Stephen Hawking e Thomas Hertog, la "Top Down Cosmology" ed una focaccia divisa a tarda notte: Parte 1^ Introduzione

Parte 1^ introduzione.

Negli ultimi mesi ho più volte anticipato la pubblicazione di un post su questo argomento.

La ragione per cui è stata rimandata sino ad oggi sta nel fatto che, per comprendere a fondo le conseguenze della sottile intuizione di Hawking che ha prodotto la Top Down Cosmology (TDC), sarebbe auspicabile disporre di qualche informazione - perlomeno generica - sullo sviluppo delle nuove idee della fisica che hanno portato alla teoria olografica.

Perseguendo questo fine, nel periodo tra il 30 novembre ed il 29 dicembre scorso, ho scritto e pubblicato sul mio profilo (e su alcuni gruppi FB) il post “Leonard Susskind e la sua guerra per la salvezza della Meccanica Quantistica” - diviso in cinque parti - che ne ricostruisce la storia (1).

Tuttavia, qualora l’intento di chi mi stia leggendo si limiti al farsi un’idea di cosa si intenda per TDC, la lettura del post cui ho appena fatto riferimento non risulta indispensabile: il pensiero di Hawking che ne sta alla base può benissimo esser compreso pur ignorando la fisica olografica (2).

La scelta del termine “top-down” nel definire la propria cosmologia è un riferimento voluto ad una figura classica nell'ambito della della biologia: all’albero della vita, che Charles Darwin disegnò per la prima volta su uno dei suoi taccuini, ed al suo modo di procedere nell'indagare il corso dell'evoluzione.

Partendo dalle forme di vita contemporanee, localizzate idealmente sulle fronde dell'albero, Darwin provò a ricostruirne a ritroso il percorso evolutivo tentando di scendere giù sino alla radice, là dove individuava i primi organismi mai vissuti sulla Terra, alla ricerca di "LUCA", l’antenato comune (3).

Il metodo seguito da Darwin è rigoroso: attraverso l'identificazione di fossili e tracce cristallizzate dal tempo selezionare ad ogni snodo dell'albero il percorso effettivamente seguito dall'evoluzione tra i molti possibili.

Grandissimo merito di questo scienziato è l'aver superato l'idea di un "disegno intelligente", un progetto già esistente agli albori della vita sul nostro pianeta (codificato nei geni delle creature primordiali) che avrebbe portato, dopo miliardi di anni, alla comparsa dell'Homo Sapiens e della sua coscienza: variazioni casuali e selezione naturale operata dall'ambiente sono da soli sufficienti a dar conto dell'evoluzione, senza bisogno di invocare leggi strettamente deterministiche.

Da ciò consegue che, anche qualora fossimo in grado di riprodurre esattamente le condizioni presenti ad un certo punto della storia passata del nostro pianeta, è probabile che, trascorso un intervallo di tempo tale che corrisponda all'oggi, il risultato ottenuto sia molto diverso rispetto al mondo che ci circonda: "la casualità vince sul determinismo".

L'intuizione di Hawking ha a che fare proprio con questo.

"Fino al 2004 tutti i cosmologi hanno cercato di capire l'evoluzione dell'Universo partendo dal Big Bang e seguendo la direzione del tempo, in un modo deterministico; si cercava una legge, un modo di predire come l'Universo debba essersi evoluto partendo da essa" - così, seduti davanti ad una focaccia a tarda notte, mi spiegava lo scorso novembre a Genova Thomas Hertog, che con Stephen Hawking è stato il fondatore della Top Down Cosmology.

Erano cioè alla ricerca di una legge fisica che si riteneva dovesse esser immutabile nel tempo, un "a priori" all'interno di una visione platonica dove leggi matematiche "al di fuori del tempo" governano l'intero Universo.

Una tale visione deterministica, come vedremo nel proseguo di questo post, si scontra con difficoltà insormontabili nel momento in cui ci si appresta ad indagare ere remotissime, vicine al Big Bang.

