LA BRIDGE THEORY: UN PONTE FRA LA MECCANICA QUANTISTICA E LA TEORIA DELLA RELATIVITÀ

Il 42° Carnevale della Fisica avrà come tema “Personaggi e scoperte della Fisica moderna, da Planck e Einstein all'LHC”.  Pensando a questo tema mi sono ricordato di un libro che da tempo giaceva sulla mia scrivania: “Oltre la frontiera quantistica” di Massimo Auci. Mi sono detto: “è perfetto per un tema di questo tipo!” e così l’ho letto e l’ho trovato esattamente come recita il sottotitolo: “una storia appassionante”.

È un libro ricco di idee,  autobiografico, al punto da far capire ad un giovane fisico cosa significhi fare ricerca e quanto sia difficile trovare qualcuno che legga i tuoi lavori, anche se sono pubblicati su prestigiose riviste internazionali. D’altronde, quando si intende diffondere idee nuove nella scienza, la fatica è gigantesca e il tempo si misura in decenni. E tre sono i decenni da quando il fisico Massimo Auci ha avuto le prime intuizioni sulla Bridge Theory.

Innanzitutto cos’è la Bridge Theory?

Massimo Auci

 La Bridge Theory è sostanzialmente un nuovo approccio fisico-matematico alle interazioni  microscopiche, si basa sull’elettromagnetismo, che usato in modo del tutto innovativo, conduce allo sviluppo di una nuova teoria dell’interazione e a un nuovo metodo per il calcolo dell’energia prodotta dalla sorgente. Sicuramente è un approccio molto diverso, con il quale però, a differenza di quello consueto, si riesce, per così dire, ad osservare la sorgente da un punto di vista che chiamerei locale e soggettivo; la teoria è un ponte, perché proprio grazie a questo approccio dimostra che Meccanica Quantistica e Teoria della Relatività non sono teorie antitetiche, bensì punti di vista differenti entrambi coesistenti nell’elettromagnetismo.

Nel suo percorso di ricerca lei si è chiesto come mai la teoria elettromagnetica classica di Maxwell fosse in grado di spiegare il comportamento di un dipolo a livello macroscopico ma non a livello microscopico. In che modo la Bridge Theory rappresenta un ponte fra due mondi? E’ effettivamente in grado di rendere più semplice la nostra comprensione della Natura?

Direi che quella è stata la prima domanda che mi sono posto quando all’università mi misi a studiare per l’esame di Fisica Atomica, ma non ci misi troppo tempo a comprendere il perché, fu molto più complicato fare i calcoli e dimostrarlo.

Premesso che in Bridge Theory la quantizzazione dell'energia nasce dalla mancanza di simmetria sferica nel campo elettromagnetico di un dipolo, la differenza tra comportamento quantistico e comportamento elettromagnetico di una sorgente sta nel fatto che un osservatore e i suoi strumenti di laboratorio siano, o non siano, troppo grandi per poter misurare i campi elettromagnetici di una sorgente: quando consideriamo un atomo, la sorgente di dipolo è troppo piccola per contenere un osservatore, quindi l'energia emessa viene osservata sotto forma di fotoni dando origine ad effetti quantistici, mentre per sorgenti macroscopiche, come quelle radio, un osservatore è immerso nel campo elettromagnetico e non essendo in grado di misurare l'energia associata all'intera sorgente, è sensibile solo a effetti elettromagnetici. Quindi, noi esseri umani osserviamo le onde emesse dagli atomi come fotoni e le onde radio come onde, ma la teoria da usare è una sola: non le sembra più semplice disporre di un’unica logica, anziché dover fare i conti con due teorie apparentemente antitetiche come la Meccanica Quantistica nel microscopico e la Teoria Elettromagnetica nel macroscopico?

Come è nata?

Come ho scritto nel libro, era il primo dell’anno 1979 e mi trovavo in montagna a Bardonecchia a casa di amici. Stavo facendo colazione prima di andare a sciare, davanti a me una tazza di té fumante, troppo calda per essere bevuta. Presi la tazza e la spostai … improvvisamente capii che quello poteva essere il modello giusto per un fotone … la tazza, una proprietà locale della sorgente che imprigiona l’energia all’interno del fotone, la traiettoria del fotone nello spazio tempo, non uno spostamento nel senso comune del termine, ma la sua replica locale che si manifesta solo quando viene osservato. Ovviamente quella è stata la prima intuizione che ha subìto nel tempo dei cambiamenti.

In che modo essa spiega il dualismo onda-materia, che invece – all’interno della Meccanica Quantistica – viene accettato in base al postulato dell’interpretazione di Copenaghen?

