Carlo Rovelli, un mondo senza tempo – 203.

l’ultimo libro di Carlo Rovelli ha un titolo chiaro e per me stimolante: La realtà non è come appare.

potrebbe sembrare il titolo di un romanzo, di una raccolta di saggi filosofici, oppure di un blog come il mio, a scelta; e invece è un libro di fisica, perché l’autore è un fisico che si occupa soprattutto di gravità quantistica.

prima di essere un fisico, è stato un leader del movimento studentesco degli anni Settanta, ha collaborato con Radio Alice a Bologna, è stato  denunciato e poi assolto per reati d’opinione (esattamente come capitato a me), è stato anche in carcere nel 1987 per renitenza al servizio militare (questo a me non è capitato, per via della mia mal-formazione cardiaca: sono riuscito ad evitare il servizio militare per via legale).

oggi è docente universitario di livello internazionale e dirige un gruppo di ricerca sulla gravità quantistica nel Centre de Physique Théorique di Marsiglia.

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ho scoperto Rovelli attraverso la recensione di questo suo ultimo libro nel numero di marzo delle Scienze, e una rapida ricerca in internet mi ha portato a questo suo interessante articolo tratto dall’Enciclopedia Treccani e da lui scritto nel 2010: GRAVITA’ QUANTISTICA XXI Secolo.

si inizia con uno sguardo ai recenti sviluppi della fisica, col linguaggio chiaro che è tipico di Rovelli, a partire dalla intuizione di Democrito che per primo pensò che la realtà materiale non fosse divisibile all’infinito:

La conoscenza scientifica del mondo fisico ha registrato nel 20° sec. una rapida crescita, alla cui radice si situano due grandi rivoluzioni concettuali che hanno rifondato la fisica teorica durante i primi anni del Novecento, modificando in profondità la nostra comprensione del mondo: la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Albert Einstein.

La prima ha sostituito la meccanica classica e ha modificato in maniera radicale la nostra comprensione della materia e dell’energia.

La seconda ha sostituito la teoria della gravità di Isaac Newton e ha modificato in maniera altrettanto radicale la nostra comprensione della natura dello spazio e del tempo.

Queste due teorie sono oggi ampiamente confermate dall’esperienza. (…)

Questa rapida crescita del sapere, d’altra parte, ha fatto cadere il quadro concettuale della vecchia fisica newtoniana, senza però sostituirlo con uno nuovo coerente.

Meccanica quantistica e relatività generale sono teorie incomplete e a prima vista incompatibili: ciascuna delle due è usualmente formulata sulla base di assunzioni contraddette esplicitamente dall’altra.

Quindi, se è innegabile la crescita della conoscenza verificatasi durante il 20° sec., ciò ha anche lasciato in eredità una grande confusione concettuale sulla natura del mondo fisico, e un ancora più grande problema scientifico da risolvere: la ricerca di una sintesi capace di offrire una visione coerente del mondo, compatibile con il sapere raggiunto, all’interno della quale la meccanica quantistica e la relatività generale possano essere comprese in modo non contraddittorio.

In altre parole, la rivoluzione scientifica iniziata nel 20° sec. non è ancora conclusa: attende una sintesi in grado di portarla a compimento e di porsi come nuovo quadro generale per pensare il mondo fisico. (…)

La ricerca teorica del 21° sec. in fisica fondamentale affronta dunque un’importante sfida, che assorbe una parte considerevole della riflessione attuale: la formulazione di tale teoria.

La mancanza di una teoria di questo tipo era evidente fin dagli anni Trenta del 20° secolo. Einstein stesso, introducendo la relatività generale, ne aveva subito rilevato l’incompletezza e aveva sottolineato la necessità di combinarla con la meccanica quantistica. (…)

All’inizio del 21° sec., tale problema è riconosciuto da molti come il più importante ancora aperto in fisica fondamentale, e descritto talvolta come la ‘ricerca del Santo Graal della fisica moderna’.

* * *

proseguo ora la lettura di questo articolo di Rovelli con particolare riferimento al problema del tempo.

Einstein ha compreso che il campo gravitazionale e lo spazio-tempo sono la stessa entità fisica.

riflettiamo bene: è come dire che lo spazio-tempo non è qualcosa di assoluto che possa esistere indipendentemente dagli oggetti che lo riempiono, ma ne dipende: sono gli oggetti infatti a creare lo spazio gravitazionale, cioè lo spazio-tempo stesso.

