C'era una cosa che volevo ancora scrivere sulla conferenza di Aspen, ché i miei racconti si sono fermati al penultimo giorno, e ci sarebbe stata ancora la giornata di venerdì da raccontare. Poi la vita si è messa in mezzo, proprio quando uno pensava di essere immune alle sue batoste, e la voglia si scrivere è andata a nescondersi in fondo al cassetto più in basso della scrivania. Ma insomma, anche a distanza di un paio di mesi, quelle cose restano probabilmente interessanti, e sono una buona scusa per provare a rimettere in moto le dita sulla tastiera, anche contro ogni mancanza di motivazione.
La sessione conclusiva di Higgs Quo Vadis prevedeva le presentazioni di tre fisici teorici piuttosto famosi, quelli che senza dubbio chiamerei i vip invitati alla conferenza: Lisa Randall, Nima Arkani-Hamed e Nati Seiberg. Tutti e tre dovevano provare a tirare qualche conclusioni dalla recente scoperta di quella particella che tanto assomiglia al bosone di Higgs, e a tracciare le possibili strade per il futuro della fisica delle particelle. Sorvolo sul fatto che la presentazione di Lisa Randall è stata decisamente deludente (l'ho trovata allo stesso tempo trascurata, poco stimolante e troppo concentrata su se stessa. Ma lasciamo perdere...), e prendo invece spunto dalle interessanti presentazioni di Nima e Nati. In modo non troppo diverso, entrambi hanno affrontato il grosso problema che la scoperta di un bosone di Higgs con massa di circa 125 GeV pone alla nostra compresione del mondo, giungendo tutti e due a conclusioni a mio parere preoccupantemente simili. Per spiegare il senso del ragionamento dei due fisici teorici, e del perché lo trovo preoccupante, è necessario perì prima parlare di un concetto poco noto ma largamente usato in fisica: la naturalezza di una teoria.
Partiamo da un'analogia. Immaginate di conoscere un ricco magnate dell'industria, che gestisce un giro d'affari pluri-miliardario. Si tratta di un persona onesta e aperta, che vi ha lasciato libero accesso ai suoi libri contabili. Sfogliando a caso le pagine dei suoi conti, osservate - senza sorprendervi troppo - che i suoi conti riportano grandissimi movimenti di capitali: certi giorni sono documentate ingenti spese, in altri invece si annotano imponenti guadagni. Quando però andate a guardare il bilancio complessivo alla fine di ogni anno, scoprite che è sempre esattamente... zero euro! Ogni anno, nonostante la taglia mastodontica dei movimenti finanziari in ingresso e uscita, il vostro amico magnate registrare sistematicamente un guadagno netto nullo. La cosa non vi insospettirebbe? Come è possibile che grandissime cifre in ingresso e uscita, distribuite in modo apparentemente casuale nel corso dell'anno, finiscano sempre per compensarsi perfettamente? Non penso avreste alcuna esitazione a definire la cosa come "innaturale": vi sareste piuttosto aspettati un bilancio positivo certi anni, altri invece uno negativo. Di fronte libro contabile così peculiare, iniziereste probabilmente a sospettare un qualche "arrangiamento" dei conti. Forse il vostro amico sta truccando il bilancio per truffare il fisco. O magari la sua società ha un sistema di ammortizzamento di cassa, per cui ogni guadagno positivo viene sistematicamente investisto in un'altra società, ed esiste un conto esterno che interviene a colmare ogni fluttuazione negativa. Qualunque sia la ragione, un tale bilancio "innaturale" vi spinge a sospettare la presenza di un qualche altro meccanismo finianziario (non necessariamente illegale!) non documentato nei libri contabili a cui avete accesso. Interpretereste l'innaturalezza come sintomo della presenza di qualche fenomeno che ancora ignorate, e che magari vale la pena di esplorare.
