Le 42 domande fondamentali sulla vita, l'universo e tutto quanto

In Guida galattica per autostoppisti, l'irriverente tour di Douglas Adams attraverso l'universo, un supercomputer chiamato Pensiero Profondo scopre la risposta alla "Domanda fondamentale sulla vita, l'universo e tutto quanto" dopo averci riflettuto per sette milioni di anni. La risposta — sorpresa! — è "42," ma Adams non rivela mai quale fosse effettivamente la "domanda fondamentale."

In un papar pubblicato di recente su arXiv, i fisici Roland Allen e Suzy Lindstrom, rispettivamente della Texas A&M e dell'Università di Uppsala, hanno affrontato la domanda sulla Domanda descrivendo quelle che, a loro avviso, sono le 42 domande fondamentali sulla vita, l'universo e tutto quanto.

A proposito della risposta misteriosa di Pensiero Profondo, Allen e Lindstrom scrivono che "l'hanno interpretata per cui ci sono 42 domande fondamentali a cui bisogna rispondere se si vuole percorrere la strada verso l'illuminazione." L'articolo prodotto è composto da 50 pagine, ma è un'ottima introduzione ad alcune delle domande più incredibili della scienza — almeno secondo questi due fisici.

Per quanto si tratti di una lista soggettiva, vale la pena leggerla per intero. Se preferite, abbiamo riassunto le 42 domande poste da Allen e Lindstrom qui sotto.

La costante cosmologica è stata teorizzata per la prima volta da Einstein e descrive la densità dell'energia nell'universo. Il problema è che dalle osservazioni astronomiche sembra che la costante sia parecchio più piccola di quanto predetto dai fisici.

Nel 1998, i cosmologi sono rimasti di sasso nello scoprire che l'espansione dell'universo era in accelerazione. Questa osservazione sconvolgente è stata legata alla "energia oscura," una forza misteriosa che sembra costituire due terzi dell'universo, ma a cui deve ancora essere data una spiegazione convincente.

Einstein capì che la gravità, come qualsiasi cosa in natura, dovrebbe poter essere descritta secondo i termini della meccanica quantistica. Eppure, qualsiasi tentativo di far quadrare le due fallisce non appena la gravità si fa estremamente potente, come in prossimità di un buco nero.

A dispetto del lavoro immenso di Stephen Hawking sulla radiazione dei buchi neri, Allen e Lindstrom sottolineano come "un mistero fondamentale dato dal motivo per cui l'entropia dovrebbe essere proporzionale all'area anziché al volume, come succede per altri sistemi fisici" quando si parla di buchi neri.

Si ritiene che le informazioni siano codificate sulla superficie dell'orizzonte degli eventi e rispedite indietro come radiazione. Eppure, tutti i buchi neri di una massa particolare emettono radiazioni nello stesso identico modo, a prescindere dalle informazioni sull'orizzonte degli eventi. Questo, suggerisce che i buchi neri distruggano informazioni, cosa che viola le leggi della termodinamica.

Alcuni ritengono che l'universo si sia espanso in modo esponenziale nei primi secondi di esistenza. Le domande sono: qual'è l'origine dell'inflazione cosmologica? Esistono prove dirette?

Sulla base del Modello Standard della fisica particellare, la materia e l'antimateria avrebbero dovuto annichilirsi completamente nell'universo primordiale, lasciando solo fotoni in giro. Invece, c'è una relativa abbondanza di materia e una mancanza di antimateria. Che è successo?

Le osservazioni di alcune galassie lasciano supporre che circa un quarto dell'universo sia fatto di materia oscura, ma per ora i fisici non sono riusciti a rilevare una particella che possa comprovare gli effetti osservati. Si rivelerà essere un assione, una WIMP o qualcos'altro ancora?

Nel Modello Standard, ci sono quattro particelle elementari — il quark up (o su) il quark down (o giù), l'elettrone e il neutrino. Eppure esistono seconde e terze 'generazioni' (leggi: copie) di ognuna di queste particelle come il quark charm, il quark strange, i muoni. Perché??