Dobbiamo fare una premessa. Una particolarità della Bridge Theory è che ogni carica interagisce direttamente solo con una carica di segno opposto formando un dipolo, per esempio, in un atomo di elio ogni protone positivo interagisce con un elettrone negativo formando in tutto quattro dipoli. Quindi ogni carica negativa interagisce con tutte le cariche positive dell’universo escludendo quelle dello stesso segno. Quell’esclusione si manifesta sotto forma di forza repulsiva. Una seconda particolarità è che ogni dipolo localmente si comporta come un fotone, o meglio, localizza in una regione chiamata zona sorgente, l’energia di un fotone, … proprio E = hf … dove h è proprio la costante di Planck, con una particolarità, il suo valore è calcolabile per via teorica e non c’è bisogno di un esperimento. Ora se immaginiamo che la sorgente sia prodotta dall’interazione tra due particelle di segno opposto, per esempio da una coppia elettrone-positrone, per i principi di conservazione deve accadere che l’energia e la quantità di moto delle due particelle devono confluire alla sorgente, quindi la sorgente è il mezzo per scambiarsi energia e quantità di moto, insomma la sorgente è un fotone di scambio. Bene, la soluzione porta a concludere che la massima energia possibile che può acquisire la sorgente durante l’interazione, corrisponde all’energia relativistica delle due particelle. Questo risultato è importante per due motivi, primo stabilisce che in consistenza con la teoria elettromagnetica classica, una particella possiede un’energia E = m(c^2) in accordo con la teoria della Relatività di Einstein; secondo perché energia e quantità di moto delle particelle in interazione sono legate a quelle della sorgente, quindi alla lunghezza d’onda della sorgente che si forma, vale a dire alla lunghezza d’onda di De Broglie. A questo punto è facile comprendere come l’interpretazione di Copenaghen che assegna alla materia un comportamento duale, sia sicuramente corretta, ma forzosa, in quanto non c’è bisogno di una asserzione dogmatica per assumerla come vera.

Se ho capito bene, le onde di probabilità della Meccanica Quantistica sarebbero invece “una sovrapposizione di infinite onde elettromagnetiche” (cito dal suo libro), quindi non più onde “vuote”?

Infatti, la dualità dipende solo dal fatto che una particella sia o meno rivelata. Se un elettrone non interagisce con nulla non lo osserviamo, pertanto nulla possiamo dire. Se invece lo osserviamo, per osservarlo dobbiamo farlo interagire con la materia, quindi ipotizzando che si trovi inizialmente allo stato corpuscolare, nell’interazione si viene a creare una distribuzione spazio-temporale di dipoli, con i quali ripartisce la propria energia.  Per descrivere l’elettrone dobbiamo perciò usare la sovrapposizione delle onde elettromagnetiche monocromatiche emesse dai dipoli, esattamente quello che in MQ (Meccanica Quantistica) è definito il pacchetto d’onde della particella. Ovviamente quando un elettrone è osservato in un rivelatore, si realizza in una sola delle interazioni possibili, quindi degli stati energetici con cui l’elettrone era descritto, stato che ha dal punto di vista del rivelatore le caratteristiche locali previste dalla teoria corpuscolare. Ovvio che durante la propagazione di un elettrone in un mezzo materiale, esso sia per così dire, smaterializzato, la sua propagazione è a carico del pacchetto d’onde che lo descrive, onde rigorosamente elettromagnetiche che interferendo tra loro originano uno o più punti di massima localizzazione.  In  natura è impossibile che una particella non interagisca con nulla … quindi … data l’infinità di possibili interazioni e l’energia finita di un elettrone, si avrà che ciascun’onda monocromatica porterà con se una frazione infinitesima dell’energia del sistema e solo le interazioni predominanti saranno altamente probabili.  

Se in generale le costanti fisiche fondamentali non vengono giustificate ma solo misurate sperimentalmente, in che modo la Bridge Theory è riuscita a spiegare la costante alfa? Possiamo affermare che la costante di Planck e la costante alfa non sono più definibili “fondamentali”?

Una costante fondamentale è un parametro fisico con un valore misurabile solo sperimentalmente e dal quale dipende un’intera classe di fenomeni naturali. Bè, questa è più o meno la definizione di costante fondamentale che dà l’enciclopedia Treccani, ed è anche più o meno quella che darei io, però io aggiungo qualcosa in più. Spesso si confonde l’aggettivo fondamentale con universale; direi che questi due termini sono molto differenti, in nessun modo possono essere considerati sinonimi. Fondamentale significa che senza  quella costante non si può fare nessuna valutazione sulla classe dei fenomeni a cui si riferisce e che per ottenere il suo valore occorre misurarlo sperimentalmente. Universale invece significa che il suo valore dipende dalle caratteristiche dell’universo conosciuto e se ci fosse anche una piccola variazione, si produrrebbero modificazioni sostanziali nella struttura del nostro universo. Veniamo alle teorie: la consuetudine è che la fisica si fa in  laboratorio e la matematica ci permette di descriverla.

