La bellezza imperfetta del cosmo 8877508108

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e la natura non fosse bella non varrebbe la pena di studiarla, né la vita di essere vissuta.»

Così scriveva nell'Ottocento il matematico francese Poincaré; ma quanto contano la ricerca della bellezza e il bisogno di ordine nell'ambizione umana di esplorare e comprendere l'universo? Per dare una risposta a questa domanda Mario Livio, considerato l'autentico «custode» di quel tempio della ricerca astronomica che è il telescopio spaziale Hubble, prende spunto dalla recente scoperta di un universo in accelerazione, che ha rivoluzionato la cosmologia odierna e ha visto i maggiori scienziati tornare ad affrontare questioni irrisolte dell'astrofisica e rivisitare ipotesi considerate ormai superate. E in questo modo ci accompagna in un viaggio originale e brillante alla scoperta dell'universo e dei suoi misteri in un libro, scritto con esemplare chiarezza ed eleganza, che illustra le possibili soluzioni a enigmi quali la massa mancante all'universo, l'esistenza di altri universi, confutando il principio antropico o la teoria delle superstringhe e interrogandosi sulla validità delle idee di Einstein, Schrodinger, Heisenberg, Hawking e molti altri. Livio spiega in particolare perché le teorie vincenti sono prevalentemente quelle che stabiliscono leggi fisiche «belle», che rispettano cioè i tre requisiti della simmetria, della semplicità e del principio copernicano, mentre le cosiddette leggi «eleganti» tendono a sacrificare uno di questi principi e risultano imperfette. Ecco perché anche l'arte e la ricerca del bello diventano guide fondamentali per condurre il lettore alle frontiere della scienza odierna in modo rigoroso, ma al contempo unico e avvincente, attraverso un'autentica celebrazione della bellezza del mondo in ogni sua manifestazione: oltre i territori della fisica o della matematica per trovare conferma in quelli della letteratura e della poesia, della storia dell'arte e della conoscenza dell'uomo.

Mario Livio

LA BELLEZZA IMPERFETTA DEL COSMO Introduzione di Allan Sandage Traduzione di Isabella C. Blum

UTET Libreria via Ormea, 7'5 - 1012'5 Torino www.utedibreria.it

© 2000 Mario Livio

© 2003 UTET Diffusione Srl

Authorized translation from the English language edition published by John Wiley & Sons, Inc. Titolo originale The Accelerating Universe. Infinite Expansion, the Cosmologica/ Constant, and the Beauty of the Cosmos.

I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di ripro­ duzione e di adattamento totale o parziale, con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche) sono riservati per tutti i Paesi. Impaginazione grafica: Oldoni Prestampa srl- Milano

Finito di stampare nel mese di febbraio 2003 da Stampatre, Tori­ no, per conto della UTET Libreria

Ristampe:

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4 5 2005

6 7 2006

8 9 2007

Indice

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3 15

Introduzione di Allan Sandage Prefazione !.Prologo

2. La bella e la bestia l Che cosaè bello,p. 18-2 Ella inbeltà incede, p. 32-3 Galileo,p. 35 4 Spin, p. 37

41

3. Espansione l Un esordiodi fuoco, p. 50-2 La simmetria si rompe: il piattinodel pane è adestra o a sinistra?,p. 54-3 Coniugazioni allo specchio,p. 62-4 Indie­

tro,torna indietro,tempo,nella tuafuga. . . ,p. 68

76

4. n caso della materia mancante l La mente sulla materia,p. 78-2 Le forzedell'oscurità,p. 82-3 Roba eso­

tica?,p. 85

97

5. Piatto è bello l Fuoco o ghiaccio?, p. 102 - 2 Regna la bellezza?, p. 106- 3 Einstein,

p. 110-4 La natura non prende mai cantonate,p. 112-5 Euclide,p. 119

127

6. Quando l'inflazione è un bene l Gli orizzonti in espansionediFlatlandia,p. 128-2 Unbreve periododi

inflazione,p. 132-3 Le risposte in un cappello,p. 138 -4 La cosmologia

è dunque risolta?, p. 141-5 Un universo alla Kandinsky, p. 143-6 Che

dire di omega?, p. 145

156

7. Creazione l Né orsiné boschi,p. 160- 2 Nulla,p. 166- 3 La scomparsa dellabellez­

za?,p. 175

VI

INDICE

179

8. Il significato della vita l Vita segreta delle stelle, p. 183 - 2 Un pianeta di lapislazzulo, p. 192 3 E. T. telefono casa, p. 202-4 Pianeti come piovesse, p. 208