Da dove ottengono la propria massa le quattro particelle elementari elencate poco fa? Si ritiene che le masse siano relative alla forza delle loro interazioni con i campi associati (per esempio, quello di Higgs), ma le anomalie rendono questa semplice spiegazione inadeguata.

Il Modello Standard non può spiegare perché la forza nucleare debole sia tanto più forte (10,000,000,000,000,000,000,000,000 volte) della gravità.

Le tre forze non gravitazionali — forte, debole ed elettromagnetica — si combinano come elementi di una singola teoria unificata della forza. Come sia possibile è ancora un mistero.

Le simmetrie sono proprietà di un sistea che rimangono immutate quando quello stesso sistema subisce una trasformazione. La Coniugazione di carica, parità e tempo (CPT) è una simmetria che non è mai stata violata, per quanto ogni elemento ha un suo valore. È possibile violare la CPT?

Alcuni aspetti del bosone di Higgs suggeriscono che l'universo sia solo "stabile marginalmente," o che si trovi in una fase di transizione verso uno stato più stabile che risulterebbe in un universo con proprietà fondamentali diverse. La domanda è ancora aperta.

In genere, si presuppone che i quark siano circoscritti al volume del proprio protone e che richiedano quantità relativamente abbondanti di energia per essere rimossi da questo spazio. Ci sono sempre più indizi che i quark debbano restare sempre confinati, ma non ci sono prove rigorose ancora.

Onenstamente non ne ho la più pallida idea, vi lascio un screenshot del paper qui:

Gli acceleratori di particelle come il LHC hanno portato alla scoperta di un sacco di nuove particelle. Continueranno così? È una domanda seria per i fisici che lavorano in posti come il CERN.

Può darsi che ci siano tipi di stelle che ancora non abbiamo scoperto, come le stelle massicce Population 3 formatesi all'inizio dell'universo e fatte di solo idrogeno ed elio, o le "stelle oscure" alimentate tramite annichilimento di materia oscura anziché fusione.

Nell'ultimo paio di decenni, i fisici hanno creato un mucchio di superfluidi (un fluido privo di viscosità) e superconduttori (materiali privi di resistenza elettrica), esponendo materiali a temperature estreme. Quali altri materiali potrebbero dimostrare queste proprietà nel futuro?

Gli isolanti topologici sono materiali che si comportano come isolanti all'interno, ma come conduttori all'esterno. Dove altro potremmo trovarli?

Gli isolanti topologici sono stati dimostrati in sistemi a elettrone singolo o quasiparticella. Quali altri tipi di materiali potrebbero sfruttare le quasiparticelle?

I ricercatori hanno scoperto un'abbondanza di nuove fasi della materia negli ultimi anni, come i quasicristalli e i cristalli di tempo. Cos'altro c'è là fuori, che aspetta solo di essere scoperto?

La corsa alla sviluppo di un computer quantistico su larga scala che possa superare un computer tradizionale in svariati compiti, tipo risolvere la maggior parte delle forme di crittografia, è in pieno fervore. Ma queste applicazioni usciranno mai dai laboratori o sono troppo fragili per diventare qualcosa di più di una curiosità?

Un internet quantistico aiuterebbe a proteggere i dati dalle intercettazioni, ma trasformarlo in realtà richiederà un controllo sui fotoni su grandi distanze senza precedenti. Il record attuale di trasmissione di fotoni "entangled" è stato compiuto l'anno scorso da un satellite Cinese. Cosa dobbiamo aspettarci?

Se esistono altre dimensioni, come è strutturato il loro 'spazio interno'?

È possibile che esista un numero infinito di universi, ognuno dotato di leggi proprie? Possibile che il nostro universo sia casualmente perfetto per l'emergere della vita intelligente, un'idea nota come principio antropico? E, ancora più importante, come facciamo a provare qualsiasi di queste ipotesi con la scienza?

Che 'forma' ha l'universo? Se l'universo è strutturato in modo tale che singolarità nude, wormhole e/o loop temporali chiusi sono possibili, allora viaggiare indietro nel tempo dovrebbe essere possibile.