"E' questo un modo di procedere completamente diverso da come viene studiata e compresa l'evoluzione biologica" - continua Hertog.

"Le leggi alla base della teoria dell'evoluzione di Darwin non predicono la forma che prenderà l'albero della vita partendo dai primi esseri viventi apparsi sul nostro pianeta.

Semmai la biologia compie il cammino contrario: si inizia dalle forme attuali e, via via cercando evidenze, si ripercorrono gli snodi indietro verso le radici.

Il fine rimane quello di spiegare come noi tutti siamo stati originati, ma partendo dai rami e cercando di ricostruire la storia passata, dall'alto verso il basso e non viceversa ...".

E' la visione Top-Down della biologia che ha permesso a Darwin di scrivere "L'origine della specie" e di formulare le leggi dell'evoluzione.

"Ciò che Hawking ed io affermiamo è che dobbiamo cercare di comprendere l'evoluzione dell'Universo seguendo le stesse modalità con le quali si fanno indagini in biologia: ed il motivo di questa scelta sta nel fatto che nei primi istanti di vita dell'Universo c'era molta casualità, moltissimi cambiamenti casuali, che hanno dato luogo ad uno sviluppo di 'rami casuali' nel suo albero evolutivo.

Accidenti che solo in seguito si sono congelati nelle leggi della fisica che oggi riscontriamo ed erroneamente crediamo siano sempre esistite.

Se insistiamo a far partire il nostro studio da questi primi istanti non siamo in grado di predire come le leggi della fisica si evolveranno in seguito, così come in biologia se partiamo da LUCA non è possibile predire che si arriverà all'Homo Sapiens".

Quindi per Hertog è possibile solo retrocedere, ricostruire "l'albero dell'evoluzione dell'Universo" partendo dai rami (Top) e scendendo verso il Big Bang (Down): bisogna abbandonare la rigida e deterministica visione di Einstein - che presuppone l'esistenza di una legge universale ed eterna - per abbracciare il metodo con cui si studia l'evoluzione darwiniana.

Considerare cioè le leggi della fisica che oggi ci governano quale prodotto esse stesse dell'evoluzione avvenuta nei primissimi istanti di vita dell'Universo.

"Le leggi che governano l'attuale Universo sono il risultato di una evoluzione di metaleggi che l'ambiente primordiale ha ad un certo punto cristallizzato" -, insisteva a ripetermi Hertog quella sera.

"Per verificare questa teoria dobbiamo trovare 'i fossili' di questa evoluzione. Oggi ci troviamo nell'identica posizione in cui si trovava Darwin nel XIX secolo: disponiamo di una elegante e funzionale teoria, ma nell'universo ci sono davvero poche evidenze riscontrabili per testarla".

La TDC è una "teoria scientifica" (e non una mera congettura o ipotesi) in quanto, come vedremo nel dettaglio, è l'unica a dar conto delle caratteristiche biofiliche del nostro Universo, cosa che ad esempio la concorrente Teoria del Multiverso non è in grado di fare.

Una teoria scientifica deve produrre previsioni verificabili, e la TDC lo fa, ma al momento mancano verifiche sperimentali perché la nostra tecnologia per ora non è in grado di ottenerle.

"Cos'è che può costituire un fossile per la teoria TOP-DOWN? Dove possiamo iniziare a cercare?" - continuava Hertog.

"Può essere poi che le leggi della fisica si siano cristallizzate, ma non completamente, così da lasciare minuscoli segni.

Un posto dove iniziare a cercare è nella forma delle onde gravitazionali, che dal Big Bang attraversano l'Universo senza trovare ostacoli: i futuri progetti LISA ed Einstein Telescope, finalizzati alla rilevazione di gravitational waves dotate di estrema lunghezza d'onda, potrebbero rinvenirvi indizi importanti".

