Parte 9^: La cosmologia quantistica.
Nella parte precedente ci siamo chiesti come affrontare il problema di descrivere la storia dell'universo risolvendo il dualismo dinamiche e condizioni al contorno.
Abbandonando l'idea di un multiverso - con la sua arena costituita da uno spazio vuoto, infinito ed in continua espansione - per abbracciare quella di un universo quantistico, tale dualismo sparisce: insieme però alla capacità predittiva del metodo scientifico.
Hawking ci invita a prendere in esame una struttura predittiva più generale, che intrecci i seguenti 3 elementi in ciò che definisce "un trittico interconnesso":
- un modello di cosmogenesi (quale l'ipotesi senza confini)
- una nozione di evoluzione (quale l'idea di Feynman delle molte storie nel paesaggio delle stringhe)
- l'osservazione (vedi in nota il significato di osservazione quantistica). (80)
In questo modo evoluzione (dinamica), origine (condizioni al contorno) e osservazione (domande) risultano raccolte in un singolo schema, e la loro interconnessione ci suggerisce come, all'interno di questo modello, le leggi di natura vengano ad emergere dalla fusione di questi tre elementi.
Vediamo come.
In primo luogo ci troviamo di fronte a tutte le possibili storie di espansione dell'universo; ognuna con origine in un inizio senza confini.
Poi ogni storia si ramifica, con ogni snodo che comporta un elemento di casualità, così da produrre diversi rami di leggi effettive della fisica, e - forse - livelli più alti di complessità.
"... E' la descrizione del cosmo in uno stato di preesistenza: indeterminazione e potenzialità" - scrive Hertog - "... fin qui non ci sono predizioni, equazioni unificatrici, nozione di tempo: nulla di definito, solo uno spettro di possibilità ...".
In secondo luogo, il processo interattivo che definiamo osservazione trasforma le possibilità in qualcosa che accade, producendo la realtà fisica che ci circonda.
"... In un universo quantistico la realtà fisica tangibile emerge da un ampio orizzonte di possibilità per mezzo di un continuo processo di domande ed osservazioni ...".
Nell’ambito di una prospettiva soggettiva, abbiamo visto come Everett ci informasse del fatto che l'atto di osservazione corrisponda alla potatura dell'albero dei possibili percorsi che si aprono davanti a noi: dalla verifica del risultato conseguente il lancio di una moneta o da una particolare misurazione ottengo un valore specifico, e così nella mia personale esperienza tutti gli altri valori, possibili sino a quel momento, vengono esclusi per sempre.
"... nell'esperienza di un dato osservatore sopravvive un solo ramo ...". (81)
Hawking si spinge ancora più in là, rispetto a Everett, sostenendo che tale potatura non riguardi solo il futuro ma si estenda anche in direzione del passato:
"... la storia dell'universo dipende dalla domanda che gli poni ...".
Con questa affermazione intendeva dire che le osservazioni che compiamo oggi oltre a "sfoltire i possibili futuri" selezionano, tra i molti possibili, soltanto quei percorsi dall’origine ad oggi (le storie dell'universo dal Big Bang ad oggi) che siano compatibili con ciò che misuriamo.
“… l'intera collezione di fatti caratterizzanti l'universo che ci circonda (noi stessi, la biosfera, le leggi effettive della fisica che osserviamo) costituisce una domanda che poniamo a quest’ultimo, e tale domanda fa retroattivamente venire all'esistenza quel numero limitato di rami della storia del cosmo che hanno le proprietà attualmente osservate …”
Per Hawking l’osservazione è quindi una parte indispensabile del continuo processo attraverso il quale la realtà fisica viene ad emergere: universo quantistico ed osservatori emergono in sincronia.
Ma cosa significa affermare che l'osservazione di oggi può selezionare un passato tra i molti possibili?
John Wheeler, l' "esperimento della scelta ritardata" e l'universo "partecipativo".
Abbiamo già illustrato in precedenza il significato dell'esperimento della doppia fenditura; il tipico schema di interferenza che si forma sullo schermo scompare qualora sia stato posto un rilevatore nei pressi di una delle due fenditure.
