L’Universo non è simmetrico

Quando ti saluti allo specchio, il tuo riflesso ricambia. Ma biologicamente, ci sono molti modi in cui è dolorosamente ovvio che il tuo riflesso è fondamentalmente diverso da te. Quando alzi la mano destra, il tuo riflesso alza la sinistra. Se guardassi il tuo corpo con i raggi X, scopriresti che il tuo cuore è al centro-sinistra del tuo petto, ma per il tuo riflesso, è al centro-destra. Quando chiudi un occhio, il tuo riflesso chiude l’altro occhio. E mentre la maggior parte di noi è in gran parte simmetrica sinistra-destra, qualsiasi differenza apparente si manifesterà in modo completamente opposto per la nostra controparte dell’immagine speculare.

Potresti pensare che questa sia solo una proprietà di oggetti macroscopici fatti di composti di entità fondamentali, ma a quanto pare l’Universo non è simmetrico nemmeno a livello fondamentale. Se permetti a una particella instabile di decadere, scoprirai molte differenze fondamentali tra i decadimenti consentiti nell’Universo e i decadimenti che osserveresti allo specchio. Alcune particelle, come i neutrini, hanno solo versioni mancine, mentre le loro controparti di antimateria, gli antineutrini, sono disponibili solo in versioni per destrogire. Ci sono cariche elettriche il cui moto crea correnti e campi magnetici, ma nessuna carica magnetica il cui moto crea correnti magnetiche e campi elettrici.

Nonostante il fascino matematico delle simmetrie aggiuntive e alcune spettacolari conseguenze fisiche che avrebbero per il nostro Universo, la natura stessa non è simmetrica. Ecco come i fisici, dopo alcuni successi iniziali che li hanno invocati, hanno inseguito una grande possibilità che semplicemente non è confermata dalla realtà.

A un livello molto profondo, c’è una connessione inestricabile tra le simmetrie in natura e le quantità conservate nell’Universo. Questa realizzazione è stata matematicamente dimostrata oltre 100 anni fa da Emmy Noether, il cui teorema omonimo – il teorema di Noether – rimane uno dei principi fondamentali della fisica teorica fino ai giorni nostri. Il teorema, originariamente applicabile solo a simmetrie continue e lisce nello spazio fisico, da allora è stato generalizzato per scoprire connessioni profonde tra le simmetrie dell’Universo e le leggi di conservazione.

• Se il tuo sistema è invariante nella traduzione del tempo, il che significa che ora è identico a come era in passato o sarà in futuro, allora porta alla legge di conservazione dell’energia.
• Se il tuo sistema è invariante nella traduzione spaziale, il che significa che qui è identico a come era laggiù o sarà avanti lungo la strada, allora conduce alla legge di conservazione della quantità di moto.
• Se il tuo sistema è rotazionalmente invariante, il che significa che puoi ruotarlo attorno al suo asse e le sue proprietà sono identiche, allora porta alla legge di conservazione del momento angolare.

Laddove queste simmetrie non esistono, non esistono nemmeno le leggi di conservazione associate. Ad esempio, nell’Universo in espansione, l’invarianza della traslazione temporale scompare e quindi l’energia non viene conservata.

Sebbene esistano due tipi di simmetrie: simmetrie continue come l’invarianza rotazionale o traslazionale, nonché simmetrie discrete come simmetrie speculari (riflesso) o simmetrie di coniugazione di carica (sostituzione di particelle con le loro controparti antiparticellari), non tutte le simmetrie che possiamo immaginare vengono effettivamente rispettate dall’Universo.

Ad esempio, se prendi una particella instabile come un mesone e la osservi, scoprirai che ha uno spin: un momento angolare intrinseco ad essa. Quando quel mesone decade, la direzione in cui “sputa” una certa particella sarà correlata al suo spin. Se lo immagini girare in senso orario, come arricciare le dita della mano sinistra mentre il pollice sinistro punta verso il viso, la particella che viene espulsa punterà nella direzione del pollice. La versione con riflesso speculare, tuttavia, sembrerà destrorsa invece che mancina.

Per alcuni decadimenti in alcuni mesoni, è un lavaggio: ci sono un numero uguale di decadimenti destri e mancini. Ma per altri, l’Universo in qualche modo “preferisce” un tipo all’altro. La versione “immagine speculare” della realtà è fondamentalmente diversa dalla realtà che osserviamo.

Ci sono molti, molti altri esempi di queste asimmetrie fondamentali in natura.

