La profonda ambiguità della forza che ha imbrigliato per secoli la scienza

"Il problema centrale della filosofia”, scrive Isaac Newton nei “Principia Mathematica”, “sembra essere scoprire le forze della natura”. Filosofia e natura: se c’è un concetto che congiunge il mondo inanimato, quello studiato dalla fisica, col mondo dello spirito della filosofia, è quello della forza. La forza è l’agente che muove gli oggetti, rendendo percepibile l’universo fisico, ma è anche l’espressione della volontà animale o umana. E’ ciò che permette alle particelle elementari di interagire tra loro, creando formazioni stabili (atomi, molecole), ma pure il collante che tiene insieme le società: lo Stato è il depositario della forza che disciplina il popolo, e di converso il popolo ha in mano in ultima analisi la forza di decidere il suo destino, con il voto o la rivoluzione. La forza non è solo ciò che agisce ciecamente, ma anche, sia in fisica che nel mondo del pensiero, l’attore che crea struttura dal caos. C’è un ulteriore, più sottile, punto di contatto tra fisica e filosofia legato al concetto di forza: ed è la sua profonda ambiguità, che ha imbrigliato per secoli il dibattito scientifico. Se la forza è ciò che agisce sulla “materia” (intendo qui l’oggetto dell’azione, sia esso materia fisica che membri di una società umana), cosa agisce sulla forza stessa? O meglio: cosa determina la forza? E’ essa stessa materia, o esiste un agente trascendente, uno spirito del tempo o dello spazio?

La risposta dei fisici è stata altalenante. Descartes immaginava la forza gravitazionale come dei vortici nello spazio e, come Leibniz, ripudiava ogni azione a distanza. Newton, con gran dispetto dei suoi detrattori, preferiva tenersi lontano dalla questione: il suo famoso hypotheses non fingo, “non faccio ipotesi” sull’origine ultima della gravità. Nonostante vari tentativi di teorizzare la forza gravitazionale o elettromagnetica in maniera atomistica come voleva Lucrezio nel De rerum natura, fino all’alba del ventesimo secolo per la maggior parte degli scienziati forza e materia erano rigidamente separati, eppure misteriosamente connessi. La materia è costituita da atomi indivisibili, eterni e puntiformi. La forza è un ente continuo, variabile, diffuso nello spazio e ad esso in qualche modo associato. Ma al contempo la forza nasce dalla materia: ogni frammento di materia è soggetto alla forza gravitazionale, ma ne è anche l’origine. Non c’è materia immune alla gravità, non c’è gravità senza materia. Nel corso del Ventesimo secolo, questo ambiguo dualismo tra forza e materia subirà molte trasmutazioni, ma non verrà mai cancellato.

La visione della fisica moderna, scolpita nella teoria quantistica dei campi, è infatti anch’essa duale, ma sotto sembianze profondamente diverse dal passato. La materia è rappresentata da particelle di un tipo detto fermionico (da Enrico Fermi), le forze da un altro tipo, denominato bosonico (dal fisico indiano Satyendranath Bose). Nessuna particella può cambiare questo stigma primordiale: ogni particella elementare, se isolata, nasce e muore fermione o bosone. In quanto particelle, hanno in comune molte proprietà: trasportano energia, e in alcuni casi altre caratteristiche come massa o una forma di carica, e interagiscono tra di loro. Ma differiscono in una proprietà fondamentale: i fermioni si scambiano bosoni, ma i bosoni non si scambiano fermioni. Le particelle di materia, ad esempio elettroni e protoni, alterano il loro moto durante questo scambio, accelerando o rallentando, un po’ come due pattinatori su ghiaccio si allontanano se si lanciano una palla: questa variazione di stato è ciò che macroscopicamente chiamiamo forza. Ogni azione che altera lo stato della materia è conseguenza di una interazione mediante bosoni. Senza di essi l’universo sarebbe come la terra prima del fiat lux: “informe e deserta, e le tenebre coprivano l’abisso”.

