Multiverso, Principio Antropico e improbabilità

Nei post precedenti ho discusso criticamente le tesi esposte da Leonard Susskind in Il Paesaggio Cosmico, e ho sostenuto che la costruzione teorica che unisce Teoria delle Stringhe, Multiverso e Eternal Inflation sia piuttosto azzardata dal punto di vista delle evidenze sperimentali e piuttosto controversa dal punto di vista concettuale, dando luogo a quello che ho chiamato lo scenario della Biblioteca di Babele.

In questo post, vorrei invece discutere un punto specifico del ragionamento di Susskind e degli altri che propongono la teoria del Multiverso come concretizzazione delle potenzialità matematiche della Teoria delle Stringhe, e cioè la necessità di spiegare le caratteristiche dell’Universo in cui viviamo.

Il ragionamento di Susskind & C. è più o meno il seguente: constatiamo che le leggi fisiche dell’Universo, inclusi i valori delle costanti fisiche e le “condizioni iniziali” sono straordinariamente favorevoli all’esistenza della vita. Basterebbero piccolissime variazioni nei valori di cui sopra per rendere impossibile la formazione di galassie e stelle, o la produzione di elementi chimici indispensabili alla vita come la conosciamo. Questa “eccezionalità” non può semplicemente essere attribuita a un mero caso, e rende necessario accettare una qualche forma di Principio Antropico, che in effetti è stato formulato in diverse varianti, da quelle “deboli” (che secondo me non significano assolutamente nulla) a quelle “forti”, che implicano che l’Universo sia in qualche modo progettato per ospitare la vita e aprono quindi indirettamente la strada alla congettura del cosiddetto Disegno Intelligente (il disegno, non l’ipotesi), incorporando l’ipotesi dell’esistenza di un Progettista nella descrizione causale dei fenomeni della cosmologia scientifica, e rendendo quindi quest’ultima dipendente da una nozione tipicamente religiosa. Per evitare questa “catastrofe scientifica”, Susskind & C. hanno sposato Teoria delle Stringhe ed Eternal Inflation per dar luogo all’idea di un Multiverso in cui esistono infiniti Universi di cui il nostro è soltanto uno.

Ma è davvero necessario “spiegare” le caratteristiche del nostro Universo? Non entrerò nei dettagli di quanto le leggi della Fisica e la configurazione del nostro Universo siano “speciali”. Lo fa molto scenograficamente Brian Greene in questa conferenza su TED.com:

A un certo punto, Greene si concentra (come fa anche Susskind nel suo libro) sul valore “incredibilmente vicino a zero” della Costante Cosmologica:

Certo, sembra necessaria una spiegazione per un numero così “strano”, no?

Non ne sono così sicuro. Cosa vuol dire, infatti, “improbabile”?

In questo contesto, secondo me, niente.

Per parlare di probabilità, occorre innanzitutto individuare un processo dinamico che possa essere poi trattato con gli strumenti della statistica. Quando mi chiedo quale sia la probabilità di ottenere “1” col lancio di un dado, ho implicitamente selezionato il processo di lanciare un dado come oggetto della mia analisi statistica. Senza di questo, non esiste il concetto stesso di probabilità. Dire che il nostro Universo ha caratteristiche statisticamente eccezionalmente improbabili significa implicitamente assumere come postulato che tali caratteristiche siano il frutto di un processo casuale, come una specie di “estrazione a sorte” dell’Universo tra un numero infinito (“molto” infinito) di Universi alternativi, dove il numero e la natura delle particelle elementari, o l’intensità delle interazioni elettromagnetiche, o il numero di dimensioni spaziotemporali varino tra tutti i “possibili” valori.

Ma non abbiamo nessun motivo per ipotizzare un simile processo. Personalmente, credo ci siano buone ragioni per non ipotizzarlo, oltre al benedetto e spesso mortificato Rasoio di Occam. Se numeri “strani” o “singolari” ci mettono a disagio, è un problema nostro, non della Natura; in qualche caso, magari, scopriremo che una data “costante” fisica non è costante affatto, ed è frutto di un processo di cui indagheremo il funzionamento. Ma mi sentirei di considerare assolutamente arbitraria l’ipotesi che tutte le costanti fisiche siano il frutto dell’equivalente di un’ “estrazione” stocastica.

