei costituenti del mondo, alla loro frammentazione in una pluralità di fondamentali distinti, nonché all’espandersi della percezione della nostra ignoranza con l’anelito di conoscenza e la volontà di potenza.

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Le rivoluzioni di Einstein

Il XX secolo ha smantellato il monopolio della massa, già colpito dai campi gravitazionale ed elettromagnetico. Il primo choc intervenne nel 1905 con la relatività speciale (RS) di Einstein. Questa metateoria[i] scompigliò il senso comune su vari punti:

–          la diversità dei tempi misurati dagli orologi di osservatori in moto relativo,

–          la diversità delle lunghezze misurate dai loro metri,

–          l’esistenza di un limite massimo delle velocità,

–          l’esistenza di particelle prive di massa, ecc.

Ma ciò che ebbe conseguenze più rilevanti fu l’equivalenza tra massa ed energia sancita dall’equazione E = mc². L’equazione significa che nelle trasformazioni dove avviene un’annichilazione di massa m (e ce ne sono a smentire l’assolutezza del principio di Lavoisier), c’è il rilascio contestuale di energia E in quantità m × c², sotto forma di campi radioattivi (privi di massa) e di energia cinetica delle particelle finali. I due ordigni esplosi nel 1945 a Hiroshima e a Nagasaki lo hanno provato a tutti. Inversamente, da dosi adeguate di energia E si può avere una creazione di particelle di massa complessiva m in quantità E / c²: per es., i raggi gamma (una radiazione elettromagnetica ad alta frequenza) possono trasformarsi in coppie di particelle elettrone-positrone. La Fig. 2 è la fotografia delle tracce lasciate da una coppia di particelle sorte in seguito alla scomparsa di un fotone di energia, proveniente invisibilmente dal basso.

 Fig. 2 – La “creazione” di una coppia di particelle

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L’equivalenza tra massa ed energia nega nuovamente (stavolta dall’interno della scienza naturale, piuttosto che dall’esterno della filosofia, com’era avvenuto con la metafisica cartesiana della res cogitans) l’assunto vetero-materialistico che la materia sia l’unico aspetto della realtà. Qualcosa senza massa per Newton poteva essere solo un fantasma, di quelli vaganti di notte nei castelli inglesi. La radiazione elettromagnetica essendo priva di massa non potrebbe quindi chiamarsi materia. A questo punto, se si vuole continuare a far coincidere il mondo fisico col mondo materiale non resta che ridefinire il concetto di materia. Ma come?

Nel 1916, con la teoria della relatività generale (RG), Einstein affrontò la gravitazione. Qui l’equivalenza tra massa ed energia portò ulteriori conseguenze. Nella gravitazione di Newton la massa era uno scalare, cioè un numero uguale per tutti gli osservatori a rappresentare l’unico agente, attivo e passivo, della forza. Nella gravitazione di Einstein questo ruolo viene assunto da una nuova grandezza, il tensore di stress-energia – una matrice di 10 numeri distinti, variabili per classi di osservatori – dipendente sì dalle masse dei corpi, ma anche dalle energie cinetica e potenziale presenti nel campo. Così, un orologio a molla appena caricato contribuisce alla gravità più di uno scarico, a cagione della sua energia potenziale; o la luce, a dispetto della sua massa nulla, subisce anch’essa gli effetti della gravitazione. La predizione fu verificata nel 1919 da Eddington durante un’eclissi solare da un’isoletta del golfo di Guinea, cosicché la Royal Society dovette dismettere a malincuore la teoria dell’arcinoto baronetto britannico (falsificata sulla precessione di Mercurio) per quella d’uno sconosciuto ebreo tedesco.

 Fig. 3 – Una corroborazione della RG[ii]

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Nella meccanica relativistica ci sono la massa (a riposo) e l’energia, e queste due grandezze, anche se convertibili l’una nell’altra, hanno come l’euro e il dollaro identità separate, perché la massa non è una forma di energia, né l’energia ha una massa. Quando si evoca in relatività il termine massa-energia s’intende massa più energia. L’equazione di equivalenza serve a sommare tutti gli apporti in maniera appropriata.

Se il concetto di materia si smaterializza parzialmente in quello di energia, all’inverso gli assoluti spazio e tempo newtoniani, forme trascendentali della percezione umana per Kant, si fisicizzano in uno spazio-tempo reale quanto la materia e i campi. Lo spazio-tempo è un fluido a 4 dimensioni che interagisce con le particelle e con i campi, modificandoli ed essendone modificato. Esso ha per le masse e le energie che lo popolano la stessa concretezza che ha il mare per le navi che lo solcano. Il mare s’allarga, si stringe, s’incurva, avvolge la nave, la può spostare ed anche rovesciare; viceversa la nave sposta l’acqua, fa cambiare forma alla superficie del liquido, modifica le onde e ne crea di nuove. Se nei pressi c’è una barchetta, gli spostamenti provocati dalla nave all’acqua circostante vengono trasmessi attraverso le onde fino all’acqua che circonda il natante minore e ne disturbano il movimento. Allo stesso modo il Sole attrae la Terra, e viceversa; la Luna muove le maree sulla Terra, e viceversa la Terra trattiene intorno a sé la Luna; e roteano reciprocamente le galassie nell’Universo. La massa del Sole modifica incurvandolo lo spazio-tempo che circonda il Sole, queste increspature come onde si trasmettono (alla velocità della luce) alle zone di spazio-tempo vicine, che si trasmettono a quelle più in là…, fino ad arrivare (nel tempo di circa 8 minuti, non istantaneamente come nella teoria di Newton) alle regioni di spazio-tempo vicine alla Terra e la Terra ne risente incurvandosi verso il Sole, e correggendo la propria traiettoria altrimenti rettilinea.