Il rilevatore infatti, compiendo un atto di osservazione, provoca il disaccoppiamento dei frammenti d'onda. (82)
Negli anni '70 John Arcibald Wheeler immagina una variante di tale esperimento (che sarà poi realizzato solo nel 1984) dove, al posto dello schermo su cui si dovrebbe formare l'interferenza viene posizionata una veneziana, in grado di aprirsi e chiudersi, che nasconde il rilevatore.
Lasciandola chiusa (rilevatore non in funzione) si forma lo schema di interferenza, ma non appena viene aperta (rilevatore in funzione) quest'ultimo scompare.
E' esattamente lo stesso risultato riscontrato con l'esperimento originale: dov'è allora la differenza?
L'esperimento originale prevedeva il controllo del passaggio dell’elettrone (o del fotone) PRIMA delle fessure, cioè prima che esso possa “scegliere” dove passare; una tale situazione, ragionava Wheeler, consentirebbe comunque a qualcuno di obiettare che la scelta di dove passare sia stata influenzata da tale osservazione. (83)
Nella sua variante invece la scelta di lasciar chiusa o aprire la veneziana viene effettuata soltanto DOPO che la particella è passata attraverso le fenditure:
"... come fanno dunque i fotoni a sapere ciò che lo sperimentatore deciderà di fare, dopo che questi hanno già attraversato le fenditure? ..." - si chiedeva Wheeler.
La sequenza temporale causa-effetto ne esce completamente distrutta.
Si tratta di una ulteriore "stranezza quantistica" che interessa esclusivamente il micromondo delle particelle?
Per ovviare a questa obiezione, poco tempo dopo Wheeler escogitò una replica dell'esperimento che tuttavia implichi l'utilizzo di oggetti di dimensioni macroscopiche ed agisca su intervalli di tempo enormi: l'esperimento a scelta ritardata cosmica.
La luce di una remotissima quasar risulta schermata dalla presenza, tra noi ed il quasar, di un corpo dotato di grande massa, quale un buco nero oppure una galassia.
La gravità di quest'ultimo curva la traiettoria dei fotoni - che hanno lasciato il quasar dirigendosi verso punti lontani da noi - permettendo loro così di "girare intorno all'ostacolo" e raggiungerci.
Risultato è che noi vediamo l'immagine del quasar moltiplicata (effetto lente gravitazionale); i suoi fotoni ci raggiungono infatti seguendo più di un singolo percorso.
Per semplicità, immaginiamo ci arrivino soltanto due fasci di fotoni, come nel caso del Twin Quasar QSO 0957+561 scoperto nel 1979. (84)
Se fossimo in grado di raccogliere un numero sufficiente di fotoni per ciascun fascio - non disturbati nel loro percorso attraverso lo spazio che ci separa -, proiettando su uno schermo la luce dei due fasci osserveremmo la figura di interferenza.
Se in prossimità di uno dei due fasci in arrivo OGGI posizionassimo un rilevatore, essa dovrebbe sparire.
Avremmo così influenzato con un atto compiuto oggi un evento successo miliardi di anni fa. (85)
La spiegazione che offre Wheeler ad un tale risultato è che il passato non osservato esista solo come spettro di possibilità (funzione d'onda).
"... noi siamo inevitabilmente coinvolti nel causare ciò che sembra semplicemente accadere: non siamo solo spettatori ma partecipanti ... in un certo strano senso il nostro è un universo partecipativo ..." - scrisse Wheeler.
E accompagnò queste parole con uno schizzo, che nelle sue intenzioni rappresentava l'evoluzione dell'universo dal Big Bang ad oggi: una specie di lettera U con la gamba rivolta a sinistra che cresce di spessore e termina con un occhio gigante (l'osservatore oggi).
Il suo sguardo è fisso verso l'estremità sottilissima dove inizia l'altra gamba (il Big Bang).
Il significato che voleva dare al suo disegno è che l'universo, partito da una dimensione piccolissima, si è ingrandito col tempo sino a generare osservatori i cui atti di osservazione, miliardi di anni dopo, conferiscono una realtà tangibile al passato; anche a quel passato remoto quando gli osservatori non esistevano ancora.