Nell’ambito della gravità quantistica, la nozione di spazio come contenitore entro il quale avvengono i fenomeni viene a cadere. 

questo nuovo concetto era stato introdotto da Einstein con la teoria della relatività generale, ma in qualche modo anticipato già da Cartesio, prima che Newton, erroneamente, lo abbandonasse:

Nella relatività generale lo spazio, o meglio lo spazio-tempo, acquista caratteristiche dinamiche; può cioè incurvarsi e cambiare forma come fosse un materiale elastico. 

la curvatura dello spazio-tempo è dunque la curvatura stessa del campo gravitazionale. 

* * *

a questo punto diventa centrale comprendere la natura della forza di gravità che si esprime in questo campo.

La scoperta alla base della meccanica quantistica è che i campi fisici hanno una struttura granulare a piccola scala e una dinamica che non è deterministica, bensì probabilistica. (…)

questo porta all’idea che lo spazio, essendo un campo fisico, abbia anch’esso una struttura granulare e una dinamica probabilistica.

Lo spazio fisico descritto dalla gravità quantistica dovrebbe quindi risultare come uno spazio formato di quanti elementari di spazio, o ‘atomi di spazio’, la cui evoluzione è determinata da leggi di probabilità. (…)

La scala alla quale questi aspetti granulari e probabilistici dello spazio dovrebbero manifestarsi è la scala di Planck. (…)

La loro dimensione caratteristica è la lunghezza di Planck, pari alla radice quadrata della costante di Planck ℏ, moltiplicata per la costante di gravitazione universale di Newton G e divisa per la velocità della luce c elevata al cubo – il tutto moltiplicato per 10 elevato alla 33esima potenza negativa.

Per avere un’idea dell’estrema piccolezza di queste scale di lunghezze, si tenga conto che se s’ingrandisse un solo atomo fino a renderlo uguale all’intero sistema solare e proporzionalmente s’ingrandisse la lunghezza di Planck, questa resterebbe comunque ancora 10.000 volte più piccola dell’atomo di partenza.

a questa scala incredibile di piccolezza non è possibile arrivare a sperimentare nulla; al massimo sono possibili forme di in-duzione da fenomeni estremi come la formazione dell’universo o il collasso dei buchi neri.

questa lunghezza rappresenterebbe il limite fisico reale alla divisibilità dello spazio, (…) nello stesso senso in cui la velocità della luce rappresenta la velocità massima e la costante di Planck l’azione minima scambiata fra due sistemi nel corso di un processo. (…)

La struttura continua e rigida dello spazio alla quale siamo abituati, non sarebbe quindi che un’apparenza, dovuta alla piccolezza della scala di Planck; così come una superficie di metallo ci appare continua e rigida anche se ha una struttura atomica granulare formata da particelle in rapido movimento.

* * *

le conseguenze, secondo Rovelli, sono rivoluzionarie.

La perdita della nozione di spazio di fondo (o background), su cui sono definiti tutti i campi fisici, implica una riformulazione sostanziale dell’intera fisica fondamentale, che attualmente si basa su tale spazio.

ma la modifica della nozione di tempo determinata dalla gravità quantistica è ancora più radicale di quella della nozione di spazio. (…)

Nella sua formulazione usuale la meccanica quantistica richiede l’esistenza di un tempo esterno, rispetto al quale è definita l’evoluzione dello stato fisico. (…)

Già nella relatività generale viene a cadere la nozione di un tempo universale e comune, nel corso del quale avvengono i fenomeni fisici.

In maniera molto più radicale, la variabile tempo sparisce dalle equazioni fondamentali della gravità quantistica.

La teoria fisica non descrive più, quindi, l’evoluzione di tutte le variabili fisiche nel tempo, ma soltanto quella relativa delle variabili fisiche, l’una rispetto all’altra.

se ho capito bene, il tempo non è un valore assoluto, ma semplicemente un rapporto che viene a stabilirsi all’interno dei fenomeni fisici con altri fenomeni correlati, a piccolissima scala, cioè alla scala di Planck. (…)

La nozione di tempo potrebbe rivelarsi un concetto utile solo nell’ambito di una descrizione approssimata della realtà macroscopica.

e le proprietà quantistiche dello spazio e del tempo dovrebbero manifestarsi solo a piccolissima scala, cioè alla scala di Planck, diventando trascurabili a scale macroscopiche.

spazio e tempo non devono essere più pensati come un contenitore del mondo e come un flusso nel corso del quale avviene il cambiamento, bensì come aspetti fenomenologici macroscopici di un’entità fondamentale: il campo gravitazionale quantistico. 