La materia e l’energia prescrivono allo spazio-tempo come curvarsi, e lo spazio-tempo prescrive all’energia e alla materia come muoversi. Così la gravitazione einsteiniana ripristina il principio di località[iii]. Non c’è più quell’azione istantanea a distanza che Newton congetturò senza potersela spiegare, condividendo la concezione democritea dello spazio e del tempo come recipienti vuoti, infiniti e assoluti[iv].

Dal monologo della materia indistinta, inerte, impenetrabile e moventesi nello spazio vuoto della vecchia fisica meccanicistica siamo così giunti ad un duetto con 2 coprotagonisti agenti in una scenografia interattiva 4-dimensionale: la massa delle particelle atomiche e l’energia dei campi gravitazionale ed elettromagnetico, moventisi in un fluido spazio-temporale non euclideo. Così si presentava almeno lo spettacolo, fino all’irrompere negli anni ’20 della teoria dei quanti.

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La prima rivoluzione quantistica

Dall’avvento della scienza naturale convivevano separati in casa due modi opposti di considerare la luce: o come fatta di corpuscoli (modello di Newton) o come fatta di onde (Huygens). Una coabitazione precaria, sempre in attesa dello show down sperimentale che avrebbe decretato il vincitore, o magari una terza spiegazione. Agli inizi del XX secolo però apparve chiaro che non c’era alternativa a dire che la luce si comporta come un corpuscolo e come un’onda allo stesso tempo. Eppure, non c’è chi non veda che la bilia d’un bambino che gioca sulla sabbia è tutto l’opposto dell’onda cavalcata al largo da un surfista; ma tant’è, per la luce ci si acconciava ormai ad accettare la sua natura ambigua, simile talvolta ai pallini scagliati rettilineamente da una carabina (come la luce ci appare quando penetra in una stanza attraverso una persiana), talaltra alle sinusoidi delle onde marine (come si desume dalla diffrazione dell’arcobaleno). Ma gli atomi della materia? Certamente un atomo non può essere assimilato ad un’onda! Invece…

La gragnuola di colpi inferti al senso comune da Einstein non si era ancora pacata che, prima su basi teoriche ad opera di De Broglie nel 1924 e poi per via sperimentale da Davisson e Germer nel 1927, si trovò che anche le particelle massive, anzi tutti i corpi, si comportano come onde. Ogni corpo ha il suo alter ego in un’onda, ed ogni onda il suo alter ego in un corpo. E non si trovò di meglio che attribuire anche a queste onde due significati diversi, o come di vettori d’energia o come delle ampiezze di probabilità – calcolabili con un’equazione, quella di Schrödinger – di trovare gli alias materiali qui piuttosto che là, ora piuttosto che allora. Così il principio di complementarietà (1927) di Bohr smaterializzò gli elettroni da rigide sferette a nubi evanescenti. Nacque la meccanica quantistica (MQ), di cui la meccanica newtoniana si rivelò un’approssimazione valida a livello macroscopico.

Ricordiamo le proprietà “primarie” della materia secondo il materialismo sette e ottocentesco: estensione, forma, densità, mobilità, impenetrabilità, inerzia e infine gravitazione, una proprietà questa meno intellegibile delle altre, ma che portò il cielo in Terra mostrando che i corpi celesti remoti sono fatti dello stesso materiale dei corpi terrestri sottomano. Ebbene, dopo il primo attacco di Bohr, toccò ad Heisenberg azzerare col principio d’indeterminazione l’oggettività delle proprietà primarie: la posizione e la velocità d’un corpo, o l’energia e il tempo, e altre coppie di grandezze “coniugate” non possono essere determinate con esattezza allo stesso istante. Anzi, secondo l’interpretazione prevalente allora (detta di Copenaghen), i corpuscoli non hanno affatto una posizione ed una velocità ad ogni istante, né mantengono un’energia definita per un dato tempo; almeno fino a quando una grandezza non venga effettivamente misurata da un osservatore: allora avviene il “collasso d’onda”, dove l’elemento della coppia scelto dall’osservatore assume un valore preciso, mentre il suo coniugato diventa del tutto indeterminato.

