Leggi AC Grayling che spacchetta la filosofia dietro la sperimentazione

Se una teoria scientifica è elegante, ed è coerente con i fatti conosciuti, ha bisogno di essere testata da un esperimento? Si suppone che la conoscenza scientifica sia empirica: per essere accettata come scientifica, una teoria deve essere falsificabile, cioè deve essere possibile, almeno in linea di principio, confutarla empiricamente. Questo argomento è stato avanzato nel 1934 dal filosofo Karl Popper ed è oggi generalmente accettato dalla maggior parte degli scienziati per determinare cosa sia o non sia una teoria scientifica.

Negli ultimi anni, tuttavia, molti fisici hanno sviluppato teorie di grande eleganza matematica, ma che sono fuori dalla portata della falsificazione empirica, anche in linea di principio. La questione scomoda che si pone è se possano ancora essere considerate come scienza. Alcuni scienziati propongono di allentare la definizione di ciò che è “scientifico”, mentre altri temono che ciò possa aprire la porta a pseudo-scienziati o ciarlatani per ingannare il pubblico e rivendicare lo stesso spazio per le loro opinioni.

La questione se le idee scientifiche altamente teoriche possano essere sottoposte a test sperimentali è un problema per le idee più avanzate e potenti nel mondo della fisica. La teoria delle stringhe e l’idea del “multiverso” – l’esistenza di universi multipli – sono due teorie leader che tentano di spiegare le caratteristiche più fondamentali del mondo fisico. Entrambe le idee hanno un immenso fascino teorico. La teoria delle stringhe non è intrinsecamente indimostrabile, ma non ha ancora avuto successo. In termini sperimentali, si può immaginare una tecnologia futura che sia – almeno in teoria – in grado di accelerare le particelle a quella che è conosciuta come la scala energetica di Planck. Questo è un livello di energia mille trilioni di volte più grande di quello che può essere prodotto al Large Hadron Collider (LHC) e il punto in cui si prevede che si manifestino le implicazioni della teoria delle stringhe. La teoria del multiverso presenta ostacoli apparentemente insuperabili alla sperimentazione, poiché altri universi sono intrinsecamente impossibili da rilevare, sebbene anche qui i fisici stiano suggerendo modi per dedurre la loro esistenza.

La fisica si sta muovendo verso un’era in cui l’eleganza sarà sufficiente e nel dominio delle teorie che sono oltre la portata della prova sperimentale? O l’evidenza empirica rimarrà l’arbitro della scienza?

La teoria delle stringhe è un tentativo di sviluppare una teoria unificata delle particelle e delle forze, ed è entrata in scena 30 anni fa. La teoria postula che minuscole entità unidimensionali – le stringhe – esistano in dimensioni superiori a quelle che conosciamo attualmente, e che questi strani fenomeni ad alta dimensione siano alla base di tutta la fisica. Fin dal suo sviluppo, le tecniche della teoria delle stringhe sono state ampiamente utilizzate con successo dai matematici. Ma la motivazione originale – creare una teoria scientifica che unifichi le leggi che governano il comportamento delle particelle e delle forze – si è arenata. Secondo il cosmologo George Ellis, ex professore dell’Università di Città del Capo e un’autorità mondiale sulla fisica del cosmo, la teoria delle stringhe è “un’esplorazione di affascinanti strutture matematiche che possono o non possono essere collegate all’universo fisico”. Quindi, in termini di applicabilità all’universo reale, è scienza ipotetica piuttosto che scienza testabile.”

Frank Wilczek, professore di fisica al Massachusetts Institute of Technology e vincitore del premio Nobel per la fisica nel 2004, descrive così la situazione attuale: “La comunità della teoria delle stringhe contiene molti individui seri e dotati che stanno cercando di capire la natura, e sarebbe folle escluderli dalla scienza. Ma per me, le parti della scienza che usano pochi presupposti per spiegare molto del mondo sono le più impressionanti e importanti, e da questa prospettiva la teoria delle stringhe potrebbe essere migliorata.”