L’antica dicotomia tra forza e materia si riduce a quella tra fermioni e bosoni. I fermioni possiedono una scintilla di eternità: il loro numero (opportunamente definito) si conserva in ogni processo, ed è per questa ragione che possono essere propriamente definiti materia. I bosoni, invece, possono moltiplicarsi oltre ogni necessità, come gli angeli dei teologi medioevali: in ogni evento, possono crearsi e distruggersi senza curarsi del numero totale, purché vengano rispettate regole universali come la conservazione dell’energia. I fisici dicono quindi che i bosoni trasportano, o mediano, le forze fondamentali: la gravità, le forze elettromagnetiche, e le due forze nucleari denominate forte e debole. Ma la teoria quantistica dei campi rende la dualità ancora più ambigua, in quanto sia fermioni che bosoni sono rappresentati da onde che si propagano nello spazio, onde che ubbidiscono a regole universali che si applicano ad entrambe le tipologie. Forze e materia sono consustanziali: sono oscillazioni di campi quantistici. Ubbidiscono a leggi diverse, ma sotto una stessa costituzione. Immagino che molti studenti di fisica condividano con me lo stupore quando apprendiamo per la prima volta che, per quanto ne sappiamo, tutti i fenomeni fisici (tutti: dalle sinapsi cerebrali alle supernovae) sono causati dagli incontri casuali di onde-particelle governate in termini matematici da una singola espressione denominata Lagrangiana del Modello Standard, una sorta di Dna del mondo, in cui materia e forze partecipano in egual misura. E’ solo un apparentemente innocuo incidente matematico (la linearità dei campi bosonici, se vogliamo dirla tutta) che rende i bosoni così flessibili da poter apparire e scomparire alla bisogna, come conigli dal cappello.

Ho incluso la gravità tra le forze fondamentali, ma essa richiede un ulteriore paragrafo. La gravità, già dal nome, rimanda a qualcosa di arcaico e terribilmente serio. Siamo talmente immersi in essa che a mala pena la percepiamo come forza, e ne sentiamo la mancanza solo quando non c’è, e allora sono guai! Oggi come nei tempi antichi, la gravità è sempre fonte di mistero. Possibile che una boccia di piombo e una di gomma lasciate cadere insieme, tocchino terra nello stesso istante? Possibile che sulla Luna pesiamo sei volte di meno? Possibile che una stella che implode si racchiuda interamente in un buco nero, un infinitesimo punto Omega senza tempo e senza spazio? Possibile che ogni movimento, dal mio dito che pesta la tastiera a un pianeta in orbita intorno alla sua stella, emetta impercettibili onde gravitazionali, capaci di viaggiare per milioni di anni luce finché qualcuno, qualcosa, le rilevi e magari le studi? Siamo in buona compagnia a manifestare perplessità di natura gravitazionale. Einstein stesso inizialmente non credeva né ai buchi neri né alle onde gravitazionali, che pure le sue stesse equazioni predicevano, e tuttora schiere di fisici e astrofisici scandagliano acceleratori e astri per capirne un po’ di più. La forza gravitazionale, pur essendo forse la più studiata delle forze fondamentali, è anche la più incomprensibile, tanto da spingere molti scienziati verso l’agnosticismo di Newton. La ragione di tale complessità ce l’ha dettata il grande Albert: la gravità è una forza che letteralmente piega lo spazio e il tempo. I fenomeni fisici non sono biglie che rotolano spinte da una stecca su un tavolo da biliardo: è il biliardo stesso che si flette e si srotola insieme alle biglie e così facendo le mette in movimento. Nessuna stecca, nessun agente esterno, nessuna forza come ingenuamente la intendevamo prima di Einstein.

Quindi la gravità è qualcosa di ontologicamente differente dalle altre forze? Non veramente forza, ma neppure materia? Un quinto elemento che scombussola i piani, un portale verso altre dimensioni, uno spirito che aleggia sulle acque? La profonda ambiguità del concetto di forza, ovvero il suo essere “nel” mondo fisico senza esserne pienamente parte, ritorna prepotente. La Relatività Generale di Einstein è essa stessa, in piena regola, una teoria dei campi, e quindi intimamente soggetta alle stesse leggi della fisica delle altre forze, ma ancora sfugge ad una completa descrizione in termini quantistici, ovvero in termini di particelle. Non potendo effettuare esperimenti con i buchi neri, in cui la gravità assume quelle forme estreme che ci aiuterebbero a carpirne i segreti, non possiamo accertare quale delle varie teorie che evocano una gravità quantistica sia quella più vicina alla realtà.

