Del 2 Aprile 2024 alle ore 07:31

Il Prof. Guido Tonelli, ordinario di Fisica a Pisa e scienziato di chiara fama ha legato il suo nome alla scoperta che ha dimostrato l’esistenza del bosone di Higgs, si trova a Ginevra al LHC del CERN impegnato nell’esperimento CMS il “Compact Muon Solenoid” riesce a dedicarci del tempo, con il noto garbo, per parlarci delle sue ricerche.

Il Prof. Tonelli alle domande “di cosa siamo fatti?”, “cos’è il tempo” o “come nasce il nostro universo” ha dedicato anni di studi e di ricerche. I risultati ottenuti li ha raccontati anche nei suoi libri dedicati al grande pubblico: “La nascita imperfetta delle cose. La grande corsa alla particella di Dio e la nuova fisica che cambierà il mondo” (vincitore del Premio Galileo), “Genesi. Il grande racconto delle origini”, “Tempo. Il sogno di uccidere Chronos”, “Quando si accesero le stelle”. Col Professore parleremo del suo ultimo libro: “Materia. La magnifica illusione”.

Il Prof. Tonelli ha ricevuto premi e riconoscimenti internazionali quali lo “Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics”, il “Premio Enrico Fermi” e “la Medaglia d’onore” del Presidente della Repubblica. Ma il premio più esaltante dichiara di averlo ricevuto l’8 Novembre 2011, il giorno del suo sessantunesimo compleanno.

Quel giorno comincia come tutti gli altri, alle sette del mattino, con il professore che, mentre prepara il caffè, sbircia il computer per capire se il bimbo ha dormito bene. Il bimbo è il gigantesco rivelatore CMS, che se ne sta sottoterra a 100m di profondità, e fra poco farà una bella sorpresa agli scienziati che l’hanno costruito. Nei dati raccolti dal rivelatore si troveranno le prime tracce della presenza del bosone di Higgs, la particella che il mondo intero ha ricercato senza successo per quasi cinquant’anni.

-Prof. Tonelli, per parafrasare Shakespeare: ci sono molte cose nella poesia, nella filosofia, nella scienza, in cielo e in terra: può renderci partecipi del suo sentire la meraviglia di cui parla Aristotele di fronte alle sue scoperte e alla bellezza dell’universo quando ha visto il bosone di Higgs?

Essere fra i primi a trovare le tracce di una particella ricercata per quasi cinquant’anni produce un’emozione difficile da descrivere. Sapere di essere di fronte a un nuovo stato della materia che nessuno ha mai osservato prima ci ha fatto provare una gioia immensa, moltiplicata dalla condivisione con le centinaia di colleghi e collaboratori che hanno partecipato all’impresa. Una felicità collettiva che raramente capita di provare nella vita ordinaria. Ho immaginato che la scoperta abbia fatto nascere in noi, scienziati moderni circondati dalle tecnologie più avveniristiche, quella stessa meraviglia primordiale che investiva i nostri più lontani progenitori, quando in cielo appariva una nuova stella o quando il Sole si oscurava per un’eclisse.

-Eppure il bosone di Higgs se, da una parte, permette di rendere completo il Modello Standard dall’altra, come lei scrive in “Materia, la magnifica illusione” sembra che abbia “comportamenti stravaganti e bizzarri”. Ci può dire di fronte a quali novità ci potremmo trovare se le sue “bizzarrie” venissero confermate?

Per ora il nuovo venuto si comporta bene. Le sue caratteristiche sembrano essere proprio quelle previste dal Modello Standard. Ma siamo solo all’inizio di una ricerca che ci terrà occupati per molti anni. La sfida si chiama misure di precisione; significa raccogliere milioni di bosoni di Higgs per studiarli in ogni dettaglio. La più minuscola delle anomalie ci potrebbe indicare la presenza di nuove particelle o nuove interazioni. Potrebbe essere la chiave per scoprire la materia oscura o particelle super-simmetriche che, per ora, sono sfuggite a tutte le nostre ricerche, tanto che molti dubitano della loro stessa esistenza.