In sintesi: le tesi di Susskind dichiarano di voler risolvere un problema che, ragionando a stretta logica, non esiste. Certamente troviamo “imbarazzanti” certe “coincidenze” (ancora una nozione inapplicabile qui), ma questo disagio non è necessariamente diverso da quello che proviamo al pensiero che il tempo possa essere “finito”: tendiamo a generalizzare il nostro modo di ragionare applicandolo anche a oggetti che non sono tenuti a conformarsi a esso: la massa dell’elettrone non è necessariamente il frutto di un lancio di dadi. Applicare la “statistica” ai valori delle costanti fisiche è, questo sì, una forzatura arbitrariamente “antropica” e priva di senso. In realtà, un ragionamento del genere, come abbiamo visto, postula tacitamente quello che Susskind vorrebbe dimostrare, e cioè che esista concretamente un “processo di generazione” degli Universi in grado di produrre realtà fisiche diverse. Rigettare questa ipotesi è perfettamente coerente ed elimina qualsiasi necessità logica di “spiegare” alcunché; ci rimane un fastidioso senso di incompletezza, forse, ma onestamente non mi pare ragionevole voler creare infiniti Universi e dimensioni nascoste per la nostra tranquillità intellettuale. Come scrive lo stesso Susskind, la Natura non è tenuta ad adeguarsi ai nostri gusti, e questa è un’argomentazione “a due lame”….

Principio Antropico, Multiverso e altre affascinanti cose in cui non credo (cont.)

Nello scorso post, ho parlato del libro di Leonard Susskind Il Paesaggio Cosmico, e ho provato a sintetizzare gli assunti più o meno espliciti della linea di pensiero cui Susskind aderisce nei seguenti cinque punti:

  1. La cosiddetta teoria della Supersimmetria è vera. Quindi, per ogni particella elementare che conosciamo, ce n’è una “simmetrica” che è un leptone se quella nota è un barione, e viceversa.
  2. La (o una…) Teoria delle Stringhe è vera. Quindi, per esempio, esistono 10 dimensioni spaziali, di cui 7 non sono osservabili.
  3. L’Eternal Inflation è vera. Quindi, tra l’altro, esiste un numero esorbitante di Universi più o meno “vicini” tra loro, con caratteristiche diverse.
  4. Premesso che la Teoria delle Stringhe al momento appare compatibile con un numero elevatissimo se non infinito di diverse combinazioni dei parametri che definiscono le proprietà fisiche di un Universo, ciascuna di queste combinazioni descrive un Universo reale, e non un possibile Universo.
  5. Infine, gli innumerevoli Universi che derivano dai punti 3 e 4 corrispondono, ossia l’Eternal Inflation è in grado di generare tutti e soli gli Universi “configurabili” in base alla Teoria delle Stringhe.

Proverei ora a discuterli brevemente, per spiegare perché non condivido questa visione.