217

9. Un universo fatto apposta per noi? l Newton, p. 221-2 Il principio antropico, p. 222-3 Soli?, p. 225 -4 La bellezza in difficoltà, p. 229

233 10. Un principio estetico cosmologico? l L'occhiodell'osservatore, p. 236-2 p.238

243 24.5

Note Indice analitico

Il «principio estetico cosmologico»,

Introduzione

Quando, fra quattrocento anni, si scriverà la storia del pensiero, il XX secolo sarà presentato come l'alba della grande idea scientifica dell'ori­ gine di un universo mutevole in continua evoluzione. Grazie alle stelle nelle sue galassie, esso ridda idrogeno ed elio con i quali produce gli elementi chimici più pesanti che poi riescono in un modo o nell'altro a organizzarsi formando strutture complesse capaci di contemplare se stesse. L'autocontemplazione non è che uno dei molti miracoli che gli elementi chimici naturali hanno messo a segno durante la vita dell'uni­ verso. Queste idee delle origini e dell'evoluzione sono diventate parte della cultura scientifica della nostra epoca. Le fondamentali idee di questa sintesi del ventesimo secolo sono imperniate sulla comprensione delle leggi della fisica, come pure sulla storia delle stelle e sulle sue conse­ guenze per l'umanità che vive in un universo in espansione. La bellezza imperfetta del cosmo parla di come queste idee grandiose siano emerse avvalendosi delle scoperte cosmologiche effettuate in astronomia e in fisica. Parla anche, però, di molte altre cose. Tratta la fi­ losofia della scienza e il modo in cui giudichiamo se una teoria sia o me­ no fondamentale e destinata a durare; ancora, parla della verità, della definizione di bellezza, del nesso esistente fra la scienza da una parte e le arti, la letteratura, la musica e le umane imprese dall'altra. Immaginiamo due autori: uno appassionato di arte e letteratura, l'al­ tro un fisico teorico profondamente interessato alla cosmologia. Imma­ giniamo che essi decidano di scrivere insieme un libro che cerchi di get­ tare un ponte fra le due culture. Riuscirebbe, ciascuno di questi due au­ tori, a compiere una sintesi che non tradisse la propria cultura e nem­ meno lo stile creativo, completamente diverso, dell'altro? Ora, immagi-

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nate che i due autori non siano due, ma uno solo, la stessa persona. Il li­ bro che state per leggere è proprio quella sintesi. Il suo autore è, al tem­ po stesso, l'appassionato d'arte e il fisico teorico. Come potrebbe essere un libro del genere? All'incirca nel secondo terzo del secolo che si è appena concluso fu­ rono pubblicati alcuni libri importanti - semidivulgativi e tuttavia di grande perspicacia scientifica - che esercitarono un'influenza profonda sui giovanissimi (e anche sui lettori non più tanto giovani), molti dei quali si accinsero a dedicare la propria vita alla scienza proprio per aver­ li letti. Questi libri, soprattutto quelli di Sir James Jeans e di Sir Arthur Eddington, furono importanti per l'astronomia. Forse il più famoso fu I.:universo misterioso (1930) di Jeans, commentando il quale, l'attrice americana Tallulah Bankhead disse che conteneva «quel che ogni ragaz­ za dovrebbe sapere». Altri libri dello stesso tipo furono Le stelle nel loro corso (1931), Attraverso lo spazio e il tempo (1933), e il preferito di chi scrive, Filosofia della fisica (1943), tutti diJeans. Altre opere, ugualmen­ te fondamentali, stavolta di Eddington, furono La natura del mondo fisi­ co (1931), Science and the Unseen World (1929), I.:universo in espansione (1933), e un altro dei miei preferiti, Spazio, tempo e gravitazione (1920), libri che svelarono al pubblico dei profani la relatività generale e le mol­ teplicità riemanniane. Più recentemente, alcune opere di Fred Hoyle, come La natura dell'universo (1950), Frontiere dell'astronomia (1955) e Oggetti del cielo (1975) hanno avuto gli stessi meriti. La bellezza imperfetta del cosmo, di Mario Livio, appartiene allo stes­ so genere di letteratura. Non solo è un libro sulla nuova astronomia e la nuova cosmologia; è anche un libro sulla «vecchia» filosofia - quella del­ l'arte e della cultura. Lo scopo profondo di Livio è di esplorare il signi­ ficato della bellezza nella scienza, servendosi degli sviluppi della cosmo­ logia del ventesimo secolo come materia grazie alla quale discutere dap­ prima un concetto di bellezza in generale e poi la bellezza nella scienza in particolare. Premessa dell'autore è che la «bellezza» sia un ingredien­ te essenziale in tutte le teorie scientifiche davvero valide e, soprattutto, delle teorie «vere» sulla natura dell'universo. Lo scopo del suo libro è di discutere se le leggi della fisica siano effettivamente determinate da prin­ cipi estetici. Livio ritiene che lo siano e in tutto il libro sostiene la sua tesi in mo­ do convincente. Dapprima definisce che cosa intenda per bellezza. Poi dimostra che gran parte del modello standard della cosmologia moder­ na si conforma a quella definizione. Nel processo, descrive quasi ogni