Cosicché gli elettroni, gli elementi chimici, un cristallo, una montagna, la Luna[v] e tutto l’Universo fisico non sarebbero più materia secondo la concezione oggettiva e realistica della parola dal tempo dei Greci; ed il “Soggetto” osservatore (Schrödinger) oltre che tornare ad essere cartesianamente irriducibile alla materia, ne assumerebbe un ruolo costituente, pericolosamente evocativo del berkeleyano “Esse est percipi”.

Si può immaginare una controriforma idealistica, anti-materialistica più radicale nella scienza naturale dei fondamenti, rispetto al materialismo e al meccanicismo precedenti?

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La teoria quantistica dei campi

RS, RG e MQ appartengono nei loro tratti essenziali al bagaglio culturale di tutti. Ma qui, alla fisica di 80 anni fa, si ferma anche la conoscenza generale. Eppure questa MQ è sbagliata ed è stata sopravanzata da una teoria differente: la teoria quantistica dei campi (TQC).

La TQC nacque dall’esigenza di aggiustare la MQ alla RS che, come abbiamo visto, non è una teoria delle tante ma una metateoria della fisica. Una teoria che sia in conflitto con la RS è falsificata a priori. L’equazione di Schrödinger non poteva neanche calcolare le probabilità di annichilazione o creazione di materia: per quanto la shakeriamo, non ci darà mai le particelle finali di una trasformazione diverse da quelle iniziali. Né l’armamentario di Bohr, De Broglie e Heisenberg dava ai campi una quantizzazione come quella riuscitagli per le particelle. Negli anni ’40 e ‘50, per gli sforzi eroici di geni come Dirac e Feynman, lo studio della struttura della materia produsse una nuova teoria a due facce: una rivolta all’esterno e l’altra all’interno. La prima s’impegnò ad osservare la natura per fornire modelli e calcoli di numeri, da confrontare con le evidenze sperimentali. Questa è oggi la faccia “fisica”, brillante della TQC, che mette ordine nel caos di decine di tipi di particelle interagenti tramite campi diversi, fornendo predizioni d’una precisione mai prima raggiunta. L’altra faccia, quella “matematica” rivolta a fondare in maniera logicamente consistente la teoria, resta invece ancora avvolta nel mistero, perché non se ne è trovata una formalizzazione rigorosa secondo gli standard della matematica pura. Questo è l’aspetto problematico della TQC[vi], costellato di serie divergenti e concetti indeterminati.

La TQC si caratterizza per un’incredibile scoperta dall’impatto critico sulle tecno-scienze, a cominciare dalla biologia: la struttura del vuoto. Che cos’è il vuoto? Non è facile trovarlo, ma è semplice concepirlo. Togliamo con una pompa l’aria da una bolla di vetro: dopo l’operazione, l’interno non è ancora vuoto perché, anche se siamo riusciti ad espellere tutta la materia (un miscuglio di molecole di azoto, ossigeno, ecc.), è ancora ricolmo di campi. Una radiolina nella bolla si sintonizzerebbe su un canale radio. Naturalmente, per l’assenza d’aria, non udremmo alcun suono, però le spie luminose della radiolina ci rivelerebbero la presenza di campi elettromagnetici. Per eliminarli, allontaniamoci da ogni stazione trasmittente andando in una landa desolata. Ora nella bolla sopravvivono ancora il campo magnetico terrestre (come ci rivelerebbe una bussola posta all’interno) ed anche, ovviamente, il campo gravitazionale terrestre. Per svuotare del tutto la bolla dobbiamo portarla con un’astronave nello spazio, in una regione piatta intergalattica. Ecco: il vuoto è la base uguale in ogni tempo e luogo dell’Universo (una piattaforma quindi priva di struttura spazio-temporale), sopra la quale si svolgono i giochi dei corpuscoli di materia e dei campi di energia. E qui viene la sorpresa: il vuoto è dotato di una struttura fisica ed agisce con effetti osservabili sui fenomeni del mondo!

Il vuoto della fisica non ha niente a che fare con il nulla della metafisica. Il nulla metafisico è pure della massima complicazione, tant’è che se ne contano decine di sfumature diverse, però non ha struttura fisica, non agisce sull’essere, né è invischiato con l’Universo. Rinviando ad altra occasione un meticoloso approfondimento sul nulla, torniamo al vuoto. Eviterò la matematica, perché anche nei tempi in cui essa era più semplice qualcuno metteva in guardia: “È molto difficile scrivere libri di matematica al giorno d’oggi. Se non ci preoccupiamo delle sottigliezze di teoremi, spiegazioni, dimostrazioni e corollari, allora non è matematica; d’altra parte, se facciamo queste cose, la lettura diventa noiosa” (J. Kepler, “Astronomia nova”, 1609). E la prenderò alla larga.

Nella fisica classica, il vuoto di materia e di campi coincide con lo stato in cui l’energia è ovunque zero. Invece nella TQC intorno al valore nullo pulsano infinite molle, non all’unisono ma indipendentemente l’una dall’altra (“incoerenti”), ciascuna con una propria frequenza ed un’energia minima diversa da zero. Cosicché l’energia del vuoto non è uguale a zero, ma ad infinito[vii].

