Autore Lee Smolin
Titolo La rinascita del tempo
SottotitoloDalla crisi della fisica al futuro dell'universo
EdizioneEinaudi, Torino, 2014 , pag. 300, ill., cop.rig.sov., dim. 16x23,7x2,3 cm , Isbn 978-88-06-20697-0
OriginaleTime Reborn. From the Crisis in Physics to the Future of the Universe [2013]
TraduttoreSimonetta Frediani
LettoreCorrado Leonardo, 2015
Classe cosmologia , fisica , epistemologia












 

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Indice


    VII    Prefazione
   XVII    Introduzione
 XXVIII    Ringraziamenti


           La rinascita del tempo

           Parte prima         Peso: l'espulsione del tempo

  5 I.     Cadere
 14 II.    La scomparsa del tempo
 27 III.   Il lancio di una palla
 39 IV.    Fare fisica in una scatola
 47 V.     L'espulsione della novità e della sorpresa
 55 VI.    Relatività e atemporalità
 77 VII.   La cosmologia quantistica e la fine del tempo

           Parte seconda       Luce: la rinascita del tempo

 93        Interludio. Lo scontento di Einstein
 97 VIII.  La fallacia cosmologica
105 IX.    La sfida cosmologica
116 X.     Principi per una nuova cosmologia
125 XI.    L'evoluzione delle leggi
144 XII.   La meccanica quantistica e la liberazione dell'atomo
158 XIII.  La battaglia fra la relatività e il quanto
168 XIV.   Il tempo rinasce dalla relatività
176 XV.    L'emergere dello spazio
199 XVI.   Vita e morte dell'universo
220 XVII.  La rinascita del tempo dal calore e dalla luce
234 XVIII. Spazio infinito o tempo infinito?
247 XIX.   Il futuro del tempo

258 Epilogo.  Pensare nel tempo


279        Bibliografia
283        Indice analitico

 

 

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Pagina VII

Prefazione


Che cos'è il tempo?

Questa domanda solo apparentemente semplice è il problema di per sé piú importante che la scienza fronteggia mentre esplora sempre piú a fondo i fondamenti dell'universo. Tutti i misteri affrontati dai fisici e dai cosmologi - dal Big Bang al futuro dell'universo, dagli enigmi della fisica quantistica all'unificazione delle forze e delle particelle - si riducono essenzialmente al problema della natura del tempo.

Il progresso della scienza è stato contrassegnato dal rigetto delle illusioni. La materia appare omogenea, ma si rivela essere fatta di atomi. Gli atomi sembrano indivisibili, ma sono fatti di protoni, neutroni ed elettroni, e i protoni e i neutroni sono costituiti da particelle ancora piú elementari chiamate quark. Il Sole sembra girare intorno alla Terra, ma è vero il contrario - e fondamentalmente risulta che ogni cosa si muove relativamente a ogni altra cosa.

Il tempo è l'aspetto piú pervasivo della nostra esperienza quotidiana. Tutto ciò che pensiamo, proviamo e facciamo ci ricorda della sua esistenza. Noi percepiamo il mondo come un flusso di momenti che costituiscono la nostra vita. Ma tanto i fisici quanto i filosofi dicono da tempo (e molti pensano) che il tempo sia l'illusione primaria.

Quando domando ad amici non scienziati che cosa sia il tempo secondo loro, spesso rispondono che il suo passaggio è ingannevole e che tutto ciò che è reale - la verità, la giustizia, il divino, le leggi scientifiche - sta al di fuori del tempo. L'idea che il tempo sia un'illusione è un luogo comune filosofico e religioso. Per millenni, le persone si sono rassegnate alle avversità della vita e alla propria mortalità credendo alla possibilità di una fuga finale in un mondo senza tempo e piú reale.

Alcuni dei pensatori piú illustri sostengono che il tempo è irreale. Nella visione della natura di Platone, il piú grande filosofo del mondo antico, e di Einstein, il piú grande fisico del mondo moderno, ciò che è reale è atemporale. La nostra esperienza del tempo appariva a entrambi come un accidente dovuto alla nostra condizione di esseri umani - un accidente che ci nasconde la verità. Entrambi credevano che fosse necessario trascendere l'illusione del tempo per percepire il reale e il vero.

In passato credevo nella fondamentale irrealtà del tempo. In verità, ho intrapreso la carriera di fisico poiché da adolescente desideravo scambiare il mondo umano, che mi appariva brutto e inospitale, con un mondo di verità pura, atemporale. Piú in là negli anni, scoprii che la condizione umana è piuttosto gradevole e la necessità di una fuga trascendente venne meno.

Il punto importante è che oggi non credo piú che il tempo sia irreale. Di fatto, sono passato a nutrire la concezione opposta: non solo il tempo è reale, ma nulla di ciò che sappiamo e di cui facciamo esperienza si avvicina al cuore della natura piú della realtà del tempo.

Le ragioni di questo mio voltafaccia sono legate alla scienza - e, in particolare, agli sviluppi contemporanei della fisica e della cosmologia. Sono giunto a credere che il tempo sia la chiave del significato della teoria quantistica e della sua futura unificazione con lo spazio, il tempo, la gravità e la cosmologia. Sono convinto - e questo è il punto piú importante - che per capire il significato dell'immagine dell'universo che le osservazioni cosmologiche stanno componendo dobbiamo abbracciare la realtà del tempo in un modo nuovo. Questo è ciò che intendo per «rinascita del tempo».

Gran parte di questo libro espone le ragioni scientifiche per credere alla realtà del tempo. Se siete fra i molti che credono che il tempo sia un'illusione, il mio obiettivo è farvi cambiare idea. Se siete già convinti che il tempo sia reale, spero di fornirvi ragioni migliori per crederlo.

Questo libro è per tutti, poiché non esiste nessuno la cui visione del mondo non sia plasmata dal modo in cui considera il tempo. Anche se non avete mai riflettuto sul suo significato, il vostro modo di pensare - il linguaggio stesso con cui esprimete i vostri pensieri - è influenzato da antiche idee metafisiche sul tempo.

Quando adottiamo la concezione rivoluzionaria della realtà del tempo, cambia il nostro modo di considerare qualsiasi altra cosa. In particolare, tendiamo a vedere il futuro in un modo nuovo, che sottolinea nitidamente tanto le opportunità quanto i pericoli fronteggiati dalla specie umana.

[...]




In questo libro spero di trovare una nuova soluzione al paradosso di vivere nel tempo e credere nell'atemporalità. La mia proposta è questa: il tempo e il suo passaggio sono fondamentali e reali e le speranze e le credenze relative a verità e regni atemporali non sono altro che miti.

Accettare il tempo significa essere convinti che la realtà consiste soltanto di ciò che è reale in ciascun momento del tempo. » un'idea radicale, poiché nega ogni tipo di esistenza o verità atemporale - che sia nel dominio della scienza, della morale, della matematica o del governo. Tutti questi settori devono essere riconcettualizzati, per inquadrare le loro verità nel tempo.

Accettare il tempo implica altresí che i nostri assunti di base sul funzionamento dell'universo al livello piú fondamentale sono incompleti. Quando affermo, nelle pagine che seguono, che il tempo è reale, intendo dire che:

- Qualunque cosa sia reale nel nostro universo è reale in un momento, che fa parte di una successione di momenti.

- Il passato era reale, ma non lo è piú. Tuttavia, il passato si può interpretare e analizzare, poiché nel presente troviamo i segni di processi del passato.

- Il futuro non esiste ancora e quindi è aperto. Possiamo ragionevolmente inferire alcune previsioni, ma non possiamo prevedere il futuro in maniera completa. Infatti il futuro può produrre fenomeni che sono realmente nuovi, nel senso che nessuna conoscenza del passato permetterebbe di prevederli.

