Cosa può insegnarci sull’universo il fatto che esistiamo?

Se usati correttamente, il Principio Antropico Debole e il Principio Antropico Forte ci permettono di trarre conclusioni e vincoli incredibilmente potenti su come è il nostro Universo

440

Per migliaia di anni, gli esseri umani hanno riflettuto sul significato della nostra esistenza. Dai filosofi che hanno discusso se ci si potesse fidare delle loro menti per fornire interpretazioni accurate della nostra realtà ai fisici che hanno tentato di interpretare gli aspetti più strani della fisica quantistica e della relatività, abbiamo appreso che alcuni aspetti del nostro Universo sembrano essere oggettivamente veri per tutti, mentre altri dipendono dalle azioni e dalle proprietà dell’osservatore.

Sebbene il processo scientifico, combinato con i nostri esperimenti e osservazioni, abbia scoperto molte delle leggi e delle entità fisiche fondamentali che governano il nostro Universo, c’è ancora molto che rimane sconosciuto. Tuttavia, proprio come Cartesio è stato in grado di ragionare: “Penso, quindi sono“, il fatto della nostra esistenza – il fatto che “noi siamo” – ha inevitabili conseguenze fisiche anche per l’Universo. Ecco cosa può insegnarci il semplice fatto che esistiamo sulla natura della nostra realtà.

Per cominciare, l’Universo funziona attraverso una serie di regole e siamo stati in grado di dare un senso ad almeno alcune di esse. Capiamo come funziona la gravità a un livello continuo, non quantistico: dalla materia e dall’energia che curvano lo spaziotempo e da quello spaziotempo curvo che detta come materia ed energia si muovono attraverso di esso. Conosciamo gran parte delle particelle che esistono (dal Modello Standard) e come interagiscono attraverso le altre tre forze fondamentali, anche a livello quantistico. E sappiamo che esistiamo, composti da quelle stesse particelle e obbedienti a quelle stesse leggi della natura.

Sulla base di questi fatti, nel 1973 il fisico Brandon Carter formulò due affermazioni che sembrano essere vere:

  1. Esistiamo come osservatori, qui e ora, all’interno dell’Universo, e quindi l’Universo è compatibile con la nostra esistenza in questo particolare luogo nello spaziotempo.
  2. Che il nostro Universo – compresi i parametri fondamentali da cui dipende – deve esistere in modo tale che osservatori come noi possano esistere al suo interno.

Queste due affermazioni sono conosciute, oggi, rispettivamente come Principio Antropico Debole e Principio Antropico Forte. Se usati correttamente, questi due principi ci permettono di trarre conclusioni e vincoli incredibilmente potenti su come è il nostro Universo.

---L'articolo continua dopo la pubblicità---

Pensa a questi fatti, tutti insieme. L’Universo ha parametri, costanti e leggi che lo governano. Noi esistiamo all’interno di questo Universo. Pertanto, la somma totale di tutto ciò che determina il funzionamento dell’Universo deve consentire la nascita di creature come noi al suo interno.

Questo sembra un insieme di fatti semplici e evidenti. Se l’Universo fosse stato tale da rendere fisicamente impossibile l’esistenza di creature come noi, allora non esisteremmo. Se l’Universo avesse proprietà incompatibili con l’esistenza di qualsiasi forma di vita intelligente, allora non esisterebbe nessun osservatore come noi.

Ma siamo qui. Noi esistiamo. E quindi, il nostro Universo esiste con tali proprietà che un osservatore intelligente potrebbe essersi evoluto al suo interno. Il fatto che siamo qui e che ci impegniamo attivamente nell’atto di osservare l’Universo implica questo: l’Universo è cablato in modo tale che la nostra esistenza sia possibile.

Questa è l’essenza del Principio Antropico in generale.

---L'articolo continua dopo la pubblicità---
Questa immagine a lunga esposizione cattura un certo numero di stelle luminose, regioni di formazione stellare e il piano della Via Lattea sopra l’osservatorio ALMA dell’emisfero australe. Questo è letteralmente uno dei modi più potenti che abbiamo di essere “osservatori” nell’Universo, eppure non è chiaro quale ruolo abbia, se del caso, essere un osservatore intelligente nell’influenzare l’Universo stesso. (Credito : ESO/B. Tafreshi (twanight.org))

Non sembra che questa affermazione debba essere controversa. Inoltre non sembra che ci insegni molto, almeno in superficie. Ma se iniziamo a guardare una varietà di enigmi fisici che l’Universo ci ha presentato nel corso degli anni, iniziamo a vedere quanto possa essere un’idea potente per la scoperta scientifica.

Il fatto che siamo osservatori fatti di atomi – e che molti di questi atomi sono atomi di carbonio – ci dice che l’Universo deve aver creato il carbonio in qualche modo. Gli elementi leggeri, come l’idrogeno, l’elio e i loro vari isotopi, si sono formati nelle prime fasi del Big Bang. Gli elementi più pesanti si formano nelle stelle nel corso della loro vita.

