La gravità è la più debole delle quattro forze fondamentali della natura, eppure è lei (e non l’elettromagnetismo o la forza nucleare) a governare il destino dell’universo su scala cosmica.
È infatti la gravità che modella galassie, accende stelle e scolpisce la struttura a grande scala del cosmo: ma perché?
A questa domanda ha risposto di recente l’astrofisico Ethan R. Siegel nella sua rubrica Ask Ethan. (1)
La spiegazione è sorprendentemente semplice: non conta solo quanto una forza sia intensa, ma se i suoi effetti possano compensarsi oppure no.
L’elettromagnetismo è immensamente più forte della gravità (circa 10³⁶ volte nel caso di due protoni) ma possiede cariche di segno opposto.
Poiché l’universo osservabile è globalmente elettricamente neutro, le forze elettromagnetiche tendono ad annullarsi su grandi distanze.
La gravità invece agisce su tutta la massa–energia e, per quanto ne sappiamo, non dispone di un equivalente osservabile della “massa negativa” (2): non potendosi schermare, essa si accumula.
Questo semplice fatto ha conseguenze profonde: è ciò che rende possibile un universo strutturato.
Ma è inevitabile che le cose stiano così?
Possiamo immaginare un universo in cui accada l’opposto, uno in cui la gravità si compensi e l’elettromagnetismo si accumuli?
Dal punto di vista logico, nulla lo vieta: basterebbe ipotizzare l’esistenza di masse gravitazionali di segno opposto, oppure una gravità non universalmente attrattiva. Tuttavia in molti modelli teorici una simile gravità renderebbe il vuoto instabile: la creazione di coppie gravitazionali opposte potrebbe abbassare indefinitamente l’energia del sistema, compromettendo la possibilità di strutture stabili.
Supponiamo sia l’elettromagnetismo a dominare su scala cosmica.
Perché ciò accada occorrerebbero condizioni estreme: un solo tipo di carica, una carica netta globale dell’universo o l’impossibilità di annichilazione tra cariche opposte.
In uno scenario simile, i campi elettrici e magnetici non si annullerebbero, ma crescerebbero con la dimensione del sistema.
Che aspetto avrebbe un tale universo?
Difficilmente vi troveremmo stelle, pianeti o galassie: l’elettromagnetismo distruggerebbe l’equilibrio necessario alla formazione stellare, mentre la gravità ormai incapace di accumularsi non riuscirebbe a raccogliere materia in strutture durature.
Anche la chimica complessa, così come la conosciamo, sarebbe probabilmente impossibile. (3)
Forse esisterebbero configurazioni effimere quali strutture filamentose, domini separati da enormi gradienti di campo, stati di plasma altamente tesi.
Ma nessun equilibrio a lungo termine sarebbe possibile: un universo simile assomiglierebbe più ad una tempesta elettromagnetica permanente che ad un cosmo abitabile.
Un indizio decisivo viene dalla luce.
Nel nostro universo i fotoni sono elettricamente neutri e possono viaggiare liberamente per miliardi di anni luce: è questo che rende l’universo osservabile.
In un cosmo dominato invece dall’elettromagnetismo, campi intensissimi e plasma onnipresente renderebbero lo spazio opaco: anche se la luce esistesse non esisterebbe un “cielo” nel senso che intendiamo noi.
Questa osservazione suggerisce una conclusione sorprendente: non tutti gli universi fisicamente possibili sono osservabili.
Un’idea analoga emerge in un contesto del tutto diverso: la teoria della percezione.
Secondo la Teoria dell’Interfaccia Percettiva sviluppata dallo scienziato cognitivo Donald D. Hoffman (4) la percezione non si è evoluta per mostrarci la realtà così com’è, ma per massimizzare la sopravvivenza.
Come le icone di un computer non rappresentano il silicio sottostante (5), così spazio, tempo e oggetti potrebbero essere elementi di un’interfaccia adattiva.
Hoffman e collaboratori (6) hanno dimostrato matematicamente che, in ambienti evolutivi competitivi, agenti che percepiscono la verità oggettiva vengono sistematicamente eliminati da agenti che percepiscono solo ciò che è utile all’azione: la selezione naturale favorisce infatti l’efficienza, non l’accuratezza ontologica. (7)
Il parallelo con la cosmologia è istruttivo: solo un universo in cui le forze fondamentali permettono strutture stabili, informazione comprimibile e luce trasparente può supportare interfacce percettive affidabili.
Un universo dominato da campi violenti e instabili potrebbe essere reale, ma non apparente: non rappresentabile, non osservabile, non abitabile.
