Da dove veniamo? Chi siamo? Dove andiamo? La ferrea legge che regola le vicende umane, dalla nascita fino alla morte, è una dinamica perpetua, eterna e inesorabile, su cui molti artisti si sono interrogati. Un neonato in fasce, accudito da tre giovani fanciulle, una natura rigogliosa che si offre ad un ragazzo che ne raccoglie i frutti, altre due donne vestite di porpora che discutono e infine una vecchia grinzosa, triste e rannicchiata che forse si chiede quale sarà il suo futuro sono la risposta che Paul Gauguin ci ha dato alla fine dell'Ottocento, quando le Colonne d'Ercole della conoscenza apparivano ancora lontanissime e la religione rimediava alla mancanza di certezze.

Prima, nel 1905, e poi nel 1915 Einstein, con la sua Teoria della Relatività, gettava le basi di una rivoluzione che, allargandosi all'universo e alle sue leggi ugualmente ferree, riproponeva quelle domande filosofiche a cui Gauguin aveva dato una risposta suggestiva calandosi nel mistico ruolo di Cristo. Proprio nei primi anni del Novecento un altro artista, Picasso, sviluppava un'altra rivoluzione, introducendo con il Cubismo un sovvertimento nel mondo dell'arte che trovava il suo specchio in quello della fisica.

Oggi le Colonne d'Ercole si sono molto avvicinate. Abbiamo scoperto che il nostro universo è nato da un puntino infinitamente piccolo 13,8 miliardi di anni fa e sappiamo che è in continua espansione; abbiamo anche la certezza che esistono altri miliardi di galassie con cui, forse, non potremo mai interferire perché troppo lontane; abbiamo poi scovato le particelle elementari che compongono quel 5 per cento di materia che conosciamo. E infine sappiamo che siamo tutti nati da una zuppa primordiale e che quindi, come ci ha insegnato Margherita Hack, siamo tutti 'fratelli di zuppa'.

Ma ad oggi i maggiori sforzi degli scienziati si sono concentrati sullo studio dei pianeti, delle stelle e di tutto ciò che di materiale riusciamo a vedere nel nostro sistema solare. È in quella formuletta E=mc2 con cui si afferma che la massa e l'energia sono due facce della stessa medaglia e che una piccola massa può liberare una enorme quantità di energia che è nato lo studio degli atomi, della materia e della meccanica quantistica. E dalla nostra comprensione delle leggi che regolano la massa-energia è scaturita la conoscenza dettagliata dell’elettromagnetismo e della meccanica quantistica.

Da qui sono nate l’elettronica e la microelettronica che ci hanno permesso di sviluppare computer e cellulari, auto e aeroplani e con loro tutte le tecnologie, comprese quelle mediche, che fanno parte ormai integrante della nostra vita quotidiana. Però succede anche che quella massa-energia, con le sue particelle elementari che si scambiano fra loro altre particelle elementari, quando si addensa a formare pianeti, stelle e galassie, deforma significativamente l'involucro che contiene il tutto.

Questa struttura elastica deformabile, che i fisici chiamano spazio-tempo, spiega la forza di attrazione gravitazionale, contiene energia e può oscillare con un mare di onde gravitazionali. Ma tutto questo, fino a pochi anni fa, ci è sfuggito perché lo spazio-tempo non si vede, non si sente, non si tocca. Lo spazio-tempo sembra vuoto. Ma la fisica contemporanea ci dice che non è affatto vuoto, è semplicemente un altro stato materiale, completamente diverso dalla massa-energia, che ci ha ingannato per millenni.

È a questo nuovo protagonista del nostro universo che si rivolgono le sfide del futuro. Guido Tonelli, professore emerito dell'Università di Pisa, fisico del Cern di Ginevra nonché uno degli scienziati che ha scoperto il bosone di Higgs, ne parla nel suo ultimo libro L'eleganza del vuoto (Feltrinelli), raccontando di “una presenza sottile e potente che condiziona ogni cosa”. Sarà l'inizio di nuove scoperte che ci porteranno fino alle Colonne d'Ercole? Riusciremo mai a superarle? Lo abbiamo chiesto al professor Tonelli.