- Nulla trascende il tempo, nemmeno le leggi della natura. Le leggi non sono atemporali. Come qualunque altra cosa, sono caratteristiche del presente e si possono evolvere nel corso del tempo.


Nelle pagine che seguono vedremo che queste ipotesi indicano una nuova direzione per la fisica fondamentale - che secondo me è l'unica via d'uscita dagli attuali dilemmi della cosmologia e della fisica teorica. Da queste ipotesi, inoltre, discendono alcune conseguenze per il modo in cui dovremmo interpretare la nostra stessa vita e affrontare le sfide cui l'umanità va incontro.

Per spiegare perché la realtà del tempo è tanto importante, per la scienza come per questioni estranee alla scienza, mi piace mettere a confronto il pensare nel tempo con il pensare fuori dal tempo. L'idea che la verità sia atemporale e in qualche modo esterna all'universo è tanto pervasiva che il filosofo brasiliano Roberto Mangabeira Unger la definisce «la filosofia perenne». » l'essenza del pensiero di Platone , che nel Menone è esemplificata dalla parabola dello schiavo e della geometria del quadrato, in cui Socrate sostiene che ogni scoperta è soltanto un atto di ricordo.

[...]




La biologia evoluzionistica darwiniana è il prototipo del pensiero nel tempo, poiché si basa sulla comprensione che i processi naturali che si sviluppano nel tempo possono portare alla creazione di strutture veramente nuove. Possono emergere anche nuove leggi, quando nascono le strutture a cui si applicano. I principÓ della selezione sessuale, per esempio, non sarebbero potuti nascere prima che esistessero i sessi. La dinamica dell'evoluzione non ha alcun bisogno di vasti spazi astratti, come lo spazio di ogni possibile animale, sequenza di DNA, insieme di proteine o legge biologica. » meglio pensare alla dinamica dell'evoluzione, come propone il biologo teorico Stuart Kauffman , come all'esplorazione nel tempo da parte della biosfera di ciò che può accadere al passo successivo: l'«adiacente possibile». La stessa considerazione vale anche per l'evoluzione delle tecnologie, delle economie e delle società.

Pensare nel tempo non è relativismo , ma è una forma di relazioniamo - la concezione filosofica secondo cui la descrizione piú vera di qualcosa si ottiene specificandone le relazioni con le altre parti del sistema di cui fa parte. La verità può essere sia legata al tempo sia oggettiva quando riguarda oggetti che esistono una volta inventati, dall'evoluzione o dal pensiero umano.

Al livello personale, pensare nel tempo vuol dire accettare l'incertezza della vita come il prezzo necessario per essere vivi. Ribellarsi alla precarietà della vita, rifiutare l'incertezza, adottare la «tolleranza zero» nei confronti del rischio, immaginare che la vita possa essere organizzata in modo da eliminare completamente il pericolo, vuoi dire pensare al di fuori del tempo. Essere umani significa vivere sospesi tra il pericolo e l'opportunità.

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Pagina XVIII

Nella Parte prima, presenterò la tesi scientifica per credere che il tempo sia un'illusione. Nella Parte seconda, demolirò questi argomenti e farò vedere perché occorre considerare reale il tempo affinché la fisica fondamentale e la cosmologia possano superare le crisi che stanno affrontando.

Per inquadrare l'argomento della Parte prima, ripercorro lo sviluppo dei concetti di tempo usati nella fisica, da Aristotele e Tolomeo, e poi Galileo, Newton e Einstein, fino ai cosmologi quantistici contemporanei, e mostro come il nostro concetto di tempo si sia ridotto, un poco alla volta, via via che la fisica progrediva. Raccontare la storia in questo modo mi permette anche di introdurre gradualmente il materiale necessario al lettore profano per comprendere l'argomento. In realtà, i punti fondamentali possono essere presentati mediante gli esempi usuali di palle che cadono e pianeti che orbitano.

La Parte seconda racconta una storia piú vicina a noi, poiché l'argomento che il tempo va reintrodotto al cuore della scienza è emerso in conseguenza di sviluppi recenti.

Il mio argomento parte da una semplice osservazione: il successo delle teorie scientifiche da Newton fino ai giorni nostri si basa sul loro uso di una particolare struttura esplicativa inventata da Newton, in cui la natura consiste soltanto di particelle dotate di proprietà atemporali, che si muovono e interagiscono in modi determinati da leggi atemporali. Le proprietà delle particelle, come la massa e la carica elettrica, non cambiano mai né cambiano le leggi a cui obbediscono. Si tratta di una struttura ideale per descrivere piccole parti dell'universo, che però si disintegra se cerchiamo di applicarla all'intero universo.

Tutte le teorie piú importanti della fisica riguardano parti dell'universo - una radio, una palla in volo, una cellula biologica, la Terra, una galassia. Quando descriviamo una parte dell'universo, lasciamo noi stessi e i nostri strumenti di misurazione al di fuori del sistema. Lasciamo fuori il nostro ruolo nella selezione o nella preparazione del sistema che studiamo. Lasciamo fuori i riferimenti che servono a stabilire dove si trova il sistema. Il punto cruciale in relazione alla natura del tempo è che lasciamo fuori gli orologi grazie ai quali misuriamo il cambiamento del sistema.

Il tentativo di estendere la fisica alla cosmologia porta con sé nuove sfide che richiedono un nuovo modo di pensare. Una teoria cosmologica non può lasciar fuori alcunché. Per essere completa, deve tenere conto di tutto ciò che contiene l'universo, compresi noi stessi come osservatori. Deve rendere conto dei nostri strumenti di misura e orologi. Quando ci occupiamo di cosmologia, affrontiamo una situazione nuova: se il sistema che stiamo studiando è l'intero universo, restarne fuori è impossibile.

Una teoria cosmologica, inoltre, deve fare a meno di due aspetti importanti della metodologia della scienza. Una regola fondamentale della scienza è che per poter essere sicuri del risultato di un esperimento dobbiamo ripeterlo molte volte. Ma con l'intero universo non possiamo farlo - l'universo accade una volta sola. Né possiamo preparare il sistema in modi diversi e studiare le conseguenze. Si tratta di ostacoli del tutto reali, che rendono molto piú difficile fare scienza al livello dell'intero universo.

Ciò nondimeno, vogliamo estendere la fisica a una scienza della cosmologia. Istintivamente, la prima mossa sarebbe prendere le teorie che funzionano tanto bene quando le applichiamo a piccole parti dell'universo e ampliarle progressivamente per descrivere l'universo nel suo insieme. Come farò vedere nei capitoli VIII e IX, questo metodo non può funzionare. La struttura newtoniana di leggi atemporali che agiscono su particelle dotate di proprietà atemporali non è adatta per descrivere l'intero universo.

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Pagina XXIII

Che io sappia, il primo scienziato che dagli albori della rivoluzione scientifica abbia riflettuto davvero a fondo sulla formulazione di una teoria dell'intero universo fu Gottfried Wilhelm Leibniz , che tra l'altro fu rivale di Newton, a cui notoriamente contestò la paternità del calcolo infinitesimale. Leibniz, che qualcuno ha definito come la persona piú intelligente mai vissuta al mondo, anticipò la logica moderna, sviluppò un sistema di numeri binari e molto altro. In base al principio di ragion sufficiente, ideato da Leibniz per formulare teorie cosmologiche, deve esistere una ragione razionale per ogni scelta chiara operata nella costruzione dell'universo. Ogni domanda della forma «Perché l'universo è come Y e non come X?» deve avere una risposta. Quindi, se è stato un Dio a creare il mondo, non ha potuto operare alcuna scelta progettuale. Il principio di Leibniz ha avuto un effetto profondo sullo sviluppo della fisica fino a oggi e, come vedremo, continua a essere una guida affidabile per i tentativi di ideare una teoria cosmologica.