  1. La Supersimmetria è (come, molto più in grande, la Teoria delle Stringhe) più una famiglia di teorie che una teoria singola, perché ci sono più modelli supersimmetrici della Fisica e perché ciascuno ha una serie di parametri non predefiniti che possono variare, variando di conseguenza le previsioni numeriche della teoria. La Supersimmetria ha effettivamente diverse caratteristiche attraenti da un punto di vista teorico, perché risolve alcuni problemi spinosi delle teorie correnti che si limitano al cosiddetto Modello Standard. In particolare, ogni variante della Supersimmetria prevede che esistano come minimo il doppio delle particelle che conosciamo oggi, con un “partner supersimmetrico” per ciascuna di quelle note. Il guaio è che nessuno di questi partner è mai stato osservato (il che già di per sé sembra poco promettente) e che man mano che si fanno nuovi esperimenti il possibile “spazio” per le teorie supersimmetriche diventa sempre più angusto. Un buon campo di prova per verificare la credibilità della Supersimmetria è l’LHC del CERN, dove è stato trovato il bosone di Higgs e dove continuano esperimenti estremamente raffinati per scoprire effetti fisici nuovi. Per ora, tutte le evidenze trovate sono negative per i sostenitori della Supersimmetria, e onestamente mi sembra che al momento si debba dire che i fatti sperimentali dicono che è probabile che la Supersimmetria sia semplicemente una teoria falsa (conclusione forte ed estremamente impopolare, prendetela con le pinze).
  2. Il dibattito sulla Teoria delle Stringhe è ormai ai limiti dello scisma religioso, con da una parte “stringologi” osservanti ed entusiasti, e dall’altra fisici meno numerosi ma non meno autorevoli che sostengono che, in sostanza, la Teoria delle Stringhe non ha i requisiti minimi per essere considerata una teoria scientifica. Il problema sostanziale è che la Teoria delle Stringhe certamente non è una teoria, almeno non nel senso tradizionale, in cui una teoria fisica proponeva un modello matematico della realtà e prediceva un risultato determinato per un determinato esperimento. Tuttavia, esistono un paio di ipotesi molto forti alla base della Teoria delle Stringhe: la Supersimmetria (v. punto 1) e l’idea che esistano più di tre dimensioni spaziali, in particolare 10 nel caso della M-Theory. Su quest’ultimo punto, come al solito, è molto difficile immaginare degli esperimenti, però c’è un interessante “corollario” in base al quale l’esistenza di dimensioni aggiuntive avrebbe come effetto la possibilità di produrre buchi neri anche a energie raggiungibili dai nostri strumenti di laboratorio attuali; al momento si stanno studiando i dati del CERN per cercare effetti di produzione di buchi neri, e i risultati provvisori raccolti finora sono negativi sulla possibilità della presenza di dimensioni aggiuntive.
  3. L’Eternal Inflation potrebbe benissimo essere vera, anche se come al solito è complicato verificarlo. C’è qualche tentativo molto interessante in merito, che si basa sulla ricerca di tracce di possibili “collisioni” tra il nostro e altri Universi. Resta il fatto che, come in molti altri casi con le teorie cosmologiche e non solo, è estremamente difficile dimostrare che sia una teoria errata, ed è difficile immaginare che da essa possa derivare alcuna previsione verificabile. In questi termini è difficile considerarla una teoria scientificamente “fruibile”, ma è sicuramente meritevole di approfondimento.
  4. La Teoria delle Stringhe, al momento, se ben comprendo ha un apparato matematico in grado di generare un numero inimmaginabile di modelli specifici di realtà fisiche (o Universi) diverse in modo anche radicale, un numero talmente alto (si parla di 10500) da essere a tutti gli effetti pratici infinito (Susskind a ragion veduta lo chiama un discretuum). A questo punto diventa quasi impossibile anche solo immaginare un Universo con caratteristiche tali da non poter essere descritto da una di questi in gran parte inesplorati modelli; la Teoria delle Stringhe è diventata come la Biblioteca di Babele di Borges, una collezione fantastica di tutto e del contrario di tutto, e al momento nessuno ha idea di come fare a trovare in questa sconfinata biblioteca il libro che descrive (forse) l’Universo in cui viviamo. Questa situazione, che ovviamente è tradizionalmente considerata una grave debolezza della teoria, è ingegnosamente ribaltata e reinterpretata come un punto di forza da Susskind, Greene & C., che sostengono che questo Paesaggio di Universi è tutto reale, che esiste un numero pressoché infinito di Universi (grazie all’Eternal Inflation), e che quindi nella grande Biblioteca di Babele c’è anche il libro che descrive il nostro. Per me è un po’ dura da digerire.
  5. Questo punto me lo sono posto da solo, e quindi potrebbe essere frutto della mia Incompetenza. Però, ragionando alla buona, mi viene da dire: anche ammesso che l’Eternal Inflation sia vera e quindi esista un meccanismo che produce “infiniti” Universi reali, come facciamo a sapere se questi Universi abbiano le stesse proprietà di quelli “generati” almeno astrattamente dalla Teoria delle Stringhe? E’ come se qualcuno ci dicesse che esiste la Biblioteca di Babele e per dimostrarlo ci mostrasse una notizia sul giornale che dice che è in funzione una macchina capace di generare un numero illimitato di testi casuali. Anche ammesso che la macchina ci sia, come faccio a sapere se i libri che codifica collimano con tutti e soli quelli della fantomatica biblioteca? La macchina potrebbe, per dire, produrre solo libri in cui è assente la lettera Z, o, fuor di metafora, l’Eternal Inflation potrebbe produrre solo Universi a 3+1 dimensioni, o in cui la Supersimmetria non esiste, ecc. Per quello che ho capito dell’Eternal Inflation, infatti, essa genererebbe “Universi” in funzione dei diversi valori dell’energia del vuoto, che a sua volta avrebbe effetti ad esempio sulla massa delle particelle, ma non credo sul numero delle dimensioni spaziali o su altri aspetti fondamentali della Fisica.