Già la MQ implicava proprietà fisiche per il vuoto. Se la metafisica parmenidea e il dubbio amletico prevedono un’ontologia a 2 stati, l’essere e il non essere, la MQ dovette ammettere un terzo stato: la virtualità. Applicando infatti il principio di Heisenberg alla coppia coniugata energia-tempo, lo stato energetico del vuoto di campo non può assumere il valore esattamente nullo, ma oscilla intorno allo zero con un’ampiezza di variazione correlata al tempo in cui l’oscillazione persiste. Questa fluttuazione non può essere osservata; e se non può essere osservata, il suo alias particellare è solo virtuale.

Nella TQC le particelle virtuali, inosservabili ma dagli effetti indiretti osservabili, entrano in gioco nei diagrammi di Feynman. Questi grafici servono a calcolare le probabilità delle trasformazioni indotte dal campo elettromagnetico (come nella creazione della coppia elettrone-positrone di Fig. 2), ma anche di quelle indotte da due nuovi campi nel frattempo scoperti: le interazioni nucleari forti (responsabili della stabilità dei nuclei atomici) e le interazioni nucleari deboli (responsabili della radiazione beta). Nei diagrammi di Feynman, le forze della fisica classica sono sostituite da scambi di particelle virtuali, che trasferiscono l’impulso e l’energia dalle particelle reali iniziali a quelle reali finali: la località è così garantita nelle trasformazioni causate dai campi al costo d’inventare nuovi fantasmi.

Il vuoto della TQC è però molto più d’un ricettacolo di particelle virtuali. È un insieme infinito di molle incoerenti, pulsanti in tutti i modi possibili.

Ancora nel contesto della fisica classica, era emerso a fine ‘800 un problema. In termodinamica la temperatura è una grandezza che misura l’energia cinetica media delle particelle. Esiste perciò una temperatura minima, lo zero assoluto, che coincide con la condizione in cui le particelle sono ferme. Questo accade a 273 gradi sotto lo zero centigrado. D’altro canto ogni sostanza ha un suo calore specifico, che è il numero di calorie che l’ambiente deve fornire ad un grammo di sostanza per accrescerne la temperatura di un grado, o all’inverso il calore che un grammo della sostanza cede all’ambiente quando la sua temperatura è raffreddata di un grado[viii]. Ora, poiché un grado di temperatura è una precisa quantità di energia cinetica, il calore specifico di una sostanza non dovrebbe dipendere dalla temperatura. Questa era appunto la legge di Dulong-Petit…, fino al 1906 allorché Nernst, misurando i calori specifici di diverse sostanze a temperature molto basse (intorno ai 5 gradi assoluti), trovò il risultato strabiliante che essi non sono costanti, ma diminuiscono con la temperatura. Nell’usuale scambio di energia tra sostanza e ambiente, chi è il Robin Hood che appare alle basse temperature, per prelevare durante il raffreddamento una quota di energia da trasferire durante il riscaldamento? Più ci penso e più mi pare incredibile l’audacia intellettuale di Nernst, il quale puntò il dito sul vuoto per questa operazione di contrabbando energetico, nella quale tutti i corpi sarebbero fortemente invischiati (“entanglement” è il termine tecnico usato in TQC).

La TQC ha preso sul serio la proposta di Nernst. L’introduzione del vuoto, come ente dotato di proprietà fisiche e privo di struttura spazio-temporale, col suo entanglement che invischia tutti i corpi tra loro, distrugge in un colpo solo tre mostri sacri della scienza naturale dalla sua nascita:

1)      il concetto galileiano di corpo isolato[ix],

2)      l’assolutezza della località e

3)      il totem della causalità[x].

La MQ era ancora (come la fisica classica e le due relatività einsteiniane) una teoria della località, cioè dell’interazione diretta tra i corpi mediata dagli scambi di energia ed impulso trasportati dai campi e soggetta alla causalità. Nella TQC rimane l’interazione tra i corpi fisici con la località garantita dalle particelle virtuali e con la causalità ad ordinare i tempi di successione dei fenomeni, ma ci sono anche l’interazione di ogni corpo col vuoto e l’interazione tra tutti i corpi mediata dal vuoto, senza località né causalità perché non importa qui quanto i corpi siano reciprocamente distanti nello spazio e nel tempo.

L’assurdo dualismo onda-corpuscolo della MQ era un residuo dell’assunzione classica d’isolamento dei corpi, immaginata per la prima volta nel gedanken Experiment di Galileo sul vascello in moto uniforme. Nella TQC nessun corpo fisico è isolato dal vuoto e la sua lunghezza d’onda di De Broglie è la vibrazione del suo Doppio (la molla della stessa frequenza pulsante nel vuoto), tra tutti gli infiniti modi di vibrazione possibili.

La nuova ontologia fisica

Consideriamo ora le tre proposizioni seguenti:

1)   la realtà fisica è suscettibile di una descrizione oggettiva, indipendente dall’osservatore (realismo);

2)      la realtà fisica è soggetta ai principi di località e di causalità;

3)      la realtà fisica è quantizzata, nella materia e nei campi.