Nella visione di Leibniz, ogni cosa al mondo vive non nello spazio, ma immersa in una rete di relazioni. Sono queste relazioni a definire lo spazio, non il contrario. Oggi l'idea di un universo di entità collegate in rete pervade la fisica moderna, cosí come la biologia e l'informatica.

In un mondo relazionale (cosí chiamiamo un mondo in cui le relazioni precedono lo spazio), non esistono spazi senza oggetti. Il concetto newtoniano di spazio era l'opposto, poiché nella visione di Newton lo spazio era assoluto. Ciò significa che gli atomi sono definiti dalla loro posizione nello spazio, ma lo spazio non è influenzato in alcun modo dal movimento degli atomi. In un mondo relazionale, non esistono asimmetrie simili. Gli oggetti sono definiti dalle loro relazioni. Gli individui esistono, e possono essere parzialmente autonomi, ma le loro possibilità sono determinate dalla rete di relazioni. Gli individui si incontrano e si percepiscono l'un l'altro attraverso i collegamenti che li uniscono alla rete, e le reti sono dinamiche e sempre in evoluzione.

Come spiegherò nel capitolo III, dal grande principio di Leibniz segue che non può esistere un tempo assoluto che scorre ciecamente qualunque cosa accada nel mondo. Il tempo deve essere una conseguenza del cambiamento; senza modifiche del mondo, non può esservi tempo. I filosofi dicono che il tempo è relazionale ó è un aspetto delle relazioni, quali la casualità, che governano il cambiamento. In maniera simile, anche lo spazio deve essere relazionale; di fatto, ogni proprietà di un oggetto della natura deve essere un riflesso delle sue relazioni dinamiche con gli altri oggetti del mondo.

I principi di Leibniz contraddicevano le idee fondamentali della fisica di Newton, quindi ci volle del tempo prima che venissero pienamente apprezzati dagli scienziati. Fu Einstein a adottare l'eredità di Leibniz e a usare i suoi principi come motivazione principale per rovesciare la fisica newtoniana e sostituirla con la relatività generale, una teoria dello spazio, del tempo e della gravità che porta a buon punto la concretizzazione della visione relazionale di Leibniz dello spazio e del tempo. In un modo diverso, i principi di Leibniz sono realizzati anche nella rivoluzione quantistica.

Il problema dell'unificazione della fisica e, in particolare, di unire la teoria quantistica e la relatività generale in un unico quadro concettuale corrisponde in gran parte al compito di completare la rivoluzione relazionale della fisica (come chiamo la rivoluzione avvenuta nel Novecento). Il messaggio principale di questo libro è che a tal fine è necessario accettare l'idea che il tempo è reale e le leggi si evolvono.

[...]




«Emergenza» è una parola importante in un mondo relazionale. Una proprietà di qualcosa costituito da piú parti è emergente se non ha senso attribuirla ad alcuna delle parti. Le rocce sono dure, e l'acqua scorre, ma gli atomi di cui sono fatte le rocce e l'acqua non sono né solidi né bagnati. Una proprietà emergente spesso varrà approssimativamente, poiché indica una descrizione media o di alto livello che omette gran parte dei dettagli.

Con il progresso della scienza, alcuni aspetti della natura un tempo considerati fondamentali si rivelano emergenti e approssimati. Un tempo pensavamo che i solidi, i liquidi e i gas fossero stati fondamentali; oggi sappiamo che si tratta di proprietà emergenti, che possiamo interpretare come disposizioni diverse degli atomi che costituiscono ogni cosa. La maggior parte delle leggi della natura un tempo ritenute fondamentali oggi è considerata emergente e approssimata. La temperatura è l'energia media di atomi in movimento casuale, perciò le leggi della termodinamica che hanno a che fare con la temperatura sono emergenti e approssimate.

Sono propenso a credere che finirà per essere considerata approssimata ed emergente quasi ogni cosa che oggi riteniamo fondamentale: la gravità e le leggi di Newton e Einstein che la governano, le leggi della meccanica quantistica, anche lo spazio stesso.

La teoria fisica fondamentale che cerchiamo non riguarderà oggetti che si muovono nello spazio. La gravità, l'elettricità e il magnetismo non vi compariranno come forze fondamentali. Non sarà la meccanica quantistica. Tutti questi emergeranno come concetti approssimati quando l'universo diventa abbastanza grande.

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Pagina 16

Galileo venne a contatto con la musica da bambino, prima di diventare uno scienziato. Si dice che suo padre, Vincenzo Galilei, compositore e autorevole musicologo, avesse teso delle corde di violino nella soffitta della loro casa a Pisa in modo che il giovane figlio potesse fare esperienza diretta della relazione tra l'armonia e i rapporti. Nel duomo di Pisa, annoiato durante una messa, il giovane Galileo si accorse che il tempo impiegato da un lampadario per oscillare da un estremo all'altro era indipendente dall'ampiezza dell'oscillazione. Questa indipendenza del periodo (cioè del tempo impiegato per completare un'oscillazione) dall'ampiezza di un pendolo fu una delle sue prime scoperte. Come fece a realizzarla? Noi useremmo un cronometro o un orologio, ma Galileo non disponeva di questi strumenti. Possiamo immaginare che cantasse tra sé e sé mentre osservava il lampadario oscillare sopra la sua testa, poiché in seguito dichiarò di essere capace di misurare il tempo con la precisione di un decimo del battito del suo cuore.

Galileo manifestò anche una capacità di intrattenimento da musicista, quando pubblicò un'opera divulgativa a difesa del copernicanesimo. Scrisse le sue idee in italiano e non in latino, la lingua usata dagli studiosi, presentandole in modo vivace attraverso dialoghi in cui immaginò vari personaggi conversare sulla scienza nel corso di una cena o di una passeggiata. Per questa ragione viene lodato come un democratico che disdegnava le gerarchie ecclesiastiche e accademiche per fare appello direttamente all'intelligenza delle persone comuni.

Nonostante tutte le sue doti di polemista e sperimentatore, il punto davvero sorprendente sono gli interrogativi che Galileo fu il primo a porsi ó in parte grazie alla liberazione dagli antichi dogmi ereditata dal Rinascimento. A quanto pare l'antica distinzione tra il regno terrestre e quello celeste che per molto tempo aveva impedito di pensare non lo convinceva affatto. Leonardo aveva scoperto la proporzione e l'armonia in forma statica, ma Galileo ricercò l'armonia matematica nei movimenti della vita quotidiana, come quello di un pendolo o di una palla che rotola lungo un piano inclinato. Prima di essere democratico nella strategia di comunicazione, era democratico nei confronti dell'universo.

Galileo distrusse la divinità del cielo quando scopri che la perfezione del cielo era una falsa credenza. Non fu lui a inventare il telescopio e forse non fu l'unico a usare la nuova invenzione per osservare il cielo. Ma la prospettiva e i talenti di cui solo lui era dotato lo spinsero a sollevare la questione di ciò che il telescopio gli aveva permesso di vedere: l'imperfezione. Il Sole ha delle macchie. La Luna non è una sfera perfetta di quinta essenza; vi sono montagne, proprio come sulla Terra. Saturno ha una strana forma triplice. Giove ha molte lune, e le stelle sono enormemente piú numerose di quelle visibili a occhio nudo.

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Pagina 36

Vediamo nuovamente che il risultato del processo di registrazione di un movimento, che avviene nel tempo, è congelato nel tempo - è una registrazione che può essere rappresentata da una curva in un grafico, anch'esso congelato nel tempo.