Ma per formare quegli elementi più pesanti, ci deve essere un modo per formare il carbonio: il sesto elemento nella tavola periodica. Il carbonio, nella sua forma più comune, ha 6 protoni e 6 neutroni nel suo nucleo. Se si è formato nelle stelle, ci deve essere un modo per formarlo dagli altri elementi che già esistono nelle stelle: elementi come l’idrogeno e l’elio. Sfortunatamente, sotto questa prospettiva, qualcosa non torna.

---L'articolo continua dopo la pubblicità---
Questo spaccato mostra le varie regioni della superficie e dell’interno del Sole, incluso il nucleo, che è l’unico luogo in cui avviene la fusione nucleare. Col passare del tempo, il nucleo ricco di elio si contrarrà e si scalderà, consentendo la fusione dell’elio in carbonio. Tuttavia, sono necessari ulteriori stati nucleari per ottenere un nucleo di carbonio-12 oltre lo stato fondamentale affinché si verifichino le reazioni necessarie. Credito : Wikimedia Commons/KelvinSong)

Conosciamo la massa del carbonio-12 e le masse dei nuclei di elio e idrogeno che sono così abbondanti nelle stelle. Il modo più semplice per arrivarci sarebbe prendere tre nuclei di elio-4 indipendenti e fonderli tutti insieme contemporaneamente. L’elio-4 ha due protoni e due neutroni nel suo nucleo, quindi è facile immaginare che fonderne tre insieme ti darebbe carbonio-12, e quindi potrebbe creare il carbonio di cui abbiamo bisogno nel nostro Universo.

Ma tre nuclei di elio, combinati, sono troppo massicci per produrre in modo efficiente carbonio-12. Quando due nuclei di elio-4 si fondono insieme, producono berillio-8 che dura soli ~10^–16 s prima di decadere di nuovo in due nuclei di elio. Sebbene occasionalmente un terzo nucleo di elio-4 possa penetrarvi se le temperature sono sufficientemente elevate, le energie sono tutte sbagliate per la produzione di carbonio-12; c’è troppa energia. La reazione non ci darebbe abbastanza del carbonio di cui il nostro Universo ha bisogno.

Fortunatamente, il fisico Fred Hoyle capì come funzionava il principio antropico e si rese conto che l’Universo aveva bisogno di un percorso per produrre carbonio dall’elio. Teorizzòo che se ci fosse uno stato eccitato del nucleo di carbonio-12, a un’energia più alta che fosse più vicina alla massa a riposo di tre nuclei di elio-4 combinati, la reazione potrebbe verificarsi. Questo stato nucleare, noto come Stato di Hoyle, fu scoperto solo cinque anni dopo dal fisico nucleare Willie Fowler, che scoprì anche il processo tripla alfa che lo formava, proprio come aveva previsto Hoyle.

---L'articolo continua dopo la pubblicità---
La previsione dello Stato di Hoyle e la scoperta del processo della tripla alfa è forse l’uso più sorprendentemente riuscito del ragionamento antropico nella storia scientifica. Questo processo è ciò che spiega la creazione della maggior parte del carbonio che si trova nel nostro universo moderno. (Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Un’altra volta in cui il principio antropico è stato applicato con successo è stato per capire cosa sia l’energia del vuoto dell’Universo. Nella teoria quantistica dei campi, puoi provare a calcolare qual è l’energia dello spazio vuoto: nota come energia di punto zero dello spazio. Se dovessi rimuovere tutte le particelle e i campi esterni da una regione dello spazio – niente masse, niente cariche, niente luce, niente radiazioni, niente onde gravitazionali, niente spaziotempo curvo, ecc. – rimarresti con lo spazio vuoto.

Ma quello spazio vuoto conterrebbe ancora le leggi della fisica al loro interno, il che significa che conterrebbe ancora i campi quantistici fluttuanti che esistono ovunque nell’Universo. Se proviamo a calcolare qual è la densità di energia di quello spazio vuoto, otteniamo un valore assurdo che è troppo alto: così grande che farebbe crollare l’Universo solo una minuscola frazione di secondo dopo il Big Bang. Chiaramente, la risposta che otteniamo facendo quel calcolo è sbagliata.

Anche nel vuoto dello spazio vuoto, privo di masse, cariche, spazio curvo e qualsiasi campo esterno, esistono ancora le leggi della natura ei campi quantistici sottostanti. Se calcoli lo stato di energia più bassa, potresti scoprire che non è esattamente zero; l’energia di punto zero (o vuoto) dell’Universo sembra essere positiva e finita, sebbene piccola. (Credito : Derek Leinweber)

Allora qual è il valore giusto, allora? Anche se non sappiamo ancora come calcolarlo, oggi il fisico Stephen Weinberg ha calcolato un limite superiore, facendo un uso sorprendente del principio antropico. L’energia dello spazio vuoto determina la velocità con cui l’Universo si espande o si contrae, anche indipendentemente da tutta la materia e le radiazioni al suo interno. Se quel tasso di espansione (o contrazione) fosse troppo alto, non potremmo mai formare vita, pianeti, stelle o persino molecole e atomi all’interno dell’Universo.

