Construct theory: una meta-teoria della fisica che potrebbe spiegare la vita, l’Universo e molto altro

Construct theory: cos’è?

Per molti, la fisica rappresenta un modo per spiegare i comportamenti di oggetti come i buchi neri, le collisioni fra particelle, la caduta delle mele, e i computer quantistici. Un piccolo gruppo di fisici è attualmente impegnato per sviluppare una teoria che non studia semplicemente i singoli fenomeni: si tratta di un nuovo modo di descrivere lo stesso universo.

Questa teoria potrebbe risolvere problemi connessi, per esempio all’evoluzione biologica, o alle cose astratte, come le idee e le informazioni, che sembrano avere delle proprietà totalmente indipendenti da ogni sistema fisico. Questa nuova teoria è chiamata constructor theory, ma, nonostante il suo fascino, pone un problema di non poca rilevanza: come possiamo testarla?

I primi articoli, relativi a questa nuova teoria, riguardavano argomenti come la vita, la termodinamica, e l’informatica, che sembravano essere delle importanti tematiche di base per una nuova teoria.

La construct theory

Nel 2010, la giovane ricercatrice Chiara Marletto ha iniziato a interessarsi ai problemi inerenti i processi biologici. Le leggi della fisica non dicono nulla sulla possibilità della vita – tuttavia, persino una piccolissima variazione di una qualsiasi costante fisica renderebbe impossibile la vita, così come noi la conosciamo.

Quindi, cosa rende possibile l’evoluzione attraverso il meccanismo della selezione naturale? Anche approfondendo tutte le equazioni della fisica, nessuna di queste sembrerebbe fornire una spiegazione plausibile all’evoluzione biologica – cosa che invece, apparentemente, accade.

La ricercatrice, non soddisfatta di questo paradosso, ha cercato di spiegare perché è possibile l’evoluzione della vita se nelle leggi della fisica non sono contenuti indizi utili per fornire un’adeguata spiegazione. Così, nel 2013, si è imbattuta in un articolo scritto dal fisico, nonché pioniere della quantum computing, David Deutsch (della Oxford University), nel quale venivano poste le basi per la constructor theory, il cui principio fondamentale è: “Tutte le altre leggi della fisica si possono interamente esprimere in termini di affermazioni su quali, e perché, trasformazioni fisiche sono possibili o impossibili”.

Convinta che la constructor theory disponesse degli strumenti necessari per risolvere il problema del perché dell’evoluzione, laddove le leggi della fisica non sono in grado di decodificare il progetto degli adattamenti biologici, la Marletto ha approfondito i suoi studi sulla nuova teoria.

Mentre la maggior parte delle teorie si focalizza su cosa accade, la constructor theory si interessa invece di cosa abbia la possibilità di accadere. Nell’attuale paradigma della fisica, si cerca di prevedere la traiettoria, per esempio, di una cometa, dato il suo stato iniziale e le equazioni del moto della relatività generale. La constructor theory, invece, è più generale e cerca di spiegare, come principio, quali siano le traiettorie possibili per quella specifica cometa. Per esempio, nessuna traiettoria, nella quale la velocità della cometa supera quella della luce, è possibile, mentre sono possibili tutte le traiettorie, nelle quali questa velocità rimane sotto quel limite, posto che esse siano consistenti con le leggi della relatività.

Le teorie fisiche prevalenti oggi sono in grado di spiegare dei fenomeni come la collisione di due buchi neri, ma hanno difficoltà a spiegare come e perché un albero esista. Dal momento che la constructor theory fa riferimento a ciò che ha possibilità di accadere, essa potrebbe spiegare le regole che sottendono a quei settori che risultano per natura imprevedibili, come l’evoluzione.

La constructor theory potrebbe spiegare anche le proprietà dell’informazione, la quale non dipende dal sistema fisico nella quale si concretizza: per esempio, una stessa canzone può essere trasmessa sulle onde radio, ricordata a memoria, o scritta su un foglio di carta. La constructor theory applicata all’informazione propone anche nuovi principi che spiegano quali trasformazioni di informazioni siano possibili e impossibili, e perché.