Per alcuni filosofi e fisici, è un'indicazione della natura della realtà. Altri sostengono il contrario - che la matematica è soltanto uno strumento, la cui utilità non ci impone di vedere il mondo come essenzialmente matematico. Possiamo chiamare i fautori di queste diverse concezioni i mistici e i pragmatisti.

Il pragmatista sostiene che non vi è nulla di sbagliato nel verificare ipotesi sulle leggi del moto trasformando il movimento in tabelle di numeri e cercando regolarità in queste tabelle. D'altro canto, il pragmatista afferma che la rappresentazione matematica di un movimento come una curva non implica che il movimento sia in alcun modo identico alla rappresentazione. Il fatto stesso che il movimento avviene nel tempo mentre la sua rappresentazione matematica è atemporale significa che non sono la stessa cosa.

Dai tempi di Newton alcuni fisici hanno adottato la visione dei mistici, secondo la quale la curva matematica è «piú reale» del movimento stesso. La grande attrattiva del concetto di una realtà piú profonda, matematica, è la sua atemporalità, in contrasto con una effimera successione di esperienze. Cedendo alla tentazione di fondere la rappresentazione con la realtà e identificare il grafico delle registrazioni del movimento con il movimento stesso, questi scienziati hanno compiuto un passo importante verso l'espulsione del tempo dalla nostra concezione della natura.

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Pagina 44

Il metodo risulta essere generale. Può essere applicato a qualunque sistema che possa essere descritto mediante uno spazio delle configurazioni. Una volta specificato il sistema, sono necessarie le medesime tre informazioni:

- la configurazione iniziale del sistema (che fornisce un punto nello spazio delle configurazioni);

- la direzione e la velocità iniziali dei cambiamenti del sistema;

- le forze a cui il sistema sarà soggetto mentre cambia nel tempo.

Con questi dati, le leggi di Newton prevedono con precisione la curva nello spazio delle configurazioni che il sistema seguirà.

La generalità e la potenza del metodo di Newton non possono essere sottovalutate. » stato applicato a stelle, pianeti, lune, galassie, ammassi di stelle, ammassi di galassie, materia oscura, atomi, elettroni, fotoni, gas, solidi, liquidi, ponti, grattacieli, automobili, aeroplani, satelliti, razzi. » stato applicato con successo a sistemi di uno, due o tre corpi e sistemi di 10^23 o 10^60 particelle. » stato applicato a campi - come il campo elettromagnetico - la cui definizione richiede la misurazione di un numero infinito di variabili (il valore del campo elettrico e del campo magnetico in ciascun punto dello spazio, per esempio). Con questo metodo abbiamo descritto un numero enorme di possibili forze o interazioni fra le variabili che definiscono il sistema.

Il metodo di base può essere applicato anche nell'informatica, dove è chiamato studio degli automi cellulari. Inoltre, solo con una piccola modifica, è la base della meccanica quantistica.

A causa della potenza di questo metodo, possiamo chiamarlo paradigma. In onore del suo inventore, lo chiameremo paradigma newtoniano - è un modo piú formale di indicare il metodo del fare fisica in una scatola.

Essenzialmente, il paradigma newtoniano si costruisce a partire dalle risposte a due domande fondamentali:

- Quali sono le configurazioni possibili del sistema?

- Quali sono le forze a cui è soggetto il sistema in ciascuna configurazione?

Le configurazioni possibili sono chiamate anche condizioni iniziali, poiché le specifichiamo per cominciare. Le regole che descrivono le forze e i loro effetti sono dette leggi del movimento, che sono rappresentate da equazioni. Inserendo le condizioni iniziali nelle equazioni, otteniamo l'evoluzione futura del sistema - in altre parole, risolviamo le equazioni. Poiché le condizioni iniziali sono infinite, anche le soluzioni sono infinite.

» necessario rendersi conto che questo metodo potente si basa su alcuni assunti altrettanto potenti. Il primo è che lo spazio delle configurazioni sia atemporale. Si presume che esista un metodo in grado di fornire in anticipo (cioè prima che osserviamo l'evoluzione effettiva del sistema) l'intero insieme di configurazioni possibili. Le configurazioni possibili non si evolvono; esistono e basta. Un secondo assunto è che le forze, e quindi le leggi a cui è soggetto il sistema, siano atemporali. Non cambiano nel tempo e si presume anche che possano essere specificate prima dello studio effettivo del sistema.

Ne possiamo trarre una lezione tanto semplice quanto terrificante. Nella misura in cui gli assunti alla base del paradigma newtoniano si realizzano in natura, il tempo è inessenziale e può essere eliminato dalla descrizione del mondo. Se lo spazio delle configurazioni possibili può essere specificato senza riferimenti al tempo, e possono esserlo anche le leggi, la storia di qualsiasi sistema non va necessariamente considerata in evoluzione nel tempo. » sufficiente, per rispondere a qualunque domanda si possa porre la fisica, considerare l'intera storia di qualunque sistema come un'unica curva congelata nello spazio delle configurazioni. L'aspetto apparentemente piú essenziale della nostra esperienza del mondo - il suo presentarsi come una successione di momenti presenti - non è compreso nel paradigma che si è dimostrato piú utile per descrivere la natura.

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Pagina 53

Molte leggi della fisica sono reversibili rispetto al tempo. Una è la meccanica newtoniana, un'altra è la relatività generale, un'altra ancora è la meccanica quantistica. Il modello standard della fisica delle particelle è quasi ma non completamente reversibile rispetto al tempo (esiste un aspetto quasi sempre irrilevante dell'interazione nucleare debole che non si può invertire). Se prendiamo una storia che si è evoluta secondo il modello standard, invertiamo la direzione del tempo e simultaneamente operiamo altri due cambiamenti, otteniamo un'altra storia che è permessa dal modello. I due cambiamenti sono la sostituzione delle particelle con le loro antiparticelle e lo scambio della destra con la sinistra. L'operazione è chiamata CPT (inversione di carica, parità e tempo) e la possiamo considerare come un modo diverso di proiettare un film al contrario. Qualsiasi teoria in accordo con la meccanica quantistica e la relatività ristretta permette che la direzione del tempo venga invertita in questo modo.

Queste inversioni sono un altro argomento a favore dell'irrealtà del tempo. Se la direzione delle leggi di natura può essere invertita, non vi può essere, in linea di principio, alcuna differenza tra il passato e il futuro - e il fatto che le nostre relazioni con l'uno e l'altro sono molto diverse non può essere una proprietà fondamentale del mondo. Le apparenti differenze tra il futuro e il passato devono essere illusioni o conseguenze di particolari condizioni iniziali.

Ludwig Boltzmann , che, con le sue intuizioni sulla natura dell'entropia, fece piú di chiunque altro per mettere in relazione il mondo atomico con il macromondo della nostra esperienza, scrisse: «Per l'intero universo le due direzioni del tempo sono indistinguibili, cosí come nello spazio non c'è sopra o sotto». E se non esiste una distinzione reale tra passato e futuro - se hanno esattamente lo stesso contenuto, a meno di una nuova disposizione logica - non vi è ragione di credere nella realtà del momento presente o nella realtà del passare del tempo. La reversibilità rispetto al tempo delle leggi della fisica spesso è considerata come un altro passo nella rimozione del tempo da come i fisici concepiscono la natura.

