Spiegare la natura del tempo: la teoria dell’assemblaggio

Un universo senza tempo è difficile da immaginare, ma non perché il tempo sia un concetto tecnicamente complesso o filosoficamente sfuggente. C'è una ragione più strutturale: immaginare l'atemporalità richiede che il tempo passi

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Spiegare la natura del tempo: la teoria dell'assemblaggio
Spiegare la natura del tempo: la teoria dell'assemblaggio

Un universo senza tempo è difficile da immaginare, ma non perché il tempo sia un concetto tecnicamente complesso o filosoficamente sfuggente. C’è una ragione più strutturale: immaginare l’atemporalità richiede che il tempo passi. Anche quando provi a immaginare la sua assenza, lo senti muoversi mentre i tuoi pensieri si spostano, il tuo cuore pompa il sangue al tuo cervello e immagini, suoni e odori si muovono intorno a te. Qualunque cosa sia il tempo, sembra non fermarsi mai. Potresti persino sentirti intrecciato nel suo tessuto in continuo movimento mentre sperimenti l’Universo che si unisce e si separa. Ma è così che funziona davvero il tempo?

Secondo Albert Einstein, la nostra esperienza del passato, del presente e del futuro non è altro che “un’illusione ostinatamente persistente“. Secondo Isaac Newton, il tempo non è altro che uno sfondo, al di fuori della vita. E secondo le leggi della termodinamica, il tempo non è altro che entropia e calore.

Nella storia della fisica moderna, non c’è una teoria ampiamente accettata in cui un senso del tempo in movimento e direzionale sia fondamentale. Molte delle nostre descrizioni più basilari della natura – dalle leggi del movimento alle proprietà delle molecole e della materia – sembrano esistere in un universo in cui il tempo non passa realmente. Tuttavia, recenti ricerche in una varietà di campi suggeriscono che il movimento del tempo potrebbe essere più importante di quanto la maggior parte dei fisici abbia mai ipotizzato.

Una nuova forma di fisica chiamata teoria dell’assemblaggio suggerisce che un senso del tempo in movimento e direzionale è reale e fondamentale. Suggerisce che gli oggetti complessi nel nostro Universo che sono stati creati, dalla vita ai computer e le città, non esistono al di fuori del tempo: sono impossibili senza il movimento del tempo. Da questa prospettiva, il passare del tempo non è solo intrinseco all’evoluzione della vita o alla nostra esperienza dell’Universo, è anche il tessuto materiale in continuo movimento dell’Universo stesso. Il tempo è un oggetto. Ha una dimensione fisica, come lo spazio. E può essere misurato a livello molecolare nei laboratori.

L’unificazione del tempo e dello spazio ha cambiato radicalmente la traiettoria della fisica nel XX secolo. Ha aperto nuove possibilità per come pensiamo alla realtà. Cosa potrebbe fare l’unificazione del tempo e della materia nel nostro secolo? Cosa succede quando il tempo è un oggetto?



Per Newton, il tempo era fisso. Nelle sue leggi del moto e della gravità, che descrivono come gli oggetti cambiano la loro posizione nello spazio, il tempo è uno sfondo assoluto. Il tempo newtoniano passa, ma non cambia mai. Ed è una visione del tempo che perdura nella fisica moderna – anche nelle funzioni d’onda della meccanica quantistica il tempo fa da sfondo ma non una caratteristica fondamentale. Per Einstein, tuttavia, il tempo non era assoluto. Era relativo a ciascun osservatore. Descriveva la nostra esperienza del tempo che passa come “un’illusione ostinatamente persistente“. Il tempo einsteiniano è ciò che viene misurato dal ticchettio degli orologi; lo spazio è misurato dalle tacche sui righelli che registrano le distanze. Studiando i moti relativi del ticchettio degli orologi e dei tic sui righelli, Einstein fu in grado di combinare i concetti di come misuriamo sia lo spazio che il tempo in una struttura unificata che ora chiamiamo “spaziotempo“. In questa struttura lo spazio è infinito e tutti i punti esistono contemporaneamente. Ma il tempo, come lo descrisse Einstein, ha anche questa proprietà, il che significa che tutti i tempi – passato, presente e futuro – sono ugualmente reali. Il risultato è talvolta chiamato “universo a blocchi“, che contiene tutto ciò che è accaduto e accadrà nello spazio e nel tempo. Oggi, la maggior parte dei fisici sostiene la nozione dell’universo a blocchi.