In fisica, esiste un concetto di naturalezza delle teorie molto simile a quello appena descritto. Quando una teoria contiene delle quantità molto piccole, nonostante molte delle altre quantità in gioco siano spesso ordini di grandezza più grandi, i fisici sospettano la teoria così com'è di essere innaturale. È il caso della massa del bosone di Higgs nell'ambito del Modello Standard. Il bosone di Higgs assume massa esattamente come tutte le altre particelle elementari della teoria, interagendo con il campo di Higgs. Questa interazione, però, non è in teoria l'unica responsabile della sua massa. Essendo una particella soggetta alle leggi della meccanica quantistica, il bosone di Higgs può infatti temporaneamente trasformarsi in una coppia di altre particelle (una particella e la sia antiparticella), che si ricombinano immediatamente dopo nello stesso bosone di Higgs. Queste fluttuazioni influenzano il valore della massa del bosone di Higgs, e i fisici sanno calcolarne l'effetto. Tipicamente, l'impatto di queste fluttuazioni sulla massa del bosone di Higgs si ottiene prendento un valore associato alla probabilità del bosone di Higgs di fluttuare in una coppia di bosoni, e sottraendone il valore associato alla probabilità di fluttuare in una coppia di fermioni. Siccome la massa del bosone di Higgs che abbiamo osservato è relativamente piccola (è poco maggiore di quella dei bosoni W e Z, e inferiore a quella del quark top), la conseguenza è che l'effetto associato alla fluttuazione in coppie di bosoni deve essere molto simile a quello legato alla fluttuazioni in coppie di fermioni. La probabilità che questa cancellazione di effetti avvenga per caso (un po' come nel caso della perfetta compensazione tra entrate e uscite nei libri contabili del vostro amico magnate) è veramente molto bassa, ragione per cui i fisici dicono che, così com'è, il Modello Standard con il suo bosone di Higgs con piccola massa, è "innaturale". Proprio come voi con l'amico magnate, i fisici pensano che debba esistere, nascosto da quale parte, un meccanismo ancora ignoto (forse una frode del fisco, o un conto tampone) che spieghi in modo esplicito perché questa cancellazione di effetti sia così efficace e perfetta, e perché la massa del bosone di Higgs sia così piccola.
Una delle soluzioni più gettonate al problema della naturalezza della massa del bosone di Higgs è la Supersimmetria: se postuliamo l'esistenza di un nuovo fermione per ogni bosone che conosciamo, e di un nuovo bosone per ogni fermione noto, ecco che la cancellazione degli effetti sarebbe perfettamente spiegata. Il problema, ovviamente, è che nessuna delle presunte nuove particelle spersimmetriche è stata ancora osservata. Ma insomma, ci siamo capiti: l'innaturalezza della piccola massa del bosone di Higgs indicherebbe un'incompletezza del Modello Standard, e segnalerebbe la potenziale presenza di nuova fisica dietro l'angolo, a scale di energie non troppo diverse dal valore stesso della massa (ci sono altre soluzioni al problema, considerate forse un po' più eretiche all'interno della comunità, ma che puntano ugualmente a una compresione completa e riduzionista della teoria che usiamo per descrivere le interazioni tra le particelle).
Entrano in scena i teorici come Arkani-Hamed e Seiberg. Negli ultimi anni, questa generazione di pensatori, complice il dominio incontrastato dall teoria delle stringhe nel panorama della fisica teorica moderna, hanno invece proposto un approccio diverso al problema della naturalezza del Modello Standard, approccio a mio parere insoddisfacente e persino rinunciatario. Come forse sapete, le varie versioni della teoria delle stringhe hanno finora fallito il compito di fornire una descrizione univoca della teoria delle interazioni, riproducendo nel loro limite di bassa energia il Modello Standard che tanto bene funziona. Il problema principale dietro a questo fallimento è che la teoria delle stringe sembra avere un numero di soluzioni possibili (e dunque do mondi possibili che potrebbe descrivere) smisuratamente grande. Siccome nessuno è finora riuscito a trovare una soluzione a questo problema di soluzioni multiple, molti fisici teorici, piuttosto che abbandonare le stringhe bollandole come teoria insoddisfacente, hanno preferito ripiegare su una interpretazione antropica della teoria. La presenza di innumerevoli soluzioni non sarebbe un problema della teoria, ma il segno che esisterebbero realmente innumerevoli universi, in ciascuno dei quali sarebbe realizzata una della possibili soluzioni. Ci ritroveremmo dunque a vivere in un multiverso, e solo per caso noi ne abiteremmo quella parte in cui le leggi delle fisica sono quelle che osserviamo, e, tra le altre cose, il bosone di Higgs avrebbe la piccola massa che misuriamo. Altrove, le cose sarebbero diverse, in modo imprevedibile e inconoscibile.