-Dopo il Big Bang non era scontato che nascesse il mondo come lo conosciamo e l’universo poteva restare pura energia. Ma gli eventi hanno preso un’altra direzione. Ci può spiegare il ruolo svolto dal bosone di Higgs in questo snodo cruciale? Cosa sarebbe stato l’universo, la natura tutta e noi stessi senza il bosone di Higgs?

È una scoperta che ha chiuso una questione scientifica aperta da più di 2500 anni, dal tempo dei primi sapienti della Grecia pre-socratica. Abbiamo capito come mai i costituenti elementari della materia, quark e leptoni, che sono i moderni atomi ipotizzati da Democrito di Abdera, hanno masse così diverse fra loro. A produrre questa differenza è il bosone di Higgs, la particella responsabile di un campo invisibile che occupa l’universo intero. Grazie a questo meccanismo si sono potuti formare i primi protoni, le grandi nubi di idrogeno che hanno dato origine alle prime stelle e poi le galassie e i sistemi solari, giù, giù fino a noi. Se il campo di Higgs non si fosse piazzato nel nostro universo, un centesimo di miliardesimo di secondo dopo il Big-Bang, tutto quello che conosciamo come mondo materiale, compresi noi, non sarebbe stato possibile. L’universo avrebbe potuto continuare, forse, la sua espansione, ma sarebbe stato un universo inutile e decisamente poco interessante. Un immenso pulviscolo di particelle elementari prive di massa e incapaci di aggregarsi fra loro.

-L’esperimento CMS, cui lei ha dedicato oltre trent’anni di impegno, in cosa consiste e quali risultati si prefigge di raggiungere? E quali eventuali ricadute, in termini di nuove tecnologie, pensa che siano possibili?

L’esperimento CMS è un moderno apparato per la fisica delle alte energie. È alto come un palazzo di quattro piani, pesa 14.000 tonnellate e contiene milioni di sensori. È un concentrato delle più moderne tecnologie il cui scopo è studiare le collisioni prodotte da LHC, l’acceleratore più potente del mondo. Facendo collidere protoni di altissima energia si possono produrre nuove particelle. Più alta è l’energia dell’acceleratore, più massicce sono le particelle che possono emergere dalle collisioni. Così ci avviciniamo sempre di più ai primissimi istanti di vita del nostro universo.

Per costruire questa moderna cattedrale della tecnologia abbiamo dovuto inventare nuovi sensori, sviluppare materiali avanzati, organizzare calcolo distribuito su scala planetaria, costruire potenti magneti superconduttori e progettare circuiti di elettronica e fibre ottiche capaci di prestazioni avveniristiche. Tutto questo ha già prodotto ricadute tecnologiche i molti campi: dispositivi elettronici più compatti e veloci, fibre ottiche per telecomunicazioni, il cloud computing, nuovi magneti per analisi diagnostiche basate sulla risonanza magnetica e così via.

-Il concetto di materia per tutti noi ha un significato preciso: è qualcosa di corposo, di tangibile, di consistente. Ma nel suo ultimo libro “Materia. La magnifica illusione”, lei dimostra che l’Universo ci riserva una grande sorpresa: la materia è costituita di vuoto e noi stessi siamo vuoto. Per la mente umana e per l’esperienza costante che facciamo del mondo sembra non solo un’affermazione stravagante, ma una contraddizione in termini, un assurdo inaccettabile dover immaginare gli oggetti e noi stessi materialmente vuoti. Affidiamo a Lei il compito di dissolvere la nostra costernazione e incredulità.

Il vuoto è molto diverso da come normalmente lo pensiamo. È uno stato materiale che risponde alle regole della meccanica quantistica e ha caratteristiche precise: ha energia totale nulla, momento angolare nullo, carica nulla. Le misure del fondo di radiazione cosmica, della geometria dell’universo e della densità di materia e di energia – che sono ormai misure di precisione – suggeriscono fortemente non solo che il nostro universo sia nato dal vuoto; ma che sia ancora uno stato di vuoto. Cioè sarebbe uno stato di vuoto che ha subito una trasformazione e ha preso semplicemente una forma diversa.

