martedì 4 luglio 2017

L'evoluzione dell'universo: lo stato di Hartle-Hawking



Lo stato di Hartle-Hawking o teoria dello stato senza confini (in inglese detto anche "no-boundary proposal" cioè progetto senza confini) è una teoria fisica e un modello cosmologico sull'origine dell'universo, nell'ambito del modello standard, ipotizzata da James Hartle e Stephen Hawking a partire dal 1983.[1] In questa teoria il Big Bang non deriva da una singolarità gravitazionale iniziale ma da uno "stato iniziale senza confini" (da cui il nome di no-boundary proposal), descritto come una sorta di "cupola". L'universo - o meglio, uno stato primordiale a densità altissima di energia e temperatura, assai simile a un buco nero[2] - sarebbe quindi autosufficiente e auto-creato, mentre lo spaziotempo si sarebbe espanso ad un certo punto, per un evento come la fluttuazione da questo falso vuoto di tipo quantistico.[3]
Lo stato di Hartle-Hawking si collocherebbe cronologicamente come periodo precedente all'era di Planck e all'inflazione. Esso è inoltre descritto come l'inizio dell'universo o del multiverso, oltre il quale non ha senso domandare cosa esistesse prima: affermare che esistesse il nulla è un controsenso in termini. Il Big Bang sarebbe quindi una fase successiva a questo stato eterno precedente a tutto, essendo come un confine di una sfera o ellissoide; non si potrebbe viaggiare prima di esso (se non esiste il multiverso), come non si può essere più a nord del polo terrestre. Arrivare alla singolarità nuda diventa impossibile come nel paradosso dello stadio di Zenone.

Teoria


La forma a cupola o a parabola dell'universo primitivo o proto-universo che sostituisce, alla lunghezza di Planck (10-43cm), la singolarità puntiforme nella teoria di Hawking e Hartle. Non esiste un inizio improvviso: il tempo svanisce gradualmente verso la base del diagramma. Il centro della figura assomiglia ad un primo istante, ma questo è solo un effetto del modo in cui è disegnato; non esiste un inizio vero e definito, nonostante il tempo sia finito in direzione del passato.
La teoria venne elaborata per sopperire al problema della singolarità. Essendo il nostro universo senza confini sarebbe anche l'unico che si è potuto evolvere dall'indeterminata natura quantistica dell'universo primitivo. Il modello prevedeva al suo principio una singolarità (il Big Bang), in cui, essendo il luogo e il momento dove, secondo la stessa previsione, l'universo avrebbe avuto inizio, tutte le leggi della fisica (come la legge della conservazione della massa) perdono validità, generando paradossi e tendendo all'infinito.
Hawking rielaborò le leggi fisiche secondo una teoria matematica proposta da Richard Feynman (somma sulle storie o integrale sui cammini), introducendo così il "tempo immaginario", un'astrazione matematica che permette di relazionare due eventi casualmente non connessi o non connessi temporalmente. Con il tempo immaginario la singolarità può essere studiata. Hawking propone così un universo infinito o più precisamente senza contorno o confini, in espansione e con un inizio nel tempo immaginario. Tuttavia anche il modello ipotizzato da Hawking, è un modello che non può andare fino in fondo ed essere verificato fino a quando non si disporrà di una teoria che unifichi la gravità e la meccanica quantistica.[4]
Nella teoria dello stato senza confini, la funzione d'onda dell'universo – ossia un'immagine per spiegare come sia nato l'universo – è calcolata attraverso l'integrale sui cammini, una funzione di tensione metrica definita a (D-1) di superficie compatta, dove D è la dimensione spazio-temporale.[1] Questa funzione d'onda dell'universo può soddisfare l'Equazione Wheeler-DeWitt.[1]
Il modello cosmologico prevede che l'universo non abbia confini nello spaziotempo, sostituendo il Big bang inteso come singolarità gravitazionale iniziale, con un modello matematico descritto per analogia con la regione di un polo terrestre: nessuno può viaggiare più a nord o più a sud dei rispettivi poli, in quanto in tale luogo non esiste un contorno.[1]