In conclusione: Susskind, per spiegare l’eccezionalità delle caratteristiche fisiche del nostro Universo, vorrebbe farci digerire tutto insieme l’esistenza di decine di particelle mai osservate, l’esistenza di sette dimensioni spaziali non osservabili, e l’esistenza di innumerevoli Universi non osservabili (perché al di là dell'”orizzonte degli eventi” del nostro Universo). Tutto questo basandosi su teorie di straordinaria complessità matematica e che non hanno alcuna conferma sperimentale (anzi, di alcune ipotesi ad esse correlate gli esperimenti tendono a dare risultati negativi). Come schiaffo all’antico e sobrio principio del Rasoio di Occam non è male… ma è vero che questa moltiplicazione di enti sarebbe sine necessitate, oppure la necessità logica invocata da Susskind esiste? Ne parliamo nel prossimo post.

Principio Antropico, Multiverso e altre affascinanti cose in cui non credo

Ho appena finito di leggere Il Paesaggio Cosmico, di Leonard Susskind, un libro di alcuni anni fa in cui l’autorevole fisico americano espone le sue idee sul Principio Antropico (che trova utile se non addirittura inevitabile), la Teoria delle Stringhe e quella del Multiverso, ossia l’idea che il nostro Universo sia solo uno tra moltissimi, e che le leggi fondamentali della Fisica differiscano da un Universo all’altro.

Devo dire che è abbastanza raro che io legga un libro divulgativo sulla Fisica moderna e mi ritrovi a non essere d’accordo su praticamente niente di quello che l’autore sostiene. E’ insolito perché normalmente i libri divulgativi riguardano scoperte consolidate o almeno teorie sufficientemente condivise, e dissentirne sarebbe da parte mia un esercizio di presunzione; ed è insolito perché il dissenso in questo caso non riguarda semplicemente il maggiore o minore “ottimismo” sul possibile successo di una teoria, ma l’intera impalcatura del pensiero che Susskind espone. Proverò quindi a riassumere il succo del libro e le mie perplessità.

Il punto di partenza implicito, ma non tanto, è: la Teoria delle Stringhe è giusta; arriverei a dire che Susskind ragiona come se la Teoria delle Stringhe dovesse essere giusta, perché altrimenti certi “passaggi logici” sarebbero inspiegabili. Ricordiamocelo.