Quindi l’universo materiale attuale è ancora uno stato di vuoto che però noi – che ne facciamo parte – interpretiamo come pieno di pianeti, pieno di stelle, pieno di galassie e così via. Concentrandoci sulla “materia visibile” dell’universo, ignoriamo la “materia invisibile” che lo compone: materia oscura, energia oscura e soprattutto lo spazio-tempo curvato dalla massa-energia e quindi impregnato di energia negativa.

-Nel prologo di “Materia. La magnifica illusione” lei sorprende e commuove il lettore con la narrazione di una vicenda familiare, che si riannoda a pag. 20, in cui affronta il tema della materialità del corpo. I primi capitoli sono un piacevole excursus sulle origini della filosofia naturalistica dei Presocratici che introducono al pensiero scientifico. Il mito offre un’interpretazione dell’uomo e del cosmo: «per primo fu il chaos» scrive Esiodo nella Teogonia; per Anassimandro “la terra è un sasso nello spazio, che fluttua sul niente e non sull’oceano come sostiene Talete; Leucippo e Democrito avviano un’interpretazione materialistica del cosmo: l’atomo è l’elemento indivisibile e costitutivo del cosmo;

Lucrezio indaga la natura in versi tramite la filosofia materialistica di Epicuro ed immagina i “molti mondi” ben prima di Giordano Bruno.

In “Lucrezio. Le parole e le cose” Ivano Dionigi scrive che nel “De rerum natura” sembra “prendere forma un divenire caosmico” e che “l’assimilazione tra verba et res annulla il divario tra poesia e filosofia, aprendo la strada della successiva divulgazione scientifica”.

Sulla natura, sul problema della conoscenza e del sapere s’interroga Leopardi: la sua poesia s’intreccia alla filosofia: “questo globo ove l’uomo è nulla, sconosciuto è del tutto”, quei “nodi quasi di stelle” sono un riferimento, ante litteram, alla teoria dei nodi, alla topologia ed i versi “le nostre stelle o sono ignote, o così paiono… un punto di luce nebulosa” richiamano l’astrofisica: infatti, adolescente, scrisse la “Storia dell’astronomia”.

Le chiedo fino a che punto, in che termini e modi sia possibile considerare scientifica la loro indagine del mondo e la vitalità del loro pensiero in relazione alla fisica moderna.

Quando rileggo Esiodo o Democrito di Abdera, Lucrezio o Giordano Bruno per non parlare di Giacomo Leopardi, rischio sempre di essere travolto dall’emozione. Anzitutto per la bellezza e la potenza della loro scrittura. Ma anche per la suggestione, cui non mi riesce di resistere, di ritrovare nei loro scritti una lucida anticipazione di quello che ci dice la scienza contemporanea. Esiodo che parla del chaos primordiale, così simile al vuoto quantistico da cui origina il nostro universo. O Leopardi che demolisce ogni residua illusione antropocentrica. La sua è una concezione della natura, totalmente indifferente ai destini di queste fragili creature che si affannano su un minuscolo pianeta, che calza perfettamente con la visione dell’universo che ci consegna la scienza contemporanea. I grandi classici hanno ancora molte cose da raccontarci.

-Si può ben dire che la filosofia e la poesia hanno investigato il cosmo e la natura dell’umanità ben prima del metodo scientifico nato con Galileo e che l’intelletto, l’immaginazione, le congetture, l’illuminazione e non solo la fatidica serendipity, siano stati determinanti in questo lungo percorso. E questo storico intreccio e lascito, che lei rappresenta nei suoi libri, potrebbe preludere ai nostri giorni a forme più strutturate tra il sapere umanistico e quello scientifico? È possibile auspicare ad esempio dei tavoli di lavoro che consentano uno scambio ravvicinato di pareri tra ricercatori e studiosi delle varie discipline senza preclusioni o pregiudizi?

Filosofia e religione, arte e poesia, hanno investigato la natura e il cosmo da millenni e hanno fornito all’umanità, con la cultura, uno strumento formidabile per la sopravvivenza della specie. Ma quando Galilei inventa il metodo scientifico e nasce la scienza moderna di colpo cambia tutto, per sempre. Nell’ultimo secolo, in particolare, la velocità con la quale si è sviluppato il progresso scientifico è diventata impressionante. La scienza progredisce in maniera quasi esponenziale, mentre la cultura umanistica continua a crescere con progressione lineare. Questo gap dev’essere colmato al più presto, perché nel mondo moderno, dominato dalla scienza e dalla tecnica, c’è un bisogno estremo di cultura umanistica, per certi versi ancora più forte rispetto al passato.