Ed ecco che mi è sfuggita quella parola magica che ho cercato finora di evitare, realtà. E’ come un’altra parola terribile, verità: “Cos’è la verità?”, chiede Ponzio Pilato a Gesù. E come nel vangelo, la domanda non può che rimanere sospesa, perché ogni risposta che pretende di definire la verità dà luogo alla stessa domanda iniziale, in una infinita ricorsione, un uroboros logico senza uscita. La realtà è ciò che percepiamo, ma l’organo che percepisce è esso stesso parte della realtà. Le nostre teorie fisiche pretendono di descrivere la realtà, ma la mente che le elabora è essa stessa un elemento di quella realtà, e non potremo sapere mai quale parte delle leggi che formuliamo è scoperta (esiste al di fuori di noi) e quale inventata (esiste perché la nostra mente riproduce schemi innati). Le leggi della fisica sembrano funzionare meravigliosamente, almeno finché le applichiamo a sistemi relativamente semplici, e forse potremmo accontentarci di questi successi, come spesso inconsapevolmente fanno i fisici. Forza e materia sono riflessi di una dualità matematica ineliminabile, le due sole modalità dell’esistente: ogni particella elementare è fermione o bosone, senza eccezione. Una dualità come ce ne sono tante in matematica e logica: ogni numero è reale o immaginario, i numeri interi sono divisibili oppure primi, ogni concatenazione logica è corretta o errata… O forse no. I teoremi di incompletezza di Kurt Gödel, pubblicati intorno al 1930, insegnano che nessun sistema logico formale, inclusa la matematica, è completo, nel senso che possiamo sempre enunciare affermazioni che non possono essere né dimostrate né confutate. Forse la realtà è indefinibile in questo stesso senso ed è del tutto vano cercare di mediare tra materialismo e idealismo. Ma sto divagando...

Newton riassumeva tutta la filosofia nello studio delle forze. Ci può essere un dialogo tra la forza come la intendono i fisici e la forza in altri contesti, in particolare politici o sociali? Credo che il trait d’union sia nelle conseguenze della forza. In fisica, le forze creano strutture: legano gli elettroni ai protoni negli atomi, gli atomi nelle molecole e nelle stelle, le molecole nelle cellule animali, e così di gradino in gradino. Senza l’accidente matematico che origina le forze, l’universo sarebbe puro caos. La stessa scala gerarchica si riscontra nel mondo animale e umano: forze biologiche, evolutive e sociali ci legano in famiglie, tribù, popoli. La forza del branco o della comunità costringe l’individuo a rispettare certe leggi. Senza di esse, il branco si dissolve e scivola verso anarchia o estinzione. “Cosa è un regno senza giustizia,” scrive Agostino d’Ippona, “se non ladrocinio?” Ma la forza della comunità non è esterna, nasce e si auto-regola nella comunità stessa. E non è neppure solo la somma della volontà di tanti individui, è piuttosto un codice che ubbidisce a leggi proprie, non solo biologiche, non solo logiche, non solo fisiche. In Relatività Generale, secondo J. A. Wheeler, lo spaziotempo dice alla materia come muoversi, la materia dice allo spaziotempo come curvarsi. Questa massima potrebbe ben essere adattata alla sociologia: le leggi della comunità dicono agli individui come comportarsi, ma allo stesso tempo gli individui dicono alle leggi come evolvere. La forza agisce in entrambe le direzioni.

L’analogia tra la forza in fisica e in politica si estende anche alla minaccia ultima. Quando l’equilibrio tra forza e materia si rompe, le strutture collassano su loro stesse. La catastrofe stellare che ne consegue trasforma una stella in nana bianca, o in stella di neutroni, o nell’eterna oscurità di un buco nero. Quando l’equilibrio tra la forza della comunità e la volontà dei suoi membri si rompe, la società entra in una violenta spirale di trasfigurazioni, il cui esito è imprevedibile. La fisica, ahimè, non insegna come evitare la catastrofe. E’ un compito che spetta interamente a noi.