Ma l’universo a blocchi è stato violato prima ancora che arrivasse. All’inizio del 1800, quasi un secolo prima che Einstein sviluppasse il concetto di spaziotempo, Nicolas Léonard Sadi Carnot e altri fisici stavano già mettendo in dubbio l’idea che il tempo fosse uno sfondo o un’illusione. Queste domande sarebbero continuate nel XIX secolo quando anche fisici come Ludwig Boltzmann iniziarono a pensare ai problemi che derivavano da un nuovo tipo di tecnologia: il motore.

Sebbene i motori potessero essere riprodotti meccanicamente, i fisici non sapevano esattamente come funzionassero. La meccanica newtoniana era reversibile; i motori non lo erano. Il sistema solare di Newton funzionava altrettanto bene andando avanti o indietro nel tempo. Tuttavia, se si guida un’auto e questa rimane senza carburante, non è possibile far funzionare il motore in retromarcia, recuperare il calore generato e bruciare il carburante. I fisici dell’epoca sospettavano che i motori dovessero aderire a determinate leggi, anche se tali leggi erano sconosciute. Quello che hanno scoperto è che i motori non funzionano se il tempo non passa e non ha una direzione. Sfruttando le differenze di temperatura, i motori guidano il movimento del calore dalle parti calde alle parti fredde. Man mano che il tempo avanza, la differenza di temperatura diminuisce e si può fare meno “lavoro”. Questa è l’essenza della seconda legge della termodinamica (nota anche come legge dell’entropia) proposta da Carnot e successivamente spiegata statisticamente da Boltzmann. La legge descrive il modo in cui il “lavoro” meno utile può essere svolto da un motore nel tempo. Di tanto in tanto devi rifornire di carburante la tua auto e l’entropia deve sempre aumentare.

Viviamo davvero in un universo che non ha bisogno del tempo come caratteristica fondamentale?

Questo ha senso nel contesto di motori o altri oggetti complessi, ma non è utile quando si ha a che fare con una singola particella. Non ha senso parlare della temperatura di una singola particella perché la temperatura è un modo per quantificare l’energia cinetica media di molte particelle. Nelle leggi della termodinamica, il flusso e la direzionalità del tempo sono considerati una proprietà emergente piuttosto che uno sfondo o un’illusione – una proprietà associata al comportamento di un gran numero di oggetti. Ma, mentre la teoria termodinamica ha introdotto come il tempo dovrebbe avere una direzionalità al suo passaggio, questa proprietà non è fondamentale. In fisica, le proprietà “fondamentali” sono riservate a quelle proprietà che non possono essere descritte in altri termini. La freccia del tempo in termodinamica è quindi considerato ’emergente’ perché può essere spiegato in termini di concetti più fondamentali, come l’entropia e il calore.

Charles Darwin, lavorando tra l’era della macchina a vapore di Carnot e l’emergere dell’universo a blocchi di Einstein, fu tra i primi a vedere chiaramente come la vita deve esistere nel tempo. Nella frase finale di On the Origin of Species (1859), catturò in modo eloquente questa prospettiva: “questo pianeta è andato avanti ciclicamente secondo la legge di gravità fissa, da un inizio così semplice infinite forme più belle e meravigliose sono apparse e si stanno evolvendo”. L’arrivo delle “forme infinite” di Darwin può essere spiegato solo in un universo in cui il tempo esiste e ha una chiara direzionalità.

Negli ultimi miliardi di anni, la vita si è evoluta da organismi unicellulari a complessi organismi multicellulari. Si è evoluta da semplici società a brulicanti città, arrivando ad un pianeta potenzialmente in grado di riprodurre la sua vita su altri mondi. Queste cose richiedono tempo per esistere perché possono emergere solo attraverso i processi di selezione ed evoluzione.

Pensiamo che l’intuizione di Darwin non sia abbastanza profonda. L’evoluzione descrive accuratamente i cambiamenti osservati nelle diverse forme di vita, ma fa molto di più: è l’unico processo fisico nel nostro Universo che può generare gli oggetti che associamo alla vita. Ciò include batteri, gatti e alberi, ma anche cose come razzi, telefoni cellulari e città. Nessuno di questi oggetti fluttua nell’esistenza spontaneamente, nonostante ciò che i resoconti popolari della fisica moderna possono affermare che possa accadere. Questi oggetti non sono casuali colpi di fortuna. Al contrario, tutti richiedono una “memoria” del passato da utilizzare nel presente. Devono essere prodotti nel tempo, un tempo che avanza continuamente. Eppure, secondo Newton, Einstein, Carnot, Boltzmann e altri, il tempo o è inesistente o semplicemente emergente.

