La teoria del tutto

Recentemente ascolto il podcast di Lex Fridman, ricercatore informatico russo-americano dotato di grande carisma e curiosità. In particolare, ho seguito con interesse la serie “Biggest Mysteries in Physics“, in cui Lex intervista il fisico delle particelle Don Lincoln.

I due affrontano le grandi questioni sospese della fisica, come l’antimateria e la materia oscura, fino al vecchio sogno di Einstein: la Teoria della Grande Unificazione (GUT) e la ancora più ambiziosa Teoria del Tutto (TOE).

Lex inzia introducendo la cosiddetta “scala dell’unificazione delle forze”, che mostra come oggi la fisica riconosca quattro forze fondamentali:

• Gravità
• Elettromagnetismo
• Interazione nucleare forte
• Interazione nucleare debole

Quando si parla di queste forze, mi colpisce sempre quanto poco si sappia della gravità, nonostanteIsaac Newton l’abbia descritta come forza di attrazione a distanza già alla fine del XVII secolo:

F = G m₁m₂/d²

Dove d è la distanza, m₁m₂ le masse che si attraggono e G la costante di gravitazione universale.

Nel 1915, questa legge venne scardinata da Albert Einstein attraverso le equazioni di campo della Relatività Generale, dove formalizzò la gravità non più come una forza, ma come curvatura dello spazio-tempo:

G_μν +Λg_μν = 8πG/c⁴ T_μν

DoveG_μν  descrive la curvatura dello spazio-tempo; Λ è la costante cosmologica, legata alla densità di energia del vuoto; g_μν il tensore metrico, che definisce le distanze e la geometria dello spazio-tempo; G è la costante gravitazionale; c la velocità della luce e T_μν la distribuzione di materia ed energia.

Tuttavia, ad oggi la natura della gravità rimane un mistero, poiché non si è ancora riusciti a integrarla nella meccanica quantistica. A riguardo, si ipotizza l’esistenza del gravitone, quale particella responsabile della sua trasmissione.

Un po’ come il fotone per la luce e l’elettromagnetismo; il gluone per la forza nucleare forte (che tiene uniti i quark nei protoni e nei neutroni) o i bosoni W e Z per la forza nucleare debole (responsabile del decadimento radioattivo).

Quando, negli anni ’60 del Novecento, i fisici Glashow, Salam e Weinberg unificarono l’elettromagnetismo con la forza nucleare debole, dando origine alla forza elettrodebole, il desiderio di unificare le forze fondamentali della natura divenne ancora più vivo. Si formulò allora la GUT (Grand Unified Theory), che unirebbe la forza nucleare forte e la forza elettrodebole, e poi la TOE (Theory of Everything), che includerebbe anche la forza di gravità.

Entrambe queste teorie sono ad oggi modelli teorici, non provati sperimentalmente.

Don chiarisce fin da subito di non vedere progressi rapidi verso l’unificazione.

Lex osserva che proprio questo sarebbe uno degli obiettivi della teoria delle stringhe, sviluppatasi a partire dal 1968 per descrivere l’interazione nucleare forte e il complesso mondo delle particelle subatomiche. Nel corso del tempo si è evoluta, fino a diventare una delle principali candidate alla Teoria del Tutto.

Secondo questa teoria, l’Universo non sarebbe costituito da particelle elementari indivisibili e prive di struttura interna, ma da corde vibranti incredibilmente piccole, con dimensioni dell’ordine di 10^-35 metri. Le diverse modalità di vibrazione di queste stringhe darebbero origine alle particelle osservate in natura, che sarebbero manifestazioni differenti della stessa struttura sottostante.

Per quanto affascinante, Don non crede che la teoria delle stringhe possa portare a risultati concreti in termini di unificazione, a causa dei suoi limiti sperimentali.

Primo fra tutti è che per essere testata servono energie enormemente superiori a quelle raggiungibili dagli acceleratori attuali. Inoltre, per poterla descrivere in modo esauriente servono equazioni a 10 dimensioni spazio–temporali. Poiché noi ne percepiamo soltanto quattro – le altre sei si ipotizzano compatte e arrotolate – è estremamente improbabile sottoporre la teoria a verifiche sperimentali.