Questi signori stanno dicendo è che il non aver ancora osservato nessun fenomeno fisico al di là del Modello Standard, nonostante la sua apparente innaturalezza, non sarebbe altro che il segno che i parametri della teoria non sono fondamentali, bensì ambientali. È un po' come se vi raccontassi che il vostro amico magnate ha in realtà qualche miliardo di miliardi di colleghi che gestiscono attività finianziarie delle stesso genere: alcuni di questi signori hanno libri contabili con chiusure annuali positive, altri negative, e solo per caso voi vi siete ritrovati a conoscere quello che, sul grande numero, ha proprio un bilancio sempre pari a zero. Non ci sarebbe dunque una ragione specifica da cercare, se non nel fatto di essersi ritrovati a vivere un questo particolare angolo della realtà, dove abita il magnate a somma zero. Una soluzione del genere implica la fine del riduzionismo, inteso in particolare come la possibilità di avanzare nella conoscenza del modo in modo induttivo secondo una comprensione sempre più capace di descrivere un numero maggiore di fenomeno con un un numero inferiore di parametri. In buona sostanza, a mio parere, si tratterebbe una resa alla stessa nostra missione di scienziati. Magari si tratta di un passo necessario, ma mi sembra prematuro.
Quel famoso venerdì sono finito a pranzare con Nima, che, posizioni sul riduzionismo condivisibili o meno, è un fisico e una persona eccezionale. Di fronte al nostro enorme hamburger di Aspen, non è certo riuscito a convincermi che sia già arrivato il momento di mettere nel cassetto le ambizioni di quattro secoli e mezzo di ambizione scientifica. Resto caparbiamente convinto che i nostri amici teorici debbano fare uno sforzo ulteriore, forse provando strade radicalmente diverse da quelle percorse fino ad adesso. Non è la prima volta nella storia che qualcuno si azzarda a dichiarare il cammino della scienza concluso: in tutte queste occasioni, la Natura ha sempre riservato delle belle sorprese a questi profeti di sventura.
(L'analogia dei conti bancari dell'amico magnate miliardario, e l'immagine del bosone di Higgs sulla bilancia, sono presi da questo articolo di Symmetry Magazine)
Mi spiace di leggere una premessa del genere, ma l'articolo è molto interessante.
Grazie Marco,
la tua abilità nello spiegare in maniera chiara e semplice consente anche ad uno poco avvezzo della materia come me di comprendere (a grandi linee) concetti così complicati.
Caro Marco,
concordo con quanto dici a proposito della resa alla missione di scienziati e tra l'altro quella dei "multiversi" sembra un po' un escamotage per salvare capra e cavoli di teorie che non sembrano in grado di fornire deduzioni verificabili - almeno con gli attuali e i futuri strumenti di indagine. Senza per questo togliere niente alla loro ingegnosità, che si è sviluppata complessivamente in una storia più che trentennale. Cambiando prospettiva, potrei anche dire che assomigliano un po' a quelle posizioni cosiddette postmoderne, in cui "vale tutto", non esiste un'unica verità ed è tutta questione di punti di vista: dunque è inutile preoccuparsi più di tanto del perché questo universo è fatto come è fatto. Siamo venuti fuori, per caso, in uno degli infiniti possibili universi, quello in cui le costanti universali e le masse delle particelle sono tali da poter consentire l'esistenza di atomi, molecole, della chimica in generale e di quella del carbonio in particolare.