I tempi della fisica e dell’evoluzione sono incompatibili. Ma questo non è sempre stato ovvio perché la fisica e l’evoluzione si occupano di diversi tipi di oggetti. La fisica, in particolare la meccanica quantistica, si occupa di oggetti semplici ed elementari: quark, leptoni e delle particelle portatrici di forza del Modello Standard. Poiché questi oggetti sono considerati semplici, non richiedono “memoria” affinché l’Universo li crei (assumendo che siano disponibili energia e risorse sufficienti). Pensa alla “memoria” come a un modo per descrivere la registrazione di azioni o processi necessari per costruire un dato oggetto. Quando arriviamo alle discipline che si occupano di evoluzione, come la chimica e la biologia, troviamo oggetti che sono troppo complessi per essere prodotti istantaneamente in abbondanza (anche quando energia e materiali sono disponibili). Richiedono memoria, accumulata nel tempo. Come ha capito Darwin, alcuni oggetti possono venire all’esistenza solo attraverso l’evoluzione e la selezione di certe ‘registrazioni‘ dalla memoria per realizzarle.

Questa incompatibilità crea una serie di problemi che possono essere risolti solo con un radicale allontanamento dagli attuali modi in cui la fisica si avvicina al tempo, specialmente se vogliamo spiegare la vita. Mentre le attuali teorie della meccanica quantistica possono spiegare alcune caratteristiche delle molecole, come la loro stabilità, non possono spiegare l’esistenza di DNA, proteine, RNA o altre molecole grandi e complesse. Allo stesso modo, si dice che la seconda legge della termodinamica dia origine alla freccia del tempo e spiegazioni su come gli organismi convertono l’energia, ma non spiega la direzionalità del tempo, in cui infinite forme sono costruite su scale temporali evolutive senza equilibrio finale per la biosfera. La meccanica quantistica e la termodinamica sono necessarie per spiegare alcune caratteristiche della vita, ma non sono sufficienti.

Questi e altri problemi ci hanno portato a sviluppare un nuovo modo di pensare alla fisica del tempo, che abbiamo chiamato teoria dell’assemblaggio che descrive quanta memoria deve esistere affinché una molecola o una combinazione di molecole – gli oggetti di cui è fatta la vita – venga all’esistenza. Nella teoria dell’assemblaggio, questa memoria viene misurata nel tempo come una caratteristica di una molecola, concentrandosi sulla memoria minima richiesta affinché quella molecola (o molecole) venga all’esistenza. La teoria dell’assemblaggio quantifica la selezione rendendo il tempo una proprietà degli oggetti che potrebbe essere emersa solo attraverso l’evoluzione.

Abbiamo iniziato a sviluppare questa nuova fisica considerando come la vita emerge attraverso i cambiamenti chimici. La chimica della vita opera in modo combinatorio mentre gli atomi si legano per formare molecole e le possibili combinazioni crescono con ogni ulteriore legame. Queste combinazioni sono costituite da circa 92 elementi presenti in natura, che i chimici stimano possano essere combinati per costruire fino a 1060 molecole diverse: 1 seguito da 60 zeri. Per diventare utile, ogni singola combinazione dovrebbe essere replicata miliardi di volte: pensate a quante molecole sono necessarie per formare anche una singola cellula, per non parlare di un insetto o di una persona. Fare copie di qualsiasi oggetto complesso richiede tempo perché ogni passaggio necessario per assemblarlo comporta una ricerca attraverso la vastità dello spazio combinatorio per selezionare quali molecole prenderanno forma fisica.

Gli spazi combinatori sembrano presentarsi quando esiste la vita

Consideriamo le proteine ​​macromolecolari che gli esseri viventi usano come catalizzatori all’interno delle cellule. Queste proteine ​​sono costituite da blocchi molecolari più piccoli chiamati aminoacidi, che si combinano per formare lunghe catene lunghe tipicamente tra 50 e 2.000 aminoacidi. Se ogni possibile proteina lunga 100 amminoacidi fosse assemblata dai 20 amminoacidi più comuni che formano le proteine, il risultato non riempirebbe solo il nostro Universo, ma 1023 universi.