Questa introduzione mi serve per poterle rispondere. La costante di struttura fine (alfa), dal punto di vista storico è una costante universale ma non è una costante fondamentale, è universale perché dal suo valore dipende il modo di accoppiarsi della carica elettrica con il campo elettromagnetico e se il suo valore fosse anche solo leggermente differente, l’universo stesso sarebbe molto diverso da com’è. Non è invece una costante fondamentale perché usualmente non si misura in laboratorio ma attraverso altre costanti fondamentali: la carica elettrica, la costante di Planck, la velocità della luce [nel sistema di unità di Gauss: alfa = e^2/hc ].

In Bridge Theory, alfa è una caratteristica della geometria del campo elettromagnetico nella zona sorgente. Dal punto di vista fisico alfa non è misurabile in laboratorio ma è perfettamente calcolabile dal modello senza far uso di altre costanti … quindi la sua precisione dipende solo dal grado di approssimazione del modello usato. Se è vero che la matematica è l’unico modo che abbiamo per descrivere la fisica della sorgente, il calcolo di alfa equivale ad una misura fisica, quindi da questo punto di vista alfa è una costante fondamentale. Quello che invece capita è che è la costante di Planck a non essere più una costante fondamentale, perché il suo valore nel contesto della Bridge Theory si può ottenere da alfa, dalla carica elettrica e dalla velocità della luce [ h = alfa^-1 e^2/c ].

Leggendo il suo libro mi è sembrato di capire che non è stato facile trovare qualche collega con cui collaborare. Perché? Se al principio della sua carriera avesse avuto a disposizione le potenti tecnologie di comunicazione oggi esistenti, le cose sarebbero andate in maniera diversa?

Prima di tutto occorre dire che il mondo accademico è ancora oggi a comparti quasi stagni. Io ho avuto una formazione da fisico sperimentale nell’ambito della fisica della Radiazione Cosmica come quasi tutti i colleghi con cui ho avuto il piacere di lavorare. Le ricerche che ho svolto e di cui narro, appartenevano ad un ambito molto diverso, quello della fisica teorica della materia. Occorre anche dire che a partire dalla seconda metà del Novecento la fisica teorica si è molto allontanata dalla fisica sperimentale. Nella storia della fisica, personaggi come Maxwell, Planck, Heisenberg, Fermi e molti altri ancora, lavoravano in ambito teorico tenendo ben saldi i piedi in laboratorio. I fisici teorici di oggi, sono in effetti dei matematici prestati alla fisica, dei veri e propri specialisti che nulla hanno a che fare con il laboratorio. I miei lavori, per quanto teorici possano essere considerati, avevano i piedi ben saldi in laboratorio e soprattutto andavano a rimescolare teorie e metodiche acquisite nel sapere comune da quasi cinquant’anni. I teorici hanno raramente preso in considerazione i miei lavori, prima di tutto perché ognuno ha un proprio ambito e ciascuno parla di quel che sa; il commento più frequente era, e purtroppo a volte lo è ancora, che se ci sono risultati così eccezionali è perché involontariamente li avevo introdotti sotto mentite spoglie. Quindi capisce che con queste premesse è difficile trovare qualcuno che collabori con te.

Io penso che chiunque ha il diritto di essere perplesso leggendo lavori nuovi, anzi è giusto esserlo ed io stesso faccio molta attenzione ogni volta che mi capita di fare da referee, ma nessuno deve avere il diritto di cestinare delle idee a priori, solo perché diverse dalle proprie o semplicemente diverse, questo è quello che penso. Devo ringraziare alcuni editor e colleghi, che pur consapevoli delle diversità delle mie idee da quelle standard e del rischio professionale, hanno spinto e puntato sui miei lavori dandomi un grosso aiuto. Fosse stato oggi? Forse le nuove tecnologie mi avrebbero aiutato come ora mi aiutano, ma ancora oggi come ieri, per la ricerca scientifica contano soprattutto le pubblicazioni soggette al processo di «peer review», … spesso è difficile trovare qualcuno che abbia il coraggio di metterci la faccia per idee non proprie, visto il rischio di sbagliare ed esporsi a critiche, molto meglio rimanere nel coro al sicuro. Non le pare?