Sono mostrati tre possibili percorsi che contribuiscono all'ampiezza di probabilità per una particella che si muove dal punto A in un tempo t0 al punto B in un differente tempo t1. Nell'integrale sui cammini ogni particella segue ogni possibile storia.
Originariamente la nuova proposta prevedeva una forma dell'universo di tipo chiuso destinato a terminare in un Big Crunch o Big Bounce[5], ma le discussioni con Neil Turok hanno portato a concludere che la proposta di assenza di condizioni al contorno è valida anche nel caso di un universo aperto o piatto, la cui tipica sorte dovrebbe essere il Big Freeze o morte termica; «La condizione al contorno dell'universo è che esso non ha un confine», è la descrizione del modello, modificato da una sfera a una possibile cupola.[1][6]
Questo modello è basato sulla cosmologia quantistica e la gravità quantistica, ma utilizza una geometria complessa quadridimensionale, con una particolare unità detta istantone. L'universo (o il multiverso) nascerebbe dal nulla come fluttuazione quantistica di particelle elementari, e all'inizio avrebbe avuto una forma a cupola o semi-sfera, al posto di una singolarità, come nel caso della Terra che è sferica o meglio ellittica.[7]

Cosmologia top-down

Insieme a Thomas Hertog, al CERN, nel 2006, Hawking ideò uno sviluppo ulteriore della sua proposta senza confini, la "cosmologia top-down" (un modello di Fine-tuned Universe), per cui l'universo non aveva alcuno stato unico iniziale, e quindi è inappropriato per i fisici tentare di formulare una teoria che cerchi di predire la configurazione attuale dell'universo partendo da un preciso stato iniziale. La cosmologia top-down, postula che il presente possa selezionare il passato da una sovrapposizione di molte possibili storie (sempre basato sulla somma sulle storie). Secondo questa teoria matematica è inevitabile scoprire le attuali costanti fisiche del nostro universo, dato che l'attuale universo "seleziona" soltanto quelle storie passate che hanno portato alle condizioni presenti. In questo modo si fornisce una spiegazione antropica per il motivo per cui ci troviamo in un universo che permette l'esistenza della materia e l'universo, senza per questo dover invocare l'esistenza di molteplici universi, cosa che Hawking comunque non esclude affatto[8]

Rapporti con altre teorie


La geometria locale dell'universo è determinata dal fatto che Omega sia minore, uguale o maggiore di 1. Dall'alto verso il basso abbiamo un universo sferico (chiuso), uno iperbolico e uno piatto (entrambi aperti). Hawking ha sostenuto il primo modello, ma ha affermato che anche il terzo è possibile e adeguato.
La teoria affronta la nascita dell'universo da una fluttuazione quantistica (cioè il Big Bang), ma la fine seguirà le altre teorie: un'inflazione infinita e nuovi universi, un "rimbalzo" o lo strappo del tessuto dello spaziotempo. L'universo dello stato di Hartle-Hawking non ha inizio, ma non è uguale alla teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle (non è presente la cosiddetta creazione continua); esso semplicemente non ha confini iniziali, né di spazio né di tempo.
Questo modello vuole spiegare in particolare l'inizio di tutto, non la fine e, come Hawking ha proposto, si adatterebbe bene alle teorie standard come la teoria più accreditata, l'inflazione cosmologica proposta da Alexei Starobinski e Alan Guth (ma in particolare alla variante dell'inflazione eterna e inflazione caotica - o teoria delle bolle - di Andrej Linde, in quanto spiega la nascita da un nulla a-temporale, e, da questa bolla viene poi originato l'universo o gli universi, cioè il multiverso).
Il modello è adatto anche ad altre teorie sull'universo: in tal caso il vero stato di Hartle-Hawking non si colloca prima del Big Bang ma prima dell'ipotetica origine prima del multiverso e degli universi ciclici. Hawking in particolare ha approfondito anche le teorie del buco nero primordiale, e la teoria M (cfr. anche la teoria delle stringhe).[1]
Lo stato senza confini è posizionabile anche prima di un multiverso o di un mondo-brana o dovunque occorra parlare di infinito o di singolarità; nel modello ecpirotico delle brane lo stato senza confini è l'iperspazio dove fluttuano le d-brane.
Ahmed Farag Ali e Saurya Das hanno invece sostituito il modello a cupola senza confini di Hawking, con un fluido eterno di gravitoni, nella loro cosmologia del potenziale quantistico, mentre per Roger Penrose l'universo è costituito da infiniti cicli Big Bang-espansione (cosmologia ciclica conforme) e non necessita di uno stato iniziale.