Il punto di partenza esplicito, invece, è: il nostro Universo, e le leggi della Fisica che lo governano, appare straordinariamente adatto a ospitare la vita umana, e anzi questa “predisposizione” è incredibilmente precisa, perché una serie di costanti fisiche e di “condizioni iniziali” dell’Universo, se fossero state anche di poco diverse, avrebbero fatto la differenza tra un Universo come il nostro e uno in cui la vita come la conosciamo sarebbe impossibile. Questa configurazione richiede un tale fine tuning dei parametri che Susskind dichiara serenamente che non si può semplicemente attribuirla al caso, perché dovremmo ipotizzare che si sia verificato un evento inconcepibilmente improbabile. Da questa “constatazione”, nasce l’interesse per il Principio Antropico (ossia l’idea che l’esistenza della [nostra] vita intelligente sia in qualche modo una condizione necessaria del perché l’Universo sia come è). Susskind vede il P.A. come difficilmente confutabile e pericoloso per alcuni principi fondamentali della scienza, se esso fosse interpretato come una prova a favore del cosiddetto Intelligent Design, ossia in sostanza a favore del Creazionismo. Questo non tanto per negare l’esistenza di (un) Dio, ma per negare che si tratti di un’ipotesi necessaria, che sia richiesta da qualche caratteristica riscontrabile nel mondo naturale.

La soluzione di Susskind (o meglio, cui Susskind aderisce) è la cosiddetta teoria del Multiverso: in realtà di Universi ne esistono praticamente infiniti; quindi, anche se il nostro ha caratteristiche “speciali”, la cosa non sorprende, perché ci sono miliardi di altri Universi ciascuno con le sue caratteristiche, e quindi alla fine noi viviamo in un Universo peculiare semplicemente perché solo un Universo peculiare può sostenere la vita. Questa interpretazione del Principio Antropico, che è quella cui Susskind aderisce, è “scientificamente innocua”, e quindi accettabile. A questo punto, per il “nostro”, restano altri due passaggi logici da completare:

  1. Esiste una teoria che preveda l’esistenza di un numero esorbitante di Universi regolati da leggi della Fisica diverse?
  2. Esiste un meccanismo che potrebbe aver generato tutti questi Universi?

Per fortuna (toh!) a entrambe le domande la risposta è sì. La prima è la Teoria delle Stringhe (toh!); il secondo corrisponde a quella che viene chiamata l’Eternal Inflation.
Quindi, tutto bene quel che finisce bene? La pensa sicuramente così un altro “testimonial” della Teoria delle Stringhe, quel Brian Greene autore del bel libro L’Universo Elegante: lo vedete qui in una breve, brillante e scenografica conferenza sull’argomento.

Purtroppo, io non sono altrettanto entusiasta, e non sono solo. A me sembra che l’elaborata impalcatura su cui poggia questa che chiamerei congettura sia poco solida e priva di basi nell’evidenza sperimentale. Proviamo a fare un elenco delle sorprendenti ipotesi che l’idea del Multiverso definita in questo modo (ossia come “estensione” della Teoria delle Stringhe) implica:

  1. La cosiddetta teoria della Supersimmetria è vera. Quindi, per ogni particella elementare che conosciamo, ce n’è una “simmetrica” che è un leptone se quella nota è un barione, e viceversa.
  2. La (o una…) Teoria delle Stringhe è vera. Quindi, per esempio, esistono 10 dimensioni spaziali, di cui 7 non sono osservabili.
  3. L’Eternal Inflation è vera. Quindi, tra l’altro, esiste un numero esorbitante di Universi più o meno “vicini” tra loro, con caratteristiche diverse.
  4. Premesso che la Teoria delle Stringhe al momento appare compatibile con un numero elevatissimo se non infinito di diverse combinazioni dei parametri che definiscono le proprietà fisiche di un Universo, ciascuna di queste combinazioni descrive un Universo reale, e non un possibile Universo.
  5. Infine, gli innumerevoli Universi che derivano dai punti 3 e 4 corrispondono, ossia l’Eternal Inflation è in grado di generare tutti e soli gli Universi “configurabili” in base alla Teoria delle Stringhe.

Giusto fin qui? Spero di sì, perché questo non è un tema semplice, e, anche se qualcosa ne capisco, in proporzione sono altrettanto Incompetente su questo quanto sulle questioni economiche.

Proviamo ora a chiederci: cosa siamo in grado di dire sull’attendibilità delle congetture 1 – 5 qui sopra? Beh, direi che questo post è già abbastanza lungo, e conviene riprendere l’argomento nel prossimo.

