I nostri tempi sono caratterizzati da un impressionante, e in generale positivo, sviluppo tecnologico. Siamo in grado di far atterrare una sonda su una piccola cometa di appena quattro chilometri di diametro, dopo un viaggio lungo dieci anni, percorrendo complessivamente 6,4 miliardi di chilometri attraverso il sistema solare. Se volessimo, potremmo risolvere i problemi igienici e idrici di tutto il pianeta, debellare la fame e buona parte delle malattie. Tuttavia gli esseri umani non tendono a massimizzare il bene comune in maniera lineare, e le strade percorse dall’umanità lungo la storia spesso sono difficili da seguire.

Questi risultati portano a pensare che la scienza sia fondata su principi ‘oggettivi’ condivisi, che stanno alla base del suo successo; invece, segue un percorso simile a quello dell’uomo. Non c’è da stupirsi, perché anche la scienza è un’attività umana, con tutti i suoi limiti, nata per aiutare l’uomo a dare un senso al mondo che lo circonda. Mi concentrerò sulla fisica, direttamente o indirettamente fondamento della nostra immagine scientifica del mondo e dello sviluppo tecnologico.

Fino ad un certo punto, la fisica descrive la natura, con la sua innumerevole complessità, in modo relativamente semplice. La materia è composta di atomi, i quali a loro volta sono composti di un nucleo circondato da elettroni. Il nucleo è composto di protoni e neutroni, e questi a loro volta sono composti di quark. Quark ed elettroni sono quindi i costituenti di tutta la materia di cui facciamo quotidiana esperienza. Esistono anche altri tipi di materia, non riconducibile a quark ed elettroni, che possono essere rilevati solo in particolari condizioni. Le particelle interagiscono mediante quattro forze: la forza gravitazionale che tutti conoscono, quella elettromagnetica che tiene assieme gli atomi e fa funzionare le moderne telecomunicazioni, e altre due forze che si manifestano tipicamente dentro i nuclei atomici, quella forte e quella debole, così chiamate per la loro diversa intensità.

La teoria che riassume queste conoscenze prende il nome di ‘modello standard’, il punto di arrivo di secoli di ricerche sulla materia, favorite da progressivi sviluppi tecnologici che hanno permesso di esplorare la sua natura su scale via via più piccole.

A questa ricerca sull’infinitamente piccolo si affianca lo studio dell’universo. Per secoli l’immagine era quella di un universo statico, con stelle e galassie sospese nel vuoto. Nel XX secolo questa immagine è radicalmente cambiata. L’universo si espande, da uno stato iniziale denso fino a come lo conosciamo oggi, e questo fenomeno continua. Durante la sua evoluzione – molto complessa, con momenti di espansione veloce e altri di espansione più lenta – la materia si è diluita e poi aggregata a formare le stelle, e le stelle le galassie, e i pianeti. Anche in questo caso un modello, quello ‘cosmologico inflazionario’, spiega bene il nostro universo.

Se volessimo riassumere l’immagine scientifica del mondo appena tratteggiata, potremmo dire: siamo particelle che si attraggono e si respingono, in continuo movimento nello spazio e con lo spazio. Per alcuni può essere una visione affascinante, per altri arida. La quantità e qualità dei problemi aperti in fisica teorica sono tuttavia tali da impedire di affermare – nel senso pieno del termine – che sappiamo come è davvero fatto il mondo.

Tralascio le numerose questioni tecniche irrisolte, a causa delle quali le moderne teorie fisiche hanno ancora il sapore di modelli provvisori. Ne ricordo solo una: riusciamo a spiegare solo il 4% della materia che l’universo contiene. Il restante 96% prende il nome di materia ed energia ‘oscura’, così chiamate perché non si conosce pressoché nulla di esse. Mi concentro sulle questioni più fondazionali.

