Un semplice programma per computer potrebbe spiegare perché l’Universo esiste

Isaac Newton cambiò il mondo scientifico, scoprendo la legge della gravità universale e la matematica del calcolo. Ora la storia sta per ripetersi?

Stephen Wolfram la pensa così. Lo scienziato di origine britannica, che vive negli Stati Uniti, afferma di aver trovato una strada verso una teoria fisica fondamentale che risponde ad alcune delle più grandi domande, come ad esempio cos’è lo spazio? Che ora è? E perché esiste l’Universo?

“Per essere onesti, molto del lavoro è stato svolto nel 2019 e stavamo per iniziare a parlarne a marzo 2020, ma tutto è stato bloccato per COVID“, afferma Wolfram. “Ma è vero che abbiamo fatto più progressi nella ricerca di una teoria fisica fondamentale di quanto osai credere fosse possibile“.

Il punto di partenza di Wolfram è stato chiedere: cos’è lo spazio? “I fisici non fanno spesso questa domanda“, dice. “Pensano semplicemente allo spazio come allo sfondo su cui si svolgono gli eventi dell’Universo“.

Secondo Wolfram, l’universo sarebbe costituito da una rete di “nodi”, collegati tra loro. La natura delle connessioni, cioè come ogni nodo è collegato a nodi vicini e lontani, può creare uno spazio di qualsiasi dimensione. Quindi, se il numero di nodi aumenta con il quadrato della distanza da un dato nodo, come la superficie di una sfera, la rete ha le proprietà dello spazio 3D familiare.

“In realtà credo che l’Universo sia iniziato con infinite dimensioni e gradualmente si sia raffreddato fino alle tre che abbiamo oggi“, afferma Wolfram. “Ma non so ancora perché ce ne siano esattamente tre“.

Wolfram è interessato a ciò che è il minimo necessario per creare l’Universo. E oltre alla rete di nodi – ‘gli atomi dello spazio’ – c’è un altro ingrediente, le ‘regole’ che cambiano la rete. Quindi, ad esempio, una regola dirà: “Ovunque ci sia un particolare schema di nodi, è necessario sostituirlo con un altro particolare schema di nodi“.

“È l’applicazione di tali regole, più e più volte – il continuo aggiornamento della rete spaziale – che unisce lo spazio”, afferma Wolfram. “Il miracolo è che questo processo può anche creare tutta la materia nell’Universo e tutte le leggi della fisica che abbiamo scoperto negli ultimi 350 anni.

Prima di esaminare questa notevole affermazione, vale la pena considerare come Wolfram sia arrivato a questo punto. Nato a Londra nel 1959, pubblicava articoli di fisica all’età di 15 anni. Come studente laureato presso il California Institute of Technology di Pasadena, ha lavorato con Richard Feynman, probabilmente il più importante fisico statunitense del dopoguerra. Ma un evento cruciale per Wolfram è stata una scoperta che ha fatto nel 1981 quando ha usato un computer per studiare le conseguenze di semplici programmi per computer, quelli il cui output viene ripetutamente reimmesso come input, come un serpente che si mangia la coda.

I programmi per computer più semplici a cui riusciva a pensare all’epoca erano automi cellulari. Queste sono linee di quadrati unidimensionali, ognuna delle quali può essere vuota o riempita. Viene applicata una regola che sostituisce un determinato motivo di quadrati con un altro. In questo modo si crea una nuova linea di quadrati. E un’altra nuova linea. E così via.

La maggior parte delle volte Wolfram ha scoperto che non è successo nulla di interessante. In alcuni casi, tuttavia, c’erano caratteristiche persistenti che si muovevano attraverso la griglia cellulare in evoluzione, che ricordavano le particelle subatomiche nel mondo reale. Ma la grande sorpresa è stata che c’erano alcune regole che creavano novità e complessità senza fine.