Anche le leggi della termodinamica sono state esattamente espresse in termini della constructor theory; in un primo momento, erano state ipotizzate come delle approssimazioni applicabili solo su determinate scale. Per esempio, nel tentativo di spiegare la seconda legge della termodinamica – secondo la quale l’entropia di un sistema isolato non può mai decrescere nel tempo – alcuni modelli mostrano che un sistema fisico potrà raggiungere una situazione di equilibrio (massima entropia) perché quella è la più probabile configurazione del sistema. Ma, la scala rispetto alla quale queste configurazioni vengono misurate, è stata sempre arbitraria.

Ci si chiede quindi se questi modelli siano validi per sistemi delle dimensioni delle nanoscale, o su sistemi che sono composti anche di una singola particella. Rivedendo le leggi della termodinamica in termini di trasformazioni possibili e impossibili, piuttosto che in termini dell’evoluzione temporale di un sistema, la constructor theory ha espresso queste leggi secondo delle assunzioni che sono esatte e indipendenti dalle dimensioni del sistema. La teoria descrive la seconda legge della termodinamica come qualcosa che renda possibile una trasformazione da A a B, ma non il suo inverso – è possibile convertire in calore tutto il lavoro in una trasformazione, ma non è mai possibile convertire tutto il calore in lavoro, senza effetti collaterali.

Dai tempi della rivoluzione scientifica, la fisica ha compiuto un lungo e rilevante cammino. Nel 1687, nella sua opera Principia Matthematica, Isaac Newton propose la sua teoria fisica universale, definita meccanica classica, basata essenzialmente sulle tre leggi del moto che portano il nome dello scienziato.

La teoria di Newton comporta che, se si conoscono sia la forza che agisce su un sistema, per un dato intervallo di tempo, che la velocità e la posizione iniziale del sistema, allora si possono utilizzare le equazioni del moto della meccanica classica per prevedere la velocità e la posizione del sistema, per ogni istante successivo, in quell’intervallo di tempo.

Nei primi decenni del XX secolo, fu dimostrato che le leggi della meccanica classica non erano in grado di spiegare tutti i fenomeni. Infatti, per spiegare la fisica del mondo microscopico, le assunzioni di Newton furono superate dalla meccanica quantistica. La relatività generale di Einstein ha sostituito la meccanica classica e ha approfondito la nostra comprensione della gravità e la natura della massa, dello spazio e del tempo.

Sebbene i dettagli delle tre teorie – meccanica classica, meccanica quantistica e relatività generale – siano molto differenti fra di loro, essi sono comunque esprimibili in termini di condizioni iniziali e di leggi dinamiche del moto, che permettono di prevedere lo stato della traiettoria di un sistema su un intervallo di tempo. Questo aspetto generale è noto con il nome di concezione prevalente.

Vi sono però molti settori nei quali le nostre migliori teorie non sono semplicemente esprimibili in termini di concezione prevalente di condizioni iniziali e di leggi del moto. Per esempio, le leggi della computazione quantistica non hanno a che fare con cosa accade in un sistema quantistico, a seguito di un definito stato iniziale, ma piuttosto si riferiscono a quali trasformazioni dell’informazione sono possibili o impossibili.

Il problema se un computer quantistico universale – un computer quantistico in grado di simulare ogni sistema fisico con una accuratezza arbitraria – possa essere costruito o meno, non può essere analizzato in termini di condizioni iniziali e leggi del moto.

Anche in cosmologia, è difficile spiegare, nella prospettiva della concezione prevalente, il noto problema delle condizioni iniziali dell’universo: siamo in grado di andare indietro nel tempo per comprendere cosa sia accaduto nei momenti istantaneamente successivi al Big Bang, ma non abbiamo alcuna spiegazione del perché, in quel preciso momento, l’universo si trovava in quel particolare stato iniziale e non in un altro.

La constructor theory, invece, potrebbe dimostrare che le condizioni iniziali del nostro universo – al momento del Big Bang – possono essere dedotte dai principi della teoria. Se pensiamo alla fisica solo in termini di concezione prevalente, tutti i problemi relativi alla computazione quantistica, alla biologia e alla creazione dell’universo, sembreranno impossibili da risolvere.

Gli ingredienti base della constructor theory sono il costruttore, il sostrato di ingresso e il sostrato di uscita. Il costruttore (constructor) è qualunque oggetto capace di determinare una particolare trasformazione fisica e mantenere questa sua abilità nel ripetere l’azione. Il sostrato di ingresso è il sistema fisico che viene presentato al constructor, e il sostrato di uscita è il sistema fisico che scaturisce dopo che il costructor ha effettuato la sua trasformazione sul sistema in ingresso.