Note

  1. ^ a b c d e f Stephen Hawking, The Beginning of Time, hawking.org.uk. URL consultato il 10 marzo 2014.
  2. ^ Stephen Hawking: spiega perché Dio non esiste
  3. ^ Hawking: la fisica dimostra che l'universo si auto-creato
  4. ^ L'Universo... cercandone il senso...
  5. ^ S. Hawking, La teoria del tutto, pp. 94-100
  6. ^ Paul Davies, La creazione senza creazione
  7. ^ Cosmologia quantistica
  8. ^ Stephen Hawking Sta Per Compiere 70 anni!

Bibliografia

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Filosofia della scienza

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La filosofia della scienza è la branca della filosofia che studia i fondamenti, gli assunti e le implicazioni della scienza, sia riguardo alla logica e alle scienze naturali, come la fisica, la chimica, la biochimica o la biologia, sia riguardo alle scienze sociali, come la sociologia, la psicologia o l'economia.
La filosofia della scienza è legata in generale alla filosofia della conoscenza e all'epistemologia. Essa cerca di spiegare la natura dei concetti e delle asserzioni scientifiche, i modi in cui essi vengono prodotti; come la scienza spiega la natura, come la predice e come la utilizza per i suoi fini; i mezzi per determinare la validità delle informazioni; la formulazione e l'uso del metodo scientifico; i tipi di ragionamento che si usano per arrivare a delle conclusioni; le implicazioni dei metodi scientifici, con modelli dell'ambiente scientifico e della società umana circostante.

Il rapporto con le discipline filosofiche e scientifiche

Nella più diffusa accezione, la filosofia della scienza è l'indagine su come avviene la conoscenza scientifica. Essa ha ampie sovrapposizioni con l'epistemologia e diversi temi in comune con il problema della demarcazione. Quando si deve identificare cosa esiste, quale che sia l'oggetto di cui si parla, saranno coinvolte anche l'ontologia e la gnoseologia. Nella filosofia della scienza ha una certa importanza anche la logica sia per i suoi rapporti con i metodi deduttivi, che per i suoi stretti legami con la filosofia della matematica.
La filosofia della scienza può anche essere declinata al plurale, come riflessione interna ad una comunità scientifica sugli aspetti filosofici relativi ad una comune disciplina di competenza, si ottengono così la filosofia della fisica, la filosofia della matematica ed altre filosofie settoriali.
In questo approccio, a volte circoscritto alle problematiche scientifiche, si evidenzia la sua principale differenza dall'epistemologia.
Il concetto della limitata possibilità della scienza di spiegare l'interezza dei fenomeni naturali è stato affrontato da numerosi autori, tra i quali nel XX secolo il francese Pierre Lecomte du Noüy.

Storia dei metodi di ricerca

Antichità

L'origine storica dei temi della filosofia della scienza nasce con la filosofia greca, e viene sviluppata in particolare nelle opere di Platone relative alla conoscenza e alla maieutica, nelle opere di Aristotele di Logica e di Metafisica e nelle opere dei filosofi stoici, in particolare di Crisippo su temi di Logica.

