Dal Big Bang alle «superstringhe»: incontro con il fisico Luciano MaianiNel 2005 al Cern, il Centro Europeo Ricerca Nucleare, sarà pronto
un nuovo acceleratore la macchina più potente del mondo per indagare gli enigmi del cosmo
Servirà a verificare la validità del modello standard che
interpreta in modo unitario tutte le particelle elementari. Di
questa teoria oggi non conosciamo ancora i confini
La fisica teorica rischia di somigliare sempre più a una
metafisica, persino a una teologia |
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Nel 2005 qui al Cern Centro Europeo Ricerca Nucleare tremila fisici,ingegneri e tecnici, mille miliardi di budget annuale - sarà pronto un
nuovo acceleratore di particelle, la macchina più grande e più potente del
mondo per indagare sugli ultimi segreti della materia. Si chiama Lhc, Larga
Hadron Holhder Collider. Occuperà una galleria ad anello lunga 27
chilometri, a 100 metri di profondità sotto il confine tra Svizzera e
Francia. Nella grande ciambella ipogea oggi funziona egregiamente Lep, un
acceleratore di elettroni e positroni, materia e antimateria. Alla fine del
2000 Lep verrà smontato e il suo posto sarà preso da Lhc: una macchina
costituita da 1300 magneti superconduttori raffreddati a 271 gradi sotto
zero, che farà scontrare protoni ad altissima energia. Scopo: stanare il
«bosone di Higgs», una particella prevista dal fisico inglese Peter Higgs
che spiegherebbe perché le altre particelle hanno massa. Quindi, in un
certo senso, perché esiste l'universo. Perché noi siamo qui a parlarne. E
poi? Esistono teorie che cercano di spiegare le particelle e le forze
fondamentali della natura come modi di vibrare di minuscole corde - le
«superstririghe» - ripiegate su se stesse in 10 dimensioni. Ma per studiare
le superstringhe in laboratorio occorrerebbero energie un miliardo di
miliardi di volte più alte di quelle ora alla nostra portata: bisognerebbe
replicare il Big Bang che diede origine al cosmo! Così la fisica teorica
rischia di somigliare sempre più a una metafisica, forse persino a una
teologia. Andiamo verso un divorzio tra teorie ed esperimenti? «Il pericolo
c'è - dice Luciano Maiani, dal prossimo anno direttore del Cern, autore di
studi teorici fondamentali per capire il microcosmo -. La distanza tra
teoria ed esperimento varia nel tempo. Quando si hanno idee poco chiare,
bisogna trarre ispirazione dall'esperimento, e la teoria trascina i piedi
nel tentativo di inseguire i risultati sperimentali. Questo è ciò che
succedeva negli Anni 60. Dagli Anni 70 in poi si è elaborato il modello
standard che interpreta in modo unitario tutte le particelle elementari. Di
questa teoria non conosciamo i confini. 0 meglio: qualche idea ce
l'abbiamo, ma non si è ancora esplorata tutta la teoria. Perciò viviamo
un'epoca in cui è la teoria a correre avanti, mentre la sperimentazione
arranca. E' una situazione simile a quella della seconda metà dell'800,
quando Maxwell elaborò la teoria dell'elettromagnetismo e nacque la
meccanica statistica. Anche allora si pensò a una possibile fine della
fisica... Via via gli esperimenti ci stanno portando alla frontiera. Ci
sono indizi che il modello standard potrebbe subire cambiamenti drammatici
alle energie che si raggiungeranno nel 2005 con l'acceleratore Lhc».
C'è il problema di spiegare la forza di gravità insieme con le altre forze
fondamentali che agiscono nel microcosmo atomico. La teoria suggerisce che
l'unità delle forze fondamentali della natura si trovi a livelli
energetici in cui nessun esperimento è immaginabile. Bisognerà dire addio
al metodo fondato da Galileo?
«Sì, la gravità sembra molto lontana. Ma non si può mai dire. Ad esempio
gli esperimenti sulla vita media del protone o sulla massa del neutrino
potrebbero dare indicazioni anche su che cosa succede ad energie che non
raggiungeremo mai con le macchine acceleratrici.
La cosmologia, con i suoi fossili del Big Bang e con la materia oscura,
potrebbe fornire indizi utilissimi. L'universo intero da questo punto di
vista è un immenso laboratorio. D'accordo, l'unificazione della gravità con
le altre forze ci sta portando lontanissimo. Però anche Democrito era andato
molto lontano dai suoi mezzi sperimentali; eppure sull'esistenza degli
atomi aveva avuto l'intuizione giusta. Magari ci vorranno duemila anni per
arrivare a esperimenti sulla gravità quantistica o forse si troveranno
delle scorciatoie».
Ma intanto non c'è il rischio di fare una «fisica metafisica»?
«La fisica è una scienza sperimentale, non può stare staccata dagli
esperimenti. Stiamo attraversando un deserto, nel senso che stiamo cercando
di portare gli strumenti sperimentali verso la frontiera della teoria.
Forse tra dieci anni ci lasceremo il deserto alle spalle».