Forse, allora, la domanda giusta da porsi non è "perché il nostro universo sia così com’è", ma "perché è interfacciabile".
La debolezza della gravità, la neutralità elettrica globale e la trasparenza della luce non sembrano semplici coincidenze, ma condizioni strutturali che rendono possibile non solo la complessità, ma anche l’esperienza stessa di un mondo.
Note
(1) Ethan R. Siegel è un astrofisico teorico e divulgatore scientifico statunitense noto per il blog “Starts With a Bang!” (ospitato su Forbes) dove affronta temi di cosmologia e fisica fondamentale.
Tratta preferibilmente argomenti legati ad aspetti del Big Bang, alla struttura dell’universo e di formazione di campo cosmico.
Ha scritto diversi libri di divulgazione, tra cui il più famoso è Beyond the Galaxy.
(2) Per quanto ne sappiamo oggi la massa–energia è sempre positiva.
In Relatività Generale questo fatto è formalizzato attraverso le cosiddette condizioni di energia (weak, strong e null), che - pur non essendo teoremi universali -esprimono l’idea che, per forme di materia fisicamente ragionevoli, la densità di energia misurata da qualunque osservatore non possa essere negativa.
Esistono tuttavia configurazioni quantistiche in cui compare un’energia “effettivamente negativa”, come nel caso dell’effetto Casimir.
Queste violazioni, però, sono locali, transitorie e strettamente limitate, e non corrispondono all’esistenza di materia macroscopica gravitazionalmente repulsiva.
Ad oggi, nessuna osservazione né teoria consolidata prevede la presenza di massa negativa capace di produrre una repulsione gravitazionale su larga scala.
(3) Non è escluso che in un tale ambiente possano esistere stati legati esotici, tuttavia altra cosa è ipotizzare la presenza di una chimica complessa.
(4) Donald D. Hoffman è uno scienziato cognitivo e filosofo della mente statunitense noto per aver formulato e sviluppato la Teoria dell’Interfaccia Percettiva (TIP – Perceptual Interface Theory), una delle proposte più radicali e discusse sul rapporto tra percezione e realtà.
Autore del saggio "L'illusione della realtà" ("The Case Against Reality", 2019), è professore emerito di Scienze Cognitive presso la University of California, Irvine (UCI).
Si occupa di percezione visiva, psicofisica, evoluzione della cognizione e fondamenti matematici della coscienza.
Pur non essendo un fisico, Donald dialoga intensamente con specialisti di campi quali la fisica teorica, la filosofia della scienza, la teoria dell’informazione e fondamenti della meccanica quantistica (un capitolo del suo libro è intitolato "Gravità" e vi analizza i contributi più recenti sull'argomento della gravità quantistica).
Ho già trattato del saggio scritto da Hoffman in un vecchio post rintracciabile sul mio blog intitolato "La fisica ed il problema della coscienza: è possibile fare a meno dello spazio tempo in un modello di realtà oggettiva?" (23 novembre 2021).
(5) "... quando sposto l'icona di un file nel cestino ottengo un risultato (la cancellazione del file) senza tuttavia aver coscienza di ciò che accade davvero sul disco rigido ed ai suoi atomi ..." scrive Hoffman.
(6) Chetan Prakash, collaboratore di Hoffman, ha dimostrato matematicamente il teorema Fitness Beats Truth:
"... in un ambiente evolutivo competitivo, agenti che percepiscono la verità oggettiva del mondo vengono sistematicamente eliminati da agenti che percepiscono solo ciò che massimizza la fitness. La selezione naturale favorisce l’utilità, non la verità ...".
Percepire la verità richiede infatti più informazione, più tempo, più energia e più complessità neurale: la selezione naturale penalizza tutto ciò.
La fitness è invece non lineare, spesso discontinua e dipende dal contesto.
"... un animale che percepisca la vera quantità di risorse spreca tempo a calcolare ...; un animale che invece percepisce solo “prendi” o “fuggi” ha più opzioni di sopravvivenza. La verità contiene molta informazione inutile dal punto di vista evolutivo ..."
(7) Viene così demolito il realismo ingenuo: "... vedo una mela quindi la mela è davvero così ...” - scrive Hoffman.
Se la percezione non è veridica spazio, tempo, oggetti e causalità possono essere meri strumenti, non fondamenta.
Nel suo già citato testo The Case Against Reality richiama Kant, Wheeler (“it from bit”), Rovelli (relazionalità) ed alcuni approcci alla gravità quantistica.
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