Il modello standard della materia ha come fondamento teorico la meccanica quantistica, elaborata all’inizio del XX secolo per spiegare il comportamento degli atomi, e il cui ambito di validità si è rapidamente esteso a coprire tutta la materia e le forze che oggi conosciamo. Dall’altra parte, il modello cosmologico inflazionario ha come fondamento teorico la relatività generale, l’altro pilastro della fisica, che descrive lo spazio e il tempo. Forse il più grande problema della fisica teorica contemporanea è che non sappiamo come unire queste due teorie in un unico quadro concettuale: le due descrizioni della natura – dell’infinitamente piccolo e dell’infinitamente grande – sono sostanzialmente incompatibili tra loro. Dopo decenni di tentativi di unificazione infruttuosi – il più avanzato dei quali è la teoria delle stringhe – ora si fa strada l’idea che nessuna delle due teorie sia esatta. Questo significa che dovremo riconsiderare radicalmente i nostri concetti di spazio, tempo e materia.

Anche prese singolarmente, le due teorie presentano seri problemi. La relatività generale insegna che le proprietà dello spazio e del tempo sono intimamente legate a quelle della materia: è questa, con la sua energia, che ‘piega’ lo spazio e il tempo, e determina la loro forma. Però non sa dire nulla sulla materia stessa. I fisici utilizzano modelli classici – che sappiamo essere inesatti – per descrivere la materia in relatività generale, e le cose funzionano abbastanza bene in molti casi. Il problema è che, a livello fondamentale, questo approccio è incoerente. La conclusione più ovvia è che la relatività generale sia una teoria efficace, che descrive bene il comportamento dello spazio e del tempo alle scale con cui noi abbiamo familiarità, mentre per scale più piccole vada sostituita con una teoria diversa. Quindi l’immagine che oggi abbiamo dello spazio e del tempo è approssimata, e nel futuro probabilmente subirà radicali cambiamenti.

La meccanica quantistica è caratterizzata da un dibattito ancora più acceso circa il suo significato. Il fondamento della teoria è il principio di sovrapposizione, in base al quale, se due stati della materia sono possibili, anche la loro sovrapposizione è possibile. Cosa significa che la materia si trova nella sovrapposizione di due stati diversi? Ad esempio, cosa significa che un atomo si trova nella sovrapposizione di essere legato a un altro atomo per formare una molecola e di essere libero di muoversi solo nello spazio? Sono state formulate diverse teorie per rispondere a questa domanda e le conclusioni sono discordanti. Alcune proposte ricorrono a una descrizione corpuscolare della materia: quelle che noi chiamiamo ‘particelle’ sono davvero oggetti più o meno puntiformi, che si muovono nello spazio lungo traiettorie governate da opportune equazioni. È il caso della meccanica bohmiana. Altre proposte, invece, prevedono che le particelle siano in realtà delle onde di materia che si propagano nello spazio un po’ come fanno le onde del mare, con la differenza che quando interagiscono con un oggetto macroscopico, si concentrano in una regione piccola dello spazio, e per questo appaiono ai nostri occhi come oggetti puntiformi. Sono due modi radicalmente diversi di concepire la materia, entrambi compatibili con le nostre conoscenze attuali.

C’è poi chi sostiene che le particelle non esistono nel senso di qualcosa che si muove nello spazio, ma sono solo il nostro modo di codificare l’informazione che abbiamo del mondo. Oppure c’è chi invoca l’esistenza di infiniti universi paralleli, per rendere ragione delle proprietà quantistiche della materia. In conclusione, ancora non siamo in grado di decidere che cosa essa sia e come sia fatta.

Lo scienziato quindi deve oggi affermare con Socrate: so di non sapere. Se si va davvero a fondo nell’analisi delle teorie fisiche, non sappiamo cosa sono lo spazio, il tempo e la materia. Non dobbiamo fraintenderci. Socrate certamente aveva capito molto e la sua eredità ancora illumina la nostra cultura. Allo stesso modo la fisica ha capito molto e i suoi successi sono sotto i nostri occhi. Rimane però il fatto che le domande fondamentali circa la nostra immagine scientifica del mondo non hanno risposta. O, quando le risposte ci sono, sono contraddittorie. E questo è il lato affascinante della ricerca scientifica: è ancora ricerca, in mare aperto e senza un approdo evidente, del senso ultimo del mondo che ci circonda. Sarà un viaggio che procederà di pari passo con quello dell’umanità: tortuoso, imprevisto, sorprendente.