Allora Lex, con il consueto aplomb, passa alle domande dirette:

LEX: Pensi che esista la TOE?
DON risponde che lui pensa che materia, energia e spazio-tempo siano regolati da fenomeni dei quali non siamo a conoscenza. E, probabilmente, questi fenomeni non li scopriranno né i suoi nipoti, né i figli dei suoi nipoti.
LEX: Mi stai dicendo che ci vorranno dai 50 ai 100 anni prima di scoprire qualcosa?
DON fa notare a Lex che tra la teoria della gravità di Newton e l’unificazione dell’elettricità e del magnetismo intercorrono quasi 200 anni. E trascorse un altro secolo prima che Glashow, Weinberg e Salam unificassero l’elettromagnetismo con la forza nucleare debole nel 1967.

Inoltre, la grande unificazione richiede energie circa un quadrilione di volte (10¹⁵) superiori a quelle oggi utilizzate negli acceleratori e, con i parametri attuali, richiederebbe circa 500 anni per essere raggiunta.

A questo punto Lex suggerisce la teoria delle super–stringhe, una versione più evoluta della teoria delle stringhe, che ambisce a descrivere in un unico quadro sia la fisica quantistica che la gravità.

Don dichiara che la teoria delle super-stringhe gli piace molto ma non ci crede. Propongono soluzioni approssimate ad equazioni approssimate e non pensa che questo approccio porterà da qualche parte. Perché il grande problema dei fisici teorici, che definisce the big idea people, è la mancanza di pragmatismo. Non tengono conto della distanza pratica che li separa dal far collidere particelle a energie un quadrilione di volte superiori a quelle di oggi, con il rischio di predizioni false e contraffatte.

La parte più divertente dell’intervista è la conclusione. Nella quale Don spiega che, nella sua opinione, la via corretta per fare progressi pratici nella TOE è esplorare le domande delle quali non abbiamo risposta:

C’è qualcosa di più piccolo dei quark? Non lo so.

La materia oscura è reale? Non lo so.

Se esiste, che cos’è? Non lo so.

L’energia oscura è reale? Probabilmente sì, ma non lo so.

Qual è la natura dello spazio-tempo? Non lo so.

Insomma per quanto meravigliose, formidabili e accattivanti possano essere le teorie scientifiche,  senza verifiche sperimentali non possono diventare una descrizione affidabile dell’Universo.

Universo che a sua volta continua a custodire, gelosamente, i suoi misteri.

Pizza ai quattro formaggi

Quattro interazioni fondamentali, quattro dimensioni spazio-temporali, quattro ingredienti per fare la pizza. E, una volta pronta la base, quattro formaggi per completare l’opera. Pare proprio che avesse ragione Pitagora nel considerare il numero 4 la chiave di ogni struttura fisica e mentale.

Ingredienti per una teglia da forno (30 × 40 cm)

Per l’impasto

• 215 g di farina bianca per pizza
• 215 g di farina bianca per tutti gli usi
• 270 g di acqua
• 7 g di sale fino
•  10 g di lievito fresco (oppure 4g di lievito di birra secco)

Per il condimento

• 150 g di Gorgonzola a cubetti
• 170 g di Gruviera a cubetti
• 200 g di Mozzarella fior di latte ben sgocciolata e tagliata a cubetti
• 50 g di Parmigiano Reggiano grattugiato

1. Preparazione dell’impasto

Mescola le due farine in una ciotola. Sciogli il lievito nell’acqua e versala poco alla volta sulla farina. Impasta fino ottenere una massa omogenea. Poi aggiungi il sale e continua a lavorare l’impasto fino a quando diventa liscio, elastico e dotato del necessario nervo. Poi mettilo sul tavolo da lavoro e forma una palla. Per avere buoni risultati, ti consiglio di impastare a macchina con il gancio.

2. Lievitazione

• Copri l’impasto con un telo di cotone pulito e lascialo lievitare fino al raddoppio del volume. Ci vorranno circa 2/3 ore se la temperatura ambiente è intorno ai 18°C. In estate i tempi di lievitazione si riducono e puoi ridurre il lievito fresco a 8g (oppure 2g di secco).
• Dopo questa prima lievitazione ungi leggermente la teglia da forno oppure rivestila con carta forno. Stendi l’impasto con le mani senza schiacciarlo troppo, fino a coprire tutta la superficie. Lascia lievitare l’impasto per altri 30 minuti, sempre coperto con il telo di cotone.

4. Farcitura

Distribuisci sull’impasto prima il Gorgonzola, poi il Gruviera, poi la Mozzarella e infine il Parmigiano. Per finire, cospargi la superficie della pizza con un filo di olio extravergine di oliva.

5. Cottura

Cuoci la pizza nel forno già caldo a 250°C per circa 15 minuti, o fino a quando il fondo risulta ben cotto e i formaggi sono fusi e dorati. Toglila dalla taglia quando è ancora calda.