Lo spazio di tutte le possibili molecole è difficile da capire. Come analogia, considera le combinazioni che puoi costruire con un dato set di mattoncini Lego. Se il set contenesse solo due mattoncini, il numero di combinazioni sarebbe piccolo. Tuttavia, se il set contenesse migliaia di pezzi, come il modello Lego da 5.923 pezzi del Taj Mahal, il numero di possibili combinazioni sarebbe astronomico. Se avessi specificamente bisogno di costruire il Taj Mahal secondo le istruzioni, lo spazio delle possibilità sarebbe limitato, ma se potessi costruire qualsiasi oggetto Lego con quei 5.923 pezzi, ci sarebbe un’esplosione combinatoria di possibili strutture che potrebbero essere costruite – il le possibilità crescono in modo esponenziale con ogni ulteriore blocco che aggiungi. Collegando due strutture Lego che avevi già costruito ogni secondo, non saresti in grado di esaurire tutti i possibili oggetti delle dimensioni del Lego Taj Mahal ambientato nell’era dell’Universo. In effetti, qualsiasi spazio costruito in modo combinatorio anche da pochi semplici blocchi avrà questa proprietà. Ciò include tutti i possibili oggetti simili a cellule costruiti dalla chimica, tutti i possibili organismi costruiti da diversi tipi di cellule, tutti i possibili linguaggi costruiti da parole o espressioni e tutti i possibili programmi per computer costruiti da tutti i possibili set di istruzioni. Lo schema qui è che gli spazi combinatori sembrano presentarsi quando esiste la vita. Cioè, la vita è evidente quando lo spazio delle possibilità è così grande che l’Universo deve selezionare solo una parte di quello spazio per esistere. La teoria dell’assemblaggio ha lo scopo di formalizzare questa idea.

Nella teoria dell’assemblaggio, gli oggetti sono costruiti in modo combinatorio da altri oggetti e il set Lego Taj Mahal è equivalente a una molecola complessa in questa analogia. Riprodurre un oggetto specifico, come un set Lego, in modo non casuale richiede la selezione nello spazio di tutti gli oggetti possibili. Vale a dire, in ogni fase della costruzione, oggetti specifici o insiemi di oggetti devono essere selezionati dal vasto numero di possibili combinazioni che potrebbero essere costruite. Oltre alla selezione, è richiesta anche la ‘memoria’: le informazioni sono necessarie negli oggetti esistenti per assemblare il nuovo oggetto specifico, che viene implementato come una sequenza di passaggi che possono essere completati in un tempo finito, come le istruzioni necessarie per costruire il Lego Taj Mahal. Oggetti più complessi richiedono più memoria per esistere.

Nella teoria dell’assemblaggio, gli oggetti crescono nella loro complessità nel tempo attraverso il processo di selezione. Man mano che gli oggetti diventano più complessi, le loro parti uniche aumenteranno, il che significa che anche la memoria locale deve aumentare. Questa “memoria locale” è la catena causale di eventi nel modo in cui l’oggetto viene prima “scoperto” dalla selezione e quindi creato in più copie. Ad esempio, nella ricerca sull’origine della vita, i chimici studiano come le molecole si uniscono per diventare organismi viventi. Affinché un sistema chimico emerga spontaneamente come “vita”, deve auto-replicarsi formando, o catalizzando, reti autosufficienti di reazioni chimiche. Ma come fa il sistema chimico a ‘sapere’ quali combinazioni fare? Possiamo vedere la “memoria locale” in azione in queste reti di molecole che hanno “imparato” a legarsi chimicamente insieme in certi modi. Con l’aumentare dei requisiti di memoria, la probabilità che un oggetto sia stato prodotto per caso scende a zero perché il numero di combinazioni alternative che non sono state selezionate è semplicemente troppo alto. Un oggetto, che sia un Lego Taj Mahal o una rete di molecole, può essere prodotto e riprodotto solo con la memoria e un processo di costruzione. Ma la memoria non è ovunque, è locale nello spazio e nel tempo. Ciò significa che un oggetto può essere prodotto solo dove esiste una memoria locale che può guidare la selezione di quali parti andare dove e quando.