• Quando osserviamo i neutrini, scopriamo che sono sempre mancini; se il neutrino si muove nella direzione in cui punta il pollice, solo la direzione in cui le dita della mano sinistra si piegano descriverà la rotazione del neutrino. Allo stesso modo, gli antineutrini sono sempre destrorsi; è come se ci fosse una differenza fondamentale tra le versioni materia e antimateria di queste particelle.
• Quando osserviamo le stelle, le galassie e persino le componenti intergalattiche dell’Universo, scopriamo che sono prevalentemente fatte di materia e non di antimateria. In qualche modo, nel lontano passato dell’Universo, si è creata un’asimmetria fondamentale tra materia e antimateria.
• E quando osserviamo le leggi della fisica, possiamo vedere che è altrettanto facile scrivere le leggi per le cariche e le correnti magnetiche e per i campi elettrici che genererebbero, come lo è scrivere le leggi che conosciamo e hanno per cariche elettriche e correnti, che generano campi magnetici. Ma il nostro Universo sembra possedere solo cariche e correnti elettriche, non magnetiche. L’Universo avrebbe potuto essere simmetrico, ma per qualche ragione non lo è.

Anche così, la potente connessione tra simmetrie e quantità conservate ha portato a una serie di sviluppi fenomenali nella fisica durante il 20° secolo. C’era la consapevolezza che le simmetrie potevano essere ripristinate ad alte temperature, e quando l’Universo si raffredda e quelle simmetrie si rompono, si verificano alcune affascinanti conseguenze fisiche. Inoltre, c’erano alcune quantità che sembravano essere conservate senza spiegazione, e collegare quelle quantità conservate a un’ipotetica simmetria sottostante portava anche alcuni frutti curiosi e rivoluzionari in termini di ciò che è in gioco nell’Universo.

Un’identità quantistica, l’identità di Ward, porta alla conservazione della carica elettrica.

Quando alcune simmetrie si rompono, può fuoriuscire una particella priva di massa: un bosone di Goldstone.

L’applicazione della teoria dei gruppi, delle algebre di Lie e di altri campi matematici alla fisica fondamentale che sta alla base dell’Universo ha dato origine a una serie di idee sorprendenti. Forse la più rivoluzionaria era l’idea che due forze apparentemente non correlate – la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole – potessero unificarsi a una certa energia elevata. Se questa simmetria si interrompesse, si formerebbe una serie di nuove particelle, mentre altre particelle precedentemente prive di massa diventerebbero improvvisamente molto massicce. La scoperta dei bosoni di gauge deboli superpesanti, i bosoni W e Z, così come il bosone di Higgs massiccio, ha illustrato lo spettacolare successo possibile con l’imposizione di simmetrie aggiuntive e l’unificazione delle forze.

Dato l’impareggiabile successo del Modello Standard della fisica delle particelle nel descrivere l’Universo in cui abitiamo, è naturale che i fisici abbiano iniziato a esplorare l’idea di imporre ulteriori simmetrie e di elaborare le conseguenze di ciò che sarebbe sorto se, a energie ancora più elevate, ci fosse stata una struttura ancora più simmetrica rispetto alla realtà.

Due delle idee più popolari erano:

1. imponendo una simmetria sinistra-destra, dove i neutrini destrimani/antineutrini mancini e le cariche magnetiche (monopoli) erano onnipresenti quanto lo sono oggi i neutrini mancini/antineutrini destrimani e le cariche elettriche,
2. una simmetria di unificazione, in cui le forze elettrodeboli e forti si uniscono a temperature ancora più elevate di quelle elettromagnetiche e le forze nucleari deboli si uniscono: alla scala della grande unificazione piuttosto che alla scala elettrodebole.

Più l’Universo è simmetrico, più semplicemente puoi descriverlo in termini matematici. L’idea alla base di questa semplicità ad alta energia è che il nostro Universo appare solo come “disordinato” e “non elegante” come fa oggi perché esistiamo a basse energie e queste simmetrie sottostanti sono (gravemente) rotte oggi. Ma nello stato caldo, denso ed energetico dell’Universo primordiale, forse l’Universo era più simmetrico e più semplice, e queste ulteriori simmetrie avrebbero affascinanti conseguenze fisiche.

Non appena queste idee sono state prese in considerazione, è diventato incredibilmente teoricamente allettante costruire una versione della natura che fosse il più simmetrica, semplice ed elegante possibile. Perché fermarsi a imporre simmetrie sinistra-destra o unificare la forza elettrodebole con la forza nucleare forte?

• Si potrebbe imporre un’ulteriore simmetria: quella tra Fermioni (che sono le particelle fondamentali con spin semiintero, cioè ±1/2, ±3/2, ±5/2, ecc.) e i Bosoni (le particelle fondamentali con spin intero, cioè 0, ±1, ±2, ecc.) che li collocherebbe sullo stesso piano. Questa idea porta alla supersimmetria, una delle idee più grandi della fisica fondamentale moderna.
• Potresti invocare gruppi matematici più ampi per estendere il Modello Standard, portando a modelli entrambi simmetrici sinistra-destra e che unificavano le tre forze quantistiche insieme.
• Oppure potresti andare ancora più lontano e tentare di unire la gravità nel mix, unificando tutte le forze della natura in un’unica enorme struttura matematica: l’idea centrale della teoria delle stringhe.

Più simmetrie sei disposto a imporre, più semplice ed elegante appare la struttura matematica dell’Universo.