C’è un risultato matematico del 1964, il teorema di Bell, che stabilisce l’incompatibilità delle tre proposizioni in blocco: possiamo sceglierne due, ma dobbiamo mollare la terza. L’interpretazione di Copenaghen della MQ lasciò cadere la proposizione 1) e precipitò nell’idealismo, che si aggiunse alle contraddizioni e alle incompletezze della teoria. Einstein avrebbe mollato volentieri la proposizione 3), perché la sua metafisica realistica non poteva rinunciare ai principi di località e di causalità, che l’avevano tanto premiato con la relatività. La TQC salva il realismo e l’evidenza di un mondo quantizzato, lasciando parzialmente cadere la 2), che non vale nei fenomeni dove gli effetti dell’entanglement operati dal vuoto siano comparabili a quelli delle interazioni locali e causali operati dai campi. Ci sono quindi due tipi di fenomeni in natura secondo la fisica contemporanea:

a)      i processi diacronici, che accadono nello spazio-tempo e sono soggetti ai principi di località e di causalità. Qui vale il metodo riduzionistico di scomporre il sistema nei suoi costituenti elementari e di studiare come questi interagiscono. La teoria si concentra sugli aspetti “platonici” del mondo: lo studio matematico degli invarianti di trasformazioni astratte (i gruppi), rappresentative delle trasformazioni reali; e

b)      i processi sincronici, che avvengono fuori di una descrizione spazio-temporale, e sono quindi privi di località e causalità. Attraverso il vuoto, la storia dell’Universo impatta tutti i fenomeni, in particolare quelli compresi nella zona mesoscopica dove le condizioni iniziali e al contorno pesano come le leggi d’invarianza. Nel regno “aristotelico” dei sistemi dinamici fallisce il riduzionismo e l’ignoranza del metodo sistemico da parte del credo riduzionistico si rivolge contro lo stesso progresso scientifico.

In fondo, già il principio di Heisenberg implicava i processi sincronici. Il numero di bosoni N e la fase ϕ di oscillazione del campo (elettromagnetico, o nucleare forte, o nucleare debole) sono grandezze coniugate: quando, con una descrizione analitica vogliamo conoscere con precisione il numero N dei granuli del campo (i fotoni del campo elettromagnetico o altri tipi di particelle per gli altri due campi), dobbiamo rinunciare a conoscere il ritmo di oscillazione del campo (la fase ϕ); se invece poniamo l’attenzione sulla musica del Cosmo (la fase ϕ del campo) perdiamo ogni conoscenza del numero N di corpuscoli.

Non esistono elementi di casualità intrinseca nella TQC, specifici rispetto a quanto non accadesse già nella fisica classica, come pretendeva l’idealismo di Copenaghen e racconta tutt’oggi la vulgata; e la funzione d’onda è solo il ricoprimento statistico dei modi del campo quantizzato, cosicché il tanto misterioso collasso d’onda della MQ – nella cui mitologia l’osservatore diventava responsabile della vita e della morte del gatto di Schrödinger[xi] e più in generale attualizzava prodigiosamente gli stati fisici – è solo il particolare modo del campo registrato da un rivelatore localizzato, invischiato col vuoto.

Col che, dopo le particelle materiali e i campi (saliti a 4), un terzo attore prende prepotentemente posto nel mondo fisico: il vuoto.

La stoffa dell’Universo

Anche la cosmologia ci riserva sorprese riguardo alla materia. Dopo che il modello del Big Bang ricevette negli anni ’60 un’ampia corroborazione, il fato dell’Universo (se la sua espansione, peraltro accelerata nella nostra epoca, continui o se finirà per rovesciarsi in una contrazione) è divenuto il problema principale di quella disciplina. Il filo che separa i due destini è estremamente sottile: la costante Λ, da cui dipendono le soluzioni dell’equazione di Einstein che descrive l’evoluzione cosmica, sta all’interno d’un intervallo numerico fantasticamente stretto, centrato sul valore critico che impedisce all’Universo un’espansione o un collasso così rapidi da essere incompatibili con la vita. Dov’è il problema? Sta nella predizione che questa selezione antropica fu garantita all’inizio del Big Bang prima ancora che cominciasse l’espansione. E il maggiore disappunto dei teorici delle stringhe è proprio di non riuscire a dare spiegazione a tale coincidenza. Vediamo.

Da che mondo è mondo, o almeno da Ockam in poi, appare più ragionevole assumere che qualcosa sia esattamente zero (così da farne a meno), piuttosto che abbia il valore 0,000…[124 zeri]…0005. Sarebbe curiosa una spiegazione che postulasse qualcosa di più incomprensibile di ciò che intende spiegare, giusto? Ebbene, mentre in cosmologia i teorici si scervellavano a trovare un argomento convincente per azzerare Λ, gli sperimentali scoprivano l’energia oscura (dove la denominazione significa: per far tornare i conti di come crediamo di spiegare ciò che osserviamo con i telescopi, postuliamo l’esistenza nell’Universo d’un tipo di energia di cui non sappiamo nulla) e la materia oscura (il cui significato è come sopra). Precisamente, secondo gli sperimentali, che hanno sempre l’ultima parola in scienza sperimentale, l’energia oscura rappresenterebbe il 68% del materiale dell’Universo e la materia oscura il 27%. La materia-energia ordinaria sarebbe quindi solo il 5% del mondo. E l’accoppiamento più ragionevole tra teoria ed osservazione è ottenuto assegnando a Λ la rappresentanza dell’energia oscura, con un numero positivo non superiore a  10^-124 (in unità naturali). Due nuovi fantasmi ed un numero assurdo: abbasso Ockam!

