Parte 6^: il Modello Standard, le GUT e l'evoluzione "darwiniana" delle leggi fisiche dell'universo nei primo miliardesimo di secondo dal Big Bang.
Nell'introduzione avevamo già sottolineato la novità rappresentata dall'approccio "biologico-evoluzionistico" applicato alla cosmologia proposto da Hawking ed Hertog.
L'intuizione che ha guidato i due cosmologi scaturisce dall'incapacità manifesta, da parte della teoria fisica attualmente di maggior successo (il Modello Standard), di ricavare matematicamente il valore delle cosiddette costanti di natura (il cui valore viene inserito manualmente e ricavato da misure sperimentali).
Nella parte precedente abbiamo introdotto la teoria del Multiverso, un tentativo portato avanti per cercare di risolvere il problema indicato, che tuttavia porta a nuovi paradossi.
Nella presente e nella prossima descriveremo il percorso che ha portato Hawking a passare dall'essere acceso sostenitore a feroce critico del multiverso.
La migliore descrizione della realtà fisica di cui oggi disponiamo è rappresentata dal Modello Standard della fisica delle particelle, forse la teoria in assoluto meglio testata di ogni tempo (53).
Si tratta di una teoria quantistica che descrive in termini di campi sia le particelle materiali che le forze: secondo questa teoria le particelle di materia, quali elettroni e quark, non sarebbero altro che eccitazioni locali di campi estesi.
Il Modello Standard, chiamando in causa il meccanismo di Higgs, è in grado di spiegare il motivo per cui alcuni tipi di particelle (ad esempio elettroni, quarks e neutrini) siano dotate di massa, mentre altri (i fotoni) ne siano privi.
Tale teoria ritiene l'intero cosmo permeato da un campo scalare, il campo di Higgs; non appena l'universo primordiale iniziò ad espandersi, e di conseguenza la temperatura a diminuire, il campo di Higgs iniziò ad interagire con le particelle in modo diverso a seconda del tipo di particella.
Subito dopo il Big Bang tutte quante si spostavano alla velocità della luce, ma non appena la temperatura scese al di sotto di un valore critico una parte di esse venne rallentata dalla presenza di tale campo.
Per ciascun tipo di particella l'entità del rallentamento risulta proporzionale al grado di interazione con quest'ultimo: maggiore è l'interazione, più elevato risulta lo specifico valore che oggi chiamiamo “massa”.
Limite del Modello Standard è l'incapacità di definire il valore della massa per ciascun tipo di particella: sappiamo perché quark ed elettroni siano dotati di una massa ma non il motivo per il quale possiedono quella determinata massa e non un'altra.
Sebbene in grado di produrre ottime predizioni, i valori di una ventina di parametri presenti nelle equazioni che lo descrivono sono stati calcolati sperimentalmente ed inseriti a mano nelle formule; a questi parametri non ricavabili da un modello matematico è stato assegnato il nome di costanti di natura. (54)
Se il valore di una sola di queste costanti fosse stato leggermente diverso oggi ci troveremmo in un universo dove la vita (così come la conosciamo) non avrebbe avuto l'opportunità di svilupparsi. (55)
Dobbiamo dunque pensare di esser in presenza di un disegno intelligente che ha guidato sin dall’inizio lo sviluppo dell’universo, fornendogli leggi "biofiliche" che miliardi di anni dopo lo hanno reso adatto alla nostra esistenza?
Il meccanismo di Higgs suggerisce piuttosto che il modo in cui viene generata la massa sia il risultato di un processo dinamico conseguente l’espansione dello spazio: dopo il Big Bang caldo la disponibilità di un ambiente via via più grande porta ad una diminuzione della temperatura, e di conseguenza ad una rottura casuale di una simmetria matematica astratta.
Sappiamo che le simmetrie dei sistemi fisici tendono a rompersi al diminuire della temperatura, facendo così emergere strutture più ricche e fornendo un maggior spazio per la complessità. (56)
Al termine dell'inflazione, il campo di Higgs fluttuava caoticamente e la media netta del suo valore era pari a zero; tutte le particelle avevano massa pari a zero, il massimo della simmetria, che si ruppe 10^-11 secondi dopo il Big Bang allorquando la temperatura scese sotto i 10^15°C. (57)
Tale rottura spontanea ha restituito un valore casuale, come la direzione in cui cade una matita che sino a quel momento era in equilibrio sulla propria punta.