Lei ha scritto: “L’ortodossia in fisica è un problema serio e diffuso che anche oggi può minare le basi del sapere”. Sulla base della sua esperienza, quali consigli darebbe ad un giovane fisico con idee non ortodosse appena entrato nel mondo della ricerca?

Spero che dal libro si capisca che non ce l’ho con i colleghi che credono ciecamente alla realtà di una teoria, ma ce l’ho con le possibili conseguenze che questa certezza può comportare. Voglio farle un esempio. Supponiamo che uno studente si laurei con indirizzo teorico con una tesi di ricerca sul modello standard e successivamente faccia una tesi di dottorato più o meno sullo stesso argomento e poi ancora lavori per alcuni anni nello stesso ambito. Il livello di specializzazione che deve raggiungere per poter sviluppare le tesi e poi affrontare la competizione nel mondo della ricerca, una competizione che punta più sul numero di pubblicazioni che sulla sua originalità, è tale da impedirgli da avere qualunque velleità critica e qualunque dubbio filosofico sulla realtà della teoria di cui è specialista. Ci vuole esperienza, senso critico, coraggio e soprattutto tempo, per provare a mettere in dubbio qualunque idea stabilizzata che è entrata a far parte del proprio DNA. Non le pare? La paura di essere criticati ed esclusi dal mondo accademico non riuscendo a pubblicare è l’ostacolo maggiore. Io credo che un fisico oltre ad essere un uomo di scienza debba essere un filosofo, per cui è fondamentale che si sappia aprire a nuove sperimentazioni del pensiero, quindi a nuove idee. Senza questa capacità, con difficoltà il sapere potrà progredire. Un consiglio per uno studente? Guardarsi indietro ed essere consapevoli della possibile fallacia delle proprie e altrui certezze: fare ricerca significa che stiamo ancora cercando qualcosa, altrimenti non la cercheremmo più.      

Potrebbe spiegare come la Bridge Theory abbia anticipato di 10 anni i risultati sul modello “a bolle” dell’Universo?

Ho un po di imbarazzo a parlare di questo argomento, perché è solo in questi giorni che sto riprendendo in mano dopo tanti anni quel lavoro e con la revisione molte cose potrebbero accadere.

Sì, nel  '92, come ho raccontato nel libro, ho presentato il lavoro ad un congresso e per questo ne ho la paternità, ma nel  '94 ho provato a farne una pubblicazione su una prestigiosa rivista. Si trattava di più di vent’anni fa, da pochi anni erano usciti i primi tre articoli sulla Bridge Theory che allora non si chiamava nemmeno così, e pochissimi la conoscevano. Poche erano ancora le conoscenze sulla natura della radiazione di fondo cosmico e COBE aveva da poco aperto la strada alla prima mappatura della radiazione di fondo.  Inutile dire che l’articolo, troppo innovativo per l’epoca, fu rifiutato in quanto ritenuto speculativo. Ovviamente ora, dopo vent’anni, partendo da nuove informazioni sto rivedendo alcune idee, ma sostanzialmente ciò che avevo ottenuto non cambia. Secondo la Bridge Theory, la formazione di un fotone assorbe una piccolissima quantità di energia per effetto auto-gravitazionale. Un assorbimento che non influisce sullo spettro elettromagnetico locale su piccola scala, ma che può fornire uno spostamento verso il rosso nella luce emessa da galassie molto lontane. Lo spostamento è proporzionale alla distanza da cui proviene la luce e in base ad una stima legata alla quantità di materia intergalattica e alla sua temperatura, porta ad un valore della costante di Hubble variabile, ma confrontabile con quello misurato da WMAP e dall’attuale missione Planck.

Nel modello l’universo è piatto, quindi perfettamente euclideo e non è in espansione ma in crescita regolare lungo i bordi di bolle di spazio-tempo sui quali si concentra la materia barionica e oscura.

Per poterlo immaginare pensiamo ad un agglomerato di bolle di sapone, semplicemente schiuma che si forma a partire da un unico fluido omogeneo di materia oscura instabile, la cui esistenza, comunque non provata,  è supportata dalla Bridge Theory. Il decadimento di questo speciale fluido sarebbe responsabile della crescita delle bolle e dell’attuale creazione di nuova materia e spazio-tempo. In realtà, la parte del modello che si riferisce alla presenza di questo particolare tipo di materia oscura è stata pubblicata già da tempo ed è attualmente disponibile on line presso i principali archivi scientifici.  

