Le cose che non si sanno (e che vorremmo sapere)

Una carrellata dei miei misteri preferiti in fisica

Questo è un elenco, certamente non esaustivo, dei problemi fondamentali in fisica. Delle cose che non si sanno, e che crediamo importanti, perché hanno a che fare con la nostra comprensione del mondo.  Alcuni sono problemi importanti, altri meno, altri forse ci appaiono come problemi importanti perché tutto sommato sappiamo poco di come funziona il mondo. Certi problemi sono forse più seri per me che per altri. Molti di questi problemi hanno a che fare con la fisica delle particelle, sia perché essa ha la pretesa di poter descrivere le leggi fondamentali della natura, sia perché la conosco meglio che altri settori della fisica. Ogni scarrafone è bello a mamma sua, insomma. E' una lista che va letta con la consapevolezza che un giorno, in alcuni casi forse anche presto, avremo le risposte, che però inevitabilmente faranno scaturire altre domande, che adesso non riusciamo a immaginare. Per quelli che credono e dicono che la scienza abbia la pretesa di scoprire tutto, ricordo che 400 anni fa, quando quel pisano si mise a far cadere gli oggetti giù per un piano inclinato, e a guardare la luna e Giove con un cannocchiale che adesso non lo venderebbero neanche al Lidl, l'unica cosa che sembrava ancora da scoprire era cosa fossero quelle lucine che si vedevano nel cielo di notte. Adesso sappiamo cosa sono quelle lucine, ma il processo che ci ha portato a questa risposta ha scaturito una moltitudine di nuove domande, che prima non potevamo neanche immaginare perché non avevamo le conoscenze per immaginarle. E' il bello della ricerca, honey!

La materia oscura. Molte osservazioni inequivocabili di tipo astrofisico indicano che il moto delle stelle attorno alle galassie, la dinamica degli ammassi di galassie e altri fenomeni astrofisici non sono spiegabili tramite gli effetti gravitazionali della sola massa visibile in termini di stelle o di gas. L'ipotesi della materia oscura implica quindi l'esistenza di qualcosa che agisca gravitazionalmente sulla materia ordinaria, ma che abbia un effetto pressoché nullo tramite le altre interazioni fondamentali, risultando di fatto invisibile. Infatti l'emissione o l'assorbimento di luce implicherebbe una interazione di tipo elettromagnetico da parte di questa ipotetica materia. Fino ad alcuni anni orsono, le ipotizzate particelle Supersimmetriche neutre più leggere erano considerate ottime candidate per la materia oscura. Peccato che finora, dal punto di vista sperimentale, della Supersimmetria non ci sia traccia. Magari si scoprirà in futuro, o magari semplicemente la Supersimmetria non esiste. Esistono anche altri candidati per la materia oscura, nell'ambito delle particelle elementari, come ad esempio gli Assioni, ma finora le ricerche dirette sono risultate vane. C'è anche chi ipotizza che la materia oscura non esista, e che il moto anomalo di stelle e galassie sia dovuto a una correzione della Relatività Generale a grandi distanze. Bisogna però aggiungere che la materia oscura è un ingrediente fondamentale per spiegare come la materia dell'universo primordiale si sia aggregata per formare le galassie e in generale le strutture complesse presenti oggi nell'universo, cosa che la gravità modificata non riesce a fare. Insomma, un vero mistero.

L'energia oscura. Se la materia oscura è un mistero, l'energia oscura lo è ancora di più. Recenti osservazioni sull'espansione dell'universo mostrano che in passato l'universo si espandeva più lentamente. Ovvero l'universo accelera nella sua espansione. Non sappiamo cosa origini questo fenomeno. Anzi, basandosi sulle leggi fisiche note, l'effetto della forza di gravità dovrebbe rallentare l'espansione dell'universo. L'energia oscura sembra quindi qualcosa che è associato allo spazio prodotto dall'espansione stessa dell'universo, una forza repulsiva la cui origine è in ciò che chiamiamo "vuoto". Al momento non esiste nessun meccanismo conosciuto in grado di spiegare questa cosa.

Il valore della costante cosmologica. Il più grande errore di calcolo della storia! Sappiamo che il vuoto in fisica è molto più complesso del vuoto dei filosofi, e che i processi quantistici contribuiscono all'energia del vuoto, tramite tutte le possibili particelle virtuali che possono popolare il vuoto stesso. E quindi non solo coppie di elettrone-positrone, ma anche tutte le possibili particelle più pesanti su su fino a particelle con la massa di Planck. Applicando la fisica che conosciamo, quella stessa fisica che nella teoria dei campi ha dato risultati straordinariamente precisi, è quindi possibile calcolare quella che dovrebbe essere l'energia del vuoto. Peccato che il calcolo teorico differisca di 120 ordini di grandezza dal valore misurato. Chiaramente c'è qualcosa che ci sfugge, ma non sappiamo cosa. Però, per giustificare un errore d 120 ordini di grandezza, questo qualcosa deve essere piuttosto importante!

