La sacra Trimurti della Fisica

Universalità, simmetria e riduzionismo ed i loro limiti. Breve viaggio dentro tre concetti fondamentali della fisica

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La fisica è essenzialmente una disciplina empirica e quantitativa. Qualunque teoria matematica prima o poi deve essere sottoposta ad una conferma sperimentale prima che sia accettata in modo incontestabile (per quanto questo termine abbia un significato relativo tra gli scienziati) dalla comunità scientifica.
Altrimenti rimaniamo nell’alveo delle pur ben costruite speculazioni teoriche. Stephen Hawking non ha vinto il Nobel per la sua scoperta negli anni Settanta del fenomeno noto come “radiazione di Hawking” poiché nessuno ha potuto confermare sperimentalmente la sua pur brillante costruzione teorica. Ed il Premio Nobel è assegnato soltanto a teorie o scoperte confermate sperimentalmente.
Peter Higgs ottenne il Nobel soltanto nel 2013 per la sua teoria che prevedeva l’esistenza del bosone che porta il suo nome formulata cinquanta anni prima. Higgs ha dovuto aspettare la conferma sperimentale del CERN avvenuta nel 2012 per ricevere l’ambito e meritato riconoscimento.
Insomma il cuore della fisica è strettamente ancorato alla sperimentazione e quindi alle misure dei fenomeni che sottostanno alla vita del nostro universo. Ad orientare i fisici nelle loro ricerche teoriche e sperimentali sono tre concetti cardine di questa disciplina. Una vera e propria “sacra trimurti”: universalità, simmetria e riduzionismo.
La prima “legge universale” è stata quella sulla gravità scoperta da Isaac Newton (e per la verità in qualche misura anticipata da Robert Hooke). In sostanza Newton affermò che il comportamento degli oggetti sottoposti alla gravità, qui sulla Terra, è uguale a quello della Luna attorno alla Terra, dei pianeti attorno al Sole, e del Sole attorno al centro della Via Lattea.
La teoria della relatività generale di Einstein migliorò la predittività di quella di Newton che però funziona benissimo ancora oggi, tanto è che tutta l’esplorazione spaziale si basa ancora sulle formule matematiche del grande fisico inglese.
Semmai la teoria di Einstein mostra un’universalità ancora più stupefacente di quella newtoniana riguardando oltre che lo spazio anche il tempo. La teoria della relatività di Einstein si applica egualmente bene sui più piccoli e i più lunghi intervalli di tempo.
Fin qui abbiamo usato il termine universale intendendo come determinati fenomeni fisici valgono nello stesso modo in qualunque parte dell’universo. In ambito della fisica statistica, il termine universalità introdotto dal fisico americano Leo Kadanoff si riferisce ad una classe di sistemi fisici che non dipendono dai dettagli della loro struttura o dinamica, ma si possono invece dedurre da pochi parametri globali.
Questo paradigma della fisica però non è assoluto. Sappiamo che su lunghezze estremamente piccole e su intervalli di tempo brevissimo la fisica classica non funziona più ed entra in campo la meccanica quantistica. La stessa definizione di tempo tra relatività generale e meccanica quantistica è diversa.
Il secondo elemento della “sacra trimurti” è la simmetria. Ad un livello “grossolano” ognuno di noi può comprendere questo concetto. Un quadrato è simmetrico perché se lo ruotiamo di 90° otteniamo lo stesso risultato e così dicasi per una sfera. In fisica però la simmetria va ben oltre le invarianze geometriche.
Quando i fisici dicono che un sistema fisico ha una certa simmetria, intendono dire che una certa proprietà di quel sistema rimane la stessa quando qualcos’altro cambia. Si hanno simmetrie globali quando le leggi della fisica rimangono le stesse al cambiare di qualche altra cosa. Nel 1915, in piena guerra, la matematica tedesca Emmy Noether scoprì il legame tra simmetrie di un sistema fisico e quantità conservate. Esempi importanti sono la quantità di moto se il sistema ha una simmetria per traslazioni spaziali, il momento angolare per sistemi invarianti per rotazioni e l‘energia per le simmetrie temporali.
Una di queste simmetrie matematiche è stata definita “supersimmetria“. Si tratta ancora di un costrutto teorico e non sappiamo se effettivamente fa parte di una proprietà reale della natura. Se lo fosse probabilmente farebbe luce, fra l’altro, sulla materia oscura e se la teoria delle stringhe è la candidata giusta per unificare la gravità e la meccanica quantistica.
Sfortunatamente la supersimmetria prevede un certo numero di particelle subatomiche ancora mai rilevate. Come per il concetto di universalità anche le simmetrie hanno la loro eccezione. I fisici hanno teorizzato la cosiddetta “rottura della simmetria“, Ma cos’è la rottura della simmetria?
In fisica la rottura spontanea di simmetria è un fenomeno fisico in cui la perdita nahttps://it.wikipedia.org/wiki/Fisicaturale di simmetria di un sistema non avviene a livello fondamentale, rimanendo valida nelle equazioni che lo governano. A fini esplicativi si usa anche il termine simmetria nascosta.
Il fenomeno è presente estesamente in meccanica classica ed in meccanica quantistica relativamente alla teoria quantistica dei campi. La rottura di simmetria ha aiutato i fisici a capire i componenti fondamentali della materia, cioè le particelle elementari e le forze che le legano.
L’ultimo elemento della “sacra trimurti” è il riduzionismo. In epistemologia il termine riduzionismo rispetto a qualsiasi scienza sostiene che gli enti, le metodologie o i concetti di tale scienza debbano essere ridotti al minimo sufficiente a spiegare i fatti della teoria in questione. In questo senso il riduzionismo può essere inteso come un’applicazione del cosiddetto “rasoio di Occam” secondo cui non bisogna aumentare senza necessità le entità coinvolte nella spiegazione di un fenomeno.
Questa idea risale al filosofo greco Democrito, padre dell’atomismo. In fisica il riduzionismo cerca di determinare i costituenti fondamentali della materia ma anche in questo caso, è evidente il tallone d’Achille di questo concetto, che pur non minandone la validità complessiva, pone dei limiti a quanto possiamo apprendere da una sua applicazione generalizzata.
Prendiamo ad esempio l’acqua. Si possono certamente studiare tutte le proprietà di una molecola di H2O: la geometria dei legami tra atomi di ossigeno e idrogeno e le regole quantistiche che li governano, il modo in cui le molecole d’acqua stanno insieme e si dispongono, e così via. Ma non riusciremmo mai, guardando solo ai costituenti a livello molecolare, a dedurre la proprietà dell’acqua di essere bagnata. Questa proprietà «emergente» diviene evidente solo quando trilioni di molecole d’acqua si presentano tutte insieme.
Il fatto che esistano emergenze come il calore, la pressione o il bagnato che non possiamo spiegare a livello dei costituenti fondamentali della materia non implica che un sistema sia più della somma delle sue parti, a patto che queste proprietà emergenti siano anch’esse costruite su concetti ancora più basilari, come le forze elettromagnetiche tra particelle subatomiche, nel caso dell’acqua.
Fonti: alcune voci di Wikipedia, Il mondo secondo la fisica di J. Al Khalili