Non basta. Accade che il valore 10^-124 di Λ sia più o meno uguale alla densità di massa attuale dell’Universo. Poiché però all’espandersi del raggio R dell’Universo la densità di massa decresce con 1/R³, ne deriva che nel lontano passato la densità era molto maggiore di Λ e che nel lontano futuro sarà molto minore. Cosicché solo nell’epoca in cui tu ed io, caro lettore, siamo potuti sorgere dalle ceneri delle prime stelle, solo in questa particolare era cosmica accade che la materia sia distribuita nell’Universo giusto nella misura di Λ: una coincidenza? Solo chi è senza cuore non comprende la disperazione dei cosmologi, prigionieri per decreto galileiano nella gabbia delle cause efficienti, a non trovare una spiegazione d’un numerino così finemente finalizzato…

Conclusioni

Il modello standard della fisica ha ottenuto importanti corroborazioni anche nel 2013, a livello di microcosmo e di macrocosmo. Nelle osservazioni all’acceleratore del Cern così come in quelle del satellite Planck, abbiamo trovato conferma a quanto crediamo di sapere (che risulta poco) e a quanto sappiamo d’ignorare (che risulta molto). L’Universo “comparve” 13,8 miliardi di anni fa e si sta espandendo alla velocità di 67,3 chilometri al secondo per megaparsec. Nel primo decimiliardesimo di secondo, in seguito alla rottura spontanea di simmetria di una funzione matematica (la “lagrangiana”), emersero gli attuali 4 campi di forza e le prime eteree particelle. Poi, dalla vibrazione durata 10^-21 secondi di un quinto campo[xii], la materia fu. Oggi le particelle sono catalogate in una trentina di tipi diversi per massa, spin ed altre proprietà distintive.

Se ci sono voluti pochi istanti a campi e particelle, occorsero una decina di miliardi di anni perché queste fossero prima addensate in stelle dalla gravitazione, poi lì assemblate in 92 conformazioni atomiche principali sotto l’azione degli altri campi ed infine scagliate nello spazio in macro-agglomerati incandescenti. Dopo il raffreddamento della sua crosta, in uno di tali frammenti comparve non sappiamo come la vita, con l’accompagnamento di curiosi osservatori altri 3,5 miliardi di anni dopo.

Quelle particelle elementari sono proprio “elementari” o sono ulteriormente suddivisibili? Come Lavoisier per gli elementi chimici, anch’io risponderò pragmaticamente: fin qui siamo arrivati nella scomposizione della materia! A questi numeri abbiamo costruito un modello matematico semplice, corroborato dagli esperimenti possibili alle energie oggi disponibili, e forse migliorabile ai livelli superiori richiesti per un’analisi più intima, che appaiono però fuori dalla portata delle tecnologie prossime future.

Questo per la fisica. Alla filosofia compete il giudizio finale su due millenni e mezzo di ricerca, nella quale il pensiero occidentale, non soddisfatto del dato bruto che gli proveniva dai sensi, si è interrogato sull’essenza delle cose e la loro origine.

1. Ferma restando la competenza della metafisica sull’origine, la ricostruzione che il modello standard fa dei momenti iniziali dell’Universo è il trionfo della concezione platonica delle Idee intellegibili. Il modello standard è il moderno Timeo.

2. Per Aristotele, la materia era l’elemento indistinto costitutivo della realtà e il serbatoio di potenzialità dove i moti delle forme attualizzandosi davano origine alla cornucopia delle sostanze. In questa concezione non esisteva potenza senza atto. L’energia cinetica e l’energia potenziale della meccanica classica furono la prima traduzione scientifica, quantificata della potenza dei corpuscoli materiali in atto. Con i 4 campi di forza infine, la potenza acquisì in fisica uno status ontologico autonomo dall’atto della materia. Addirittura sarebbe stata la potenza di un campo, quello di Higgs, ad attualizzare le particelle massive. Possiamo quindi dire che, dal mito presocratico alla ragione aristotelico-scolastica alla fisica contemporanea, è andato crescendo il ruolo della potenza (non più indeterminata, ma misurabile) rispetto all’atto.

3. Forse l’aspetto che più marcò la rivoluzione scientifica alle sue origini fu l’idea di spiegare le proprietà dei corpi macroscopici tramite la struttura sottostante microscopica, insieme all’assunzione che questa struttura consistesse in corpuscoli, onde ed eteri aventi proprietà (“primarie”) intuitive, desunte dalle percezioni sensoriali più semplici che riceviamo tutti i giorni dagli oggetti macroscopici. Il metodo che spiega le proprietà dell’insieme con le proprietà delle sue parti, attribuendo alle parti le proprietà più familiari dell’insieme, si chiama riduzionismo.