Se l'universo ha avuto un'origine, è iniziato davvero tutto con un bang? Guardare al passato ci aiuterà magari a capire il nostro futuro e se stiamo andando verso un 'big rip' in cui tutta la materia sarà alla fine ridotta a brandelli.

Non so bene cosa aggiungere a questa domanda, se non che vi conviene armarvi di bong se volete provare a rispondere.

Le teorie unificate come la supersimmetria e la teoria delle stringhe tendono a dare per scontata la teoria generale della relatività anziché spiegarla. Ma si può derivare la teoria della gravità formulata da Einstein dall'energia del vuoto o dai campi della teoria delle stringhe? In caso negativo, da dove arriva la gravità?

Tutte le forze nel Modello Standard — debole, forte, elettromagnetica e gravitazionale — sono descritte dalla teoria di gauge, che descrive come le particelle elementari si accoppiano con campi specifici. Allora perché esistono solo questi tipi di forze e perché la materia si relaziona solo debolmente con questi campi?

È possibile considerare la meccanica quantistica facendo appello ad alcuni principi profondi dell'universo? Questa teoria spiegherebbe perché l'universo sia fatto di campi quantistici e renderebbe conto di osservazioni bizzarre come il collasso della funzione d'onda durante una misurazione.

Le teorie migliori sono quelle coerenti agli esperimenti da un punto di vista matematico. Eppure, teorie quantistiche relativamente semplici non sono ancora state dimostrate come coerenti secondo la matematica.

Se la matematica e la fisica che descrive sono effettivamente invenzioni umane, allora dobbiamo considerare la relazione tra la coscienza umana e la realtà, oltre a domande relative, tipo perché c'è qualcosa anziché nulla.

Costruire computer migliori migliorerà i nostri modelli o ci aiuterà a comprendere alcuni degli esperimenti più complessi mai creati, come il Large Hadron Collider? Come? Man mano che i nostri telescopi diventano più sofisticati, cosa ci riveleranno sulla natura dell'universo?

Viviamo in un momento storico di progresso tecnologico e scientifico senza precedenti. C'è un limite massimo a questo avanzamento, o il tasso di scoperte continuerà semplicemente ad accelerare? La domanda è particolarmente rilevante nel campo dell'Intelligenza Artificiale, che punta a creare una macchina davvero super intelligente.

Questa domanda è stata notoriamente posta da Erwin Schrodinger nel 1944. Più di 70 anni dopo, i biologi stanno ancora cercando una risposta a questo quesito solo apparentemente banale.

Le molecole organiche sono emerse da un brodo primordiale sulla Terra, o sono arrivate dallo spazio profondo su un asteroide (una teoria nota come panspermia)? E soprattutto: come hanno fatto i nostri antenati monocellulari a svilupparsi in forme di vita complesse?

I robot su Marte vanno a caccia di materia organica nel nostro sistema solare e gli astronomi del SETI cercano al setaccio onde radio cosmiche, ma, per ora, non abbiamo prove dell'esistenza di forme di vita — intelligenti o meno — da nessuna parte nella galassia. Siamo davvero soli nella vastità dell'universo?

Organismi biologici che consideriamo 'stupidi' sono in grado di svolgere compiti in forma aggregata che sono straordinariamente complessi, come il ripiegamento di proteine o la capacità che hanno le cellule di moltiplicarsi e formare strutture specifiche come occhi, cuori, cervelli e altri organi. Come cavolo fanno?

La varietà incredibile della vita biologia, persino all'interno delle stesse specie, rende difficilissimo curare le malattie più gravi. Sarà mai possibile cancellare del tutto morte e malattie?

Si tratta di un mistero che ossessiona i filosofi da secoli, ma solo di recente abbiamo sviluppato la tecnologia necessaria per provare ad affrontarlo in modo scientifico. La coscienza è qualcosa che emerge tramite le interazioni complesse di miliardi di cellule? È uno spettro? Può essere replicata?

Questo articolo è apparso originariamente su Motherboard US.