INTRODUZIONE

IX

aspetto della cosmologia antica e di quella recente. Questo è il cuore del libro - per il giovane aspirante scienziato come per il profano incantato. Nel corso della trattazione, Livio dimostra che cosa significhi la bellezza nell'arte, analizzando numerosi dipinti di artisti diversi per illustrare la bellezza e la filosofia dell'impresa artistica. Presentato solo così, un simile tentativo probabilmente infastidireb­ be la maggior parte degli scienziati sperimentali di inclinazione più rigi­ damente riduzionista. In genere, noi scienziati siamo stati abituati a con­ siderare l'arte, la letteratura, la poesia e quant'altro mai abbia a che fare con gli studi umanistici come materia soggettiva e quindi non riconduci­ bile a una valutazione secondo i canoni del metodo scientifico. Sull'altro versante, è opinione diffusissima che la scienza, e soprattutto la fisica e l'astronomia, faccia riferimento alla natura indipendentemente dal pen­ siero soggettivo, dai sentimenti e dalle categorie costruite dalla mente. Spesso poi, la bellezza viene posta al di fuori di quell'ambito. Questo li­ bro costituisce una rivelazione sul come, e a quale prezzo (sempre che un prezzo esista), questo concetto di oggettività senza alcun riguardo per la bellezza sia incompatibile con la scienza moderma, soprattutto con la cosmologia. Nel capitolo 2, l'autore enuncia la definizione di bellezza che poi uti­ lizzerà in tutto il libro. Sebbene Livio accetti la definizione spesso citata da molti - «la bellezza simbolizza un livello di perfezione nei confronti di un ideale» - la ritiene tuttavia troppo ampia e semplicistica perché possa essere di qualche utilità. Egli respinge anche la definizione di Keats, citata a sproposito (decontestualizzata), secondo la quale «bellez­ za è verità, verità è bellezza», e afferma che la bellezza dei poeti è spesso una cosa pericolosa, come Paride ebbe a constatare a proprie spese nel­ la sua storia con Elena. Come molti dei massimi scienziati hanno fatto nel corso della storia, Livio insiste nel sostenere che le leggi della fisica sono squisitamente belle. Prima di definire la bellezza, egli ci convince che in fisica la spie­ gazione di quelli che un tempo erano misteri, e che oggi sono realtà «comprese», è spesso ineffabilmente più bella degli stessi interrogativi e che «la bellezza nella fisica e nella cosmologia non è un ossimoro». Per procedere in modo abbastanza preciso, così da poter accostare, nei ca­ pitoli successivi, il concetto di bellezza agli aspetti più esoterici e pro­ fondi della cosmologia moderna, in questo capitolo introduttivo Livio enuncia la sua definizione di bellezza.

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Perché una teoria sia giudicata bella devono, dunque, essere soddi­ sfatti tre requisiti:

l. deve descrivere una simmetria (o una serie di simmetrie), altrimenti le sue previsioni non saranno invarianti rispetto alle due trasforma­ zioni più semplici - quelle relative al luogo (cioè lo spazio) e al tem­ po (non fa alcuna differenza se un esperimento viene compiuto oggi o la settimana prossima) - né a un livello assai più profondo, rispetto a circostanze presenti nelle equazioni (per esempio, le trasformazioni di coordinate); 2. deve essere dotata di semplicità intesa nel senso del riduzionismo (in altre parole, dovrà consentire di sostituire molte domande con po­ chissimi interrogativi più fondamentali, a loro volta passibili di esse­ re risolti come problemi e non lasciati insoluti come misteri); 3. una teoria, infme, deve obbedire a un principio copernicano genera­ lizzato, espressione con la quale intendiamo dire che noi, o le circo­ stanze in cui ci troviamo, non siamo nulla di speciale, tanto nel tem­ po, quanto nello spazio, o come categoria. Quest'ultimo è probabilmente il requisito più profondo e comporta le maggiori implicazioni ai fini del mistero cosmologico estremo, che nel penultimo capitolo Livio chiama