Chi, se non i filosofi, gli umanisti, gli artisti, potranno dare un senso, ancora oggi, all’esistenza umana? Chi altri potrà aiutare l’umanità a fare i conti con quei cambiamenti di paradigma che potrebbero essere indotti da nuovi, strabilianti, risultati scientifici: per esempio se si scoprisse che il nostro non è che uno di molteplici universi, se si provasse l’esistenza di extra-dimensioni spazio-temporali, se si trovassero prove della presenza di forme di vita in altri pianeti. Non sto parlando di fantascienza ma di obiettivi scientifici su cui sta lavorando, già oggi, la comunità internazionale.

-Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg stabilisce che per indagare una particella di materia, per esempio un elettrone, dobbiamo agire su di essa con strumenti, che modificano le condizioni del sistema: il problema osservatore-osservato quanto ostacola la ricerca? e potrà mai trovare un superamento?

Il principio di indeterminazione, che trascina dietro di sé la questione del rapporto osservatore/osservato, è uno dei misteri più affascinanti della fisica contemporanea. Sappiamo che funziona alla perfezione, lo possiamo verificare ogni giorno nei nostri esperimenti, ma ancora non abbiamo capito perché. Come molti altri principi della meccanica quantistica, per esempio il principio di esclusione di Pauli, descrive perfettamente il comportamento delle particelle su scala sub-nucleare ma ci appare assolutamente incomprensibile. Ogni fisico contemporaneo sognerebbe di scoprire la sottile simmetria o la nuova dinamica dalla quale emergono questi principi. Ancora non ci siamo riusciti, ma siamo in molti a pensare che sotto la superficie dove agiscono questi principi fondamentali ci sia un livello più profondo dal quale emergono queste “leggi misteriose”. Quando scopriremo questo strato sottostante, nascosto sotto le leggi della meccanica quantistica, forse capiremo il perché del loro funzionamento così misterioso. Sfortunatamente nessuno ci è ancora riuscito e per questo continuiamo a nuotare nella più profonda ignoranza.

-“Ci sono asserzioni formulate in modo esatto che non sono né vere né false” per Gödel e per Thom “La matematica rimette in discussione la possibilità di misurazione” e le traiettorie nello spazio geometrico sono stabili solo per un certo intervallo, fuori da quell’intervallo si salta su traiettorie con una transizione rapida (biforcazione) e a volte discontinua (catastrofe),

Le teorie della complessità affermano, contro la spiegazione scientifica deterministica, che la realtà è un organismo, un nodo di relazioni dal comportamento disordinato, non prevedibile.

Quanto queste asserzioni incidono e vanno a condizionare l’esplorazione della natura?

Solo recentemente si è cercato di affrontare lo studio sistematico dei sistemi complessi. E subito ci si è resi conto della necessità di sviluppare strumenti concettuali specifici, diversi rispetto a quelli usati tradizionalmente. Da tempo si è abbandonata l’idea meccanicistica di un’evoluzione materiale puramente deterministica. La meccanica quantistica, con la sua dinamica dominata dalle fluttuazioni e dal principio di indeterminazione ci ha costretto ad abbandonare le ipotesi più ingenue anche per lo studio dei sistemi più elementari. Quando si passa ai sistemi complessi, alle transizioni catastrofiche, ai fenomeni non lineari che pure abbondano in natura, le cose diventano ancora più difficili. Siamo solo all’inizio, ai primi vagiti di una nuova scienza che svilupperà presto nuovi strumenti logici e matematici capaci di descrivere meglio l’evoluzione di questi sistemi.

-La MOI, Mind-Object Identity del prof. Manzotti propone una teoria materialistica della coscienza. Lei può darci, da fisico, un parere al riguardo?