I campi fisici però si estendono in una regione ed il loro valore in ogni punto dipende dal complesso dei valori in tutta la regione: cosicché spiegare il moto di una massa col campo gravitazionale o il moto di una carica col campo elettromagnetico è l’opposto del riduzionismo. Spiegare il comportamento delle parti nei termini del tutto si chiama olismo. È vero che il tutto (il campo) può ancora essere definito ontologicamente come nulla più che la collezione delle sue parti (le sorgenti del campo), ma solo alla condizione che le parti siano ontologicamente definite sulla base del ruolo che giocano nel tutto.

Riduzionismo e olismo sono due descrizioni equivalenti del microcosmo. La scienza sperimentale è muta sull’ontologia primaria. Fin qui.

4. Un terzo player svolge un ruolo attivo, impensabile fino a mezzo secolo fa: il vuoto. Il vuoto è sinonimo della storia dell’Universo, la quale impatta su tutti i processi, criticamente su quelli biologici e cognitivi. L’invischiamento di tutto col vuoto e di tutto con tutto tramite il vuoto (“entanglement”) segna i limiti di validità dell’isolamento e del riduzionismo, nonché la soglia dove la comprensione della natura implica l’auto-organizzazione e l’informazione.

5. Riduzionismo e olismo, quando non siano ipostatizzati in schemi metafisici, sono le due facce inseparabili del metodo sistemico. La sistemica ha mostrato che l’indeterminazione, lungi dall’essere un’esclusiva dei quanti, appartiene alla modellistica di ogni ente reale che essa pretenda di rappresentare esaustivamente con equazioni lineari, come volevano la fisica classica e la MQ e come vorrebbero – per la nostra ignoranza matematica – anche la TQC e la teoria M. Ma che gli umani scelgano le equazioni lineari perché sono le uniche che essi sanno risolvere non implica che la realtà fisica sia intrinsecamente “indeterminata” (o casuale), ma solo che essa è inafferrabile dal logos analitico degli umani. Il principio d’indeterminazione traduce l’inesauribilità dell’essere (che sia una particella elementare o una cellula o un cervello o un’organizzazione sociale) e la complessità della sua relazione col Cosmo.

Non c’è essere al mondo che la tecno-scienza non voglia penetrare, ma ciò che può essere penetrato dalla tecno-scienza non è l’essere.

6. Per la filosofia naturale e la fisica classica spiegare il molteplice significava ridurlo al semplice. In questa strategia la materia, concepita come fondamentale indistinto, fu necessariamente il punto di partenza della ricerca. Oggi però le “spiegazioni” della fisica muovono nella direzione opposta di derivare anche le cose più semplici dalle assunzioni meno intuitive, da elaborarsi nella matematica più astratta. Anziché ad un unico indistinto, siamo così giunti a 30 tipi di particelle più 4 campi d’interazione più il vuoto, strutturati nei sistemi formali della TQC e della RG (in prospettiva, unitariamente nella teoria M). Più un 95% d’ignoto?

7. Nel secolo di Newton e ancora in quello di Maxwell si poteva sottoporre al controllo dell’esperienza un’assunzione scientifica isolata. La gravitazione newtoniana ipotizza che la forza sia inversamente proporzionale al quadrato della distanza? La matematica ne deriva la predizione che le traiettorie sono sezioni coniche ed è facile verificare che proprio così accade nei moti celesti e nella balistica. Come fu facile controllare la predizione di sir Halley che una cometa sarebbe riapparsa a Natale 1758. Ma il bosone di Higgs non è una pallina che si può vedere, toccare, pesare, ecc. Oggi è difficile, anzi forse è diventato impossibile, stabilire dove finisce l’immaginazione e comincia la scienza popperianamente falsificabile.

Per prima cosa si è ampliato il criterio di scientificità: una teoria è ora accettata anche se contiene agenzie onnipotenti occulte ed oggetti inosservabili (caratteristiche che sarebbero state aborrite da Galileo, Newton, Lavoisier o Maxwell), purché faccia predizioni indirettamente controllabili.

Poi, è mutato il significato di “dato” empirico. Oggi il sistema delle scienze sperimentali e delle loro teorie è diventato così complesso che non è più possibile controllare una singola ipotesi, né un insieme di ipotesi, perché ogni parte acquisisce significato solo in relazione alle altre parti. Così, il 6 marzo 2013, dopo un confronto collettivo internazionale perdurato mesi, si è convenuto d’annunciare l’esistenza del bosone di Higgs perché un fenomeno (elettromagnetico) A, osservato con una probabilità maggiore del numero convenuto B, è implicato dalla proposizione C che rientra nel meccanismo D della teoria E che insieme alla teoria F, ecc. rappresenta la migliore spiegazione che attualmente abbiamo della struttura della materia: il modello standard. Certo, è ancora possibile rigettare una nuova proposizione trovata contraddittoria con i “dati” dell’esperimento. Ma poiché questi dati non sono direttamente desunti dai sensi, ma interpretati sulla base di un insieme di altre proposizioni e teorie del sistema totale umano di conoscenze, ci sarebbe sempre anche la strada di modificare un sottosistema (non si sa a priori quanto grande) di quelle proposizioni e teorie.