Bisogna anche riflettere su che cos'è oggi per voi fisici un esperimento.
Il filosofo Pierre Duhem diceva che ogni osservazione è carica di teoria.
Gli esperimenti che si fanno in laboratori come questi del Cern sono così
sofisticati che tra la realtà e l'osservatore si frappongono molte
mediazioni: segnali elettrici nei rivelatori, trasformazione di questi
segnali in forma digitale, elaborazione al computer, interpretazione di
ciò che il computer ci fa vedere... e magari ciò che vogliamo vedere si
mostra solo per via negativa: cioè per fatto che non lo vediamo...
«Osservare è certamente qualcosa che ha una relazione teorica con ciò che
si sta osservando. Questo è un problema filosofico antico. Anche le
osservazioni di Galileo con il telescopio avevano le loro mediazioni: Giove
si vedeva in un certo modo perché c'erano in mezzo delle lenti, perché
l'occhio interpretava le immagini e così via. Ma ammetto che oggigiorno
spiegare alla gente comune che nel laboratorio del Gran Sasso "vediamo" i
neutrini del Sole non è semplice. L'aspetto più interessante per me è un
altro: è chiaro che la teoria ci procura anche degli occhiali per vedere,
nel senso che noi non facciamo alla natura tutte le possibili domande,
facciamo soltanto certe domande, e queste domande sono guidate dalla
teoria. Ma il processo di prova ed errore che abbiamo trovato è efficace.
La teoria suggerisce l'esperimento e l'esperimento dice se la teoria
funziona. Resta aperto il problema posto da Eddington: se io pesco con una
data rete, non potrò mai prendere pesci più piccoli delle maglie della
rete. L'estremismo su questa strada è la filosofia di Popper: non c'è una
realtà che noi verifichiamo ma piuttosto ci sono teorie che noi
falsifichiamo. In questo senso il problema si dissolve: Weinberg e Salam mi
forniscono una teoria delle particelle, non mi interessa come ci sono
arrivati, mi interessa però che la teoria faccia certe previsioni su
esperimenti che danno risposta sì o no; quando danno risposta no butto la
teoria, quando danno risposta sì vado avanti; ma non posso mai affermare
filosoficamente che io sto verificando la teoria, cioè che sto acquisendo
una visione della realtà quale essa è. Noi facciamo una cosa molto diversa
da quella che pensavano di fare ì nostri predecessori dell'ottocento: loro
ritenevano di esplorare una realtà che è li, da toccare. Il rapporto della
realtà con i nostri esperimenti è più complesso».
Da questa complessità forse deriva anche il linguaggio quasi teologico che
caratterizza la fisica: le particelle vengono «rivelate», altre volte
vengono «create», il Nobel Leon Lederman parla del bosone di Higgs come
della «particella di Dio»...
«Sono un ammiratore di Lederman ma "La particella di Dio", il titolo che ha
dato al suo libro, mi sembra di cattivo gusto. In più, fa pensare che la
scoperta del bosone di Higgs sia l'ultima spiaggia: trovato questo, abbiamo
finito. Non credo che le cose stiano in questi termini. Non credo a una
verità finale. Credo piuttosto a un cammino in cui diventa sempre più
difficile acquisire nuove informazioni, per cui magari a un certo punto si
prenderanno altre strade, senza che si sia arrivati al traguardo. Il
linguaggio esoterico serve ad abbreviare il discorso. La parola rivelare ha
che fare con il fatto che, come si diceva prima, noi non vediamo le
particelle in sé, ma qualche apparato fa clic e noi riteniamo che quel clic
riveli l'esistenza della particella. Nello stesso modo si parla di colori e
sapori dei quark: sono civetterie che si possono perdonare, servono ad
avvertirci anche che questi concetti non hanno corrispondenza nella realtà
di tutti i giorni».
Il Campo di Higgs ricorda quell'entità metafisica che è stato l'etere.
Possibile che Einstein ci abbia liberati dell'etere e ora Higgs ce ne
offra una nuova versione?
«Il campo di Higgs è in effetti la reincarnazione dell'etere in una teoria
relativistica. L'etere aveva due aspetti indipendenti tra di loro: uno era
quello di fornire un sistema di riferimento privilegiato, e questo è caduto
per sempre, spazzato via dalla relatività di Einstein; l'altro era quello
di fornire una qualità al vuoto: con l'etere il vuoto non è vero vuoto, in
quanto possiede delle proprietà fisiche; questo aspetto è stato ampiamente
rivalutato dalla meccanica quantistica. Per la meccanica quantistica il
vuoto è uno stato molto complesso, che contiene in potenza tutto, l'intero
universo. Higgs aggiunge un nuovo elemento: nella sua concezione il vuoto è
un po' come un lago, e le sue increspature sono le particelle di Higgs. Ma
c'è qualcosa di più rivoluzionario, filosoficamente interessante: con il
campo di Higgs le costanti fisiche non sono più costanti, possiamo pensare
a universi diversi, nei quali per esempio la massa dell'elettrone, o la sua
carica elettrica, non sono quelle che conosciamo. E' importante scoprire la
particella di Higgs non tanto perché così abbiamo la conferma del modello
standard delle altre particelle, quanto per sapere se il vuoto è di questa
natura o no: ciò potrebbe cambiare la nostra visione dell'universo. E'
fuori dubbio che per consentire la vita le costanti fisiche devono avere
certi valori ben determinati: il principio antropico afferma appunto che le
costanti fisiche sono quello che sono, proprio per permettere la nostra
esistenza. E allora ci si può chiedere se in questo ci sia la mano di Dio.