Questa è stata un’illuminazione per Wolfram. Di solito, i programmi semplici hanno output semplici e i programmi complessi hanno output complessi. Ma Wolfram aveva scoperto programmi semplici con output complessi. Il suo pensiero immediato fu: “È così che l’Universo crea una rosa o un neonato o una galassia? Si tratta semplicemente di applicare un semplice programma più e più volte?”

Nel 2002, Wolfram ha pubblicato A New Kind Of Science, un tomo di 1.200 pagine con 1.000 immagini in bianco e nero e mezzo milione di parole. In esso, tra le altre cose, ha esplorato le conseguenze di tutte le 256 possibili regole per gli automi cellulari unidimensionali, tra cui la Regola 30, che genera una complessità illimitata. Il libro è stato accolto con ostilità dalla comunità dei fisici. In parte era perché lo aveva pubblicato lui stesso senza passare attraverso il consueto processo di revisione tra pari. Ma un altro motivo era che altri fisici non riuscivano a vedere come usare le sue idee per prevedere qualcosa di utile.

Avevano ragione. Fondamentalmente, Wolfram stava dicendo che la maggior parte di ciò che l’Universo sta facendo è “irriducibile dal punto di vista computazionale” – cioè, il risultato può essere scoperto solo eseguendo il programma per computer per i 13,82 miliardi di anni in cui l’Universo è stato in esistenza.

Ma Wolfram stava anche dicendo che, all’interno del calcolo che genera l’Universo, ci sono isole “riducibili dal punto di vista computazionale“, dove è possibile dedurre il risultato senza eseguire effettivamente il programma. “Queste scorciatoie non sono altro che le leggi della fisica che abbiamo scoperto“, afferma Wolfram.

Alla fine, Wolfram non ha perseguito le idee che aveva esposto in A New Kind Of Science. Da un lato, dice, non c’era alcuna richiesta da parte dei fisici. E d’altra parte, c’era richiesta per i suoi software come il linguaggio informatico Mathematica e il motore di ricerca intelligente WolframAlpha, che lo avevano reso un miliardario. Ha quindi trascorso i due decenni successivi a svilupparli.

Ma nel 2019 ha incontrato alcuni giovani fisici che lo hanno incoraggiato a continuare la sua ricerca di una teoria della fisica computazionale fondamentale. E, all’età di 60 anni, era ora o mai più.

Il problema con gli automi cellulari è che funzionano su una griglia preesistente. Wolfram si rese subito conto che aveva bisogno di qualcosa di più semplice, ancora più elementare. È così che ha avuto l’idea di una rete spaziale autoaggiornante. Ci sono caratteristiche persistenti nelle reti, un po’ come i vortici nell’acqua, e queste sono materia. Alla fine, quindi, tutto nasce dallo spazio. Non c’è nient’altro. In realtà, questo non è del tutto vero. C’è un’altra cosa. “Il tempo, che tutti, da Einstein in poi, pensavano fosse la stessa cosa dello spazio, non lo è“, dice Wolfram. “Il tempo è in realtà il processo di calcolo passo dopo passo“.

Uno dei problemi con l’approccio precedente di Wolfram era che, se avesse trovato il programma che sta generando l’Universo – e credeva che non potesse essere più lungo di quattro righe di codice nel suo linguaggio di computer, Mathematica – si sarebbe quindi posto la domanda: perché questo programma e non un altro? Wolfram ha quindi avuto l’idea che l’Universo sia generato da tutti i possibili programmi in esecuzione contemporaneamente.

“A prima vista sembra incredibilmente disordinato. Come può venirne fuori qualcosa di utile?” dice. “Ma il miracolo è che tutto funziona, compresi i pilastri gemelli della fisica moderna: la teoria della gravità [Relatività generale] di Einstein e la teoria quantistica“.