Il Modello Standard suggerisce cioè che l’universo non sia già nato con i valori delle masse delle particelle e l’intensità delle forze che oggi misuriamo, ma che questi valori rappresentino le proprietà di uno stato di simmetria rotta che si è cristallizzata in seguito al raffreddamento conseguente l’espansione dell’universo.
Nelle primissime fasi dell’espansione cosmica una parte della struttura fondamentale delle leggi della fisica si è coevoluta insieme all’universo che esse governano, ed il risultato di questa evoluzione è casuale!
Il termine leggi effettive viene usato per indicare le leggi che oggi governano la fisica delle particelle; "effettive" per sottolineare il fatto che esse hanno valore solo nell’ambiente emerso dopo che l’universo ha iniziato ad espandersi e la cui temperatura è relativamente bassa: ciò significa che se la storia dell'universo dovesse ripartire dal Big Bang sarebbe davvero improbabile ritrovarci con le stesse leggi di natura (così come se la storia dell'evoluzione dovesse ricominciare dalla prima cellula, non è per nulla scontato che ci ritroveremmo con i sapiens dopo qualche miliardo di anni).
Più che di leggi a valore universale si tratta infatti di aver individuato "regolarità" che tornano utili a descrivere fenomeni che si verificano in un determinato ambiente, cioè in un universo ed in un tempo come quello in cui ci troviamo a vivere; la loro efficacia predittiva è dunque limitata in tal senso.
Ne consegue come il Modello Standard sia soltanto una parte della storia della fisica delle particelle: infatti non da ragione della materia e dell’energia oscura, non include la curvatura dello spazio tempo (la gravità), e prevede la produzione a carico del Big Bang della stessa quantità di materia ed antimateria (che nei primissimi istanti avrebbero dovuto annichilirsi tra di loro lasciando l'universo privo di materia).
Perché dunque non ipotizzare che, tornando indietro nel tempo, esistesse una maggior simmetria ed una maggior semplicità unificatrice nei primissimi attimi di vita dell'universo?
Il meccanismo di rottura della simmetria che sta dietro alla separazione della forza elettrodebole potrebbe esser valido anche più in generale: in presenza di temperature più elevate ed in tempi ancora più ravvicinati al Big Bang anche la forza di gravità e ipotetiche "forze oscure" (all'origine di ciò che chiamiamo energia oscura) potrebbero risultare unificate con le altre forze, e di conseguenza una parte ancora maggiore della struttura di leggi effettive della fisica sarebbe destinata a svanire.
Stiamo così introducendo estensioni del Modello Standard cui è stato assegnato il nome di GUT (Grandi Teorie Unificate) che ritengono possano esistere meccanismi di rottura di simmetria e campi loro associati simili a quello di Higgs. (58)
Esistono diverse teorie GUT, ma non disponiamo della necessaria tecnologia per verificare quale tra di esse descriva l’evoluzione del nostro universo da un Big Bang ultracaldo; qualora i principi generali di simmetria su cui si basano risultassero corretti è possibile che alcune proprietà fondamentali del mondo fisico, come l'esistenza di massa e materia, non siano verità matematiche a priori ma il risultato di una serie di transizioni che hanno rotto la simmetria primordiale trasformandola in complessità.
Nel 1974 Julius Wess e Bruno Zumino ipotizzarono l’esistenza di una supersimmetria (o SUSY) che addirittura unificherebbe le particelle con le forze, cioè campi di forza con campi materiali, la cui rottura spiegherebbe anche la comparsa di particelle di materia oscura governata da forze di tipo diverso rispetto alle 4 che conosciamo. (59)
Per concludere "... le GUT prevedono che, mentre l'universo si raffreddava dal Big Bang ultracaldo, diverse simmetrie matematiche si sarebbero rotte innescando una serie di transizioni che avrebbero prodotto un insieme strutturato di leggi effettive valide a temperature più basse ..."
L'universo primordiale avrebbe quindi assistito nelle sue primissime fasi ad una metaevoluzione durante la quale furono le stesse leggi fisiche stesse a cambiare e trasformarsi:
"... il passaggio da un universo iniziale, simmetrico ed uniforme, all’ambiente fisico complesso e diversificato in cui viviamo oggi, adatto alla vita. In tutto ciò un elemento casuale è insito nelle transizioni con le rotture di simmetria ..."