Professore, fino a oggi abbiamo pensato a una struttura dello spazio-tempo deformato come a un vuoto indifferente. Se non è così, che cosa è?

È vero che fino a qualche tempo fa siamo stati prigionieri di un pregiudizio. Da tempo immemorabile gli scienziati hanno concentrato la loro attenzione sulle cose, sugli oggetti materiali, mentre hanno considerato del tutto irrilevante il contenitore spazio-temporale che le racchiude.

Da quando Einstein ha sviluppato la relatività generale si è cominciato a capire che la faccenda è molto più complicata. Lo spazio-tempo non è un concetto astratto, ma una forma diversa di struttura materiale. Il fatto stesso che ogni forma di massa-energia, per esempio il Sole, deformi lo spazio-tempo circostante, cosa che è stata dimostrata al di là di ogni ragionevole dubbio, ci dovrebbe far capire che stiamo parlando di un elemento materiale. Non si può deformare un concetto astratto.

Come se non bastasse, nel corso dell’ultimo secolo si è dimostrato che lo spazio-tempo contiene energia e può vibrare, oscillare, trasportare energia fino ai confini dell’universo, come fa l’acqua di uno stagno quando si lancia un sasso. Mi sto riferendo qui alla recente scoperta delle onde gravitazionali. Insomma, non ci sono dubbi che si tratti di una qualche forma materiale, completamente diversa rispetto alla materia fatta di atomi o particelle elementari che ci è più famigliare. E qui si apre la sfida del cercare di capire qual è la sua struttura microscopica, quali leggi o profonde simmetrie ne regolano la composizione più intima. È una delle sfide scientifiche più affascinanti e complicate per la scienza contemporanea.

Ma allora quale potrebbe essere la struttura intima dello spazio-tempo? Si potrebbero trovare atomi di tempo o particelle elementari di spazio? E il giorno in cui riuscissimo a risolvere questi misteri riuscirebbero queste scoperte a influenzare la nostra vita di tutti i giorni?

Sinceramente non lo sappiamo. Brancoliamo nel buio più totale. Non sappiamo se la struttura microscopica dello spazio-tempo è continua o discreta; non sappiamo neanche se questo legame, apparentemente indissolubile fra spazio e tempo, si possa rompere a qualche livello dimensionale fin qui inesplorato. Non sappiamo se ci imbatteremo in quanti di tempo o granuli di spazio o in qualcosa di totalmente inaspettato. È la bellezza della ricerca scientifica di base.

L’unica cosa di cui siamo certi è che il giorno in cui saremo in grado di descrivere la struttura microscopica dello spazio-tempo non solo faremo un balzo in avanti nella comprensione dell’universo ma, si può esserne certi, da quella conoscenza deriveranno tecnologie che oggi sarebbero assolutamente impensabili, e che saranno capaci di rivoluzionare la vita di miliardi di persone.

Lei dice che l'universo è nato perché il vuoto ha fluttuato, trasformandosi. Come? E perché?

La cosa più straordinaria che abbiamo scoperto negli ultimi trent’anni è che questa immensa struttura materiale che ci circonda e di cui noi stessi siamo un insignificante componente è uno stato di vuoto. Il nostro universo è una miscela ben congegnata di massa-energia, cioè le galassie, le stelle, i pianeti, le rocce, i mari e anche noi, distribuita nello spazio-tempo, cioè l’immenso contenitore che contiene il tutto.

La cosa sorprendente è che i due componenti fondamentali dell’universo sono assolutamente complementari, per cui l’energia totale dell’universo risulta nulla, così come la sua carica totale che è zero e il suo momento angolare. Insomma, l’universo ha gli stessi numeri quantici del vuoto, il che significa che è indistinguibile da uno stato di vuoto. Ecco che di colpo questa scoperta ci ha permesso di capire come e perché è nato il nostro universo. Perché far nascere un universo che ha energia nulla come il nostro non richiede alcuno sforzo.