Stop.
E' chiaro che teorie costruite per non essere falsificabili mettono in crisi il concetto stesso di scienza e ci si riduce ad un inseguimento senza fine tra dati sperimentali e modelli continuamente aggiustabili calibrando di volta in volta qualche parametro.
Forse si incomincerà a poter dire qualcosa di più preciso non prima della fine di questo decennio, con LHC in funzione all'energia di progetto, gli esperimenti principali (CMS, ATLAS e LHCb) aggiornati e i relativi dati raccolti e analizzati compiutamente.
Questo per SUSY e affini. Per stringhe e multiversi, a meno di scoperte veramente dirimenti, probabilmente non sarà possibile.
Se invece si accetta un punto di vista più tradizionale (il tuo, mi pare, ma sicuramente il mio) magari si prova a ragionare sul materiale che si ha a disposizione - senza per questo ovviamente escludere che la sorpresa possa essere dietro l'angolo -, a cercare tra le pieghe della teoria (uso un'immagine più letteraria che scientifica, mi scuso) qualcosa che non si è capito bene o non si è capito in tutta la sua profondità: un po' come l'ipotesi sull'invarianza della velocità della luce - poi divenuta principio - nella relatività ristretta, ipotesi in qualche modo già contenuta nelle equazioni dell'elettromagnetismo, ma non scontata… è un esempio, e va solo preso come possibile atteggiamento intellettuale (che non è detto che funzioni nella fattispecie), e cioè quello relativo ad un'economia di pensiero che si rifà al famoso rasoio di Occam. Senza far affidamento a qualche specie di "etere" (giusto per rimanere dentro la metafora).
Per avere, soprattutto, qualcosa su cui sperimentare.
Ciao Marco. Io vorrei unire la prima parte con la seconda. Come forse ricorderai anch'io qualche mese fa ho scritto una frase contro "le batoste". Non che le cose siano migliorate da allora (niente affatto) ma a distanza di tempo si riesce a vederle in modo più distaccato. Se si riesce ad arrivare alla distanza giusta, non sembrano nemmeno più appartenere alla tua vita. Quando li vedi da vicino sembrano proprio come un libro contabile con "ingenti spese e imponenti guadagni..." ed è allora che ti aspetti chissà cosa, ti dimeni e ti arrabbi o ti lasci andare allo sconforto; quando però poi li vedi da lontano i conti risultano esattamente a zero. Come se fossero sempre stati tali.
Non so quale sia la visione più giusta. Onestamente credo che la vita e i misteri della fisica siano molto più affascinanti visti da vicino, e non c'è nulla di più noioso che guardarli da lontano.
In sostanza io condivido l'idea del multi-universo (come tu hai così bene descritto) ma fin che sono in vita non l'accetterò mai. Non accetterò mai di essere solo una comparsa o di essere uno sfortunato (o fortunato, a seconda della condizione) elemento di un universo (fra infiniti universi) che non poteva essere che tale. Anche se penso che sia questa la verità, accettarla significherebbe un po' come incominciare a morire. Quindi la fisica deve andare avanti...come la vita, e a quel paese tutto il resto 🙂
Ma la domanda che adesso sorge, come approcciare a nuove soluzioni in maniera radicale, senza correre il rischio di passare per "eretici"?
Mah, eretiche o ortodosse, radicali o conservatrici, l'importante, secondo me, è che siano soluzioni che funzionano. Il che vuol dire che devono essere falsificabili e possibilmente non sottodeterminate.
Un esempio classicissimo e di enorme successo: QED (Quantum Electrodynamics).