Nella teoria dell’assemblaggio, la “selezione” si riferisce a ciò che è emerso nello spazio delle possibili combinazioni. È formalmente descritto attraverso il numero di copie e la complessità di un oggetto. Il numero di copie o concentrazione è un concetto utilizzato in chimica e biologia molecolare che si riferisce a quante copie di una molecola sono presenti in un dato volume di spazio. Nella teoria dell’assemblaggio, la complessità è significativa quanto il numero di copie. Una molecola altamente complessa che esiste solo come singola copia non è importante. Ciò che interessa alla teoria dell’assemblaggio sono le molecole complesse con un numero di copie elevato, il che indica che la molecola è stata prodotta dall’evoluzione. Questa misurazione della complessità è nota anche come “indice di assemblaggio” di un oggetto. Questo valore è correlato alla quantità di memoria fisica necessaria per memorizzare le informazioni per dirigere l’assemblaggio di un oggetto e impostare una direzionalità nel tempo dal semplice al complesso. E, mentre la memoria deve esistere nell’ambiente per far esistere l’oggetto, nella teoria dell’assemblaggio anche la memoria è una caratteristica fisica intrinseca dell’oggetto. In realtà, è l’oggetto stesso.

La vita è una pila di oggetti che costruiscono altri oggetti che costruiscono altri oggetti – sono oggetti che costruiscono oggetti. Alcuni oggetti sono emersi solo in tempi relativamente recenti, come i “prodotti chimici per sempre” sintetici realizzati con composti chimici organofluorurati. Altri sono emersi miliardi di anni fa, come le cellule vegetali fotosintetiche. Diversi oggetti hanno diverse profondità nel tempo. E questa profondità è direttamente correlata sia all’indice di assemblaggio di un oggetto che al numero di copie, che possiamo combinare in un numero: una quantità chiamata ‘Assembly’, o A. Più alto è il numero di Assembly, più profondo è un oggetto nel tempo.

Per misurare l’assemblaggio in un laboratorio, analizziamo chimicamente un oggetto per contare quante copie di una data molecola contiene. Quindi deduciamo la complessità dell’oggetto, nota come indice di assemblaggio molecolare, contando il numero di parti che contiene. Queste parti molecolari, come gli amminoacidi in una stringa proteica, vengono spesso dedotte determinando l’indice di assemblaggio molecolare di un oggetto, un numero di assemblaggio teorico. Ma non stiamo deducendo teoricamente. Stiamo “contando” i componenti molecolari di un oggetto utilizzando tre tecniche di visualizzazione: spettrometria di massa, spettroscopia a infrarossi e risonanza magnetica nucleare (NMR). Sorprendentemente, il numero di componenti che abbiamo contato nelle molecole corrisponde ai loro numeri teorici di assemblaggio. Ciò significa che possiamo misurare l’indice di assemblaggio di un oggetto direttamente con attrezzature di laboratorio standard.

Un numero di assemblaggio elevato, un indice di assemblaggio elevato e un numero di copie elevato, indica che può essere realizzato in modo affidabile da qualcosa nel suo ambiente. Potrebbe trattarsi di una cellula che costruisce molecole ad alto contenuto di Assemblaggio come le proteine, o di un chimico che produce molecole con un valore di Assemblaggio ancora più elevato, come il farmaco antitumorale Taxol (paclitaxel). Gli oggetti complessi con un elevato numero di copie non nascono casualmente, ma sono il risultato di un processo di evoluzione o selezione. Non sono formati da una serie di incontri casuali, ma dalla selezione nel tempo.

Più specificamente, una certa profondità nel tempo.

Come lanciare in aria i 5.923 pezzi del Lego Taj Mahal e aspettarsi che si uniscano spontaneamente

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Questo è un concetto difficile. Anche i chimici trovano difficile afferrare questa idea poiché è facile immaginare che le molecole “complesse” formino casualmente interazioni con il loro ambiente. Tuttavia, in laboratorio, le interazioni casuali spesso portano alla produzione di “catrame” piuttosto che di oggetti ad alto assemblaggio. Il catrame è il peggior incubo di un chimico, una miscela disordinata di molecole che non possono essere identificate individualmente. Si trova frequentemente negli esperimenti sull’origine della vita. Nell’esperimento “zuppa prebiotica” del chimico statunitense Stanley Miller nel 1953, gli amminoacidi che si formano inizialmente, successivamente si trasformano in un pasticcio di gloop nero non identificabile se l’esperimento viene eseguito troppo a lungo (e nessuna selezione fu imposta dai ricercatori per fermare i cambiamenti chimici in atto). Il problema in questi esperimenti è che lo spazio combinatorio di possibili molecole è così vasto per gli oggetti ad alto Assemblaggio che nessuna molecola specifica viene prodotta in grande abbondanza.