Mi trovo in imbarazzo nell’intervenire in campi che non conosco approfonditamente. La questione della coscienza e i meccanismi che governano la nostra mente e le sue interazioni col mondo sono estremamente complessi. Conosco la teoria del prof. Manzotti e trovo intrigante l’idea di superare la separazione, per così dire ontologica, fra noi e il mondo materiale che ci circonda. Sono piuttosto scettico invece su alcuni aspetti della teoria che ipotizzano meccanismi quantistici e relativistici nei fenomeni collegati alla coscienza umana. Tuttavia la mia ignoranza nel campo delle neuroscienze non mi permette di approfondire a sufficienza le argomentazioni proposte.

-La teoria delle stringhe parla di filamenti di energia vibrante che sono “piegati”, arrotolati e descrivibili da “nodi” o “nastri” e presenta un fascino soprattutto per chi ha avuto modo di ascoltare il Prof. Gabriele Veneziano a Firenze anni fa, ma ancora non trova conferma. È definitivamente archiviata o, ancora una volta, la ricerca scientifica ci potrà riservare delle sorprese?

Gabriele Veneziano, oltre a essere un grande fisico teorico, è un mio caro amico. Sono stato sempre affascinato dalla teoria delle “stringhe” o delle corde vibranti di cui è l’ideatore. È una costruzione teorica geniale che immagina questi minuscoli costituenti che si annidano nel cuore delle particelle elementari conosciute e che, se verificata, permetterebbe di risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica contemporanea, come, per esempio, la quantizzazione della gravità. Purtroppo nessuno ha trovato, finora, una prova sperimentale dell’esistenza di queste sottostrutture nei quark o nei leptoni e quindi resta, per ora, un’elegante congettura. Potrebbe essere una teoria completamente sbagliata, ma potrebbe essere che la verifica ci sia sfuggita perché non abbiamo avuto ancora, a disposizione, acceleratori capaci di generare collisioni di energia sufficientemente elevata da registrare gli effetti di queste “corde vibranti”.

-Un’ultima curiosità: carbonio e grafene hanno mostrato stupefacenti proprietà e si parla di un suo utilizzo anche nei pc. Le chiedo se è stato utilizzato anche nella costruzione di CMS e di LHC

Abbiamo fatto grande uso di fibre di carbonio nella costruzione di CMS. È un materiale ideale per alcune nostre esigenze: molto più robusto dell’acciaio e molto più leggero dell’alluminio; estremamente stabile, ottimo conduttore di calore, capace di reggere grandi flussi di radiazione. Non abbiamo utilizzato il grafene, perché è stato scoperto nel 2004, quando avevamo già costruito quasi tutto l’esperimento. Oggi il grafene viene utilizzato in moltissime applicazioni interessanti e ci sono studi per impiegarlo in CMS nella fase di miglioramento dell’apparato, che avrà luogo dal 2025 al 2030.

Conclusione

Possiamo dire ancora con Shakespeare che non solo “Noi siamo fatti della stessa sostanza dei sogni” ma di stelle, di atomi infatti sono costituiti oggetti, piante, animali e noi: il mondo è il precipitato di stelle e segnatamente delle supernove che alla fine della loro esistenza ci consegnano la vita esplodendo e disseminandosi nello spazio.

Quell’evento, il momento delle origini del mondo il prof. Tonelli e i fisici tutti sono tesi a farlo rinascere a riprodurlo in ogni piega con l’acceleratore di particelle per far pulsare il primo attimo di vita del mondo.

In “Materia. La magnifica illusione” la narrazione che fa il Prof. Tonelli continua in pagine coinvolgenti, che invitiamo a leggere, tanto quanto i primi passi della spiegazione prima mitica poi di quella materialistica di Presocratici, di poeti-filosofi, di tanti artisti ed ora con la tecnologia più avanzata continua l’assalto al cielo dell’uomo granello di sabbia nell’universo, ma pensante.

P.S.

Non è possibile trovare le parole per descrivere la meraviglia e il senso di riconoscenza di chi ha potuto dialogare col Prof. Tonelli.

Camilla Jannacci

L’articolo Guido Tonelli: Materia è già apparso su Il Corriere Nazionale.

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