Nel 2002, quarant'anni dopo, Hawking utilizzò tale concetto per determinare retroattivamente non solo i percorsi delle particelle quantistiche, ma anche quello seguito dall'universo nel suo complesso.
"... Le osservazioni (le domande che facciamo oggi alla natura) trasformano retroattivamente ciò che potrebbe esser accaduto in ciò che è accaduto, contribuiscono cioè a delineare il passato ..."
Qui bisogna fare estrema attenzione al significato delle parole usate da Hawking: non è infatti che l'osservazione condotta oggi sia in grado di modificare il passato, non possiamo mandare segnali indietro nel tempo.
La cosmologia Top Down non nega che il passato sia accaduto: piuttosto l'osservazione fa emergere più solidamente il passato nell'esistenza, affina il significato di "accadere", di ciò che si può o non si può dire riguardo al passato stesso.
Ci sono cioè molte diverse storie che possono portare al presente, a ciò che ora osserviamo ora: l'osservazione non ne crea di nuove, ma in un certo senso "restringe" il gruppo selezionando quelle che meglio si accordano con le nuove osservazioni.
Hertog, ad imitazione di Wheeler, schizza un albero con un tronco dove è posizionato un grosso occhio (che rappresenta l'osservatore oggi); dal tronco si ramifica il futuro sotto forma di chioma dell'albero (orizzonte di possibilità), ma dalla sua base parte una ramificazione delle radici che rappresentano i possibili passati.
L'occhio interagisce con entrambe le ramificazioni.
"... nell'universo quantistico le osservazioni di oggi sviluppano radici di possibili passati e rami che delineano possibili futuri ritagliandoli dal vasto regno di ciò che può essere ..." - è il commento di Hertog al proprio disegno.
Wheeler era solito illustrare la propria visione con una variante del gioco delle 20 domande.
Il gioco classico prevede che da un gruppo di persone venga isolato un soggetto; il gruppo, ad insaputa di quest'ultimo, si accorda su una parola che l'escluso, una volta riammesso, dovrà indovinare facendo 20 domande ai soggetti del gruppo.
Nella variante di Wheeler, il gruppo decide di non accordarsi su una singola parola, ma di agire come se l'avesse fatto: gli interrogati potranno rispondere cosa vogliono, rispettando tuttavia la condizione che quanto dicano sia coerente con tutte le risposte date in precedenza.
La successione delle domande poste selezionerà in breve tempo una singola parola definita, pur senza che nessuno in precedenza l'avesse scelta!
Quest'ultima dipende infatti dalla sequenza delle domande poste (e da un poco di casualità).
Se infatti le stesse domande fossero state poste in una sequenza diversa, il risultato sarebbe stato diverso.
E lo sarebbe stato anche se, replicando il gioco, la sequenza delle domande venisse replicata tale e quale: entrerebbe infatti in gioco il "poco di casualità".
"... nessuna parola è una parola sino a che essa viene promossa a realtà dalla scelta delle domande poste a delle risposte date ..." - scrive Wheeler.
"... nello stesso modo l'universo quantistico non è dotato di una storia come sequenza lineare di avvenimenti, ma è una sintesi che include anche noi, dove ciò che accade ora plasma retroattivamente cosa c'era prima ..."
E' questo un elemento "top down" che assegna agli osservatori "... un sottile ruolo creativo nelle vicende cosmiche, donando alla cosmologia un delicato tocco soggettivo ...";
"... senza domande non c'é storia!" scrive Hertog interpretando il pensiero di Hawking.
Dal 2006 al 2012 assistiamo alla seconda fase di sviluppo della cosmologia top down: obiettivo di Hawking è sempre quello di cercare di giustificare la particolare natura biofilica del nostro universo, senza chiamare in causa il multiverso con le sue metaleggi e la perdita di capacità predittiva da parte della scienza.
Il suo modo di procedere prevede l'identificazione, tramite l'osservazione, del maggior numero possibile di schemi assimilabili a leggi.