Ma ci sono problemi significativi con l’aggiunta di ulteriori simmetrie che spesso vengono ignorate. Per tutte, ciascuna delle nuove simmetrie discusse qui porta alle previsioni sia di nuove particelle che di nuovi fenomeni, nessuno dei quali è stato confermato o convalidato da esperimenti.

1. Rendere l’Universo simmetrico sinistra-destra porta alla previsione che dovrebbero esistere monopoli magnetici, eppure non vediamo monopoli magnetici.
2. Rendere l’Universo simmetrico sinistra-destra implica che entrambi i neutrini destrimani e gli antineutrini mancini dovrebbero esistere, eppure tutti i neutrini appaiono mancini e tutti gli antineutrini sembrano destrorsi.
3. L’unificazione della forza elettrodebole con la forza nucleare forte, nel quadro della grande unificazione, porta a una previsione che dovrebbero esistere nuovi bosoni super pesanti che si accoppiano sia ai quark che ai leptoni, consentendo al protone di decadere. Eppure, il protone rimane stabile, con un limite inferiore alla sua vita superiore a uno sbalorditivo ~ 10 ³⁴ anni.
4. E mentre quella stessa grande struttura di unificazione offre un potenziale percorso per creare un’asimmetria materia-antimateria dove prima non esisteva, il meccanismo a cui conduce è stato invalidato dagli esperimenti di fisica delle particelle.

Nonostante quanto avvincenti siano gli scenari per queste simmetrie aggiuntive, semplicemente non sono confermati dalla realtà.

In effetti, se vuoi creare un’asimmetria materia-antimateria grande quanto osserviamo che il nostro Universo sia oggi, hai bisogno di un Universo più asimmetrico di quello che attualmente conosciamo. Anche con le asimmetrie del Modello Standard, possiamo solo arrivare a un’asimmetria materia-antimateria che è milioni di volte più piccola di quella di cui abbiamo bisogno per concordare con le osservazioni. Ulteriori simmetrie possono aiutare solo se sono più gravemente rotte, in un certo senso, di qualsiasi altra simmetria che abbiamo oggi.

È facile sostenere che questi “spunti” di simmetrie aggiuntive sono stati messi lì dalle nostre stesse speranze, immaginazioni e pregiudizi, non da un bisogno fisico di essi. Alcuni fisici hanno notato che le tre costanti di accoppiamento che rappresentano le tre forze quantistiche – elettromagnetismo, forza debole e forza forte – cambiano tutte forza con l’energia e che quasi (ma non del tutto) si incontrano tutte alla stessa scala di alta energia: circa ~10 ¹⁶ GeV. Se aggiungi alcune nuove particelle o simmetrie, come la supersimmetria o le dimensioni extra, potrebbero effettivamente incontrarsi tutte.

Ma non vi è alcuna garanzia che sia così che la natura funziona effettivamente; questa è solo una possibilità matematica (in effetti, se disegni tre linee non parallele, le metti su una scala logaritmica e la rimpicciolisci, scoprirai che hanno tutte questa proprietà). E devi ricordarlo, nonostante ciò che dice Max Tegmark, la matematica non è fisica. La matematica offre opzioni su ciò che la fisica potrebbe comportare, ma solo osservando l’Universo puoi scegliere quale possibilità matematica ha una rilevanza fisica effettiva.

C’è sempre una tremenda tentazione, in ogni sforzo ma soprattutto nelle scienze, di seguire lo schema di ciò che ha funzionato prima. Se non si ottiene un successo immediato, c’è un’ulteriore tentazione di immaginare che quelle scoperte tanto ricercate siano appena, appena un po’ fuori portata, e che con un po’ più di dati appena un po’ oltre le attuali frontiere, troverai quello che stai cercando. Ma la lezione che dovremmo trarre, dopo oltre 40 anni di aggiunta di sempre più simmetrie oltre a quelle che vediamo nel Modello Standard, è che non ci sono prove a sostegno di queste idee. Nessun monopolio magnetico, nessun neutrino “altra chiralità”, nessun decadimento del protone, ecc.

L’Universo non è simmetrico e prima lasciamo che il nostro Universo misurato, piuttosto che i nostri pregiudizi teorici, sia la nostra guida, meglio staremo tutti. Ci sono molte idee alternative per immaginare un Universo più simmetrico, e forse è tempo che quell’idea tradizionale ma non supportata lasci il posto ad altre se si vogliono fare progressi. Come ha affermato il fisico Lee Smolin in un’intervista del 2021:

“Per me, quando le persone parlano di diversità, ciò significa non solo donne, neri e aborigeni e chi altro, sono tutti molto molto importanti, ma anche molto importanti sono le persone che la pensano in modo diverso… tra le persone che sono eccellenti, tecnicamente, noi vogliamo una varietà ampia di idee e punti di vista e tipi e personalità e genere e razza… è sì sì sì sì. Mi auguro che la prossima generazione e la seconda a quella successiva vivano in un mondo scientifico molto più divertente. Perché se tutti sono come te, non è divertente“.