E' opportuno ribadire il fatto che le GUT non determinino affatto in modo univoco il risultato dell’evoluzione primordiale: le simmetrie possono infatti rompersi in molti modi differenti, quindi portare a leggi diverse per gli stati a bassa temperatura.
Le proprietà del modello standard e della materia oscura non sono dunque stabilite dalla matematica delle GUT ma riflettono gli esiti dei primissimi istanti della storia del nostro universo.
Tutto ciò - secondo Thomas Hertog - assomiglia molto alla descrizione della storia dell’evoluzione biologica:
“… la straordinaria complessità della vita è costruita su un numero enorme di accidenti congelati accumulatisi nel corso della storia ...
… schemi assimilabili a leggi che troviamo in ambito biologico codificano gli esiti di innumerevoli eventi casuali che, in un periodo di miliardi di anni e in un ambiente a sua volta in evoluzione, hanno permesso l'emergere di strati su strati di complessità.
Alcune leggi del mondo vivente possono anche essere fatte risalire a eventi fortuiti di rottura di una simmetria non dissimili dalle transizioni cosmiche ...”
L'esempio che Hertog ripropone in conferenza e nel suo libro "L'origine del tempo" è quello relativo all'orientamento destrorso della struttura elicoidale del DNA proprio di ogni specie conosciuta:
"... le leggi dell'elettromagnetismo, su cui si basa la chimica molecolare, sono indifferenti all'orientamento, perciò tale 'preferenza' nella direzione di avvolgimento potrebbe esser conseguenza di un accidente fortuito accaduto intorno a 3,7 miliardi di anni fa, quando le prime forme di vita stavano sviluppandosi.
Una volta avvenuto questo evento di rottura della simmetria, tale particolare configurazione molecolare è diventata parte della sua architettura fondamentale: una legge della vita sulla Terra ..."
Quindi procedendo con il parallelo 'evoluzione in biologia' - 'evoluzione in cosmologia' Hertog afferma:
"... in modo simile le GUT ci dicono che molte delle proprietà delle leggi effettive della fisica hanno le loro radici in eventi accidentali verificatisi nelle primissime fasi dell'evoluzione del nostro universo, che si sono in seguito congelati entrando a far parte della sua struttura fisica ..."
La componente casuale è fornita dal carattere quantomeccanico delle leggi della fisica (la meccanica quantistica NON è infatti deterministica):
"... i salti quantistici casuali dei campi subito dopo il Big Bang hanno influenzato l'ordine in cui si sono verificate le rotture di simmetria (la loro sequenza). (60)
Poichè tuttavia i campi nell'universo primordiale sono intrecciati l'uno all'altro (hanno infatti tutti origine comune), i cambiamenti in un campo influiscono sui rimanenti, e così il numero di percorsi che l'evoluzione può prendere ha comunque un limite ..."
Conseguenza di queste premesse è il fatto che nelle primissime fasi dell'evoluzione dell'universo, al livello più fondamentale delle leggi della fisica, ci sarebbe un'interazione tra variazione casuale e selezione: una sorta di processo darwiniano.
Come nel caso della vita sulla Terra, l'esito di questa evoluzione avrebbe potuto portare a leggi molto differenti:
"... 6 specie di neutrini invece di 3, 4 tipi di fotoni, un'interazione forte tra materia visibile e materia oscura, ad esempio ..." continua Hertog, "... le forze relative alle particelle mediatrici di forza, le masse, le specie di particelle finanche l'esistenza stessa di materia e forza potrebbero esser resti fossili di un'epoca di evoluzione antica e in gran parte nascosta seguita immediatamente alla cosmogenesi ..."
Degno di nota il fatto che l'intervallo di tempo in cui si è svolta questa "evoluzione" sia inferiore a 1/10^9 secondi; questa è infatti la distanza temporale dal Big Bang alla quale la temperatura risulta esser scesa ad un solo miliardo di gradi, ed il momento in cui le leggi effettive della fisica si sono cristallizzate.
A differenza dell'evoluzione biologica, che si è svolta in miliardi di anni, la finestra temporale di evoluzione delle leggi della fisica è strettissima.
Tuttavia, pur se il tempo a disposizione è stato brevissimo, il range di temperature assunte dall'universo all'interno di tale intervallo è immenso, cosa che ha portato a numerose transizioni. (61)
La domanda che si pone Hertog a questo punto è "... la struttura dell'albero delle leggi fisiche del nostro universo (vedi disegno allegato) è dettata primariamente da profonde simmetrie matematiche che stanno alle sue radici oppure è stata plasmata da accidenti storici? ..."
