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“Physics is like sex”: il mistero della gravità e la nuova immagine del mondo. Dialogo con Paolo Pani

La fisica degli ultimi due secoli ha fatto (nella sua ossessiva, quasi religiosa, lentezza) passi da gigante. Prima tra tutte la teoria della relatività di Einstein (che si divide in due: ristretta e generale), perfetta per descrivere il mondo dell’immensamente grande; seconda la meccanica quantistica, che invece esplora il mondo dell’infinitamente piccolo. Le due teorie fanno a cazzotti; ma non sta a me spiegare le ragioni di questa lite che è oggi uno dei principali oggetti di dibattito. È un mondo a sé, la fisica, il nostro mondo; che non permette facile accesso, o quantomeno non immediato. Ma la curiosità non dev’essere ostacolata dal timore di non poter comprendere: sono tanti, tantissimi, i modi in cui “da profani” si può tentare di capire le trame di un labirinto che può, per certi versi, apparire molto disordinato; per altri versi, ordinatissimo, di una quasi vertiginosa coerenza.

L’istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) ha fornito uno di questi modi: Asimmetrie è una rivista divulgativa con cadenza semestrale, che mette assieme le voci di numerosi fisici con lo scopo di chiarificare quel che a primo impatto non sembra chiarificabile. Una di queste voci è quella di Paolo Pani (professore di fisica teorica all’Università di Roma Sapienza e responsabile del progetto DarkGra), che ha gentilmente accettato di rispondere ad alcune modeste domande che, da esterni, possono aiutare, se non a capire, quantomeno ad avvicinare il mondo della fisica di oggi.

La teoria della relatività generale definisce la forza gravità come conseguenza della curvatura dello spaziotempo. Ma cosa si intende con “curvatura dello spaziotempo”? E in che modo la descrizione einsteiniana della gravità non coincide con un modello descrittivo meccanicistico e materialistico come può essere quello newtoniano?

La teoria di Einstein stravolge l’intero costrutto della meccanica newtoniana, incluso il concetto stesso di forza. Per Newton la forza era un’interazione istantanea fra due corpi, mentre nella teorie di Einstein le interazioni istantanee sono impossibili perché niente può viaggiare più veloce della luce. Semplificando all’estremo, il punto cruciale della teoria di Einstein è che l’interazione gravitazionale è dovuta al fatto che le masse (e tutte le forme di energia) deformano lo spazio (e il tempo) e quindi gli oggetti non si muovo in linea retta come farebbero in uno spazio piatto, ma seguono traiettorie curve determinate dalla deformazione dello spazio, come biglie che rotolano su un percorso inclinato. Maggiore è la massa/energia di un sistema, e maggiore sarà la deformazione prodotta (e quindi la gravità), fino al caso estremo di un buco nero, in cui lo spaziotempo è talmente incurvato che nemmeno la luce vi resiste.

Il termine “relatività” ha portato molti a pensare che la teoria significhi che tutto è relativo, ma Einstein ha in qualche modo sostenuto l’esatto opposto. Chiarifichi questo punto.

Il termine è sicuramente fuorviante. La teoria della gravità di Einstein si chiama Relatività Generale, perché andava a generalizzare una teoria precedente di Einstein nota come Relatività Speciale o Ristretta. In quest’ultima, Einstein formulò le leggi che regolano come due osservatori in moto “relativo” uno rispetto all’altro a velocità costante, descrivono diversamente il medesimo sistema fisico. Tutti gli osservatori però (indipendentemente dal sistema di riferimento) nella Relatività Ristretta sono d’accordo che la luce si muove a velocità costante e ha sempre la stessa velocità, cosa impensabile prima della teoria di Einstein. La Relatività Generale estende appunto la relatività Ristretta al caso in cui il moto “relativo” dei due osservatori è generico, ossia anche accelerato. Questo punto può sembrare totalmente slegato dalla questione della gravità, ma è in realtà fortemente legato a quello che si chiama principio di equivalenza, secondo il quale la massa inerziale e quella gravitazionale di tutti gli oggetti coincidono, che è poi il motivo per cui tutti i gravi cadono nel medesimo tempo, come scoperto da Galileo.