La sfida lanciata da Wilczek ed Ellis è se le prove a sostegno della teoria delle stringhe possano mai essere trovate attraverso l’esperimento. Una linea di indagine riguarda un asse centrale della teoria. Questa sostiene che ogni particella di materia, come gli elettroni o i quark, ha un partner tra le particelle che trasmettono forze – “bosoni” come il fotone e i gluoni. Questa proprietà è conosciuta come supersimmetria. Wilczek osserva che è “un ingrediente importante nella teoria delle stringhe”. Tuttavia, la prova della supersimmetria non è ancora stata rilevata all’LHC, l’acceleratore di particelle sul confine franco-svizzero, che è l’impianto a più alta energia del mondo e quindi il meglio attrezzato per testare questo. Nel luglio 2012, l’acceleratore ha avuto un trionfo molto pubblicizzato quando ha confermato l’esistenza del bosone di Higgs, la particella che dà la massa ad alcune particelle fondamentali.

La scoperta è stata così importante perché ha completato il “modello standard” delle particelle e delle forze: la teoria di base che i fisici hanno sviluppato sui mattoni fondamentali della natura. Eppure non c’è attualmente alcuna prova empirica a sostegno di qualsiasi fisica – come la supersimmetria – che sia al di fuori del modello standard. Per seguire la guida di Popper su ciò che è scientifico dovremmo dire che la teoria delle stringhe è attualmente al di fuori della scienza.

Tuttavia, i fisici sono ottimisti sul fatto che presto potrebbe essere fatta una svolta nella ricerca di un particolare tipo di materia conosciuta come “particelle oscure”. La supersimmetria prevede l’esistenza di particelle le cui proprietà potrebbero essere coerenti con quelle della materia oscura. Quindi, se gli scienziati potessero trovare la prova della materia oscura, questo supporterebbe la teoria della supersimmetria e conterebbe come un primo passo nel fornire una base empirica per la teoria delle stringhe.

I fisici hanno da tempo osservato che i movimenti delle stelle e le interazioni delle galassie suggeriscono che esse sentono più forza gravitazionale di quanto possa essere spiegato dalle stelle visibili. Si pensa che questa forza gravitazionale mancante sia esercitata dalla materia oscura.

Wilczek è ottimista sul fatto che l’LHC possa fornire una svolta. Le sue speranze sono riecheggiate da Rolf-Dieter Heuer, il direttore generale del Cern, che gestisce l’LHC. Secondo lui, la maggiore energia del rinnovato LHC “aprirà una finestra per scoperte dirette oltre il modello standard”. Secondo Steven Weinberg, il premio Nobel il cui lavoro è stato centrale per lo sviluppo del modello standard, la scoperta delle particelle della materia oscura sarebbe “la più eccitante di tutte”

In teoria, quindi, la prova della validità della supersimmetria potrebbe essere trovata dalla scienza. Lo stesso vale per la materia oscura. Nessuna delle due confermerebbe la teoria delle stringhe, ma sarebbero un primo passo. L’idea è quindi, in linea di principio, aperta alla prova empirica.

La teoria del multiverso, tuttavia, è più problematica. Poiché non c’è possibilità di comunicazione tra noi e gli altri universi, non c’è un modo empirico per testare la teoria del multiverso. George Ellis fa il punto esplicitamente: “In un modello generale del multiverso, tutto ciò che può accadere accadrà da qualche parte, quindi qualsiasi dato può essere accolto. Quindi non può essere confutato da nessun test osservazionale”. Implicitamente, il concetto di multiverso è al di fuori della scienza.

“Gli strumenti matematici ci permettono di indagare la realtà, ma i concetti matematici stessi non implicano necessariamente la realtà fisica”

Per tutto il tempo in cui gli uomini hanno perseguito la scienza, hanno cercato di capire l’universo. Wilczek dice: “La fisica moderna implica che è plausibile che il mondo fisico possa esistere in forme qualitativamente diverse, simili nello spirito a come l’acqua può esistere come ghiaccio, acqua liquida o vapore. Queste diverse forme… possono in effetti attuare diverse leggi della fisica. Se esistono regioni di spazio così diverse, allora l'”universo” come l’abbiamo definito non è l’intera realtà. Noi chiamiamo l’insieme della realtà il multiverso”

Ellis e il suo collega cosmologo Joe Silk, professore all’Université de Pierre et Marie Curie di Parigi, lo chiamano “un multiverso caleidoscopico che comprende una miriade di universi”. Loro, come procuratore di molti fisici, pongono poi la sfida fondamentale: il suggerimento che un altro universo non debba necessariamente avere le stesse costanti fondamentali della natura del nostro ispira la domanda su cosa determina i valori nel nostro universo. Della varietà di universi che potrebbero esistere, le condizioni per la ristretta gamma di parametri per cui la vita intelligente potrebbe esistere sono irrisorie. Le probabilità che noi esistiamo sono così piccole che la teoria del multiverso sostiene che esiste un “paesaggio” di universi “là fuori” in cui esistono tutti i possibili valori di questi parametri. Così un universo esisterà da qualche parte con le condizioni giuste per la vita, e noi ne siamo la prova.