Come funziona

Per avere un’idea di come la constructor theory possa descrivere un sistema, si consideri un frullatore. All’interno di questo dispositivo vengono inseriti ingredienti, come il latte, frutta, zucchero e ne scaturisce una bevanda, in forma completa e omogenea. In questo esempio, il frullatore è il constructor, in quanto è in grado di ripetere questa trasformazione più volte (fino a che non si rompe). Il sostrato di ingresso è rappresentato dagli ingredienti, e il sostrato in uscita dal frullato.

Un altro esempio è dato dal nostro Sole. Il Sole agisce come un reattore a fusione nucleare che prende l’idrogeno, come sostrato in ingresso, e lo converte in elio e luce, come sostrato in uscita. Il Sole è un constructor, perché mantiene la capacità di effettuare continuamente questa trasformazione.

Nella concezione prevalente, si può considerare lo stato iniziale del Sole e farlo operare attraverso un apposito algoritmo, che potrebbe produrre una previsione sulla fine del Sole, una volta che si è esaurito tutto il combustibile. Nella constructor theory, si assume che il passaggio dell’idrogeno in elio e luce sia una trasformazione possibile. Una volta che si dà per certo che la trasformazione di idrogeno in elio e luce sia possibile, si deduce che un constructor in grado di generare quel tipo di trasformazione, è un oggetto possibile.

Il principio fondamentale della constructor theory implica che tutte le leggi della fisica – sulla relatività generale, sulla termodinamica, sulla meccanica quantistica e sull’informazione – possano essere espresse in termini di trasformazioni fisiche possibili o non possibili, per principio.

Si consideri adesso questa situazione, che potrebbe apparire molto generale e controintuitiva. Si ha una reazione chimica in presenza di un catalizzatore: il catalizzatore chimico rappresenta il constructor, i reagenti rappresentano il sostrato in ingresso e i prodotti il sostrato in uscita. Anche l’operazione di un computer può essere assimilata a un esempio di constructor theory: il computer (con i suoi programmi) è il constructor, mentre l’informazione in entrata e in uscita corrispondono al sostrato in ingresso e in uscita della constructor theory.

Anche un motore termico è un modello di constructor, così come tutte le forme di vita che si autoriproducono. Si pensi a un batterio con un qualunque codice genetico. La cellula e il suo codice sono una sorta di constructor il cui output è una cellula figlia con una copia del codice genetico della cellula madre.

Poiché la spiegazione di quali siano le trasformazioni possibili e quali impossibili non dipende dalla particolare forma assunta dal constuctor, esso può quindi essere astratto, facendo sì che l’aspetto essenziale della teoria sia riferito alle affermazioni sulle trasformazioni stesse. Questa situazione è molto vantaggiosa perché, per esempio, è possibile esprimere, per principio, quali programmi di un computer siano realizzabili e quali no, senza preoccuparsi dei dettagli dello stesso computer.

Perché esiste la vita?

Come si può dimostrare che l’evoluzione della vita, con tutti i suoi adattamenti e aspetti, sia compatibile con le leggi della fisica, che invece sembrano non contemplarla? Nelle equazioni della relatività generale e della meccanica quantistica non vi sono indizi sulla possibilità di vita. La teoria dell’evoluzione di Darwin, attraverso la selezione naturale, spiega la forma del disegno nella biosfera, ma non fornisce alcuna spiegazione del perché si è originato questo processo.

Oggi l’evoluzione biologica è considerata come un processo in cui i geni si propagano di generazione in generazione replicandosi a spese di geni rivali, alternativi, chiamati alleli. Inoltre, i geni hanno sviluppato dei veicoli complessi, come cellule e organismi, che essi utilizzando per riprodursi.

Il biologo Richard Dawkins è famoso anche per aver reso nota questa visione dell’evoluzione: i geni rappresentano l’unità fondamentale della selezione naturale, e lottano per rimanere immortali autocopiandosi come filamenti di DNA, utilizzando dei veicoli temporanei e protettivi per proliferare di generazione in generazione.

Questa operazione di copia non è perfetta, e ciò comporta delle mutazioni genetiche e quindi una variazione nella capacità dei geni di diffondersi in questa grande combinazione con i rivali. L’ambiente all’interno del quale si trovano i geni è l’elemento che determina quali geni sono in grado di diffondersi e quali non possiedono queste caratteristiche – e quindi, l’ambiente rappresenta la sorgente della selezione naturale.