La rivoluzione scientifica: Galilei, Cartesio, Bacone

Nel periodo medioevale si ha uno sviluppo dei temi logici già trattati dagli autori classici antichi ed è con il "rinascimento scientifico" che vengono sviluppati in modo sistematico i temi di questa disciplina, in particolare da Galileo Galilei, da Renè Descartes e da Francesco Bacone.
Galilei indicò come elementi fondamentali del metodo scientifico due procedimenti: l'elaborazione di una teoria da esprimere in forma di deduzioni matematiche, e le conseguenti applicazioni tecniche su di essa in modo da poterla sottoporre a controlli sperimentali. In particolare indica questo metodo con alcuni cenni nei suoi dialoghi all'alternanza di due fasi specifiche nel procedimento di ricerca scientifica, che sono:[1]
  • "sensate esperienze" intese come osservazioni ed esperimenti scientifici
  • "necessarie dimostrazioni" intese come dimostrazioni geometriche e matematiche
Il filosofo francese Cartesio sviluppò poi i temi di filosofia della scienza in modo più sistematico nel Discorso sul metodo. La filosofia e il metodo di Cartesio sono considerati razionalisti in quanto è prevalente l'impostazione razionale e deduttiva rispetto alla componente sperimentale. La deduzione è il metodo con cui dai principi generali, si possono ricavare i teoremi matematici e la spiegazione dei fenomeni naturali.
Cartesio nel Discorso sul metodo [2] indicò in quattro punti i procedimenti della conoscenza razionale:
Il filosofo inglese Francesco Bacone sviluppò invece i primi studi sistematici sull'applicazione del metodo induttivo nella ricerca scientifica. L'induzione è il metodo con il quale si possono scoprire principi generali, partendo dall'osservazione e dal confronto di molti fenomeni naturali e sperimentazioni di laboratorio. Secondo Bacone [3] il procedimento induttivo viene sviluppato con l'ausilio di tre tavole nelle quali il ricercatore riporta diversi aspetti delle sue osservazioni naturalistiche e delle sue sperimentazioni di laboratorio. Le tre tavole descritte da Bacone sono:
  • "tavola della presenza" in cui riporta quando il fenomeno e le sue cause si verificano
  • "tavola dell'assenza" in cui riporta quando il fenomeno e le sue cause non si verificano
  • "tavola dei gradi" in cui riporta le variazioni rilevate negli esperimenti.

Newton

Agli studi innovativi compiuti dai tre grandi studiosi rinascimentali di Filosofia della scienza, Galileo, Cartesio e Bacone, seguirono gli approfondimenti fatti da Isaac Newton nella seconda metà del Seicento. Newton nel suo trattato fondamentale di fisica e meccanica, Principi matematici della filosofia naturale (1687) indicò in quattro punti i metodi della ricerca scientifica:[4]
  • Non dobbiamo ammettere spiegazioni superflue dei fenomeni naturali
  • A uguali fenomeni corrispondono uguali cause;
  • Le qualità uguali di corpi diversi debbono essere ritenute universali di tutti i corpi;
  • Proposizioni ricavate per induzione da esperimenti, si considerano vere fino a prova contraria.
In particolare l'ultima regola viene in genere ricollegata alla sua celebre frase: «Hypotheses non fingo», con la quale Newton intende rifiutare ogni teoria scientifica che non derivi da un'approfondita verifica sperimentale.

Illuminismo e Positivismo

Gli studi di filosofia della scienza ebbero ampio sviluppo nel Settecento, detto appunto secolo dei lumi. Fra i principali studiosi dell'epoca illuminista si ricordano gli inglesi John Locke e David Hume, il matematico svizzero Leonardo Eulero, e gli enciclopedisti francesi Jean Baptiste Le Rond d'Alembert e Denis Diderot.
Nell'Ottocento vennero poi sviluppati studi originali sui metodi induttivi dal filosofo inglese John Stuart Mill. È rilevante anche la classificazione delle scienze compiuta dal filosofo francese Auguste Comte. Gli studi di questi due filosofi si inquadrano in genere nel movimento del positivismo ottocentesco, che approfondì aspetti generali, in relazione al rapporto fra scienza e filosofia.