La cosa fondamentale è rendersi conto che non stiamo osservando l’Universo dall’esterno. Questo è impossibile. Invece, siamo pezzi di rete spaziale autoaggiornante all’interno della rete spaziale autoaggiornante complessiva dell’Universo. Non solo siamo limitati nella quantità di calcoli che possiamo fare e quindi incapaci di percepire la maggior parte dei calcoli irriducibili che avvengono intorno a noi, ma siamo anche limitati dalla nostra biologia, che ci impone un unico filo di tempo su ciò che posiamo vedere. “Nonostante il fatto che tutte le possibili regole siano effettivamente operative, il nostro campionamento rivelerà una singola regola che genera l’Universo“, afferma Wolfram.

Fondamentalmente, i nostri limiti non ci permettono di vedere gli atomi dello spazio. Invece, li vediamo collegati insieme per formare un continuum regolare – un continuum, inoltre, descritto dalla Relatività Generale. Nella teoria di Einstein, le masse come i pianeti seguono il percorso più breve, o “geodetico”, attraverso lo spazio-tempo. Lo spazio-tempo è a sua volta deformato dalla presenza di energia (in senso stretto, energia-momentum). Secondo Wolfram, l’energia nella sua immagine non è altro che la quantità di attività in corso in qualsiasi punto della rete, ed è questo calcolo che alla fine piega le geodetiche di corpi enormi.

La teoria quantistica, al contrario, descrive il regno microscopico degli atomi e dei loro costituenti, ed è nota per apparire fondamentalmente incompatibile con la Relatività Generale. In particolare, non esiste un percorso unico attraverso lo spazio. Gli atomi possono seguire più percorsi, ciascuno con una probabilità associata. Secondo Wolfram, questa storia multipla è incorporata nella sua struttura perché, ogni volta che un pezzo di rete spaziale viene aggiornato, può essere aggiornato non solo da una regola ma da più regole possibili, portando a più storie. “La teoria quantistica non è un bullone, come nella fisica standard“, dice.

Wolfram va oltre. Immagina uno “spazio branchiale” che racchiude tutte queste molteplici storie. E questo richiede la visualizzazione degli strumenti di Mathematica, motivo per cui altri fisici, non solo semplici mortali, trovano difficile seguire Wolfram. Tuttavia, la cosa fondamentale che Wolfram sostiene è che la Relatività Generale, con le sue geodetiche piegate dalla quantità di moto nello spazio normale, è esattamente la stessa della teoria quantistica con le sue geodetiche piegate dalla quantità di moto nello spazio branchiale. “Relatività generale e teoria quantistica sono fondamentalmente la stessa teoria!” dice. “Non mi sarei mai aspettato di scoprire un risultato così bello“.

Questo è davvero un risultato sorprendente. Nella fisica tradizionale, solo la teoria delle stringhe fornisce un quadro che tende a unire la relatività generale e la teoria quantistica, ma ha grossi problemi, non ultimo il fatto che non conduce a un singolo universo ma a un multiverso di circa 10.500 universi. C’è un forte accenno, tuttavia, noto come “principio olografico“, che la teoria quantistica e la relatività generale sono intimamente connesse e che la teoria quantistica si manifesta come relatività generale in uno spazio dimensionale superiore. Wolfram vede il suo lavoro come una conferma di questa connessione.

Carlo Rovelli dell’Università di Aix-Marseilles lavora sulla “gravità quantistica ad anello“, una teria rivale della teoria delle stringhe, che tenta di dimostrare che lo spazio-tempo, alla scala di Planck incredibilmente piccola, è fatto di anelli finiti intrecciati insieme in una complessa rete mutevole . C’è qualche connessione tra il lavoro di Wolfram e la gravità quantistica ad anello? “In effetti, mi sono fatto la stessa domanda!” dice Roverelli.

Altri trovano affascinante il lavoro di Wolfram. Uno è Gregory Chaitin, l’argentino-americano che ha inventato un campo della matematica – la teoria algoritmica dell’informazione – quando aveva 15 anni. “Personalmente penso che il suo nuovo lavoro sia molto interessante“, dice. “E, sì, qualcosa come la relatività generale e come la meccanica quantistica emerge in modo piuttosto naturale“.