È come lanciare in aria i 5.923 pezzi del set Lego Taj Mahal e aspettarsi che si uniscano, spontaneamente, esattamente come specificano le istruzioni. Ora immagina di prendere i pezzi da 100 scatole dello stesso set Lego, lanciarli in aria e aspettarti 100 copie dello stesso identico edificio. Le probabilità sono incredibilmente basse e potrebbero essere pari a zero, se la teoria dell’assemblaggio è la strada giusta. È probabile quanto un uovo rotto che si riforma spontaneamente.

Ma che dire degli oggetti complessi che si presentano naturalmente senza selezione o evoluzione? Che dire dei fiocchi di neve, minerali e complessi sistemi di tempesta? A differenza degli oggetti generati dall’evoluzione e dalla selezione, questi non hanno bisogno di essere spiegati attraverso la loro “profondità nel tempo“. Anche se individualmente complessi, non hanno un alto valore di Assembly perché si formano in modo casuale e non richiedono memoria per essere prodotti. Hanno un numero di copie basso perché non esistono mai in copie identiche. Non esistono due fiocchi di neve uguali, e lo stesso vale per i minerali e i sistemi di tempesta.

La teoria dell’assemblaggio non solo cambia il modo in cui pensiamo al tempo, ma anche il modo in cui definiamo la vita stessa. Applicando questo approccio ai sistemi molecolari, dovrebbe essere possibile misurare se una molecola è stata prodotta da un processo evolutivo. Ciò significa che possiamo determinare quali molecole potrebbero essere state prodotte solo da un processo vivente, anche se tale processo coinvolge chimiche diverse da quelle sulla Terra. In questo modo, la teoria dell’assemblaggio può funzionare come un sistema universale di rilevamento della vita che funziona misurando gli indici di assemblaggio e il numero di copie delle molecole in campioni viventi o non viventi.

Negli esperimenti di laboratorio si è scoperto che solo i campioni viventi producono molecole ad alto Assemblaggio. Questa scoperta è stata riprodotta utilizzando una tecnica analitica chiamata spettrometria di massa, in cui le molecole di un campione vengono “pesate” in un campo elettromagnetico e poi fatte a pezzi utilizzando energia. Riducendo in pezzi una molecola, possiamo misurare il suo indice di assemblaggio contando il numero di parti uniche che contiene. Attraverso questo, possiamo calcolare quanti passaggi sono stati necessari per produrre un oggetto molecolare e quindi quantificare la sua profondità nel tempo con attrezzature di laboratorio standard.

Per verificare la teoria secondo cui gli oggetti ad alto Assemblaggio possono essere generati solo dalla vita, il passo successivo ha comportato il test di campioni viventi e non viventi. Sono stati prelevati campioni di molecole da tutto il sistema solare, inclusi diversi sistemi viventi, fossilizzati e abiotici sulla Terra. Questi campioni solidi di pietra, ossa, carne e altre forme di materia sono stati disciolti in un solvente e quindi analizzati con uno spettrometro di massa ad alta risoluzione in grado di identificare la struttura e le proprietà delle molecole. Si è scoperto che solo i sistemi viventi producono molecole abbondanti con un indice di assemblaggio superiore a un valore determinato sperimentalmente di 15 gradini. Il taglio tra 13 e 15 è netto, il che significa che le molecole prodotte da processi casuali non possono andare oltre i 13 passaggi. Pensiamo che questo sia indicativo di una transizione di fase in cui la fisica dell’evoluzione e della selezione deve prendere il sopravvento su altre forme di fisica per spiegare come si è formata una molecola.

Questi esperimenti verificano che solo gli oggetti con un numero di Assembly sufficientemente alto – molecole altamente complesse e copiate – vengono trovati nella vita. Ciò che è ancora più eccitante è che possiamo trovare queste informazioni senza sapere nient’altro sulla molecola presente. La teoria dell’assemblaggio può determinare se le molecole provenienti da qualsiasi parte dell’Universo siano derivate dall’evoluzione o meno, anche se non sappiamo quale chimica viene utilizzata.

La possibilità di rilevare sistemi viventi in altre parti della galassia è entusiasmante, ma ancora più entusiasmante per noi è la possibilità di un nuovo tipo di fisica e di una nuova spiegazione della vita. Come misura empirica di oggetti unicamente producibili dall’evoluzione, la teoria dell’assemblaggio sblocca una teoria più generale della vita. Se la teoria è valida, la sua implicazione filosofica più radicale è che il tempo esiste come proprietà materiale degli oggetti complessi creati dall’evoluzione. Cioè, proprio come Einstein ha radicalizzato la nostra nozione di tempo unificandola con lo spazio, la teoria dell’assemblaggio indica una concezione radicalmente nuova del tempo unificandola con la materia.