Weinberg accetta che è improbabile che il multiverso sia confermato da osservazioni nel nostro specifico “sub-universo”. Ma sostiene che questo non è necessariamente fatale alla validità scientifica della teoria. “L’idea del multiverso è molto speculativa”, dice, “ma non è una speculazione del tutto irragionevole. L’esistenza di un multiverso potrebbe un giorno essere confermata deducendola da una teoria che è confermata dal successo di sufficienti altre previsioni.”

In questa vena, Wilczek sottolinea che le teorie scientifiche possono ancora essere utili anche quando sono solo parzialmente comprese. Dice: “È una pratica molto comune e di successo lavorare con strutture teoriche molto più vaste di quello che possiamo osservare su di esse”. Un esempio che cita è la teoria quantistica, uno strumento di base della fisica teorica, che è piena di concetti che sembrano contraddire la nostra nozione intuitiva di come si comportano le cose. Molti teorici, me compreso, sono a disagio con i suoi fondamenti, eppure riescono ad applicare la sua matematica con fiducia e successo empirico. La teoria della meccanica quantistica è scienza perché in linea di principio può essere confutata. È sopravvissuta a innumerevoli test e ha fatto innumerevoli previsioni di successo. Ellis e Silk ci ricordano che il multiverso può essere un comodo dispositivo matematico, ma ciò non richiede che questi universi abbiano “realtà”. Lo fanno notare ricordando l’avvertimento del matematico tedesco David Hilbert: “Sebbene l’infinito sia necessario per completare la matematica”, disse, “non si presenta da nessuna parte nell’universo fisico”. Gli strumenti matematici ci permettono di indagare la realtà, ma i concetti matematici stessi non implicano necessariamente la realtà fisica. Quindi le prove a sostegno di una teoria devono essere sperimentali o osservative, non semplicemente teoriche. Ellis e Silk fanno questo punto con forza, e mettono in guardia contro la nozione che “le scoperte teoriche rafforzano la credenza”. Ci ricordano che: “

Wilczek dà un esempio di una di queste teorie nel suo libro A Beautiful Question. Nel XVII secolo, l’astronomo tedesco Johannes Kepler si convinse di aver sviluppato un modello della struttura del sistema solare. La sua “teoria” aveva una seducente bellezza geometrica che convinse Keplero di essersi imbattuto nel piano di Dio. Scrisse: “Mi sento trasportato e posseduto da un rapimento indicibile per lo spettacolo divino dell’armonia celeste”. Ma la sua teoria era falsa – il modello planetario di Keplero fu alla fine minato, non ultimo dalla scoperta di altri pianeti. Tuttavia, come ci ricorda Wilczek, anche se Keplero si sbagliava nella descrizione della disposizione dei pianeti, era accurato nella descrizione del loro moto – che le orbite planetarie non sono cerchi ma ellissi, e che il sole non è al centro dell’ellisse, ma situato in un “fuoco” dell’ellisse. Queste intuizioni hanno ispirato Isaac Newton a sviluppare la sua legge di gravità.

Potremmo sperare in un parallelo moderno: che il rapimento della teoria delle stringhe ispiri gli sperimentatori dell’LHC alla scoperta della supersimmetria. Questo a sua volta potrebbe risolvere il mistero della materia oscura, la cui esistenza è stata sospettata dall’apparente rifiuto dei moti delle galassie e delle stelle di obbedire alle regole di Keplero e Newton. O, forse, la supersimmetria e le particelle oscure si rifiuteranno di apparire all’LHC, perché non esistono. Essere esclusi dall’esperimento sarebbe una battuta d’arresto, ma sarebbe una battuta d’arresto scientifica. Nel grande progetto umano di comprendere meglio le leggi fisiche che governano il comportamento della materia e delle forze, conterebbe come un progresso.