A Chaitin piace l’originalità dell’approccio di Wolfram. “La cosa divertente è che questo è completamente distinto da ciò che fanno tutti gli altri. Finora, la teoria delle stringhe è stato l’unico gioco in città che tenta di operare a questo livello. Adesso c’è un’altra partita“.

Wolfram è incoraggiato dalla risposta al suo ultimo lavoro, che è molto diversa da quella che ha avuto nel 2002. Dice che molti giovani fisici stanno frequentando i suoi seminari e che i fisici più anziani mandano i loro studenti. Sta trasmettendo in live streaming gran parte dello sviluppo sul web in modo che le persone possano vedere cosa sta facendo. “Sono rimasto sorpreso di quante poche persone abbiano detto che non può funzionare“, afferma Wolfram. “È più come ‘Non riesco a capirlo’ o ‘dicci quali fenomeni possiamo cercare’“.

Inoltre, ora Wolfram non è solo, come lo era nel 2002. Ora ha una manciata di altri fisici che lavorano con lui. Chaitin pensa che questo sia significativo. “Insolitamente per Stephen, attribuisce persino il merito di co-autore ad alcuni“, dice. Ma una delle principali differenze tra oggi e il 2002 è che l’idea che l’elaborazione delle informazioni sia al centro dell’Universo è molto più mainstream di quanto non fosse due decenni fa. In un certo senso, nulla di ciò che Wolfram sta facendo contraddice la fisica accettata. Sta semplicemente tentando di rivelare il calcolo che genera sia l’Universo che le leggi della fisica che osserviamo.

Una conseguenza dell’immagine di Wolfram è che eventuali gli alieni con diverse biologie e sensi diversi potrebbero vedere parti diverse del calcolo che genera l’Universo e quindi dedurre leggi diverse dalla teoria quantistica e dalla relatività generale. In effetti, potrebbero essere per sempre invisibili per noi, esistenti in parti della rete spaziale che i nostri sensi semplicemente non stanno campionando. “Il nostro punto di vista è limitato dalle nostre dimensioni di circa un metro di altezza e dalla nostra insistenza nel vedere un singolo filo del tempo“, afferma Wolfram. “Ma creature delle dimensioni di un pianeta e senza questa insistenza vedrebbero qualcosa di completamente diverso“.

Alla fine, saranno le previsioni di nuovi fenomeni che confermeranno o confuteranno l’universo computazionale di Wolfram. E al momento queste mancano. Tuttavia, Wolfram vede luoghi che possono essere fruttuosi nel produrre previsioni osservative. Ad esempio, crede che potrebbero esserci domini del nostro Universo con diversi numeri di dimensioni. E, in particolare, sospetta che i buchi neri possano essere in grado di ruotare più velocemente di quanto consentito dalla fisica standard e, così facendo, interi frammenti di spazio-tempo potrebbero staccarsi, cosa impossibile nella Relatività Generale.

La grande domanda rimane, perché esiste un Universo? E qui Wolfram pensa che l’Universo possa esistere più o meno nello stesso senso in cui esiste la matematica. La matematica consiste in un insieme di dati, o ‘assiomi’, e le conseguenze, o ‘teoremi’, che possono essere dedotti da essi applicando le regole della logica. Allo stesso modo, l’Universo è semplicemente la logica conseguenza dell’applicazione di tutte le regole possibili a una rete di nodi disincarnati. “È inevitabile che esista, allo stesso modo in cui è inevitabile che 1+1=2”, dice.

Naturalmente, sperimentiamo l’Universo come una cosa solida, non una cosa astratta come l’edificio della matematica. Tuttavia, poiché anche noi siamo fatti della stessa materia dell’Universo – come creature virtuali in una realtà virtuale – tutto ci appare solidamente reale.