Higgs ci dice che possono esistere moltissimi universi, e che in uno di
questi, per caso, le costanti fisiche sono tali da portare alla vita. Gli
altri universi saranno inospitali ... ».
Qualcuno però dice che il campo di Higgs è solo il tappeto sotto il quale
ramazziamo la spazzatura del modello standard, un modo per sfuggire ai
difetti estetici che ancora affliggono questa nostra teoria della
costituzione ultima della materia...
«Il modello standard ha due parti. Si può ripetere ciò che Einstein diceva
delle sue equazioni: cioè che le equazioni della relatività avevano un lato
destro che è un tempio greco e un lato sinistro che è una baracca di legno,
e questo perché da un lato c'era la geometria, elegantissima, e dall'altra
c'era il tensore energia-impulso, assai più sgraziato. Nel modello standard
da una parte c'è l'eleganza della simmetria allo stato puro, ma il nostro
mondo non è così. Per spiegare il mondo come lo osserviamo, l'unica
scappatoia è spezzare la simmetria, e questo è il meccanismo di Higgs. Può
darsi che la sua scoperta ci riveli una simmetria superiore, come il
disordine dei 92 elementi chimici è stato ordinato nel sistema periodico
della Tavola di Mendelejev e poi è stato reso ancora più elegante dalla
scoperta che tutte le proprietà chimiche sono determinate esclusivamente
dal numero di elettroni dei vari elementi».
E' il compito di Lhc?
«L'idea è che la particella di Higgs deve comparire nella regione di
energia entro un Tev, cioè entro mille miliardi di elettronvolt. Lhc
esplorerà per la prima volta questo dominio di energia. Ecco perché i
fisici sono stati così tenaci nel difendere il progetto di Lhc».
La fisica delle particelle è big science, costa moltissimo. Quali
argomenti userebbe per giustificare a un politico, e anche all'opinione
pubblica, ulteriori investimenti in questo campo?
«Ci sono ricerche che costano ancora di più. Per esempio le attività
spaziali: il telescopio Hubble o un eventuale sbarco su Marte. Gli Stati
Uniti contribuiranno a Lhc con mezzo miliardo di dollari: è la stessa cifra
che l'Europa ha dato per contribuire al telescopio spaziale Hubble. I
motivi per affrontare tante spese? La spinta di fondo è concettuale: l'uomo
vuol sapere come è fatto il mondo. E' la solita vecchia molla della
curiosità. Da questa curiosità però derivano molte ricadute utili. Ne
distinguerei due tipi. C'è una ricaduta che viene dalla conoscenza
acquisita: se non conosco la meccanica quantistica non posso fare il laser.
E c'è una ricaduta ancora più diretta: lo stimolo che dà all'industria una
ricerca che richiede nuove tecnologie. Oggi la spinta verso le nuove
tecnologie non può più venire, per fortuna, dalla competizione militare, né
può venire dal mercato, perché il mercato guarda a breve termine, Solo
l'esplorazione dell'universo, nel microcosmo e nel macrocosmo, oggi può
darci questa spinta. Le macchine per scoprire la particella di Higgs non si
trovano nei cataloghi dei prodotti commerciali. Come dice Rubbia, l'energia
nucleare non è nata dal perfezionamento delle candele ... ».
Quindi state progettando acceleratori ancora più potenti di Lhc, cioè
state già pensando al 2020?
«Dobbiamo pensarci. Al Cern lavoriamo al progetto Clic, un acceleratore di
nuova generazione, 10 volte più potente. E' una scommessa, che tra l'altro
per ora assorbe finanziamenti minimi, pur aprendo nuovi campi tecnologici
molto interessanti. C'è anche l'idea di fare un collisore di muoni, ma
sarebbe una macchina molto più complicata. Bisognerà aspettare i risultati
di Lhc per capire che cosa sarà meglio per sviluppare la fisica del
futuro».
Lei ha fatto lavori teorici fondamentali, per esempio quello con Glashow
che ha portato a prevedere il quark Charme. Ora ha davanti quattro anni di
lavoro organizzativo. Le mancherà la ricerca?
«Nella vita c'è un tempo per tutto. Mi è capitato di imboccare la strada
dell'organizzazione della fisica. Faccio con passione anche questo tipo di
lavoro. La mia tendenza è per una fisica di esplorazione: negli ultimi anni
l'esplorazione che mi attrae è costruire nuovi acceleratori piuttosto che
lavorare su teorie estreme come quella delle superstringhe».
Come dire: la teologia può attendere. | 