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Pagina 69

Quando Einstein scelse di realizzare il principio di equivalenza con lo spaziotempo curvo, la sua idea era che la curvatura avrebbe trasmesso l'influenza della gravità in modo tale che gli oggetti in caduta in un campo gravitazionale si sarebbero mossi lungo geodetiche. I corpi in caduta libera, quindi, sarebbero caduti verso la Terra non perché soggetti a una forza, ma perché lo spaziotempo è stato curvato in modo tale che le geodetiche formano un arco che punta verso il centro della Terra. I pianeti orbitano intorno al Sole non a causa di una forza esercitata dal Sole, ma perché la sua enorme massa curva la geometria dello spaziotempo in modo tale che le geodetiche si curvano intorno a esso.

Einstein spiegò cosí la gravità come un aspetto della geometria dello spaziotempo. La geometria agisce sulla materia guidandola lungo geodetiche. Ma il bello della teoria della relatività generale di Einstein è che questa azione viene ricambiata. Einstein ipotizzò che la massa fa curvare la geometria in modo tale che le geodetiche accelerano verso corpi con una massa molto grande. Per realizzare questa idea, propose equazioni che impongono allo spaziotempo di curvare proprio in modo da imitare gli effetti della gravità.

Queste equazioni hanno molte conseguenze che sono state confermate con grande precisione dalle osservazioni. Fanno sí che l'intero universo si espanda. Prevedono che le orbite dei pianeti intorno al Sole e della Luna intorno alla Terra siano leggermente diverse da quelle previste dalla fisica newtoniana e questi effetti sono stati osservati. Fanno sí che lo spaziotempo intorno a corpi estremamente compatti si curvi in misura tale che la luce non può sfuggire; si tratta dei buchi neri e al centro della maggior parte delle galassie ve ne sono di straordinariamente massicci - massicci come molti milioni di stelle.

La conseguenza forse piú notevole delle equazioni della relatività generale è il fatto che la geometria dello spaziotempo è deformata dal passaggio di onde che lo attraversano. Queste onde sono analoghe alle deformazioni della superficie di uno stagno; è la geometria dello spazio che oscilla mentre le onde lo attraversano. Queste onde gravitazionali sono causate da rapidi cambiamenti dei movimenti di corpi molto massicci, come due stelle di neutroni che orbitano una intorno all'altra, e portano immagini di questi eventi violenti in tutto l'universo. Attualmente si fanno grandi sforzi per rilevare queste immagini, che spalancheranno una nuova finestra sull'astronomia che ci permetterà di guardare all'interno di una supernova che collassa e di tornare indietro fino ai primi momenti del Big Bang ó e forse ancora piú indietro.

Gli effetti delle onde gravitazionali sono stati osservati indirettamente. Quando due stelle di neutroni ruotano rapidamente una intorno all'altra, le onde gravitazionali che producono sottraggono energia, facendole muovere a spirale una verso l'altra. Questo movimento a spirale è stato osservato ed è risultato concordare con grande precisione con le previsioni della relatività generale.


Con l'invenzione della relatività generale, Einstein promosse una trasformazione radicale della concezione dello spazio e del tempo. Nella fisica newtoniana la geometria dello spazio è fissata una volta per tutte. Si presume che lo spazio abbia la geometria dello spazio euclideo tridimensionale. Nella fisica newtoniana vi è quindi qualcosa di preoccupantemente asimmetrico nella relazione tra spazio e materia: sembra che lo spazio dica alla materia come muoversi, ma lo spazio stesso non cambia mai. Le azioni non sono ricambiate. Lo spazio non è mai influenzato dal movimento della materia e nemmeno dalla sua presenza. Lo spazio, a quanto pare, sarebbe esattamente identico se la materia fosse del tutto assente.

Questa asimmetria viene corretta nella relatività generale, in cui lo spazio diventa dinamico. La materia influenza i cambiamenti della geometria cosí come la geometria influenza il movimento della materia. La geometria diventa pienamente un aspetto della fisica, proprio come il campo elettromagnetico. Le equazioni di Einstein che specificano la dinamica dello spaziotempo sono quindi come altre ipotesi: esplorano le proprietà dei fenomeni fisici e le loro relazioni reciproche.

Se la geometria dello spaziotempo fosse sempre identica, diremmo che lo spazio e il tempo sono assoluti: soltanto i dettagli differiscono dalla concezione newtoniana delle proprietà dello spazio e del tempo come atemporali e fissate. Il fatto che la geometria sia dinamica e influenzata dalla distribuzione della materia realizza l'idea di Leibniz che lo spazio e il tempo siano puramente relazionali.

Nella sua formulazione di una teoria relazionale dello spazio e del tempo, Einstein fu guidato da Ernst Mach. Questi introdusse il cosiddetto principio di Mach, il quale afferma che dovrebbe avere importanza soltanto il movimento relativo, cosicché se ci gira la testa quando ruotiamo su noi stessi, dev'essere dovuto al fatto che ruotiamo rispetto alle galassie distanti. La tesi che l'effetto sia dovuto a un movimento relativo implica che proveremmo lo stesso senso di vertigine se stessimo fermi e l'intero universo ruotasse intorno a noi.

Ma la relatività generale, pur essendo rivoluzionaria sotto questo profilo, in un altro senso è conservatrice, poiché si inserisce perfettamente nel paradigma newtoniano. Esiste uno spazio di configurazioni possibili della geometria e della materia insieme. Date le condizioni iniziali, le equazioni di Einstein determinano tutta la geometria futura di un particolare spaziotempo e di tutto ciò che contiene, materia e radiazione comprese.

Nella relatività generale, inoltre, l'intera storia del mondo continua a essere rappresentata da un oggetto matematico. Lo spaziotempo della relatività generale corrisponde a un oggetto matematico molto piú complesso dello spazio euclideo tridimensionale della teoria di Newton. Considerato come un universo-blocco, tuttavia, è atemporale e puro, senza distinzioni tra futuro e passato e senza tracce della nostra consapevolezza del presente, che non ha alcun ruolo.

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Nella Parte prima, abbiamo ripercorso nove passi nell'espulsione del tempo dalla concezione fisica della natura, dalle scoperte di Galileo sui corpi in caduta alla cosmologia quantistica di Julian Barbour. Tra poco vedremo rinascere il tempo, ma prima dobbiamo demolire gli argomenti apparentemente convincenti esaminati nella Parte prima.

I nove argomenti appartengono a tre classi:


Gli argomenti newtoniani, che discendono dalla fisica newtoniana o dal paradigma newtoniano per fare fisica:

- il congelamento del tempo con la rappresentazione grafica delle registrazioni di osservazioni passate;

- l'invenzione dello spazio atemporale delle configurazioni;

- il paradigma newtoniano;

- l'argomento a favore del determinismo;

- la reversibilità rispetto al tempo.


Gli argomenti einsteiniani, che derivano dalla teoria della relatività generale e dalla teoria della relatività ristretta:

- la relatività della simultaneità;

- l'immagine dell'universo-blocco;

- l'inizio del tempo nel Big Bang.


Gli argomenti cosmologici, che derivano dall'estensione della fisica all'intero universo:

- la cosmologia quantistica e la fine del tempo.


Questi nove argomenti conducono a una visione della natura che nega la realtà del momento presente e parla invece della natura in funzione dell'immagine dell'universo-blocco in cui ciò che è reale è soltanto l'intera storia del mondo considerata come un tutt'uno. In questa immagine, il tempo è trattato come una dimensione dello spazio, perciò la causalità nel tempo può essere sostituita con l'inferenza logica atemporale. La relatività generale e la fisica newtoniana possono parlare di storie che si evolvono nel tempo, ma qui si tratta di tempo nel senso debole di ordine matematico, senza la continua nascita dei momenti presenti. In queste teorie, il tempo non è reale, nel senso che ho definito nella Prefazione quando ho affermato che tutto ciò che è reale lo è in un momento del tempo. Per rendere vivido il contrasto, le chiamerò «teorie atemporali».