Per fortuna non siamo più ai tempi di San Tommaso d'Aquino (riguardo alle eresie). 🙂
ci sto pensando da piu' un quarto di secolo, ma non mi sono mai riuscito a convincere che 'sta roba della naturalezza faccia parte della fisica. di sicuro, insistere su questa linea di pensiero (non so come chiamarla altrimenti) non ha portato molto di utile alla fisica delle particelle elementari--o volete sostenere il contrario? per questo motivo "personale" o se preferite "antropico" non sono per niente convinto che il bene della stessa disciplina consista nel cedere il ruolo di profeta alle nuove stelle.
la fisica non e' la casa dei pensatori geniali e solitari, ma una eroica impresa umana in cui facciamo del nostro meglio per imparare dalle nostre esperienze e dai nostri schemi di pensiero. lo stesso einstein costruisce su maxwell, su boltzmann, su planck. schroedinger "inventa" la sua famosa equazione estendendo le idee di hamilton e jacobi. dirac chiede che ci sia invarianza di lorentz, si preoccupa di spiegare lo spin di pauli, e i livelli dell'atomo, osservati da una generazione di fisici. feynman riprende problemi vecchi, interazioni deboli, struttura della teoria quantistica.
alla fine degli anni 80, qualche fisico teorico ha invece sostenuto che il vero problema della fisica delle particelle era di spiegare perche' la massa dell'higgs fosse quella che era (mentre la costante cosmologica era zero fino a prova contraria). formulazioni a mio avviso folli: bisognava misurare l'una e l'altra, che erano parti integranti di teorie ragionevolissime (modello di glashow weinberg e salam e relativita' generale di einstein).
allo stesso tempo, i teorici dovevano formulare delle teorie chiuse e predittive, alternative alle precedenti (cosa che mi sembra sia stata fatta solo in parte). invece molti teorici hanno assunto il ruolo di propagandare la naturalezza, che mi sembra un atteggiamento piuttosto diverso e a mio avviso assai meno utile alla fisica delle particelle.
Ciao a tutti,
grazie mille per l'articolo davvero molto interessante...è bello leggere le opinioni di qualcuno che lavora sugli aspetti più sperimentali, riguardo questi argomenti più "su larga scala"..
p.s. Qualcuno sa dove si può trovare il talk di Nima Arkani-Hamed? (guardare solamente le slides non è mai il massimo, ma sono curioso..)
Ciao!
ciao studente, io ti consiglierei di cominciare a leggere gli articoli pubblicati di nima a.-h., sono piu' autorevoli di un talk. li trovi immediatamente sul database inspire.
quello con 4800 citazioni dice che la gravita' viene modificata al mm. quello con 3400 citazioni e quello da 2000 dicono che c'e' nuova fisica al tev. tutti e tre partono con assoluta sicurezza dalla cosiddetto problema di naturalezza. gli esperimenti hanno mostrato che sono tutte infernze sbagliate. c'e' un suo preprint piu' recente che invece sostiene che la naturalezza non c'e', titolo: Simply Unnatural Supersymmetry.
io proverei a pormi qualche domanda: che cosa ha dato alla fisica il desso? ha le idee chiare su come proseguire o sta seguendo il vento? e' meglio continuare a seguire lui e suoi omologhi, o e' meglio provare ad usare la propria testa?
con affetto calimero
Oggi in libreria mi sono fermato a guardare le novità. Cervavo un libro (chiaramente sempre divulgativo) che parlasse degli ultimi avvenimenti della fisica. Ho trovato questo: Frank Close -l'enigma dell'infinito- Tra l'altro c'è una piccola frase di commeno di Peter Higgs ad introdurlo: - È un piacere leggere un libro che tratta dei piú recenti progressi nella nostra comprensione della struttura della materia scritto da un autore che non è soltanto competente sull'argomento, ma si impegna anche a indagare sulle diverse, e spesso conflittuali, versioni del modo in cui questi progressi si sono compiuti-.