A questo punto, avendo in mente questa logica di riproduzione, il problema può essere posto in maniera più precisa: le leggi della fisica non esplicitano se le trasformazioni richieste dall’evoluzione e dagli adattamenti biologici sono possibili o meno. Posto ciò, quali sono le proprietà che devono possedere le leggi della fisica, per permettere il processo richiesto dall’autoriproduzione, o dalla selezione naturale?

Il concetto di prevalenza non può dare una risposta a una domanda del genere, perché esso ci porterebbe a cercare di prevedere la nascita della vita seguendo, per esempio, le condizioni iniziali dell’universo. La constructor theory invece ci permette di riformulare il problema e considerare perché e sotto quali condizioni la vita sia possibile.

Ritornando al lavoro svolto da Chiara Marletto, in un suo articolo del 2012, dimostra che l’evoluzione della vita è compatibile con le stesse leggi della fisica, che non la prevedono, supposto che queste leggi permettano la concretizzazione delle informazioni digitali (nella Terra, ciò assume la forma del DNA). Dimostra altresì che un replicatore accurato, come i geni che sopravvivono, devono necessariamente utilizzare dei veicoli per evolversi.

In tal senso, se la construct theory è vera, allora questi veicoli temporanei non sono solo una contingenza della vita nel nostro pianeta, ma piuttosto imposti dalle leggi della natura. Un’interessante previsione che afferisce alla ricerca di vita extraterrestre è che dovunque si possa trovare vita nell’universo, essa non può prescindere dall’utilizzo di replicatori e di veicoli per la propria evoluzione. Ovviamente, questi non devono necessariamente essere il DNA o altri organismi che conosciamo, piuttosto replicatori e veicoli che saranno presenti in altri contesti.

È possibile testare questa teoria?

Possiamo pensare alla constuctor theory come una teoria sulle teorie. D’altro canto, la relatività generale spiega e prevede il moto degli oggetti quando interagiscono fra di loro e nel contesto spazio-tempo. La relatività generale può essere definita come una teoria di livello-oggetto. La construct theory, invece, è una teoria di meta-livello – le sue affermazioni sono leggi sulle leggi.

Così, mentre la relatività generale prende in considerazione il comportamento di tutte le stelle, sia quelle osservate che quelle finora non osservate, la construct theory si riferisce a tutte quelle teorie di livello-oggetto, sia attuali che future, che sono conformi alle sue leggi di meta-livello, chiamate anche principi. Con il senno di poi, possiamo dire che gli scienziati avevano già preso in considerazione questi principi, ancor prima della nascita della construct theory. Per esempio, i fisici si aspettano che tutte le teorie fisiche ancora non conosciute siano conformi al principio di conservazione dell’energia.

La relatività generale può essere testata osservando il moto delle stelle e dei pianeti, la meccanica quantistica può essere testata in laboratori come il Large Hadron Collider.

Ma, come possono essere testati i principi della constructor theory, dal momento che non fanno delle previsioni dirette sul moto dei sistemi fisici? Vlatko Vedral, un fisico e professore di informatica quantistica presso l’Università di Oxford, ha collaborato con Chiara Marletto proprio per realizzare questo tipo di test, immaginando degli esperimenti di laboratorio, nei quali, sistemi di meccanica quantistica possano interagire con la gravità.

Uno dei più grandi problemi irrisolti della fisica moderna è che la relatività generale e la meccanica quantistica sono incompatibili fra di loro, in quanto la relatività generale non spiega il moto e le interazioni degli atomi, mentre la meccanica quantistica non spiega la gravità e nemmeno i suoi effetti su oggetti di grandi dimensioni. Sono state formulate diverse proposte per cercare di unificare le due teorie, ma è notoriamente difficile dimostrare questi tentativi. Tuttavia, queste teorie potrebbero essere testate considerando i principi ai quali esse dovrebbero conformarsi.

Nel 2014, Marletto e Deutsch hanno pubblicato un articolo, che delinea la construct theory dell’informazione, nel quale quantità come l’informazione, la computazione, la misurazione e la distinguibilità sono espresse in termini di trasformazioni possibili o impossibili.

Inoltre, hanno dimostrato che tutte le caratteristiche riconosciute dell’informazione quantistica derivano dai principi della construct theory da loro proposti. Un mezzo di informazione è un sistema fisico nel quale l’informazione è convalidata, come in un computer o nel cervello. Un’osservabile è qualunque quantità fisica che possa essere misurata.