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L'universo è un'entità di tipo diverso rispetto a qualsiasi sua parte. E non è semplicemente la somma delle sue parti. In fisica, tutte le proprietà degli oggetti dell'universo sono intese in termini di relazioni o interazioni con altri oggetti. Ma l'universo è la somma di tutte queste relazioni e, come tale, non può avere proprietà definite da relazioni con un'altra entità simile.

Quindi la Terra, nell'universo di Anassimandro, è l'unica cosa che non cade poiché è la cosa verso la quale le cose cadono. In maniera simile, il nostro universo è l'unica cosa che non può essere causata o spiegata da qualcosa di esterno poiché è la somma di tutte le cause.

Se l'analogia tra la scienza attuale e quella degli antichi Greci è pertinente, dall'atto di estendere all'intero universo leggi valide alle piccole scale seguiranno paradossi e domande a cui non si può rispondere. Di fatto sono emersi gli uni e le altre. Noi che viviamo oggi siamo portati dalla nostra fiducia nel paradigma newtoniano a porci due semplici domande a cui nessuna teoria basata su questo paradigma potrà mai rispondere:

- Perché le leggi sono queste? Perché l'universo è governato da un insieme particolare di leggi? Che cosa ha fatto scegliere queste leggi e non altre che avrebbero potuto governare il mondo?

- L'universo incomincia al momento del Big Bang con un insieme particolare di condizioni iniziali. Perché proprio quelle condizioni iniziali? Una volta stabilite le leggi, vi è ancora un numero infinito di condizioni iniziali con cui l'universo avrebbe potuto cominciare. Quale meccanismo ha scelto quelle condizioni iniziali dall'insieme infinito di possibilità?


Il paradigma newtoniano non può nemmeno tentare di rispondere a queste due domande enormi, poiché le leggi e le condizioni iniziali sono i suoi dati in ingresso. Se fondamentalmente la fisica è formulata nell'ambito del paradigma newtoniano, questi grandi interrogativi resteranno per sempre un mistero.

Un tempo pensavamo di sapere perché le leggi sono queste. Molti teorici erano convinti che una sola teoria matematicamente coerente potesse incorporare le quattro forze fondamentali della natura - elettromagnetismo, interazione nucleare debole, interazione nucleare forte e gravità, nell'ambito della teoria quantistica. Se fosse stato vero, la risposta sarebbe stata che una sola legge fisica possibile poteva dare origine a un mondo piú o meno come il nostro.

Questa speranza, tuttavia, si è infranta. I dati di cui disponiamo oggi indicano che non esiste un'unica teoria che incorpori tutto ciò che sappiamo della natura - in sostanza, una teoria che concili la relatività generale con la meccanica quantistica. Molti approcci diversi al problema della gravità quantistica hanno realizzato grandi progressi negli ultimi trent'anni e la conclusione è che ciascuno di essi, nella misura in cui ha successo, lo ha in un modo che non è affatto unico. L'approccio piú studiato, la gravità quantistica a loop, sembra permettere una vasta gamma di scelte di particelle e forze elementari.

La stessa considerazione vale per la teoria delle stringhe, che promette anch'essa l'unificazione della gravità e della teoria quantistica. Abbiamo prove dell'esistenza di un numero infinito di teorie delle stringhe, molte delle quali dipendono da un grande insieme di parametri - variabili che possono essere calibrate manualmente assegnando loro qualunque valore desiderato. Queste teorie sembrano tutte altrettanto coerenti dal punto di vista matematico. Per lo piú, descrivono mondi con uno spettro di forze e particelle elementari all'incirca come le nostre - benché, finora, nessuna teoria delle stringhe che sia stata formulata comprenda esattamente il modello standard della fisica delle particelle.

La speranza originaria accesa dalla teoria delle stringhe era che saremmo arrivati a un'unica teoria fondamentale che avrebbe riprodotto in modo esatto il modello standard e fornito previsioni specifiche per osservazioni al di là del suo dominio. Nel 1986, Andrew Strominger scopri che la teoria delle stringhe ha un gran numero di versioni, distruggendo questa speranza. Fu questo a spingermi a domandarmi come l'universo potrebbe aver scelto le sue leggi - e a portarmi alla fine ad accettare la realtà del tempo.

Chiudiamo l'argomento delle domande senza risposta. Che cosa si può dire dei dilemmi? Si dà il caso che alla base del concetto usuale di legge della fisica nell'ambito del paradigma newtoniano ve ne sia uno considerevole. Ciò che intendiamo definendo qualcosa una «legge» è che questo qualcosa si applica a molti casi; se si applicasse a un unico caso, sarebbe semplicemente un'osservazione. Ma qualsiasi applicazione di una legge a qualsiasi parte dell'universo comporta un'approssimazione, come abbiamo visto nel capitolo IV, poiché dobbiamo trascurare tutte le interazioni fra quella parte e il resto dell'universo. Pertanto le molte applicazioni di una legge di natura che sono verificabili sono tutte approssimazioni.

Per applicare una legge di natura senza approssimazioni, dobbiamo applicarla all'intero universo. Ma esiste un solo universo - e un solo caso non fornisce prove sufficienti per giustificare la tesi che una particolare legge di natura sia applicabile. Potremmo chiamarlo «il dilemma cosmologico».

Il dilemma cosmologico non deve necessariamente impedirci di applicare leggi naturali - come la relatività generale o la legge del moto di Newton - a sottosistemi dell'universo. Funzionano in quasi tutti i casi ed è per questo che le chiamiamo leggi. Ma ognuna di queste applicazioni è un'approssimazione basata sulla finzione di trattare un sottosistema dell'universo come se fosse tutto ciò che esiste. Il dilemma cosmologico non ci impedisce neanche di immaginare che la storia del nostro universo sia una soluzione di una legge come la relatività generale, con la materia descritta dal modello standard. Tuttavia non spiega perché quella soluzione sia stata scelta come l'unica da realizzare nella natura. E una sola soluzione non dimostra che le leggi naturali che esistono siano una combinazione della relatività generale e del modello standard, poiché quell'unica soluzione potrebbe approssimare le soluzioni di molte leggi diverse.

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Queste considerazioni indicano una sola conclusione: il nostro modo di immaginare una legge di natura a una scala cosmologica è sbagliato. Le ragioni sono tre:

1. L'affermazione che una legge si applica a una scala cosmologica implica una gran quantità di informazioni su previsioni relative a casi inesistenti ó cioè ad altri universi. Ciò suggerisce che l'universo potrebbe essere spiegato da qualcosa di molto piú debole di una legge. Non abbiamo bisogno di una spiegazione tanto stravagante da formulare previsioni su un numero infinito di casi che non si verificano mai. Una spiegazione che renda conto soltanto di ciò che accade realmente nel nostro universo, l'unico che esista, sarebbe sufficiente.

2. Una legge del tipo usuale non può spiegare perché la soluzione che descrive il nostro universo è quella di cui facciamo esperienza.

3. La legge non può rendere conto di sé stessa. Non offre una spiegazione del motivo per cui a valere è quella legge e non altre.


Pertanto una legge naturale tradizionale, applicata all'universo, spiega troppo e allo stesso tempo non spiega abbastanza.

L'unico modo di evitare questi dilemmi e paradossi consiste nel cercare una metodologia che vada al di là del paradigma newtoniano - un nuovo paradigma, applicabile alla fisica alla scala dell'universo. A meno che non ci accontentiamo di lasciare che la fisica sfoci nell'irrazionalità e nel misticismo, il metodo che è stato la base del suo successo fino a questo momento deve essere sostituito.

