Gravità, entropia e Wall Street

CRONACA – Renaissance Technologies è l’hedge fund dalle prestazioni più spettacolari di tutta Wall Street: ha mietuto guadagni stellari persino durante la crisi del 2008. La sua sede è in una sperduta località di Long Island, a sessanta miglia da New York City. Qualche tempo fa l’hedge fund ha ospitato un incontro con il fisico teorico Erik Verlinde, dell’Università di Amsterdam, sulla sua recente teoria della gravità quantistica. Ma cosa ci azzecca un seminario su gravità e teoria delle stringhe con un fondo di investimento? OS è andato a curiosare, scoprendo che i banchieri a volte non sono quello che sembrano…

Il successo di RenTec è dovuto ai sofisticati metodi matematici di analisi dei mercati, grazie ai quali si possono comprare e vendere azioni in frazioni di secondo. La maggior parte dei dipendenti dell’hedge fund sono i cosiddetti “quant,” ovvero quegli enfants prodiges della fisica e della matematica che hanno abbandonato la carriera accademica per darsi alla ben più redditizia vita da banchieri (e provocare infine la crisi). Il fondatore della RenTec è il famoso matematico Jim Simons, che quest’anno è andato in pensione, tornando ad occupare il suo vecchio ufficio nel vicino Dipartimento di Matematica dell’Università di Stony Brook e fondare il nuovo Simons Center for Geometry and Physics.

Ogni mese la sede della RenTec invita un famoso scienziato a tenere un seminario e condividere con gli ex-colleghi “quant” le più recenti scoperte. Il fisico olandese Erik Verlinde è stato l’ultimo ospite e gli abbiamo chiesto la sua prima impressione su questo inusuale incontro.

“È stato molto divertente. Prima del mio seminario sono stato intrattenuto per tutto il pomeriggio in riunioni e discussioni con i dipendenti. Molti di loro sono ex-colleghi, tra cui alcuni teorici delle stringhe che conosco bene. Hanno mostrato grande interesse e fatto domande molto intelligenti. Infine, è stato piacevole anche il fatto che possono permettersi un onorario notevole per un seminario.”

Parliamo del tuo lavoro più recente. Per un secolo, il Sacro Graal della fisica è stata la ricerca della teoria unificata di tutte le forze, che includa anche la gravità. Ma ora suggerisci una direzione completamente diversa, di cosa si tratta?

Partiamo da un esempio: il moto del gas in una stanza. A distanze microscopiche, è la conseguenza degli urti tra le singole molecole di gas. Ma a distanze macroscopiche, è molto più pratico descrivere il gas in base alla pressione e alla temperatura. Queste due quantità non esistono a livello microscopico, ma soltanto quando facciamo una media del comportamento delle molecole a grande scala. La gravità funziona allo stesso modo.

Un’analogia più precisa è l’osmosi. Separiamo una miscela di due tipi di molecole di gas con una membrana, che permette il passaggio di un tipo solo di molecole. Se la concentrazione di quest’ultima molecola è più elevata da una parte della membrana rispetto all’altra, possiamo misurare una forza netta. Si può calcolare questa forza usando metodi statistici. Nel mio articolo, spiego come ottenere la legge della gravità di Newton in un modo molto simile. Nel caso della gravità, la forza è la conseguenza del cambiamento di probabilità, quando due oggetti pesanti vengono spostati l’uno rispetto all’altro e la membrana diventa invece uno schermo olografico.

Di solito, si pensa alla gravità come a una delle quattro forze fondamentali. Tra i fisici, si crede che per ottenere la descrizione ultima sia necessario unificare la meccanica quantistica con la relatività generale di Einstein. Ma ci sono indicazioni che la gravità non sia fondamentale. La materia e persino lo spazio e il tempo sono composti da mattoncini, che obbediscono delle leggi microscopiche che non contengono la gravità. Questi gradi di libertà e le leggi che li governano sono invisibili per noi, così come non riusciamo a vedere a occhio nudo le singole molecole di gas. La gravità che vediamo è il risultato netto di tutte queste forze, che emerge solo a grandi distanze.

Ci sono prove in favore dell’origine entropica della gravità?

Le evidenze sono per lo più teoriche. Le equazioni della gravità vicino a un buco nero sono le stesse equazioni della termodinamica, che usiamo per descrivere il moto di un gas. La teoria delle stringhe ci mostra chiaramente come si possa ottenere la gravità facendo una media sul comportamento di questi mattoncini microscopici. Non ho dubbi che la mia idea sia corretta, ma non sono ancora riuscito a creare una teoria completa.