Questi ultimi vengono poi usati per costruire storie dell'universo che finiscano con un cosmo come quello che osserviamo: storie che in un secondo tempo saranno messe insieme per costruire il nostro passato sino a raggiungere il cuore della fase quantistica primordiale del cosmo, portandoci nell'era del Big Bang caldo dove si trova il carattere evolutivo delle leggi fisiche:
"... poniamo la superficie di osservazione vicino alla fine dell'inflazione e guardiamo indietro da lì, dentro il Big Bang stesso ..."
Qui assistiamo ad una metaevoluzione, cioè ad una evoluzione delle leggi della fisica; un processo di ramificazione di tipo darwiniano, con variazione e selezione, che può esser compreso solo in retrospettiva.
Mentre altri approcci tentano ad esempio di spiegare il motivo per il quale oggi esistano solo 3 dimensioni spaziali estese, assegnando un grado di probabilità a ciascuna delle differenti possibili combinazioni di dimensioni previste dalla teoria delle stringhe, quello Top Down si limita a predire retrospettivamente che l'osservazione compiuta dall'ambiente primitivo (del fatto che 3 dimensioni si erano liberate ed avevano iniziato ad espandersi) selezioni, tra tutte le storie possibili, solo quelle che finiscono con 3 dimensioni estese.
"... In biologia" - osserva Hertog - "non ci si interroga sul grado di probabilità del nostro albero della vita rispetto a tutti gli alberi possibili completamente diversi: l'evoluzione ha preso una via, quelle alternative (spettro di possibilità) non contano più ...". (86)
Il Modello Standard, con la sua ventina di parametri "da inserire a mano", non è certamente l'unico risultato possibile della sequenza di transizioni segnate da rotture di simmetria avvenute nelle primissime fasi dopo il Big Bang; in base alla Teoria delle Stringhe risulta infatti molto improbabile che l'evoluzione dell'universo abbia prodotto proprio queste condizioni.
L'approccio Top Down immagina invece che le osservazioni compiute dall'ambiente nell'universo primordiale, i cui risultati sono codificati in quegli accidenti congelati che costituiscono le leggi effettive, selezionino - tra tutte le storie cosmologiche possibili - soltanto quelle coerenti con il Modello Standard.
Infine, cosa importantissima per Hawking, questa visione riabilita la sua ipotesi dell'assenza di confini.
Sebbene, come abbiamo visto in precedenza, in una prospettiva bottom-up tale modello predica una minima quantità di inflazione, dunque una prevalenza di universi vuoti, la prospettiva Top Down predice invece retrospettivamente che il nostro universo ha avuto origine con un forte scatto di inflazione, una situazione in linea con le nostre osservazioni di oggi:
"... il passato dipende dal presente ..."
Ci si può chiedere a questo punto quale debba essere il ruolo rivestito da una teoria dell'origine in una tale prospettiva.
"... l'assenza di confini sta alla cosmologia come L.U.C.A. sta all'evoluzione biologica ..." - ribadisce Hertog.
La composizione biochimica di L.U.C.A. (Last Unique Common Ancestor), l'antenato comune a tutti gli esseri viventi qui sulla Terra, non determina certo quale tra i numerosissimi alberi della vita crescerà a partire da questo portandoci alle forme di vita che vediamo intorno a noi; d'altra parte senza L.U.C.A. oggi non ci sarebbe alcun albero della vita.
Nello stesso modo l'origine senza confini è sì cruciale per l'esistenza dell'universo, ma non predice il particolare albero delle leggi fisiche che da esso emergerà.
L'utilità dell'approccio Top Down sta piuttosto nella capacità di svelare l'interconnessione del cosmo, la presenza di nuove correlazioni tra quelle che potrebbero sembrare proprietà indipendenti dell'universo.
Ad esempio le variazioni di temperatura nel fondo a microonde: i tratti statistici delle variazioni di temperatura nella CMB risultano allineati con quelli delle fluttuazioni generate negli universi con un forte scatto di inflazione. Quindi, dal punto di vista Top Down, questi ultimi sono i più probabili.
L'approccio Top Down predice una forte correlazione tra le variazioni di temperatura osservate nella CMB e altre parti dei nostri dati che selezionano uno scatto inflazionario significativo.
Ha dunque potenzialità per scoprire la coerenza nascosta codificata nell'universo (al contrario dell'ipotesi del multiverso, che registra invece una perdita di predittività).