Ma tutti gli argomenti a favore dell'espulsione del tempo dalla fisica presentati nella Parte prima si basano sull'assunto che il paradigma newtoniano possa essere esteso all'intero universo. Se questa estensione è impossibile, tutti questi argomenti vengono meno. Quando abbandoniamo il paradigma newtoniano, dobbiamo abbandonare anche questi argomenti, e credere che il tempo sia reale diventa possibile.

Possiamo fare di meglio cercando di formulare una vera teoria cosmologica se accettiamo la realtà del tempo? Nei capitoli che seguono spiegherò perché la risposta è positiva.

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Pagina 116

Capitolo decimo

Principi per una nuova cosmologia


Inizia ora la nostra ricerca di una teoria che possa veramente essere una teoria dell'intero universo. Una tale teoria deve evitare il dilemma cosmologico e deve anche essere indipendente dal background - non deve presumere una suddivisione del mondo in due parti, una contenente variabili dinamiche che si evolvono, l'altra strutture fisse che forniscono un background per dare significato alle parti in evoluzione. Tutto ciò che secondo la teoria fa parte della realtà deve essere definito dalle sue relazioni con il resto della realtà, in un modo che lo renda soggetto al cambiamento.

Che cosa dobbiamo richiedere a una vera teoria cosmologica?

- Qualsiasi teoria nuova deve contenere ciò che sappiamo già della natura. Abbiamo bisogno che le teorie attuali - il modello standard della fisica delle particelle, la relatività generale e la meccanica quantistica - emergano come approssimazioni della teoria cosmologica sconosciuta ogni volta che restringiamo l'attenzione a una scala di distanza o di tempo inferiore a quella cosmologica.

- La nuova teoria deve essere scientifica. Le vere spiegazioni mostrano la loro validità avendo miriadi di conseguenze inattese. Non si può semplicemente inventare qualcosa perché il risultato è una bella storia. Una vera teoria deve implicare specifiche previsioni verificabili.

- La nuova teoria dovrebbe rispondere alla domanda «perché le leggi sono queste?» Deve permetterci di progredire in misura considerevole nella comprensione di come e perché sono state scelte le particolari particelle e forze elementari descritte nel modello standard. Soprattutto, deve spiegare gli speciali e improbabili valori delle costanti fondamentali del nostro universo - i parametri, come le masse delle particelle elementari e le intensità delle varie forze, che sono specificati dal modello standard.

- La nuova teoria dovrebbe rispondere alla domanda «perché proprio quelle condizioni iniziali?», spiegandoci perché il nostro universo ha proprietà che sembrano strane se le paragoniamo a quelle dei possibili universi che potrebbero essere descritti dalle stesse leggi.


Questi sono i requisiti minimi. Dato che stiamo parlando di una teoria dell'intero universo, la sapienza collettiva della fisica - contenuta nelle opere dei grandi geni che lottarono per inventare teorie del mondo naturale, come Keplero, Galileo, Newton, Leibniz, Ernst Mach ed Einstein - prescrive che se ne possa specificare qualche altro. Ecco la mia interpretazione di ciò che ci hanno insegnato questi saggi.

[...]




Anche se la teoria cosmologica non è ancora stata formulata, ne sappiamo già qualcosa, se i principÓ proposti sono validi:

- Dovrebbe contenere ciò che sappiamo già della natura, ma sotto forma di approssimazioni.

- Dovrebbe essere scientifica; in altre parole, deve formulare previsioni verificabili per esperimenti realizzabili.

- Dovrebbe spiegare perché le leggi sono queste.

- Dovrebbe risolvere il problema delle condizioni iniziali.

- Non deve presumere simmetrie né leggi di conservazione.

- Dovrebbe essere causalmente ed esplicativamente chiusa. Per spiegare qualsiasi cosa all'interno dell'universo non dovrebbe essere necessario alcunché di esterno all'universo.

- Dovrebbe soddisfare il principio di ragion sufficiente, il principio che non esistono azioni non ricambiate e il principio di identità degli indiscernibili.

- Le sue variabili fisiche dovrebbero descrivere relazioni soggette a evoluzione fra entità dinamiche. Non dovrebbero esistere strutture di background fisse, comprese leggi di natura fisse. Pertanto le leggi naturali si evolvono, il che implica che il tempo è reale.

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Pagina 126

Poiché la selezione naturale cosmologica è stata l'argomento del mio primo libro, La vita del cosmo, la descriverò solo quel tanto che basta a chiarire perché l'evoluzione delle leggi nel tempo porta a una loro spiegazione falsificabile.

L'ipotesi fondamentale della selezione naturale cosmologica è che gli universi si riproducono mediante la creazione di nuovi universi all'interno di buchi neri. Il nostro universo è quindi un discendente di un altro universo, nato in uno dei suoi buchi neri, e ogni buco nero nel nostro universo è il seme di un nuovo universo. In questo scenario si possono applicare i principi della selezione naturale.

Il meccanismo della selezione naturale che uso si basa sui metodi della biologia delle popolazioni che servono a spiegare come la scelta di certi valori dei parametri che governano un sistema possa renderlo piú complesso di quanto sarebbe altrimenti. Per applicare la selezione naturale a un sistema allo scopo di spiegarne la complessità sono necessari questi elementi:

- Uno spazio dei parametri che variano nella popolazione. In biologia, questi parametri sono i geni. In fisica, sono le costanti del modello standard, tra cui le masse delle varie particelle elementari e le intensità delle forze fondamentali. Questi parametri formano una sorta di spazio delle configurazioni per le leggi della natura - uno spazio chiamato paesaggio delle teorie (un'espressione presa in prestito dalla biologia delle popolazioni, in cui lo spazio dei geni è chiamato paesaggio di fitness).

- Un meccanismo di riproduzione. Adotto una vecchia idea che mi fu proposta dal mio mentore dopo il dottorato, Bryce DeWitt, e cioè che i buchi neri portino alla nascita di nuovi universi. » una conseguenza dell'ipotesi che la gravità quantistica elimini le singolarità là dove il tempo inizia e finisce - un'ipotesi ben confermata dal punto di vista teorico. Il nostro universo contiene molti buchi neri, almeno un miliardo di miliardi, il che suggerisce una grandissima popolazione di discendenti. Possiamo supporre che il nostro universo faccia esso stesso parte di una linea di discendenza che risale a un passato remoto.

- Variazione. La selezione naturale funziona anche perché i geni mutano o si ricombinano casualmente durante la riproduzione e cosí i genomi della prole sono diversi dai genomi di entrambi i genitori. In maniera analoga, possiamo ipotizzare che, ogni volta che si crea un universo, i parametri delle leggi subiscano un piccolo cambiamento casuale. Perciò possiamo segnare sul paesaggio il punto che corrisponde ai valori dei parametri per quell'universo. Il risultato è una grande collezione crescente di punti del paesaggio, che rappresentano variazioni dei parametri delle leggi nel multiverso.

- Differenze di fitness. Nella biologia delle popolazioni, la fitness di un individuo è una misura del suo successo riproduttivo - il numero dei figli generati che vivono abbastanza a lungo da generare a loro volta figli. La fitness di un universo è allora una misura del numero di buchi neri generati. Il numero risulta dipendere in maniera sensibile dai parametri. Generare un buco nero non è affatto facile, perciò molti parametri portano a universi che non contengono buchi neri. Alcuni parametri portano a universi che ne contengono moltissimi. Questi universi occupano una regione molto piccola dello spazio dei parametri. Presumeremo che queste regioni molto fertili dello spazio dei parametri siano isole circondate da regioni molto meno fertili.

- Tipicità. Presumeremo anche che il nostro universo sia un membro tipico della popolazione di universi, cosí com'è quella popolazione dopo molte generazioni. Pertanto possiamo prevedere che qualsiasi proprietà comune alla maggior parte degli universi sia una proprietà anche del nostro.