Puoi fare delle predizioni sperimentali per mettere alla prova questa nuova idea?

Prima di scontrarsi con gli esperimenti, è necessario sviluppare la teoria più a fondo. Alla fine, le predizioni saranno delle deviazioni dalla teoria della relatività generale di Einstein, che spero vengano finalmente osservate, specialmente nell’ambito della cosmologia. Credo che il mio approccio aprirà una nuova strada nella comprensione dell’energia oscura. Se riuscirò a spiegare questo mistero cosmologico, allora potrò probabilmente fare delle predizioni sperimentali.

Credi che la fisica teorica mainstream stia andando nella direzione sbagliata, alla ricerca della teoria unificata? Perché i fisici hanno seguito la strada sbagliata così a lungo?

Questo ha a che fare con gli sviluppi storici. All’inizio del secolo scorso conoscevamo solo due forze: la gravità e l’elettromagnetismo. La teoria di Einstein ha dominato il nostro modo di fare fisica da allora fino ai nostri giorni. Ma dopo la scoperta delle forze nucleari deboli e forti e del Modello Standard delle particelle, abbiamo tentato di unificare queste forze con la teoria di Einstein. Sempre assumendo che si potesse fare usando lo stesso paradigma.

Per troppo tempo abbiamo ignorato i segni che la gravità non è una forza fondamentale: le sue equazioni sono le stesse usate in termodinamica e nella dinamica dei fluidi. Se non traiamo la conclusione più ovvia, ovvero che la gravità è emergente e non fondamentale, allora stiamo chiaramente andando nella direzione sbagliata. Dobbiamo capire da dove viene la gravità, non semplicemente assumere la sua presenza e descriverla.

La maggior parte dei fisici teorici ha passato l’ultimo decennio a sviluppare metodi di calcolo, mentre è necessario fare un passo indietro e dedicarsi a sviluppi più concettuali. Questo modo di pensare è stato ignorato per troppo tempo.

Per molti anni sei stato una figura importante nella fisica teorica. Basandoti sulla tua esperienza, credi che la teoria delle stringhe possa essere utile nello sviluppare l’idea della gravità emergente?

Sì, la mia idea è figlia della teoria delle stringhe. Tutto ciò che ho fatto è stato guardare alla teoria delle stringhe, distillare l’essenza di quello che abbiamo scoperto e trarne una lezione generale. Al momento sto usando strumenti della teoria delle stringhe per rendere la mia idea più precisa.

Ma credo che per fare dei progressi con le stringhe dobbiamo cambiare direzione: assumere che il mondo è fatto di stringhe non è un buon punto di partenza. È molto più utile cercare di capire da dove vengono le stringhe, ammesso che esistano. Sono convinto che la stessa teoria delle stringhe sia a sua volta, come la gravità, una teoria emergente da principi molto più generali.

Passiamo ora alle speculazioni. Credi che sia sensato andare alla ricerca della “teoria del tutto,” ovvero una descrizione fondamentale e unificata della Natura?

Credo che la Natura sia fatta di minuscoli mattoncini che seguono delle leggi microscopiche. Ma credo che noi esseri umani non riusciremo mai a capire fino in fondo quali sono queste leggi fondamentali. C’è un limite alla nostra comprensione dell’universo. Credere di poter formulare una teoria finale è sintomo di quella che i greci chiamavano “tracotanza.”

Ma questo non significa che non possiamo capire il mondo che ci circonda. Possiamo derivare le leggi della fisica partendo da principi primi, usando soltanto proprietà generali sul mondo microscopico. Questo è il modo di procedere nell’ambito della meccanica statistica: le leggi della termodinamica possono essere ottenute a partire da poche assunzioni del tutto generali. In questo modo, scopriamo delle leggi universali che si applicano in situazioni diverse. Credo che le leggi della fisica fondamentale possano essere ottenute allo stesso modo.

Credi che questi principi fondamentali assomiglino alla fisica che conosciamo oggi, oppure abbiamo bisogno di strumenti completamente diversi per affrontare questa odissea?

Abbiamo già attrezzi molto utili, ma dobbiamo sviluppare nuovi concetti. Dobbiamo cambiare la nostra visione dello spazio e del tempo. Lo spazio e il tempo non devono essere parte della teoria fondamentale, ma dobbiamo ottenerli solo in un secondo tempo, come una descrizione su grande scala del comportamento di quei minuscoli mattoncini sconosciuti. La meccanica quantistica potrebbe essere parte della teoria sottostante, ma la gravità e lo spazio-tempo dovranno emergere solo come concetti secondari.

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