Una delle conseguenze della teoria della relatività è l’esistenza dei buchi neri (regioni dell’universo in cui lo spazio tempo risulta essere estremamente incurvato a causa della presenza di massa elevatissima). Oggetto di studio oggi osservato numerose volte e di cui lei si occupa nel progetto DarkGra. Ma in che modo questo fenomeno conseguente alla forza di gravita è cosi centrale nella fisica moderna e nella spiegazione dell’universo?

Ottima domanda. Oltre ad essere molto affascinanti, i buchi neri giocano un ruolo fondamentale in molti campi della fisica. Non solo in astrofisica, dove regolano ad esempio il modo in cui le galassie evolvono, ma anche nella fisica teorica. Come scoperto da Hawking, per effetti di meccanica quantistica i buchi neri in realtà emettono una flebile radiazione e tendono ad evaporare molto lentamente. Questo effetto combina la gravità, la meccanica quantistica, la termodinamica e la relatività, in pratica quasi tutte le teorie fondamentali che regolano l’universo. I buchi neri sono quindi un ponte che unisce queste teorie e capirli meglio ci permetterà di risolvere alcuni paradossi ad essi collegati.

Il termine paradosso in greco è usato in riferimento a ciò che “va contro la doxa” ossia contro il senso comune, ciò che è dogmaticamente ritenuto vero. Quali sono i paradossi della fisica moderna e in che modo si scontrano col modo in cui abitualmente vediamo il mondo?

…proprio a proposito di paradossi, se ne potrebbero citare molti legati alla gravità (ad esempio il paradosso dei gemelli legato al fatto che il tempo scorre più lentamente se si è in moto), ma uno particolarmente interessante per quanto riguarda i buchi neri è il cosiddetto “paradosso dell’informazione”. Il fatto che i buchi neri evaporino significa che ad un certo punto tutta l’informazione inghiottita al loro interno viene persa, e questo processo viola uno dei principi cardini delle teorie fisiche (in parte legato al fatto che l’energia non si crea e non si distrugge). Il paradosso nasce dal cercare di unire relatività generale e meccanica quantistica, due teorie molto diverse fra loro e per molti versi contrastanti che non sappiamo ancora trattare correttamente assieme. Risolvere questo paradosso dei buchi neri è un passo imprescindibile verso una teoria quantistica della gravità*, il “sacro graal” della fisica teorica contemporanea.

* una ipotetica teoria unificata in grado di conciliare le due teorie fondamentali della fisica moderna: teoria della relatività e meccanica quantistica. Un’altra possibile unificazione in questo senso, ancora in fase di studio e validazione, è fornita dalla teoria delle stringhe.

Al dominio è presupposto un processo di comprensione, ma non vale necessariamente il contrario: alla volontà di comprendere non segue la volontà di dominare. Martin Heidegger ha sostenuto che la tecnica è figlia della metafisica, e, come la metafisica, la sua volontà è quella di dominare e domare la natura. Come difendere lo studio della fisica da chi la fa coincidere con una mera volontà di dominio dell’uomo sulla natura? È possibile parlare di innocente curiosità? Cosa spinge lei, a voler comprendere le dinamiche che regolano l’universo?

Penso che la stragrande maggioranza degli scienziati e delle scienziate sia mossa principalmente dalla curiosità di capire le leggi della natura e che trovi motivazione e gratificazione nel lento processo che, giorno dopo giorno, porta ad una comprensione più profonda di un determinato fenomeno, in una serie di tante piccole epifanie. Il grande fisico Richard Feynman diceva “Physics is like sex, sure it might give us some practical results but that’s not why we do it” e penso avesse ragione: i risvolti pratici delle scoperte fisiche sono un corollario e quasi mai il fine della ricerca scientifica. Anche perché le applicazioni pratiche sono spesso inimmaginabili nell’immediato e magari hanno risvolti su scale molto più lunghe della carriera o vita dei ricercatori. Sicuramente Maxwell non ha formulato le leggi che regolano l’elettromagnetismo pensando che un giorno sarebbero state alla base del funzionamento degli smartphone, ma per la mera passione verso una comprensione più profonda dell’universo.

Bianca Cesari

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