Il Novecento

Nel Novecento si è avuto un ampio dibattito sui temi di filosofia della scienza. Agli inizi del Novecento furono fondamentali gli studi degli storici e filosofi Pierre Duhem e Ernst Mach che ispirarono i filosofi riuniti nel Circolo di Vienna. Il "Circolo di Vienna" fu un gruppo di filosofi che si riunivano regolarmente a Vienna dal 1922 fino al 1936 per discutere su temi di filosofia della scienza. Fra gli elementi di questo gruppo sono stati attivi soprattutto Rudolf Carnap, Moritz Schlick e Hans Hann. Da menzionare nel dibattito sulla filosofia della scienza, specie relativamente a Popper, Paul Karl Feyerabend.[5] Karl Popper, frequentatore occasionale del circolo di Vienna, contestò il tema della verificabilità sperimentale,[6] a cui contrappose il criterio della falsificabilità.
Più o meno negli stessi anni si sviluppò, grazie all'iniziativa di Hans Reichenbach, il Circolo di Berlino, il quale si occupò di tematiche analoghe, ma con particolare attenzione alla causalità, alla statistica ed al potere predittivo della scienza.
Dopo lo scioglimento del Circolo di Vienna nel 1936, gli studi in questa disciplina continuarono in varie università europee e americane. Fra gli sviluppi degli ultimi decenni del Novecento si ricordano gli importanti contributi del filosofo statunitense Thomas Kuhn e dell'ungherese Imre Lakatos legati ai programmi di ricerca e al progressivo sviluppo ed evoluzione delle teorie scientifiche.
In particolare, Kuhn criticò parzialmente il falsificazionismo popperiano sul punto relativo all'accantonamento della teoria in caso di confutazione di un suo elemento empirico, sostenendo che si sarebbe dovuto accantonare solamente quel singolo elemento e non la teoria nel suo complesso. Anche Lakatos, pur accogliendo favorevolmente l'impostazione filosofica popperiana, vi mosse dei rilievi, sostenendo che non sono mai le singole confutazioni di fatti empirici a determinare l'abbandono di una teoria, perché la messa in discussione della verità scientifica riguarderebbe solo un aspetto marginale di essa, non il suo nucleo centrale, che sebbene risulti indebolito nella sua certezza complessiva, continuerebbe ad essere accettato per vero. Affinché una teoria generale sia abbandonata, occorre piuttosto, secondo Lakatos, che si progetti un nuovo programma complessivo di ricerca scientifica che sappia meglio rendere ragione degli eventi: non è la falsificazione di per sé a far progredire la scienza, bensì lo spirito di ricerca e l'inventiva umana.
Nell'ambito di altre correnti filosofiche conseguenti allo scioglimento del Circolo di Vienna, notevole importanza assumeranno anche le ricerche della scuola di Poznań e di filosofi come Leszek Nowak, che ha introdotto il concetto di idealizzazione nella filosofia della scienza. Da menzionare anche il pensiero di Jacques Monod per i suoi contributi alla filosofia della biologia.