La teoria dell’assemblaggio spiega oggetti evoluti, come molecole complesse, biosfere e computer

È radicale perché, come abbiamo notato, il tempo non è mai stato fondamentale nella storia della fisica. Newton e alcuni fisici quantistici lo vedono come uno sfondo. Einstein pensava che fosse un’illusione. E, nel lavoro di coloro che studiano la termodinamica, è intesa semplicemente come una proprietà emergente. La teoria dell’assemblaggio tratta il tempo come fondamentale e materiale: il tempo è la materia di cui sono fatte le cose nell’Universo. Gli oggetti creati dalla selezione e dall’evoluzione possono essere formati solo attraverso il passare del tempo. Ma non pensare a questo tempo come al ticchettio misurato di un orologio o a una sequenza di anni di calendario. Il tempo è un attributo fisico. Pensaci in termini di Assemblaggio, una proprietà intrinseca misurabile della profondità o dimensione di una molecola nel tempo.

Questa idea è radicale perché permette anche alla fisica di spiegare il cambiamento evolutivo. La fisica ha tradizionalmente studiato oggetti che l’Universo può assemblare spontaneamente, come particelle elementari o pianeti. La teoria dell’assemblaggio, d’altra parte, spiega oggetti evoluti, come molecole complesse, biosfere e computer. Questi oggetti complessi esistono solo lungo i lignaggi in cui sono state acquisite informazioni specifiche per la loro costruzione.

Se seguiamo quei lignaggi indietro, oltre l’origine della vita sulla Terra fino all’origine dell’Universo, sarebbe logico suggerire che la “memoria” dell’Universo fosse inferiore nel passato. Ciò significa che la capacità dell’Universo di generare oggetti ad alto Assemblaggio è fondamentalmente limitata dalle sue dimensioni nel tempo. Proprio come un semirimorchio non entra in un garage domestico standard, alcuni oggetti sono troppo grandi nel tempo per venire all’esistenza in intervalli inferiori al loro indice di assemblaggio. Affinché oggetti complessi come i computer esistano nel nostro Universo, molti altri oggetti devono prima formarsi: stelle, elementi pesanti, vita, strumenti, tecnologia e l’astrazione dell’informatica. Ciò richiede tempo ed è criticamente dipendente dal percorso a causa della contingenza causale di ogni innovazione realizzata. L’Universo primordiale come lo conosciamo potrebbe non essere stato in grado di eseguire calcoli, semplicemente perché non esisteva ancora abbastanza storia. Il tempo doveva passare ed essere istanziato materialmente attraverso la selezione degli oggetti costitutivi del computer. Lo stesso vale per le strutture Lego, i grandi modelli linguistici, i nuovi farmaci, la “tecnosfera” o qualsiasi altro oggetto complesso.

Le conseguenze degli oggetti che hanno un intrinseca profondità materiale nel tempo è di vasta portata. Nell’universo a blocchi, tutto viene trattato come statico ed esistente tutto in una volta. Ciò significa che gli oggetti non possono essere ordinati in base alla loro profondità nel tempo e la selezione e l’evoluzione non possono essere utilizzate per spiegare perché alcuni oggetti esistono e non altri. Riconcettualizzare il tempo come dimensione fisica della materia complessa e stabilire una direzionalità per il tempo potrebbe aiutarci a risolvere tali domande. Rendere il tempo materiale attraverso la teoria dell’assemblaggio unifica diversi concetti filosofici sconcertanti relativi alla vita in un quadro misurabile. Al centro di questa teoria c’è l’indice di assemblaggio, che misura la complessità di un oggetto. È un modo quantificabile di descrivere il concetto evolutivo di selezione mostrando quante alternative sono state escluse per produrre un dato oggetto. Ogni fase del processo di assemblaggio di un oggetto richiede informazioni, memoria, per specificare cosa dovrebbe e non dovrebbe essere aggiunto o modificato. Nella costruzione del Taj Mahal della lego, ad esempio, dobbiamo seguire una specifica sequenza di passaggi, ognuno dei quali ci dirige verso l’edificio finale. Ogni passo falso è un errore, e se facciamo troppi errori non possiamo costruire una struttura riconoscibile. La copia di un oggetto richiede informazioni sui passaggi precedentemente necessari per produrre oggetti simili.