Qualcuno l'ha letto? Ne vale la pena? Devo dire che da quando ho scoperto il blog di Marco, non sento più il bisogno estremo di leggere altro. Tuttavia i libri hanno un fascino che vale sempre la pena vivere, se sono fatti bene e servono alla comprensione. Ciao e grazie 🙂
Caro @My_May,
ce l'ho (in lingua originale) ma non l'ho ancora letto. Frank Close è un ottimo divulgatore - il suo "The New Cosmic Onion - Quarks and the Nature of the Universe" è molto ben fatto e anche godibile). Dalle recensioni inglesi (abbastanza favorevoli) sembra essere un buon titolo, anche se non semplicissimo (vai a vedere su Amazon per esempio: il titolo originale è "The Infinity Puzzle - How the quest for understand quantum field thery led to extraordinary science, high politics, and the world's most expensive experiment").
Proposta di ricerca:
Il mondo visibile ha ragioni matematiche invisibili.
In pratica come ritenevano gli antichi filosofi italici, Parmenide, Zenone, Melisso e Pitagora, il mondo è una apparenza virtuale.
Detto in termini moderni è un modello cibernetico.
Questa fu la via della verità, poi soppiantata dalla via dell’opinione a motivo dei filosofi sofisti ed altri.
La teoria unificata dell’universo fisico e mentale da un valore non fisico ma astratto, sia alle stringhe che ai loops gravitali.
Giunge quindi all’unificazione della relatività e della fisica quantistica, della teoria standard, della TOE e della gravità quantistica a Loops.
Si trova sulla rete digitando http://www.webalice.it/iltachione.
Una domanda da ignorante: l'ipotesi che possano esistere numerosi universi, nei quali la massa del bosone di Higgs può essere diversa, implica necessariamente che tali universi esistano?
Per fare un'analogia, i biologi evoluzionisti, aiutati dai biofisici, hanno dimostrato che potrebbero esistere forme di vita anche molto diverse da quelle che conosciamo, per esempio esseri di grandi dimensioni sorretti non da una colonna vertebrale ma da un sistema osseo a losanga. Se in ogni momento storico le condizioni fossero state leggermente diverse potrebbero esserci loro anziché noi, ma questo non significa che esistano tanti universi in alcuni dei quali questi esseri esistono. È una possibilità che per ragioni contingenti non si è realizzata (si tenga presente che è solo un analogia, nessuno intende spiegare la fisica con la biologia, così come l'articolo qui sopra non vuole spiegare la fisica con la finanza, relax).
Per dirla con S. J. Gould, "quando sono entrato qui ho visto una macchina targata BD 417 SZ, tra tutte le targhe possibili, quante erano le probabilità che vedessi proprio quella?" Molto basse in effetti, se ci avessi scommesso prima, ma il fatto che l'abbia vista non significa che esistano altri universi in cui ho visto targhe diverse. Semplicemente tra un ventaglio amplissimo di possibilità è capitata quella e nessun'altra.
Ho la vaga sensazione di aver scritto un mucchio di stupidaggini, se così fosse fatemelo sapere.
@GrandeGiganteGentile: due risposte alla tua domanda. La prima, più generica: non vedo come il fatto che un particolare fenomeno sia "possibile" ne possa implicare necessariamente l'esistenza. Come noti bene per il daso della biologia, la non-esistenza di certe strutture in teoria possibili potrebbe essere dovuta a effetti contingenti, o evolutivi (legati alle condizioni iniziali). Attenzione però che nel caso della biologia stai parlando di possibilità realizzabili tutte nello stesso quadro di realtà (stessa fisica, stessa chimica, diversa biologia), mentre la cosa è molto meno chiara nel caso della fisica (diversa fisica, stessa... boh?). Il che mi porta alla seconda risposta: il fatto che la massa del bosone di Higgs non sia predetta dal Modello Standard, non significa necessariamente che qualunque massa sia possibile (come vorrebbero i fautori del multiverso), e (spingendosi persino oltre), che tutti gli universi corrispondenti esistono. Esiste anche la possibilità che l'assenza di una predizione definita per la massa del bosone di Higgs sia semplicemente un segno della limitatezza della teoria, e che invece la massa sia il risultato univoco di un meccanismo che non conosciamo né sappiamo descrivere. Io, per dire, preferisco di molto questa seconda ipotesi.