Filosofia della scienza in Italia nel Novecento

Fra gli scienziati e matematici italiani che hanno approfondito i temi di filosofia della scienza fra fine Ottocento e gli inizi del Novecento si ricordano in particolare Federigo Enriques e Giuseppe Peano.
Il matematico livornese Federico Enriques, oltre a numerosi trattati di didattica della matematica, sviluppò anche saggi molto approfonditi di storia della scienza e di filosofia della matematica, confutando alcune formulazioni scettiche in questo campo, in particolare elaborate dai filosofi idealistici e kantiani.
Il matematico torinese Giuseppe Peano sviluppò in particolare trattati di logica simbolica, con una impostazione deduttiva della matematica, dai fondamenti della geometria e dell'aritmetica, fino agli sviluppi più avanzati dell'analisi matematica.
Dopo la seconda guerra mondiale gli studi in questo campo furono condotti innanzitutto dal Centro Studi metodologici di Torino, ad opera di Ludovico Geymonat e Nicola Abbagnano. In particolare si devono a Geymonat i maggiori contributi in questa materia con la compilazione della grande opera sistematica Storia del pensiero filosofico e scientifico, stampata in più edizioni e numerosi volumi, in collaborazione con molti altri esperti delle varie discipline.
E'interessante notare che le materie filosofiche della scienza si collegano allo sviluppo delle scienze sociali, producendo dei contributi originali. Questi ultimi, sono utili per tracciare l'esistenza di una storia epistemologica, che si qualifica anche come conseguenza della mancata affermazione di una storiografia scientifica che, per alcune discipline, fosse in grado di sostituirsi alla 'storia del pensiero'. [7].
Alcuni studi di rilievo sono stati sviluppati da docenti di filosofia della scienza di varie università italiane. Fra questi si ricordano in particolare Paolo Rossi che si è occupato soprattutto di aspetti storiografici, Marcello Pera che ha fatto studi sull'induzione e il metodo scientifico e Giulio Giorello che ha scritto vari saggi di matematica, scienza e filosofia.

Aspetti complementari

Fa parte della filosofia della scienza anche l'etica della scienza, che si (pre) occupa degli aspetti morali dell'attività scientifica. "La scienza come istituzione implica un tacito contratto sociale tra gli scienziati così che ciascuno dipende dall'affidabilità degli altri [...] l'intero sistema cognitivo della scienza è radicato nell'integrità morale del complesso dei singoli scienziati".[8] In questo settore da rammentare il rapporto fra finanza e ricerca, le tecnologie e nuove definizioni scientifiche, la filosofia della medicina e filosofia della scienze biomediche, l'etica della manipolazione biomedica della vita; ha avuto per l'appunto particolare sviluppo negli ultimi anni la bioetica per le numerose implicazioni che si hanno nel campo delle attività sperimentali, mediche ed ospedaliere.
La filosofia della scienza inoltre considera inosservabili alcuni aspetti oggetti di studio come le particelle atomiche, la forza di gravità, la causa, la credenza o le motivazioni.

Note

  1. ^ "vedi Galileo Galilei, Dialogo dei massimi sistemi, Firenze, 1632
  2. ^ Renè Descartes, Discorso sul Metodo, Leida, 1637
  3. ^ vedi Francesco Bacone, Novum Organum, 1620
  4. ^ vedi Isaac Newton Principi Matematici della filosofia naturale, libro 3º, capitolo sui Metodi del filosofare. Fra le edizioni in lingua italiana si fa riferimento in particolare a quella della collana “Classici della scienza”, Torino Utet, 1997
  5. ^ vedi Paul Karl Feyerabend, Dialogo sul metodo, Laterza, Roma-Bari, 1993) )
  6. ^ vedi Karl Popper, La logica delle rivoluzioni scientifiche (traduzione italiana: Torino, 1970)
  7. ^ Cfr. Guglielmo Rinzivillo, a cura di, Tra i concetti e le regole. Contesti filosofici ( e non) delle scienze sociali nel '900, Napoli, Scriptaweb, 2009 ISBN 978-88-6381-023-3
  8. ^ " Jacob Bronowski, citato in Alexander Kohn, Falsi profeti, Inganni ed errori della scienza, p. 1 (Zanichelli, 1991)

Bibliografia

  • Ludovico Geymonat, Lineamenti di Filosofia della Scienza, 1985, Milano, Mondadori.
  • Anna Ludovico, Dalla fisica alla filosofia, Roma: Editore Nuova Cultura 2011, ISBN 8861346081.

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