Domina cioè la Necessità o la Casualità?
Nella prossima parte ci occuperemo della Teoria della Stringhe che risponde a questa domanda dichiarando vincitrice la casualità.
Se variazione e caso vincono sulla necessità, di conseguenza la teoria delle stringhe si rivela non una legge ma una metalegge incapace di fornire predizioni su dove dovremmo trovarci nel multiverso e cosa dovremmo osservare.
E cioè al punto di svolta che portò Hawking ad abbandonare la teoria del multiverso per iniziare ad abbozzare la cosmologia Top Down.
Note:
(53) Il "Modello Standard della fisica delle particelle", sviluppato nella seconda metà del XX^ secolo, è in grado di descrivere le interazioni fondamentali (elettromagnetica, debole e forte), e di classificare tutte le particelle elementari ad oggi note.
La sua affidabilità è conseguenza della conferma sperimentale di numerose predizioni - tra le quali l'esistenza dei quark (quark top 1995), del neutrino tau (2000) e del bosone di Higgs (2012) - e dell'accuratezza con cui ha descritto varie proprietà delle correnti deboli neutre e dei bosoni W e Z.
Tuttavia non costituisce una "Teoria del tutto" in quanto:
- non incorporta l'interazione gravitazionale: manca una quantizzazione della gravità;
- non spiega in maniera compiuta l'asimmetria barionica: non risponde cioè alla domanda "dov'è finita l'antimateria?" che il modello prevede formatasi dopo il Big Bang in quantità identica alla materia ordinaria;
- non tiene conto dell'espansione accelerata dell'universo: cioè non da conto di ciò che viene indicato col termine energia oscura;
- non prevede alcuna particella di materia oscura;
- non spiega le oscillazioni dei neutrini e di conseguenza la loro massa.
- la disposizione delle molecole d'acqua è eguale in tutte le direzioni, non c'è un orientamento preferenziale (simmetria rotazionale); tuttavia quando la temperatura scende al di sotto del punto di congelamento, ci ritroviamo con cristalli di ghiaccio dotati di strutture geometriche che rompono tale simmetria.
- Cosa simile accade con i magneti: se la temperatura supera i 770°C i campi magnetici fluttuanti degli atomi di ferro non sono allineati (campo magnetico all'esterno mediamente pari a zero, indice della presenza di simmetria rotazionale), ma raffreddandosi la simmetria viene rotta e compare un "polo nord" la cui direzione è casuale (non prevedibile).
(58) Così chiamate in quanto riuniscono forza elettrodebole e forza nucleare forte in uno schema unificante.
Ritornando ad un momento del passato, in cui la temperatura sarebbe stata pari a miliardi di volte quella del Sole, le GUT prevedono l'esistenza di un'unica forza - che riunisce le due -, ed una perfetta simmetria tra materia ed antimateria.
Tale simmetria risulterebbe tuttava incrinata dal fatto che, dal mescolamento delle forze costituenti, pur molto raramente un positrone si potrebbe trasformare in un protone, creando così un leggero eccesso di materia sull'antimateria in una transizione che, raffreddatosi l'universo, avrebbe rotto la simmetria primordiale della GUT.
La teoria prevede che tutta l'antimateria si sia annichilita con la materia nel plasma primordiale, inondando l'universo di fotoni ad alta energia.
La minuscola parte di materia sfuggita all'annichilazione, pari a circa un miliardesimo di quella originariamente prodotta dal Big Bang, sarebbe andata a costituire le 10^50 tonnellate di materia di cui stimiamo sia fatto l'universo, mentre i fotoni creati dall'annichilazione avrebbero prodotto la radiazione cosmica del fondo a microonde (CMBR).
(59) Sparirebbe la distinzione stessa tra particelle di materia e particelle mediatrici di forza; una serie di transizioni simili a quella del campo di Higgs avrebbero rotto la supersimmetria iniziale e potrebbero aver generato particelle di materia oscura governate da un nuovo tipo di forza che si aggiungerebbe quindi alle 4 forze che già conosciamo.
(60) Vedi il disegno allegato relativo all' "albero delle leggi fisiche", la sequenza temporale della rottura di simmetrie che ha dato luogo alle leggi effettive che regolano oggi il nostro universo.
(61) Meno tempo a disposizione per le variazioni casuali ma una variabilità dell'ambiente enorme che agisce sulla selezione.
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