Le costanti fondamentali. Perché hanno i valori che hanno? Non intendo i valori numerici, che dipendono ovviamente dalla scelta delle unità di misura. Intendo che cosa determina la velocità della luce? E la carica elettrica unitaria, e la costante di gravitazione universale? Esistono dei meccanismi, nelle leggi della natura, che fanno sì che le costanti fondamentali debbano avere proprio quei valori?

Collegato alla domanda precedente: esiste il Multiverso? Il nostro universo è chiaramente un universo in cui le leggi fisiche e le costanti fondamentali sono tali da permettere la vita. Messa così è una tautologia, dato che altrimenti non saremmo tutti qui a porci il problema, che esiste solo perché esistiamo. Se l'universo fosse inospitale per la vita, non ci sarebbe nemmeno nessuno a chiedersi come mai. Ma la domanda è: è un caso, o esiste un meccanismo fisico, insito nelle leggi della Natura, che fa sì che l'universo debba essere necessariamente tale? Certi modelli sulle prime fasi di vita dell'universo prevedono che possa essere avvenuta ciò che in gergo si chiama "inflazione". In pratica l'universo avrebbe subito una fase breve di enorme espansione, con il risultato di rendere ciò che chiamiamo "Universo" soltanto una delle innumerevoli porzioni del vero Universo, tutte scorrelate fra loro da rapporti di causa e effetto, e tutte con condizioni diverse fra loro in termini di costanti della natura. La maggioranza di questi universi avrebbero quindi condizioni del tutto inadatte alla vita, e solo in alcuni, invece, i valori delle costanti della Natura la renderebbero possibile. In questi ultimi, e solo in questi, quindi, esisterebbero eventuali esseri pensanti a porsi il problema. Esistono già osservazioni sperimentali che sono in accordo con le caratteristiche previste dal modello inflazionario dell'universo, e questo è uno dei grandi problemi che potranno ricevere input importanti dai futuri esperimenti sullo studio dell'universo primordiale.

Dove è finita l'antimateria? Le leggi della Natura non fanno praticamente alcuna differenza fra materia e antimateria. A parte alcune piccole differenze che coinvolgono processi legati alle interazioni deboli, particelle e antiparticelle seguono esattamente le stesse leggi fisiche. Quindi la domanda è: perché, se la Natura non distingue fra i due tipi di materia, in giro ce n'è solo un tipo fra i due? Dove è finito l'altro tipo, quello che noi chiamiamo antimateria? Quale meccanismo a noi sconosciuto ha fatto sì che la Natura se ne sia sbarazzata? Al momento non abbiamo la risposta.

Il collasso della funzione d'onda. Cosa fa sì che, effettuando una misura su un sistema quantistico (ad esempio un elettrone), la natura "scelga" fra tutti i possibili stati in modo casuale? Che cosa causa questa transizione? C'è qualcosa che ci sfugge, oppure il mondo è realmente quantistico, e la pretesa di descriverlo secondo la nostra logica umana è destinata a fallire?

Cosa c'è dentro un buco nero? Visti da fuori, i buchi neri sono sorgenti di campi gravitazionali così intensi da impedire perfino alla luce di uscirne. Li osserviamo, e li sappiamo descrivere molto bene, e le osservazioni corrispondono con ciò che ci prevede la Teoria della Relatività Generale. Ma cosa c'è dentro un buco nero, in quella che chiamiamo "singolarità?". Nella singolarità le nostre leggi fisiche non possono essere applicate, e falliscono miseramente. Quindi cos'è in realtà un buco nero? La gravità quantistica potrebbe spiegarlo?

Esiste vita altrove nell'Universo? Questa secondo me sarebbe una scoperta veramente epocale. Non mi riferisco agli omini verdi con la capoccia gigantesca e il collo sottile degli ufologi. Mi riferisco a una qualunque forma di vita, anche molto basica. Sarebbe una scoperta fantastica, sia per l'immenso campo di studi che aprirebbe, ma anche e soprattutto perché ci dimostrerebbe che l'unicità e la specialità di noi umani da tanti declamata e millantata, di unico e di speciale non ha nulla.