Teoria del Tutto, un nuovo capitolo

Sherlock Holmes in un’illustrazione del 1904 di Sidney Paget. Crediti: Wikimedia Commons

“Una volta eliminato l’impossibile, tutto ciò che rimane, per quanto improbabile, dev’essere la verità”. Lo dice il più famoso investigatore di tutti i tempi, il personaggio nato dalla penna dello scozzese Sir Arthur Conan Doyle. Scrittore che, guarda caso, era anche scienziato: ed è proprio questa frase di Sherlock Holmes ad avere ispirato una delle teorie fisiche forse più ambiziose degli ultimi tempi.

Già la cornice in cui si inserisce parla chiaro: Teoria del Tutto. Ovvero, quella famiglia di proposte – prolificate a cavallo tra il nostro secolo e lo scorso – di unificare tutti i fenomeni fisici conosciuti. In un’unica, semplice, elegante formulazione matematica. Ne abbiamo parlato pochi giorni fa, a proposito di un tentativo di conciliare le due “grandi rivali”, fisica classica e fisica quantistica, attraverso la teoria delle superstringhe.

Ma quella che affrontiamo oggi è un’ipotesi se possibile ancora più grandiosa: perché aspira ad arrivare proprio all’eterno oggetto di ricerca di Sherlock Holmes, “la verità”. Come lui, eliminando l’impossibile e ammettendo ciò che invece sembra assolutamente improbabile.

L’ideatore di questo approccio è  David Deutsch, fisico dell’Università di Oxford. Che ha formulato per la prima volta la sua Theory of Everything (da cui l’acronimo TOE) nel 2012, con l’obiettivo di mettere insieme tutte le leggi fisiche attraverso un insieme di meta-leggi. Un livello teorico per così dire superiore, in grado di descrivere ciò che nell’Universo può accadere e ciò che invece è proibito.

Si tratta di un principio che Deutsch stesso ha chiamato Constructor Theory: letteralmente, “Teoria del Costruttore”, basata sull’idea che tutto il mondo fisico sia costruito a partire da un insieme di leggi fondamentali.

Ora il ricercatore ha compiuto un passo ulteriore per dare stabilità alla sua “tuttologia”. In un articolo uscito in anteprima sul server arXiv, Deutsch firma insieme alla fisica italiana Chiara Marletto una nuova formulazione della sua teoria, adesso chiamata Constructor Theory of Information. Trovando proprio nell’informazione – intesa nella sua accezione fisica di quantificazione di dati – la chiave per un linguaggio universale.

Come? Attraverso l’unificazione delle due teorie attualmente in voga per descrivere il processo di elaborazione dell’informazione, quella che utilizza sistemi macroscopici e quella che utilizza sistemi subatomici.

Ed ecco che siamo sempre qui: la dicotomia tra fisica classica e fisica quantistica. Se parliamo di teoria dell’informazione, l’approccio classico si rifà al modello sviluppato negli anni ’40 dal matematico e crittografo Claude Shannon, secondo cui tutti i dati possono potenzialmente essere codificati tramite canali trasmettitori (per intenderci, la nostra fibra ottica). L’approccio quantistico approda invece al mondo dei cosiddetti computer quantistici, che in linea di principio dovrebbero essere in grado di sfruttare le caratteristiche del regno subatomico per moltiplicare esponenzialmente la loro capacità di trasmettere dati. Entrambe le teorie hanno le loro debolezze; ma il punto è che sono assolutamente inconciliabili tra loro. O l’una o l’altra, non si scappa.

Questo è proprio l’aspetto che Deutsch vuole cambiare. In base alla sua Constructor Theory, i componenti ultimi della realtà sono entità – i “costruttori”, appunto – che si comportano in base a una serie di leggi che stabiliscono esattamente ciò che nel mondo fisico è consentito. Proprio come, ad esempio, un bollitore stabilisce le condizioni a cui l’acqua può riscaldarsi e bollire.

“In Constructor Theory le teorie fisiche si esprimono in termini di trasformazioni, chiamate con il termine tecnico tasks” spiega a Media INAF Chiara Marletto, co-autrice dello studio. “In particolare, indicano quali trasformazioni sono possibili, quali impossibili e per quale motivo. Quindi invece di esprimere ciò che accade, date certe condizioni iniziali, esprime ciò che può/non può accadere, date le nostre leggi della fisica”.

La ricerca di Deutsch e Marletto, finanziata all’Università di Oxford dalla Templeton World Charity Foundation, usa questo nuovo approccio per esprimere il concetto di informazione in fisica in modo rigoroso. 

“Sosteniamo che l’informazione non è un concetto a priori delle leggi fisiche ma, al contrario, è espressione della presenza di certe regolarità nelle leggi che regolano il nostro Universo” prosegue la ricercatrice.  “La Constructor Theory of Information esprime queste regolarità in modo esatto, come leggi fondamentali dell’informazione: simili, come status, al principio di conservazione dell’energia”.

In pratica vengono stabiliti i vincoli che una determinata teoria deve rispettare per permettere l’esistenza di sistemi fisici che contengano informazione.

Nel loro approccio, Deutsch e Marletto hanno introdotto anche una nozione ben nota nell’universo fisico ma impossibile nei sistemi quantistici: la capacità di fare una copia. Nel mondo microscopico infatti non si può mai avere una copia identica di uno stato quantico indefinito; ed è proprio questo il limite da superare se si vogliono unificare mondo classico e mondo quantistico. Per questo la teoria dell’informazione prevede la possibilità di riprodurre tutti i dati, a loro volta regolati da una sorta di “superinformazione” che stabilisce, per così dire, le regole del gioco. Tra cui quella per cui nel mondo quantistico le copie sono impossibili: ecco riguadagnato anche l’accordo con ciò che avviene in realtà.

“Facendo ciò, si risolve la circolarità alla base della teoria dell’informazione di Shannon” spiega Marletto. “Inoltre in questo scenario è possibile dimostrare che le proprietà associate all’informazione quantistica, che possono talvolta apparire estremamente controintuitive e ‘bizzarre’ (ad esempio l’entanglement), sono il risultato di un singolo addizionale vincolo sui sistemi fisici capaci di portare informazione. Vincolo che prescrive l’impossibilità di certi processi di copia”.

Resta da capire se questo insieme di meta-leggi che regolano l’universo dell’informazione – e, a ben guardare, tutto l’Universo – siano a loro volta regolate da leggi. Stando sempre in guardia dal principio del Deus ex machina: una delle prime cose da evitare, nella ricerca della verità di Sherlock Holmes.

Per saperne di più:

• Leggi l’articolo di D. Deutsch e C. Marletto “Constructor Theory of Information” su arXiv
• Leggi un intervento di D. Deutsch sulla Teoria del Tutto su Edge – World Science Festival
• Visita il sito della Constructor Theory

Fonte: Media INAF | Scritto da Giulia Bonelli