Un universo come il nostro può nascere spontaneamente. Quello che è successo 13,8 miliardi di anni fa è una trasformazione spontanea del vuoto: lo stato di vuoto, che, come tutti gli stati materiali, è sottoposto alle fluttuazioni microscopiche regolate dalla meccanica quantistica, ha prodotto una minuscola bollicina nella quale si è piazzata un’infima quantità di particelle molto speciali, esse stesse estratte dal vuoto, ed è cominciata la sarabanda che ha portato fino a noi.

L’universo è un immenso, gigantesco “pasto gratis”. È una trasformazione dello stato di vuoto che ha preso l’aspetto meraviglioso di un’immane distribuzione di galassie ricche di sorprendenti strutture materiali. Il tutto è talmente bello che per millenni ne siamo stati abbagliati, al punto da credere “pieno” quello che non era altro che uno stato di vuoto che aveva subito una metamorfosi, una trasformazione spontanea. Ma questi sono solo gli elementi fondamentali della questione. Ho scritto un libro intero per cercare di rispondere compiutamente a questa domanda.

Cos'è il bosone di Higgs? Si potrebbe definire un po' rozzamente come una 'colla'?

Mi sembra un po’ riduttivo. Il bosone di Higgs è una particella molto speciale perché ad essa è associato un campo che gioca un ruolo decisivo nell’aggregazione di ogni struttura materiale. Tutto quello che chiamiamo materia, il ramo di un albero o il profumo di un fiore, la stella più gigantesca o la più graziosa delle libellule è fatto di componenti elementari che conosciamo piuttosto bene.

Quark che si incollano fra loro tramite i gluoni della forza forte a formare protoni e neutroni; elettroni che orbitano attorno ai nuclei, costituiti da protoni e neutroni, per formare atomi tenuti assieme dai fotoni della forza elettromagnetica. Senza il bosone di Higgs questi delicati congegni che costituiscono la base di tutte le forme materiali non potrebbero funzionare. Il campo scalare di Higgs, o vuoto elettrodebole come lo chiamiamo in termini tecnici, occupa l’universo intero e interagisce con i quark e gli elettroni definendo con precisione la loro massa.

Senza questa interazione quark ed elettroni risulterebbero tutti privi di massa e nulla potrebbe aggregarsi a formare nuclei, atomi, polveri, granelli di sabbia o enormi stelle. Se il bosone di Higgs venisse meno, l’universo intero si disintegrerebbe irrimediabilmente.

Perché nonostante acceleratori di particelle sempre più potenti non si riesce ad arrivare fino al momento del fatidico Big Bang?

Acceleratori capaci di far collidere protoni a energie sempre più elevate ci permettono di ricostruire in laboratorio le condizioni nelle quali si trovava la materia nei primi istanti dopo il Big Bang. Più si aumenta l’energia delle collisioni, più ci si avvicina al momento fatidico. Siamo arrivati a un centesimo di miliardesimo di secondo e il traguardo sembrerebbe vicino, invece la strada da fare è ancora molto lunga. Bisognerebbe riuscire a costruire acceleratori capaci di sviluppare energie milioni di miliardi di volte superiori rispetto a quelle di LHC.

Per avere un’idea della complessità di questa impresa basti pensare che ci vorranno ancora una ventina di anni per riuscire a padroneggiare le tecnologie necessarie per costruire FCC-hh, il nuovo acceleratore a protoni del CERN, che cercherà di raggiungere energie di collisione di 100 TeV, circa sette volte superiori a quelle di LHC. È un primo passo importante, ma il cammino sarà ancora molto lungo.

Fare lo scienziato è un lusso o una missione?

Né l’uno, né l’altra. È soprattutto una passione.

Professore, scienziati si nasce? Oppure si nasce curiosi?