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Pagina 252

All'interno del paradigma newtoniano, uno spazio atemporale delle configurazioni può essere descritto come un oggetto matematico. Anche le leggi possono essere rappresentate da oggetti matematici, cosí come le loro soluzioni, che sono storie possibili del sistema. La matematica corrisponde non a processi fisici reali, ma soltanto a loro registrazioni una volta che si sono conclusi - anch'esse, per definizione, atemporali. Eppure il mondo continua a essere, sempre, un fascio di processi che si evolvono nel tempo e soltanto alcune sue piccole parti possono essere rappresentate da oggetti matematici atemporali.

Poiché non è possibile estendere il paradigma newtoniano all'intero universo, non è necessario che esista un oggetto matematico che corrisponde alla storia esatta di tutto l'universo. Né occorrono, per l'intero universo, uno spazio atemporale delle configurazioni e leggi atemporali rappresentate come oggetti matematici universali atemporali.

John Archibald Wheeler soleva scrivere equazioni di fisica sulla lavagna, fare due passi indietro e dire: «Ora batterò le mani e nascerà un universo». Naturalmente, non nasceva nulla. Stephen Hawking, ne La breve storia del tempo , domandava: «Che cos'è che insuffla il fuoco nelle equazioni, dando loro un universo da descrivere?» Sono parole che rivelano l'assurdità dell'opinione che la matematica preceda la natura. In realtà la matematica viene dopo la natura. Non ha potere generativo. In altre parole, nella matematica le conclusioni sono imposte da implicazioni logiche, mentre in natura gli eventi sono generati da processi causali che agiscono nel tempo. Non è la stessa cosa; le implicazioni logiche possono modellare aspetti di processi causali, ma non sono identiche a processi causali. La logica non è lo specchio della causalità.

La logica e la matematica colgono aspetti della natura, mai tutta la natura. Esistono aspetti dell'universo reale che non saranno mai rappresentabili nella matematica. Uno è il fatto che nel mondo reale è sempre un momento particolare.

Uno degli insegnamenti piú importanti che scaturisce dalla comprensione della realtà del tempo, quindi, è che non esiste un sistema logico o matematico capace di cogliere tutta la natura. L'universo è - o, ancor meglio, accade - e basta. » unico. Accade una volta sola, proprio come ogni evento - ogni evento unico - che la natura comprende. Perché esiste, perché esiste qualcosa e non il nulla, probabilmente non è una domanda che abbia una risposta - tranne, forse, che esistere vuol dire essere in relazione con altre cose che esistono e l'universo è semplicemente l'insieme di tutte queste relazioni. L'universo stesso non ha relazione con alcunché che non ne faccia parte. Il motivo per cui esiste l'universo e non il nulla è al di là della portata del principio di ragion sufficiente.

In quale forma si devono esprimere le scoperte della cosmologia, se non in un'unica legge matematica atemporale che agisce su uno spazio atemporale delle condizioni iniziali? Il futuro della cosmologia dipende da questo interrogativo. Una breve riflessione fa emergere qualche risposta possibile.

Gli esempi presentati, come la selezione naturale cosmologica e il principio di precedenza, dimostrano che possiamo concepire teorie scientifiche verificabili che vanno al di là del paradigma newtoniano. » bene riflettere sul fatto che nella storia della scienza troviamo molte ipotesi che non hanno bisogno di una formulazione matematica. E in alcuni casi la matematica non è necessaria per comprenderne le conseguenze. Un esempio è la teoria della selezione naturale; alcuni semplici modelli matematici sono riusciti a coglierne qualche aspetto, ma nessun modello è in grado di esprimere da solo tutta la varietà dei meccanismi grazie ai quali la selezione naturale agisce in natura. In realtà, nuovi meccanismi di evoluzione possono emergere in qualsiasi momento, alla nascita di nuove specie.

Per essere scientifiche, le ipotesi devono suggerire osservazioni che permettano di verificarle o falsificarle. A volte ciò richiede una loro formulazione matematica, a volte no. La matematica è uno dei linguaggi della scienza ed è un metodo potente e importante. Ma la sua applicazione alla scienza si basa su un'identificazione tra i risultati dei calcoli matematici e i risultati sperimentali e, poiché gli esperimenti hanno luogo al di fuori della matematica, nel mondo reale, il collegamento fra gli uni e gli altri deve essere espresso nel linguaggio ordinario. La matematica è uno strumento magnifico, ma in definitiva il linguaggio che governa la scienza è il linguaggio naturale.

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Pagina 254

Per mettere in evidenza il contrasto fra le scelte che abbiamo di fronte, qui di seguito e nella pagina seguente sono elencate coppie di affermazioni opposte che abbiamo incontrato nei capitoli precedenti. Le due colonne esprimono le implicazioni del considerare il tempo come un'illusione o come il cuore della realtà.


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Il tempo è un'illusione.                     Il tempo è l'aspetto piú reale della nostra
La verità e la realtà sono atemporali.       percezione del mondo.
                                             Tutto ciò che è vero e reale è tale in un
                                             momento che fa parte di una successione di
                                             momenti.
_________________________________________________________________________________________

Lo spazio e la geometria sono reali.         Lo spazio è emergente e approssimato.
_________________________________________________________________________________________

Le leggi di natura sono atemporali e         Le leggi di natura si evolvono nel tempo e
inesplicabili, a parte la selezione          possono essere spiegate dalla loro storia.
operata dal principio antropico.
_________________________________________________________________________________________

Il futuro è determinato dalle leggi          Il futuro non è completamente prevedibile,
della fisica che agiscono sulle              quindi è parzialmente aperto.
condizioni iniziali dell'universo.
_________________________________________________________________________________________

La storia dell'universo è, in tutti          Molte regolarità della natura possono
i suoi aspetti, identica a un qualche        essere modellate da teorie matematiche.
oggetto matematico.                          Ma non tutte le proprietà della natura si
                                             rispecchiano nella matematica.
_________________________________________________________________________________________

L'universo è spazialmente infinito.          L'universo è spazialmente finito.
Le previsioni probabilistiche sono           Le probabilità sono le frequenze relative
problematiche, poiché si riducono            ordinarie.
a prendere il rapporto fra due
quantità infinite.
_________________________________________________________________________________________

La singolarità iniziale è l'inizio           Il Big Bang in realtà è un rimbalzo
del tempo (nei casi in cui il tempo          che va spiegato in base alla storia
viene definito) ed è inesplicabile.          precedente dell'universo.
_________________________________________________________________________________________

Il nostro universo osservabile fa            Il nostro universo è uno stadio in una
parte di una collezione infinita di          successione di ere dell'universo.
universi simultaneamente esistenti,          Nei dati cosmologici si potrebbero
ma inosservabili.                            osservare fossili, o residui, di ere
                                             precedenti.
_________________________________________________________________________________________

L'equilibrio è lo stato naturale             Soltanto piccoli sottosistemi del nostro
e il destino inevitabile dell'universo.      universo raggiungono l'equilibrio uniforme;
                                             i sistemi gravitazionalmente legati
                                             si evolvono dando luogo a configurazioni
                                             strutturate eterogenee.
_________________________________________________________________________________________

La complessità e l'ordine che osserviamo     L'universo si autoorganizza naturalmente
nell'universo sono un accidente casuale      verso livelli di complessità crescente,
dovuto a una rara fluttuazione statistica.   guidato dalla gravitazione.
_________________________________________________________________________________________

La meccanica quantistica è la teoria         La meccanica quantistica è
finale e la sua interpretazione corretta     un'approssimazione di una teoria
è che vi sono infinite storie alternative    cosmologica sconosciuta.
realmente esistenti.
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