Teoria del Nulla

Articolo di Paul Steinhardt, Professore “Albert Einstein” di Scienze, Dipartimenti di Fisica e Scienze Astrofisiche, Università di Princeton; coautore: Endless Universe

Un’idea pervasiva nella fisica fondamentale e nella cosmologia che dovrebbe essere ritirata: l’idea che viviamo in un multiverso in cui le leggi della fisica e le proprietà del cosmo variano casualmente da un pezzo di spazio all’altro.

Secondo questo punto di vista, le leggi e le proprietà all’interno del nostro universo osservabile non possono essere spiegate o previste perché sono stabilite per caso. Diverse regioni dello spazio troppo distanti per essere mai osservate hanno leggi e proprietà diverse, secondo questa immagine. Sull’intero multiverso, ci sono infiniti patch distinti. Tra queste patch, nelle parole di Alan Guth, “tutto ciò che può accadere accadrà e accadrà infinite volte”. Quindi, mi riferisco a questo concetto come a una teoria del nulla.

Qualsiasi osservazione o combinazione di osservazioni è coerente con una teoria del nulla. Nessuna osservazione o combinazione di osservazioni può smentirlo. I fautori sembrano godere del fatto che la Teoria non può essere falsificata. Il resto della comunità scientifica dovrebbe essere in armi poiché un’idea non falsificabile è al di là dei limiti della scienza normale. Tuttavia, a parte alcune voci, c’è stato un compiacimento sorprendente e, in alcuni casi, una riluttante accettazione di una teoria del nulla come possibilità logica. Le riviste scientifiche sono piene di articoli che trattano seriamente la teoria del nulla. Cosa sta succedendo?

Gli esperimenti hanno rivelato che il nostro universo osservabile e le leggi fondamentali sono troppo complicati per essere spiegati dalla scienza normale? Assolutamente no! Piuttosto il contrario! Su scala macroscopica, le ultime misurazioni mostrano che il nostro universo osservabile è straordinariamente semplice, descritto da pochissimi parametri, obbedisce alle stesse leggi fisiche in tutto e mostra una struttura notevolmente uniforme in tutte le direzioni. Su scala microscopica, il Large Hadron Collider del CERN (Centro Europeo per la Ricerca Nucleare) ha rivelato l’esistenza dell’Higgs, in accordo con quanto i teorici avevano previsto quasi 50 anni fa sulla base di validi ragionamenti scientifici.

Un risultato semplice richiede una semplice spiegazione del perché doveva essere così. Perché, allora, considerare una Teoria del Nulla, che permetta qualsiasi possibilità, anche complicata? La motivazione è il fallimento di due idee teoriche preferite: la cosmologia inflazionistica e la teoria delle stringhe. Si pensava che entrambi producessero un risultato unico.

La cosmologia inflazionistica è stata inventata per trasformare l’intero cosmo in un universo liscio popolato da una distribuzione invariante di scala di punti caldi e punti freddi, proprio come lo osserviamo.

La teoria delle stringhe avrebbe dovuto spiegare perché le particelle elementari potevano avere solo le masse e le forze precise che hanno.

Dopo oltre 30 anni di investimenti in ciascuna di queste idee, i teorici hanno scoperto di non essere in grado di raggiungere questi obiettivi ambiziosi. L’inflazione, una volta iniziata, scorre eternamente e produce un multiverso di tasche le cui proprietà variano in base a ogni possibilità concepibile: piatte e non piatte; liscio e non liscio; scala invariante e non scala invariante; ecc.

Nonostante i lodevoli sforzi di molti teorici per salvare la teoria, non c’è alcuna solida ragione oggi conosciuta per cui l’inflazione dovrebbe far sì che il nostro universo osservabile sia in tasca con la levigatezza e altre proprietà molto semplici che osserviamo. Un continuum di altre condizioni è ugualmente possibile.

Nella teoria delle stringhe si è verificata un’esplosione di possibilità simile, guidata dai tentativi di spiegare la scoperta nel 1998 dell’espansione accelerata dell’universo. Si pensa che l’accelerazione sia dovuta all’energia del vuoto positiva, un’energia associata allo spazio vuoto. Invece di prevedere una possibilità unica per lo stato del vuoto dell’universo e delle particelle e dei campi che lo abitano, la nostra attuale comprensione della teoria delle stringhe è che esiste un complesso panorama di stati del vuoto corrispondenti a tipi di particelle esponenzialmente diversi e leggi fisiche diverse. L’insieme dello spazio vuoto contiene così tante possibilità che, sicuramente, si sostiene, si includerà la giusta quantità di energia del vuoto e il giusto tipo di particelle e campi. Mescola l’inflazione e la teoria delle stringhe e l’imprevedibilità si moltiplica. Ora può verificarsi ogni combinazione di possibilità macrofisiche e microfisiche.

Sospetto che le teorie non avrebbero mai ottenuto l’accettazione che hanno se questi problemi fossero stati ampiamente riconosciuti all’inizio. Storicamente, se una teoria non riusciva a raggiungere i suoi obiettivi, veniva migliorata o ritirata. In questo caso, tuttavia, l’impegno per le teorie è diventato così forte che alcuni eminenti sostenitori hanno seriamente sostenuto lo spostamento dei pali. Dicono che dovremmo essere preparati ad abbandonare l’idea antiquata che le teorie scientifiche dovrebbero fornire previsioni precise e ad accettare una Teoria del Tutto come la migliore che si possa mai ottenere.

Traccio la linea lì. La scienza è utile nella misura in cui spiega e prevede perché le cose sono come sono e non in un altro modo. Il valore di una teoria scientifica è misurato dal numero di test sperimentali che supera. Una Teoria del Niente è inutile perché non esclude alcuna possibilità e senza valore perché non si sottopone a test di “fai o muori”. (Molti articoli discutono delle potenziali conseguenze osservabili, ma queste sono solo possibilità, non certezze, quindi la Teoria non è mai veramente messa a rischio.)

Penso che una priorità per i teorici oggi sia determinare se l’inflazione e la teoria delle stringhe possono essere salvate dal trasformarsi in una teoria del nulla e, in caso contrario, cercare nuove idee per sostituirle. Poiché una teoria non falsificabile del nulla crea una concorrenza sleale per vere teorie scientifiche, i leader nel campo possono svolgere un ruolo importante parlando apertamente, chiarendo che qualsiasi cosa non è accettabile, per incoraggiare giovani scienziati di talento a sollevarsi e affrontare la sfida. Prima potremo ritirare la Teoria del Tutto, prima questa importante scienza potrà progredire.