Francamente non lo so. Posso solo parlare per me. Sono sempre stato curioso, anche da bambino, ma non immaginavo certamente che da grande avrei fatto lo scienziato. Come tutti i bambini dei primi anni ’60 volevo fare il calciatore o il pilota di aeroplani. Sono diventato scienziato quasi per caso, ma penso di aver ereditato la curiosità che tuttora mi spinge, da mio padre. Era ferroviere e non aveva titoli di studio superiori, ma leggeva di tutto, divorava libri e giornali, si informava e poi facevamo grandi discussioni sugli argomenti più disparati. Lui mi ha trasmesso la sua stessa passione. Io l’ho solo applicata alla ricerca.

Lei ha studiato al liceo classico, quando i due settori, quello umanistico e quello scientifico, erano ancora ben distinti. Come è arrivato alla fisica?

Per caso. Al classico, a quei tempi, si faceva ben poca fisica, ed erano tutte cose molto noiose: molle, leve, recipienti che perdevano acqua. Nessuno, nella mia classe, amava la fisica, neanch’io, anche se tutto mi veniva facile. Ma mi sembrava una materia incredibilmente arida. Ero, al contrario, affascinato dal greco e dal latino, dalla storia e dalla filosofia. Avevo allora, e ho tutt’ora, una grande passione per l’architettura. E avevo deciso di iscrivermi a questa facoltà. Ma pochi giorni prima del termine incontrai un amico che stava facendo il primo anno a Firenze e che mi scoraggiò al punto che decisi di cambiare all’ultimo minuto.

Troppi anni di studio, cinque, troppi esami, trenta, troppo tempo da passare rinchiusi, tutti i pomeriggi a fare disegni tecnici. A quel punto scelsi fisica, un po’ perché mi veniva facile, ma soprattutto attirato dal fatto che il corso prevedeva in tutto quattro anni e diciotto esami. Insomma, scelsi fisica pensando che avrei avuto più tempo libero, meno esami da fare, più possibilità di divertirmi e di fare la mia vita. Mi accorsi ben presto che le cose non stavano così. Gli esami di fisica erano un incubo rispetto a quelli di architettura.

Ma scoprii anche la bellezza della materia, grazie all’insegnamento dei grandi maestri che, a Pisa, hanno segnato intere generazioni di studenti. Ne cito solo due fra i tanti, Adriano di Giacomo e Lorenzo Foà. Furono loro a far nascere, dentro di me, una passione per la fisica che neanch’io sospettavo di avere.

Nei suoi libri ci sono spesso riferimenti alla filosofia e alla letteratura. Possibile oggi, nell'era della specializzazione, ritrovare un'unità tra le varie discipline?

Non solo è possibile, è assolutamente necessario. Nessuna delle grandi sfide che il mondo contemporaneo ha di fronte può trovare una soluzione se non si costruisce un nuovo progetto di futuro. Per questo c’è bisogno sicuramente di noi scienziati, ma non si può prescindere dal coinvolgere anche artisti e poeti, storici e filosofi, uomini di chiesa e letterati, insomma tutti quegli “specialisti dell’umano” che, meglio di chiunque altro, conoscono il sistema caotico che abita le profondità del nostro animo. Senza di loro non sarebbe possibile ridurre al minimo il rischio di ripetere errori del passato o di commetterne di nuovi.

Se facessimo un confronto con l'arte, con quali stili potrebbe rispecchiarsi la nuova fisica?

La nuova fisica, cioè una nuova teoria capace di inglobare e superare il Modello Standard, se e quando arriverà, costituirà una rottura radicale nel nostro modo di vedere il mondo. Se cerchiamo una qualche analogia con i grandi momenti di rottura della storia dell’arte lascio al lettore la scelta fra l’introduzione dell’umano nella pittura di Cimabue e di Giotto, o l’introduzione della prospettiva in Piero della Francesca, il cubismo di Braque e Picasso o i quadri specchianti di Pistoletto.