Ciò rende la teoria dell’assemblaggio una teoria causale della fisica, perché la struttura sottostante di uno spazio di assemblaggio – l’intera gamma di combinazioni richieste – ordina le cose in una catena di causalità. Ogni passaggio si basa su un passaggio selezionato in precedenza e ogni oggetto si basa su un oggetto selezionato in precedenza. Se rimuovessimo qualsiasi passaggio in un percorso di assemblaggio, l’oggetto finale non verrebbe prodotto. Le parole d’ordine spesso associate alla fisica della vita, come “teoria”, “informazione”, “memoria”, “causalità” e “selezione”, sono materiali perché gli oggetti stessi codificano le regole per aiutare a costruire altri oggetti “complessi”. Questo potrebbe essere il caso della mutua catalisi in cui gli oggetti si creano reciprocamente. Pertanto, nella teoria dell’assemblaggio, il tempo è essenzialmente la stessa cosa di informazione, memoria, causalità e selezione. Sono tutti resi fisici perché assumiamo che siano caratteristiche degli oggetti descritti nella teoria, non le leggi di come questi oggetti si comportano. La teoria dell’assemblaggio reintroduce un senso del tempo in espansione e in movimento nella fisica mostrando come passaè la materia di cui sono fatti gli oggetti complessi: la dimensione del futuro aumenta con la complessità.

Questa sua nuova concezione del tempo potrebbe risolvere molti problemi aperti nella fisica fondamentale. Il primo e più importante è il dibattito tra determinismo e contingenza. Einstein affermò che Dio “non gioca a dadi” e molti fisici sono ancora costretti a concludere che il determinismo regge e il nostro futuro è chiuso. Ma l’idea che le condizioni iniziali dell’Universo, o di qualsiasi processo, determinino il futuro è sempre stata un problema. Nella teoria dell’assemblaggio, il futuro è determinato, ma non finché non accade. Se ciò che esiste ora determina il futuro, e ciò che esiste ora è più grande e più ricco di informazioni di quanto non fosse in passato, allora anche i possibili futuri diventano più grandi man mano che gli oggetti diventano più complessi. Questo perché c’è più storia esistente nel presente da cui assemblare nuovi stati futuri. Trattare il tempo come una proprietà materiale degli oggetti che crea permette di generare novità nel futuro.

La novità è fondamentale per la nostra comprensione della vita come fenomeno fisico. La nostra biosfera è un oggetto che ha almeno 3,5 miliardi di anni secondo la misura del tempo dell’orologio (l’Assemblaggio è una diversa misura del tempo). Ma come è iniziata la vita? Cosa ha permesso ai sistemi viventi di sviluppare intelligenza e coscienza? La fisica tradizionale suggerisce che la vita sia “emersa”.

Il concetto di emergenza cattura il modo in cui le nuove strutture sembrano apparire a livelli superiori di organizzazione spaziale che non potevano essere previste da livelli inferiori. Gli esempi includono l’umidità dell’acqua, che non è prevista dalle singole molecole d’acqua, o il modo in cui le cellule viventi sono costituite da singoli atomi non viventi. Tuttavia, gli oggetti che la fisica tradizionale considera emergenti diventano fondamentali nella teoria dell’assemblaggio. Da questa prospettiva, l'”emergenza” di un oggetto – quanto si discosta dalle aspettative di un fisico riguardo ai blocchi elementari – dipende da quanto si trova in profondità nel tempo. Questo ci indica le origini della vita, ma possiamo anche viaggiare nella direzione opposta.

Se è la strada giusta, la teoria dell’assemblaggio suggerisce che il tempo è fondamentale. Suggerisce che il cambiamento non è misurato da orologi ma è codificato in catene di eventi che producono molecole complesse con diverse profondità nel tempo. Assemblati dalla memoria locale nella vastità dello spazio combinatorio, questi oggetti registrano il passato, agiscono nel presente e determinano il futuro. Ciò significa che l’Universo si sta espandendo nel tempo, non nello spazio, o forse lo spazio emerge dal tempo, come suggeriscono molte proposte attuali della gravità quantistica. Sebbene l’Universo possa essere interamente deterministico, la sua espansione nel tempo implica che il futuro non può essere completamente previsto, nemmeno in linea di principio. Il futuro dell’Universo è più aperto di quanto avremmo potuto prevedere.

Il tempo può essere un tessuto in continuo movimento attraverso il quale sperimentiamo le cose che si uniscono e si separano. Ma il tessuto non si limita a muoversi: si espande. Quando il tempo è un oggetto, il futuro è la dimensione dell’Universo.

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