I due ricercatori hanno definito un mezzo di superinformazione come un mezzo di informazione con almeno due osservabili di informazione, la cui unione invece non è un’osservabile di informazione. Per esempio, nella teoria quantistica, è possibile misurare con precisione la velocità di una particella o la sua posizione, ma mai simultaneamente. L’informazione quantistica è un esempio di superinformazione. Ma soprattutto, il concetto della superinformazione che deriva dalla construct theory, è più generale e ci si aspetta che valga per tutte le teorie che sostituiscono la teoria quantistica e la relatività generale.

In un articolo del marzo 2020, Marletto e Vedral hanno dimostrato che se i principi dell’informazione derivati dalla construct theory sono validi, allora se due sistemi quantistici, per esempio due masse, si legano tra di loro, per effetto entanglement, attraverso un terzo sistema, come per esempio un campo gravitazionale, allora anche questo terzo sistema deve essere quantistico.

Così, se si può costruire un esperimento in cui un campo gravitazionale possa generare localmente un entanglement tra due qubit, allora la gravità assume una caratteristica non-classica, perché avrebbe due osservabili che non possono essere misurate simultaneamente con la stessa precisione, come succede nella meccanica quantistica. Se un simile esperimento non mostrasse alcun entanglement tra i qubit, allora la construct theory dovrebbe essere rivista, o addirittura ritenersi falsa.

Se l’esperimento riuscisse a mostrare l’entanglement tra le due due masse, dovrebbero essere esclusi tutti quei tentativi di unificare la relatività generale e la meccanica quantistica che assumono la gravità come un principio classico.

Vedral asserisce che vi sono tre versioni secondo le quali la gravità è consistente con la fisica quantistica. Uno di essi considera la gravità come totalmente quantistica. Le teorie che propongono una gravità completamente quantistica includono l’idea di uno spazio composto da cicli di campi gravitazionali, e la teoria delle stringhe, ovvero l’idea che le particelle sono costituite da stringhe, che si muovono attraverso lo spazio, e le vibrazioni di alcune di queste stringhe corrispondono alle particelle della meccanica quantistica che trasportano la forza gravitazionale.

Le teorie che dovrebbero essere confutate, secondo i principi del construct theory, sono le cosiddette teorie semi-classiche, come per esempio la teoria quantistica dello spazio-tempo curvato. Teorie come queste dovrebbero essere escluse – infatti è inconcepibile pensare allo spazio-tempo da un punto di vista classico, se esso è capace di creare un entanglement tra due particelle dotate di massa.

Purtroppo però, l’esperimento proposto da Marletto e Vedral deve fronteggiare delle difficoltà pratiche.

Vedral infatti afferma che il loro esperimento ha degli ordini di grandezza che superano di cinque o sei volte le capacità delle attuali tecnologie. Uno dei problemi riguarda l’eliminazione di ogni sorgente di rumore, come l’interazione elettromagnetica indotta. Inoltre, è molto difficile creare un vuoto praticamente perfetto. Se attorno agli oggetti che si vogliono legare si ha una elevata quantità di molecole, anche una singola collisione tra una di queste molecole e gli oggetti da legare potrebbe determinare una decoerenza. Il vuoto dovrebbe essere così vicino alla perfezione da garantire che, durante l’esperimento, non si verifichi alcuna collisione atomica.

Vedral ipotizza la creazione di una sorta di costruttore universale, un dispositivo in grado di svolgere tutti i compiti possibili permessi dalle leggi della fisica. Si potrebbe invece pensare a un insieme di assiomi che racchiudono in sé il concetto di costruttore universale. Che tipo di macchina sarebbe questo costruttore universale?

Il tempo dirà se la construct theory è una rivoluzione o meno. Da quando è stata introdotta, solo alcuni fisici, per lo più presso la Oxford University, si sono occupati di questa teoria. Si tratta di un modo diverso di vedere la natura della realtà e se essa continua a risolvere problemi, allora i fisici sono costretti ad adottare una nuova visione del mondo rivoluzionaria.

Non si potrà più pensare alla realtà come una macchina che si comporta in modo prevedibile secondo le leggi del moto, ma come un oceano cosmico pieno di risorse, capace di essere trasformato da un apposito costruttore. Potrebbe essere una realtà definita dalla possibilità piuttosto che dal destino.

Fonte: gizmodo.com