A differenza delle onde elettromagnetiche, per le quali esiste un orizzonte temporale prima del quale non è possibile indagare, le onde gravitazionali potrebbero fornirci informazioni sull'Universo primordiale precedenti il periodo cui si riferisce la mappa CMBR (Cosmic Microwave Background Radiation, ricostruita a partire dai dati raccolti dal satellite Planck), che risale a circa 400.000 anni dopo il Big Bang (4).

"Un'altra direzione in cui guardare è alle nuove teorie che vengono via via sviluppate: potrebbero infatti indicarci dove e cosa cercare.

Oggi in biologia disponiamo di teorie di genetica molecolare (un campo della genetica che studia la struttura e la funzione dei geni a livello molecolare), cioè di teorie microscopiche dell'evoluzione di Darwin che permettono di testare quest'ultima in profondità. (5)

Il futuro passo corrispondente per la cosmologia potrebbe rivelarsi lo sviluppo della fisica olografica insieme alle teorie microscopiche ed alla quantum gravity, che già oggi costruiscono lo scheletro della prospettiva Top-Down: sono personalmente convinto che se in qualche modo comprenderemo completamente la natura olografica della gravità e della realtà, il resto diventerà evidente ..."

Come ho già accennato, negli ultimi tempi Hawking si era innamorato della teoria olografica in quanto in grado di spiegare la gravità quantistica là dove la teoria di Einstein fallisce: all'interno dei buchi neri.

Hertog, come vedremo, ritiene che la cosmologia olografica sarà la chiave di volta per descrivere in modo accurato il nostro Universo, permettendo di spiegare cosa sia il tempo e cosa la gravità.

Termino qui l'introduzione alla TDC.

Nelle prossime parti di questo post:

• partirò col definire cosa si intenda con il termine "cosmologia" (un termine non certo nuovo in ambito filosofico ma che in ambito scientifico ha storia recente);
• spiegherò PERCHE' ad un certo punto Hawking decise di abbandonare la sua prima ipotesi sul Big Bang, l'assenza di confini ("no boundary proposal"), passando da una posizione di sostenitore della teoria del multiverso a suo feroce critico;
• tratterò infine dello sviluppo della TDC, unica teoria al momento in grado di offrire una possibile soluzione al "problema della misura dell'inflazione", e delle conferme che Thomas Hertog, il fisico che ha raccolto l'eredità di Hawking, si aspetta di trovare nei dati che verranno accumulati grazie alle osservazioni di strumenti oggi in fase di progettazione (quali l’Einstein Telescope e l'interferometro satellitare LISA), e dagli sviluppi della fisica olografica.

Fonti di questo post sono:

• "The origin of time" il libro di Thomas Hertog (aprile 2023) che è il "manifesto" della Cosmologia Top Down, della cui scrittura l'autore fu incaricato dallo stesso Hawking in occasione di un incontro poche settimane prima della sua morte (6);
• la conferenza omonima, tenuta dallo stesso Hertog, al Festival della Scienza di Genova lo scorso novembre, nel corso della quale gli ho posto domande su ciò che non mi era chiaro;
• una piacevole chiacchierata (su disparati argomenti), intrattenuta con l’autore passeggiando per le vie di Genova, e un'intervista che ho registrato a tarda notte mentre dividevamo una focaccia al formaggio;
• l’intervista su YouTube che gli ha fatto Robinson Erhardt ("Thomas Hertog: Stephen Hawking, Cosmology, and the Origin of Time, Robinson's Podcast #135")
  
  

Siamo ora pronti ad iniziare questo viaggio emozionante!

(Continua)

Note:

(1) Avevo già fatto menzione della Top Down Cosmology nella terza parte del post menzionato, il cui sottotitolo è “Maldacena e la corrispondenza ADS- CFT”.

Trattando della resa di Hawking nel 2004, culminata con la sua pubblica ammissione di aver perso la scommessa con Preskill, accennavo a quanto mi aveva ribadito Hertog nel corso della nostra chiacchierata notturna seguita al suo intervento al Festival della Scienza di Genova.

