2020 la fine della fisica?

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La fisica è finita?
Il XXI secolo è spesso chiamato l’età della biologia.
O intelligenza artificiale.
O qualsiasi altro campo emergente.
Per ora abbiamo la pandemia. E storie tese tra vaccini governi e popoli. Questo relega la fisica al secolo precedente: i giorni d’oro in cui le rivoluzioni della relatività e della meccanica quantistica scossero il mondo e le scoperte di particelle elementari portarono a una serie di premi Nobel.

Al giorno d’oggi, le persone si preoccupano di uno “scenario desertico”, in cui non verranno trovate nuove particelle per molti decenni a venire, se mai verranno trovate.

Credo che questo punto di vista sia sbagliato, in almeno tre modi distinti.

Prima di tutto i primi due decenni di questo secolo hanno avuto un discreto successo per la fisica. Abbiamo visto la scoperta della particella di Higgs nel 2012, il rilevamento delle onde gravitazionali nel 2015 (annunciato nel 2016) e la prima immagine dell’orizzonte degli eventi di un buco nero nel 2019.
Tutti e tre sono stati rari casi di mega-eventi scientifici che sono atterrati sul prime pagine dei giornali e hanno catturato l’immaginazione del mondo.

Ma, si potrebbe obiettare, i semi che hanno portato a queste scoperte furono tutti piantati nei bei vecchi tempi. I buchi neri e le onde gravitazionali sono conseguenze dirette delle equazioni scoperte da Albert Einstein nel 1915.

Forse la fisica ha esaurito le idee originali?

Questo ci porta al secondo argomento. I recenti progressi nella cosmologia ci consentono di affermare, con una discreta quantità di certezza, che manca al appello il 95% dell’universo. Queste parti mancanti sono costituite da materia oscura ed energia oscura, entrambe forme ugualmente misteriose di nuova fisica. Finché tali misteri rimangono, e ce ne sono altri, il lavoro della fisica non sarà completo.

La terza ragione per cui i rapporti sulla morte della fisica sono esagerati deriva da un errore più fondamentale e categorico: definire il progresso in termini di scoperta di nuove particelle o forze è una visione miope della fisica. Ignora gran parte della disciplina e sottovaluta enormemente ciò che possiamo ancora ottenere. In effetti, credo che ciò che sappiamo attualmente sia una frazione assolutamente trascurabile della fisica che è là fuori, in attesa di essere indagata.

Lo scopo della fisica è comprendere in modo preciso e matematico tutte le manifestazioni di materia ed energia nell’universo, e abbiamo appena iniziato a esplorare questa infinità di possibilità. Affermare che la fisica è finita è come sostenere che la matematica è finita dopo l’introduzione dei numeri naturali e dell’aritmetica di base, o che la chimica era finita con l’avvento della tavola periodica.

Imparare le regole degli scacchi non ti rende un grande maestro.

La verità è che il mondo delle particelle più piccole non è l’unico posto in cui puoi trovare le leggi fondamentali della fisica. Possono anche “emergere” dal comportamento collettivo.
Un semplice esempio sono le onde sonore, le oscillazioni sincronizzate di molecole di materia. Usando le regole della teoria quantistica, queste onde stesse possono essere descritte in termini di particelle.

Questi “fononi” sono pacchetti elementari, o “quanti”, di suono e il loro comportamento è simile a quello dei fotoni, i quanti di luce.

Quindi, come l’immaginario barone di Munchausen che si è sollevato da una palude tirandosi i capelli, la fisica è autosufficiente, può usare se stessa per produrre nuove intuizioni fondamentali, che possono poi essere formalizzate in rigorosa matematica.

Di fronte al numero infinito di sistemi fisici che potremmo fabbricare a partire dai pezzi fondamentali dell’universo attualmente conosciuti, comincio a immaginare una visione capovolta della fisica. Invece di studiare un fenomeno naturale, e successivamente scoprire una legge di natura, si potrebbe prima progettare una nuova legge e poi decodificare un sistema che effettivamente mostri i fenomeni descritti dalla legge. Ad esempio, la fisica è andata ben oltre le semplici fasi della materia dei corsi delle scuole superiori: solido, liquido, gas. Molte potenziali fasi “esotiche”, rese possibili dalle bizzarre conseguenze della meccanica quantistica, sono state catalogate in esplorazioni teoriche e ora possiamo iniziare a realizzare queste possibilità in laboratorio con materiali appositamente progettati.

Tutto ciò fa parte di un cambiamento molto più ampio nell’ambito stesso della scienza, dallo studio di ciò che è a ciò che potrebbe essere. Nel XX secolo, gli scienziati hanno cercato i mattoni della realtà: le molecole, gli atomi e le particelle elementari di cui è composta tutta la materia; le cellule, le proteine ​​e i geni che rendono possibile la vita; i bit, gli algoritmi e le reti che costituiscono la base dell’informazione e dell’intelligenza, sia umana che artificiale.

In questo secolo, invece, inizieremo a esplorare tutto quello che c’è da fare con questi mattoni.

Perché anche con 14 miliardi di anni di un universo in espansione e quasi 4 miliardi di anni di vita sulla Terra, la natura ha esplorato solo la più piccola frazione di tutti i progetti possibili. Come ama sottolineare il biologo Richard Dawkins, noi esseri umani, insieme a ogni altro organismo che sia mai vissuto, siamo tutti i fortunati vincitori di una lotteria cosmica.

Tra un numero sbalorditivo di possibili schemi genetici, i nostri codici sono stati scelti per caso per essere realizzati come prototipo vivente. Lo stesso vale per tutte le forme di materia intorno a noi. I processi naturali sulla Terra e nell’universo hanno prodotto solo un piccolo campione del menu completo di molecole e forme di materia, e di conseguenza delle corrispondenti leggi della fisica a cui dovranno obbedire.

Ma tutto questo ora sta cambiando.

Il processo di scoperta estremamente lento della natura, guidato dall’evoluzione cosmologica e biologica su scale temporali di milioni e miliardi di anni, viene accelerato a velocità vertiginose in laboratorio. Tale lavoro potrebbe sembrare, all’inizio, come una scienza “artificiale”. Ma un batterio progettato geneticamente non è in alcun modo meno reale, o meno degno di studio, di uno trovato in natura.

Nemmeno i nuovi materiali mono e bidimensionali che mostrano le curiosità della teoria quantistica. Piuttosto, queste nuove tecnologie “liberano” efficacemente la meccanica quantistica dai confini di atomi e molecole e la portano sulle scale macroscopiche della vita quotidiana.

Ad un certo punto, saremo in grado di ordinare ogni elemento del menu della realtà.

La scienza riguarda tutti i fenomeni, compresi quelli creati nei nostri laboratori e nelle nostre teste. Una volta che siamo pienamente consapevoli di questa portata più ampia, emerge un’immagine diversa della ricerca.

Ora, finalmente, la nave della scienza sta lasciando i corsi d’acqua interni sicuri scavati dalla natura e si sta dirigendo verso l’oceano aperto, esplorando un nuovo mondo coraggioso con materiali “artificiali”, organismi, cervelli e forse anche una versione migliore di noi stessi.

Quindi la mia visione ottimistica per la fisica è altrettanto vera per tutti gli altri rami della scienza: l’avventura è appena iniziata.

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