Oggi la scienza sperimentale non si confronta più con “dati”, con “esperimenti”, con la “natura”, ma è un sistema di proposizioni che si confronta con nuove proposizioni. Ma se è così, dove sta la scienza intesa come conoscenza?

8. Einstein ha spiegato la gravitazione in maniera del tutto differente da Newton. Ma davvero la dinamica è univocamente fissata dal tensore 4-dimensionale di stress-energia? Già emergono dubbi e sono proposte ulteriori dimensioni spaziali nella teoria M. La RG ha inglobato la gravitazione newtoniana falsificata dalla precessione di Mercurio, la TQC ha inglobato la MQ falsificata dai processi di creazione e annichilazione, che a sua volta avevainglobato la meccanica classica falsificata dalla stabilità dell’atomo… Ma quando una nuova teoria scientifica ingloba una teoria precedente falsificata, s’intende che la nuova funziona in tutti i fenomeni dove funzionava la vecchia più in altri, non che il sistema formale vecchio è un sotto-sistema logico del nuovo sistema. Assunzioni, concetti, teoremi sono intraducibili; le teorie sono reciprocamente incoerenti. Solo, si fa che accada che i vecchi numeri verificati costituiscano, sotto alcune condizioni di limite, un sottoinsieme dei nuovi numeri.

L’evoluzione della scienza sperimentale, testimoniata dalla sua storia, non è un progresso di avvicinamento alla verità (come avviene in matematica quando si trova una nuova cifra di π), ma è la marcia trionfale del dominio dell’uomo sulla natura, scandita per discontinuità di rappresentazioni. La scienza naturale è diventata tecnica. Tecno-scienza.

L’ampliamento della scientificità ad agenzie arcane e ad oggetti inosservabili (culminato nel parossismo del multiverso inflazionario) alla condizione di ottenere comunque risultati controllabili – che vuol dire replicabili, e infine duplicabili in dispositivi vendibili – ha sigillato la vittoria della visione di Francesco Bacone. L’essere è visto sotto gli aspetti della manipolazione e dell’amministrazione. Tutto diventa ripetibile e sostituibile, compreso l’essere umano.

L’allargamento all’invisibilità e all’onnipotenza ha trasformato la falsificabilità di Popper da criterio di distinzione tra la fantasia e la scienza (intesa come “adaequatio rei et intellectus”, Tommaso d’Aquino) a separazione del divertissement dall’utile. Ciò che conta non è la verità, ma l’operation, il procedimento efficace. Non in “discorsi plausibili, edificanti, dignitosi o pieni di effetto, o in pretesi argomenti evidenti, ma nell’operosità e nel lavoro e nella scoperta di particolari prima sconosciuti per un migliore equipaggiamento e aiuto nella vita [stanno]il vero scopo e ufficio della scienza” (F. Bacone, “Valerius Terminus: of the Interpretation of Nature”, 1603). Lo stupore di fronte all’essere e la felicità di conoscerlo sono diventati lascivia per l’homo œconomicus. Non solo non c’è nessun mistero per lo scientista, ma neppure il desiderio della sua rivelazione. E a chi mi canterà l’ultima teoria sull’origine del mondo o delle specie o della mente o dell’amore, nel dubbio io domanderò come l’asset manager d’un fondo d’investimento specializzato nella ricerca scientifica: dove sono le applicazioni?

9. Il dualismo classico tra mente e corpo (o tra anima e corpo) pose una netta separazione tra l’immateriale e il materiale, dove l’immateriale era semplicemente inteso come il complementare delle proprietà della materia e delle sue potenzialità. Ma ciò non si può fare, finché non si conoscono tutte le proprietà della materia, dell’energia e dell’Universo fisico nel suo insieme; se nemmeno sappiamo che cos’è la materia. D’altra parte, nulla in 2.500 anni di ricerche filosofiche e scientifiche fa presagire una soluzione riduzionistica del mind-body problem; anzi la scoperta dell’entanglement pone un limite epistemico al riduzionismo già nel mondo inanimato. “Se ho imparato qualcosa come fisico è quanto poco sappiamo con certezza. In termini della natura ultima della realtà, noi scienziati siamo ontologicamente ignoranti” (M. Tegmark, 2013). Ad ogni nostro avanzamento per afferrarla, la materia retrocede. Che dire della mente?

In 25 secoli di affanno, abbiamo scoperto la ricchezza della materia e l’immensità della nostra ignoranza, verosimilmente destinata ad aumentare con l’avanzamento della ricerca. Le due risposte opposte al mind-body problem – il dualismo ed il materialismo – sono entrambe insoddisfacenti ora come allora, perché trascurano le dimensioni rispettivamente di quella ricchezza e di questa ignoranza.

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