* * *

qui si sviluppa la teoria della gravità quantistica a loop, o teoria dei loop (nota anche come gravità quantistica ad anelli), della quale Rovelli è uno dei maggiori esponenti.

La teoria dei loop riguarda (..) solamente lo spazio, il tempo e la forza gravitazionale, e non la totalità degli oggetti fisici.

Michael Faraday (1791-1867) ebbe l’intuizione che i campi elettrici e magnetici fossero costituiti da linee, oggi chiamate linee di Faraday. (..)

I loop (..) sono (…) le eccitazioni quantistiche di tali linee.

Poiché il campo gravitazionale è identificato nella teoria di Einstein con lo spazio, ne consegue che i loop rappresentano le eccitazioni quantistiche dello spazio-tempo. 

I loop non sono dunque immersi nello spazio, bensì rappresentano essi stessi lo spazio quantistico.

Più precisamente, tali loop formano reti, chiamate spin network (o reti di spin), i cui nodi corrispondono ai quanti elementari dello spazio, gli ‘atomi di spazio’, e le cui linee determinano la connettività di tali atomi elementari, e quindi la struttura generale dello spazio.

* * *

come pensava Newton, l’accelerazione degli oggetti fisici è definita in relazione a qualcosa, ma, come ha scoperto Einstein, questo qualcosa è un campo fisico, analogo ai campi elettrici e magnetici, e non c’è la possibilità d’identificare tale oggetto fisico con uno spazio, nel senso newtoniano di contenitore amorfo della realtà fisica.

Anche se possiamo continuare a chiamarlo spazio, (…) è probabilmente più ragionevole considerarlo un campo fisico alla stregua degli altri, nell’ambito di una posizione relazionale nella quale la realtà è concepita come un insieme di oggetti (ora campi quantistici) in interazione fra loro, e non immersi in una struttura data a priori

Le modifiche concettuali determinate dall’evoluzione del concetto di tempo introdotte dalla ricerca in gravità quantistica sono più drastiche. (…)

L’evoluzione temporale non è definita rispetto a un tempo comune, ma solamente per le diverse variabili della teoria in relazione l’una con l’altra.

* * *

così scriveva Rovelli quattro anni fa; ma ora il suo pensiero sembra essersi ulteriormente evoluto.

Lo spazio fisico che viviamo è fatto dalla trama di relazioni di quanti di spazio che interagiscono (i loop sono gli anelli formati dal collegamento di grani di spazio).

La conseguenza di questa struttura elementare delle cose è la scomparsa del tempo come valore assoluto.

Il tempo emerge solo come conseguenza della relazione tra i quanti di spazio, è un effetto del nostro trascurare i micro-stati fisici delle cose.

insomma, se non ho capito male, il tempo è soltanto una forma di semplificazione che la nostra mente opera per barcamenarsi nell’eccessiva complessità della natura.

sotto forma di tempo esprimiamo alcune relazioni tra i fenomeni, e sulla base di questa semplificazione ci creiamo l’immagine mentale di un tempo universale rigido nel quale tutte le cose e noi stessi siamo immersi.

* * *

sembra che non sia davvero così: sembra che questo tempo sia soltanto una illusione della nostra mente, che è incapace di vivere in una realtà che è soltanto un eterno complicatissimo infinito presente.

così il tempo delle nostra vita potrebbe essere invece pensato come un insieme contemporaneo di diverse oscillanti co-rrelazioni con gli altri fenomeni, che solo alla nostra coscienza assumono l’aspetto di un flusso lineare, ma sono sempre co-eternamente presenti in tutte le loro forme che a noi appaiono successive.

quando capiremo quel che in altra forma più intuitiva dicevano già certe antiche filosofie orientali, allora ancora più solidamente la vita con i suoi dolori e i suoi piaceri dis-piegati nello spazio illusorio del tempo, ci apparirà essa stessa sogno più sogno dei nostri stessi sogni.

il sogno del tempo in un mondo senza tempo.

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