Come vengono interpretati – nella Bridge Theory – le microonde del fondo cosmico a tre gradi kelvin e i Gamma Ray-Burst?

Stiamo parlando a livello informale, perché non ho ancora né presentato a congressi né tantomeno pubblicato questi risultati. Pur essendo risultati ottenuti molti anni fa, ho ritenuto allora che i tempi non fossero maturi. Proprio oggi, alla luce dei risultati della mappatura dell’universo a microonde effettuata dalla sonda Planck, ho di nuovo messo mano a quelle idee. Quindi magari ne parleremo in futuro.

Le posso però dire quanto ho già scritto nel libro, e magari un po’ di più. Se prendiamo una sfera di ferro cava scaldata a temperatura T, all’interno della sfera si produrrà uno spettro di radiazione elettromagnetica in equilibrio termico con la materia, il cosiddetto spettro di corpo nero di Planck. Bene se usiamo la Bridge Theory, troviamo dei risultati perfettamente in accordo con quelli previsti da Planck, con una piccola differenza, dato che c’è corrispondenza tra sorgente e fotone, la massima lunghezza d’onda misurabile dello spettro di corpo nero corrisponde all’incirca con il diametro della sfera, mentre la minima lunghezza d’onda, con il diametro atomico del ferro. Bene, questi risultati sono ovviamente più precisi di quelli prevedibili con lo spettro di Planck.

Ora pensiamo all’universo come ad un immenso corpo nero modulare, la radiazione elettromagnetica prodotta al suo interno è in equilibrio termico con la materia, perciò il suo spettro deve possedere le caratteristiche dell’intero universo. Se pensiamo ad un modello a bolle, ogni bolla corrisponde ad un elemento del corpo nero, con dimensioni e temperatura generalmente sempre un po’ diverse, ovviamente ciò comporta delle anisotropie nella distribuzione di temperatura che seguono una distribuzione perfettamente gaussiana. Se consideriamo una crescita progressiva nel tempo dell’ammasso di bolle, pur essendoci un progressivo raffreddamento gravitazionale della radiazione più antica che le attraversa, lo spettro mostra una sovrapposizione gaussiana delle caratteristiche energetiche delle singole bolle, con una temperatura media che noi sappiamo da misure accurate essere 2,725 K. Ovviamente una mappatura delle disomogeneità teoriche di temperatura porterebbe a dei risultati di anisotropia analoghi a quelli misurati dalla sonda Planck. Io credo che l’atto di nascita di ogni singola bolla sia segnato da un Gamma Ray Burst, per quanto al momento non abbia prove di quanto affermo, la distribuzione assolutamente casuale degli eventi, la presenza di una emissione elettromagnetica ad alta energia, la loro vicinanza a zone in cui è presente grande quantità di materia, fanno pensare ai GRB come ad ottimi candidati per gli eventi di formazione delle bolle.      

Quali sono gli ultimissimi sviluppi della sua teoria?

Direi che di veramente nuovo c’è poco. Di non pubblicato c’è tanto e ultimamente ho veramente poco tempo da dedicare alla ricerca. Effettivamente ho cominciato ad affrontare alcuni nuovi problemi di cui ora non voglio ancora parlare, ma come le ho detto, alcuni nuovi risultati sperimentali mi hanno indotto ad aprire quel cassetto che da tanti anni era rimasto chiuso e ora sto lavorando proprio alla revisione del modello di universo di cui abbiamo parlato. Le ultime misure effettuate con AMS hanno messo in evidenza nel flusso della radiazione cosmica un eccesso di positroni variabile con l’energia dai 10 ai 250 GeV, si tratta di capire se questo effetto è in qualche modo prevedibile o non ha nulla a che vedere con il modello. Quel che potrà saltare fuori lo vedremo.

Vorrei terminare questa intervista citando le parole bellissime che lei ha usato per concludere il suo libro: “Una teoria è solo un’immagine parziale e sbiadita di una realtà che nessuno conosce, ma che anche ad occhi chiusi la mente è in grado di comprendere, sarebbe un vero peccato proprio ora chiudere anche la mente”.

APPROFONDIMENTI

Sul libro "Oltre la frontiera quantistica"

http://www.contesti.eu/scienze/oltre-la-frontiera-quantistica
http://www.amazon.ca/Oltre-Frontiera-Quantistica-Storia-Appassionante/dp/144572507X
http://www.abebooks.com/9781445725079/FRONTIERA-QUANTISTICA-storia-Appassionante-Auci-144572507X/plp

Sulla Bridge Theory

http://adsabs.harvard.edu/abs/2009arXiv0901.3898A
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0901/0901.2752.pdf