Se usiamo il fatto che il nostro Universo ha galassie, stelle, pianeti e persino esseri umani su uno di essi, possiamo porre limiti straordinari a quanta energia del vuoto potrebbe esserci nell’Universo. Il calcolo di Weinberg del 1987 ha dimostrato che deve essere almeno 118 ordini di grandezza, cioè un fattore di 10¹¹⁸, inferiore al valore ottenuto dai calcoli della teoria quantistica dei campi.

Quando l’energia oscura è stata scoperta empiricamente nel 1998, abbiamo potuto misurare quel numero per la prima volta: era 120 ordini di grandezza (un fattore di 10¹²⁰) più piccolo della previsione. Anche senza gli strumenti necessari per eseguire i calcoli necessari per ottenere la risposta, il principio antropico ci ha avvicinato notevolmente alla risposta.

Solo due anni fa, nel 2020, il fisico teorico John Barrow è morto, vittima di un cancro al colon. Nel 1986, ha collaborato con Frank Tipler a un importante libro, The Anthropic Cosmological Principle. In quel libro ridefinirono il principio antropico come le seguenti due affermazioni:

  1. I valori osservati di tutte le grandezze fisiche e cosmologiche non sono ugualmente probabili ma assumono valori limitati dal requisito che esistano siti in cui la vita basata sul carbonio possa evolversi e dal requisito che l’Universo sia abbastanza vecchio per averlo già fatto.
  2. L’Universo deve possedere quelle proprietà che permettono alla vita di svilupparsi al suo interno in qualche fase della storia.

Sebbene queste affermazioni possano sembrare in superficie equivalenti a quelle precedenti, si sommano a qualcosa di molto diverso. Invece di sostenere, come faceva inizialmente Carter, che “la nostra esistenza, come osservatori, significa che le leggi dell’Universo devono consentire agli osservatori di esistere“, ora abbiamo “l’Universo deve consentire una vita intelligente basata sul carbonio e che ipotetici Universi in cui la vita non si sviluppi non sono ammessi”.

Questa riformulazione altamente influente (e controversa) del principio antropico ci porta dall’esigere che l’Universo non renda impossibile l’esistenza degli osservatori a imporre che un Universo in cui non sorgono osservatori intelligenti non possa essere consentito. Questo suona come un enorme atto di fede che non è supportato né dalla scienza né dalla ragione. Nel loro libro, Barrow e Tipler vanno ancora oltre, offrendo le seguenti interpretazioni alternative del principio antropico:

  • L’Universo, così com’è, è stato progettato con l’obiettivo di generare e sostenere osservatori.
  • Gli osservatori sono necessari per creare l’Universo.
  • Perché il nostro Universo esista è necessario un insieme di universi con diverse leggi e costanti fondamentali.

Ognuno di questi scenari potrebbe presentare un’affascinante festa per l’immaginazione, ma rappresentano tutti salti logici incredibilmente speculativi e fanno supposizioni sullo scopo cosmico e sulla relazione tra osservatori e realtà che non sono necessariamente vere.

Possiamo certamente immaginare un numero arbitrariamente grande di possibili configurazioni per il nostro Universo e le leggi e le costanti che lo governano, e possiamo essere certi che il nostro Universo è uno di quelli che ammettono l’esistenza di osservatori intelligenti. Tuttavia, né questo né nessun altro argomento antropico può dirci qualcosa di significativo su entità che non sono in qualche modo legate a osservabili fisici. (Credito : Jaime Salcido/EAGLE Collaboration)

Non devi guardare lontano per trovare affermazioni secondo cui il principio antropico fa una o tutte le seguenti cose: supporta un multiverso, fornisce prove per il paesaggio delle stringhe, richiede che abbiamo un gigante gassoso simile a Giove per proteggere la Terra dagli asteroidi e per spiegare perché la Terra è distante circa 26.000 anni luce dal centro galattico. In altre parole, si sta abusando del principio antropico per sostenere che l’Universo deve essere così com’è perché esistiamo con le proprietà che abbiamo. Non solo è falso, ma non è nemmeno ciò che il principio antropico ci permette di concludere.

Ciò che è vero è che noi esistiamo, esistono le leggi della natura e alcune delle grandi incognite cosmiche possono essere legittimamente vincolate dai fatti della nostra esistenza. In questo senso – e forse solo in questo senso – il principio antropico ha valore scientifico. Ma non appena iniziamo a speculare su relazioni, cause o fenomeni che non siamo in grado di rilevare o misurare, ci lasciamo alle spalle la scienza.

Questo non vuol dire che tali speculazioni non siano intellettualmente interessanti, ma impegnarsi in esse non migliora in alcun modo la nostra comprensione dell’Universo come facevano le previsioni antropiche di Hoyle o Weinberg. Il semplice fatto della nostra esistenza può guidarci verso la comprensione di quali devono essere effettivamente determinati parametri che governano il nostro Universo, ma solo se ci atteniamo a ciò che è scientificamente misurabile, almeno in linea di principio.