Resta a questo punto da chiarire un punto: la Cosmologia Top Down è al momento solo un'ipotesi.
Si trova oggi in una posizione non differente rispetto a quella in cui si trovava la teoria di Darwin nel XIX secolo: una buona teoria che tuttavia non dispone di sufficienti dati per validarla o confutarla.
I dati oggi a disposizione sono ancora troppo scarsi per permetterci di ricostruire come sia emerso l'albero delle leggi dal Big Bang caldo: non sappiamo cosa sia la materia oscura e l'energia oscura, le componenti prevalenti del nostro universo, né come siano emerse dall'evoluzione dell'universo primordiale.
Ad oggi, una parte rilevante di coloro che si occupano di cosmologia è infatti ancora alla ricerca di un set di "principi perenni" che chiariscano il motivo per cui l'universo non poteva che svilupparsi così.
Vedremo nei prossimi post quali contemporanei sviluppi della fisica sembrano indicare la strada verso un tentativo di verifica della Top Down.
Note:
(80) Si tratta naturalmente dell'atto di osservazione quantistico di cui abbiamo trattato nella parte precedente, che può esser eseguito anche dall'ambiente, non necessariamente da un essere cosciente.
L'osservazione è il processo nel quale, in corrispondenza dei punti di ramificazione della storia, un particolare risultato tra i molti possibili si converte in un fatto.
Potrebbe esser compiuta da un rilevatore, dalla rottura delle simmetrie nell'universo primordiale o da un singolo fotone della CMB (il fondo a microonde).
(81) Se infatti lancio una moneta, da quel momento in poi la funzione d’onda si ramifica e ci sarà un "me stesso" che vede uscire croce, ed un altro "me stesso" che vede uscire testa: ognuno dei due "me stesso" ricorderà tuttavia solo un risultato.
(82) In un certo senso il rilevatore con il suo atto di osservazione "costringe" la luce a mostrare la propria natura corpuscolare.
(83) Si mantiene infatti così una sequenza temporale logica: dapprima si controlla dov’è la particella e così facendo si influisce sulla sua futura condotta, e a lei non resta che adeguarsi. Anche se con più di una forzatura, l’effetto si manifesterebbe comunque dopo la causa.
(84) Il Doppio Quasar (conosciuto anche come Twin Quasar, Double Quasar o QSO 0957+561 A/B) è stato il primo oggetto con lente gravitazionale ad essere stato osservato; risulta visibile in due immagini distinte grazie all'effetto lente prodotto dalla galassia YGKOW G1 che è posizionata tra la Terra e quest'ultimo.
(85) Ad oggi non è ancora stato possibile eseguire un tale esperimento per due motivi:
- il numero limitato di fotoni che ci raggiunge: l'attuale tecnologia non ci consente (ancora) di realizzare l'esperimento;
- nel corso del lunghissimo percorso da essi completato, i fotoni si sono mossi in uno spazio che sembra vuoto ma che sappiamo non esserlo (rischio interferenze).
(86) Non possiamo infatti ricavare la storia di homo sapiens partendo dal primo essere vivente la cui evoluzione ha prodotto tutte le forme di vita che riscontriamo oggi sul pianeta; da quest'ultimo avrebbero infatti potuto dipanarsi innumerevoli alberi della vita profondamente diversi.
Esiti casuali (quali le mutazioni indotte da eventi esterni) producono ramificazioni dell'albero e possono dar luogo ad accidenti congelati.
Qui dobbiamo tuttavia fare un distinguo: il paragone della cosmologia top down con la biologia regge solo fino ad un certo punto.
Nella biologia infatti non esistono molteplici alberi della vita in stato di sovrapposizione.
Nell'evoluzione biologica lo stato quantistico alla base della realtà può esser ignorato in quanto, per effetto dell'ambiente, i percorsi evolutivi si disaccoppiano subito: occorre una frazione di secondo perché una mutazione innescata da un evento quantistico si decoerentizzi.
Quindi mentre il nostro albero della vita si è evoluto indipendentemente dagli alberi alternativi, le storie dell'universo in un certo senso evolvono insieme sino a che un osservatore non le seleziona con la misurazione.
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