No Strings!

Lo cantava Fred Astaire in "Cappello a Cilindro": "no strings, no connections…" . Oggi è il motto degli oppositori della Teoria delle Stringhe, tra cui si segnala Lee Smolin, autore di "L’Universo senza Stringhe", il libro di cui parlavo nell’ultimo post.

Questa della Teoria delle Stringhe è una vicenda che mi sembra di particolare interesse, in quanto evidenzia una importante tendenza della "regina delle scienze esatte", ossia la Fisica fondamentale.

La Fisica, infatti, ha avuto forse "troppo successo": tutto quello che ci circonda nell’ambito della nostra vita quotidiana è stato studiato e compreso da tempo. I fondamenti della meccanica, della termodinamica, dell’elettromagnetismo, sono noti ormai da secoli. La teoria newtoniana è sufficiente a spiegare praticamente tutti i fenomeni legati alla gravità che ricadono nella nostra normale esperienza.

Nell’ultimo secolo, poi, la Fisica si è addentrata nell’infinitamente piccolo e nell’infinitamente lontano. I costituenti ultimi della materia che ci circonda sono stati studiati insieme alle forze che li governano, e sono conosciuti alla perfezione; l’universo, le leggi che lo governano e la sua storia remota e remotissima sono descritti da teorie che arrivano fino a ipotizzare come fosse l’universo pochi istanti dopo il Big Bang. Ormai, insomma, gli oggetti di studio della Fisica sono ai limiti del concepibile, e remotissimi dall’esperienza umana.

Ecco quindi che le teorie fisiche diventano "esoteriche": richiedono costruzioni matematiche sempre più complesse e impervie anche per gli specialisti, e le loro ipotesi sono spesso impossibili da verificare in pratica, perché sarebbe necessario disporre di energie e strumenti inaccessibili per l’uomo al momento e forse per sempre. Le teorie fisiche, insomma, da un lato rischiano di diventare puri costrutti matematici senza un riferimento agli esperimenti, in cui l’eleganza formale e la coerenza con le aspettative dei teorici finiscono per contare più del significato fisico e della verosimiglianza. In un certo senso, si potrebbe provocatoriamente dire che la Fisica rischia di ritornare alla Filosofia dei presocratici, quando nessuno pensava di sottoporre le teorie sulla natura a verifiche sperimentali, e l’unico criterio era la coerenza con i principi escogitati dal filosofo di turno.

Non sarebbe un bell’esito, a dire il vero, no?

Fisica: cosa manca?

Nel mio post precedente relativo alla Fisica, ho accennato al fatto che apparentemente gli elementi fondamentali della Fisica sono abbastanza consolidati. Esiste una teoria "Standard" delle particelle elementari, esiste una teoria della Gravitazione (la Relatività Generale di Einstein), esiste una teoria cosmologica "standard". Ciascuna di queste teorie funziona bene (alcune eccezionalmente bene) all’interno del suo ambito.

Quindi, la Fisica è finita? Non ci sono più grandi scoperte da fare?
Effettivamente, il grande obiettivo dichiarato dei prossimi, costosissimi, esperimenti di Fisica delle Particelle è trovare l’ultima particella prevista dal Modello Standard e non ancora trovata (il bosone di Higgs). E poi?

Poi, secondo me, rimangono molte domande irrisolte, sia di tipo teorico che sperimentale. Il mio elenco delle grandi questioni è:

  1. Trovare una teoria che unifichi Meccanica Quantistica e Gravitazione
  2. Risolvere le incongruenze del meccanismo di "misura" nella Meccanica Quantistica
  3. Fornire una descrizione unificata della varietà di particelle osservate
  4. Spiegare la Materia Oscura e l’Energia Oscura nell’Universo

Queste sfide sono in realtà aperte da decenni, e ci sono delle idee per risolverle. La teoria più accreditata (ma anche piuttosto controversa) che potrebbe rispondere alle questioni 1 e 3 è la Teoria delle Stringhe. Ne parleremo più avanti.