E cioè al fatto che ciò che convinse Hawking a dichiararsi sconfitto fu non tanto l’aver riscontrato come la fisica olografica potesse dar conto del superamento del paradosso dell’informazione (come nel processo di evaporazione di un buco nero venga conservata l’informazione quantistica su tutto ciò che aveva attraversato l’orizzonte degli eventi in precedenza), quanto l’aver compreso prima di altri che l’ologramma sulla superficie di contorno codifichi non soltanto un singolo interno (il nostro spaziotempo quadridimensionale per come lo percepiamo), ma “una sovrapposizione di geometrie differenti”.

“L’interno AdS" - sostiene Hertog -" è da immaginare non come un solo spazio tempo, ma come una funzione d’onda alla Feynman”.

(2) Lo sviluppo della Teoria Olografica - come vedremo nel corso di questo post - è semmai ciò che ha convinto Hawking di essere sulla pista giusta; un universo olografico si presta alla descrizione della cosmologia top down meglio di uno non dotato di questa caratteristica.

(3) “LUCA” (Last Unique Common Ancestor), l’antenato comune a tutte le specie sinora identificate ad aver popolato il pianeta, potrebbe non coincidere con la prima forma di vita apparsa sulla Terra.

Una possibilità non trascurabile è che forme di vita si siano sviluppate da materia inorganica (ad oggi non sappiamo ancora come) in modo spontaneo ed autonomo in più luoghi ed in tempi diversi durante l'infanzia del nostro pianeta: in tal caso questo processo di "emersione" della materia vivente potrebbe aver prodotto "soluzioni diverse" delle quali alcune si sono estinte senza aver lasciato una traccia rilevabile con la tecnologia odierna, lasciando LUCA da solo a colonizzare la Terra.

Con queste linee estinte non avremmo antenati comuni.

(4) Prima di raggiungere quell'età, l'Universo era caratterizzato da dimensioni limitate e temperature elevatissime, ed inoltre era permeato da una radiazione uniforme che interagiva strettamente con il plasma di idrogeno.

L'alta energia dei fotoni presenti in questa fase della sua vita impediva agli elettroni di legarsi ai protoni, non consentendo la formazione di atomi.

L'universo intero era immerso in una "nebbia" luminescente.

Il progredire della sua espansione, ed il conseguente raffreddamento di plasma e radiazione, comportò il raggiungimento di una temperatura limite sotto la quale il livello di energia dei fotoni non bastava ad impedire la formazione dei primi atomi, che non riuscirono più ad assorbire la radiazione termica.

In quel momento l'Universo divenne trasparente alla radiazione e ... "luce fu!".

Questi primi fotoni che riuscirono a propagarsi nel vuoto, pur stirati dall'espansione che ha interessato lo spazio negli ultimi 13 miliardi di anni e che li ha resi via via meno energetici, sono ancor oggi rilevabili da radiotelescopi: si tratta della CMBR (Cosmic Microwave Background Radiation) di cui avremo modo di trattare.

(5) Nei primi anni del 900 aveva fatto scalpore l'esperimento della riproduzione di topi albini.

Selezionati ceppi di topi che si potevano considerare linee pure, vennero incrociati due ceppi diversi entrambi albini, e, contrariamente ad ogni previsione, tutti i figli della prima generazione ibrida erano pigmentati, cosa in apparenza in contrasto con le leggi dell'ereditarietà.

Essendo l'albinismo un fenotipo recessivo, ai genitori albini dei topi pigmentati avrebbero dovuto mancare totalmente dei geni necessari per produrre la melanina.

Lo sviluppo della genetica molecolare fu in grado di dar conto di tale risultato confermando la teoria di Darwin.

(6) Hertog mi ha raccontato le vicende che l'hanno legato per tre lunghi anni alla scrittura del libro.

La cura nel controllare le traduzioni nelle diverse lingue (alcune delle quali si accorse travisavano il testo originale); il suo timore di non riuscire a trasmettere con efficacia il messaggio di Hawking diretto al pubblico non specialistico; le sue lunghe riflessioni per evitare di confondere inconsapevolmente le idee di Hawking con le proprie.