Cosmologia: tra metafisica e scienza Un approccio epistemologico

Vedere il mondo in un granello di sabbia
e il paradiso in un fiore selvaggio.
Tenere nel palmo di una mano l’infinito
e l’eternità in un’ora

[William Blake]

 

Le origini metafisiche

L’espansione del nostro universo sta accelerando. La recente scoperta sperimentale – per la quale è stato assegnato il Premio Nobel 2011 (Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam G. Riess) – ha scatenato importanti dibattiti filosofici sulla cosmologia, in un momento in cui i nuovi dati provenienti dalle grandi superfici delle galassie stanno contribuendo a fornire risposte a domande pressanti sull’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura.

Per molti secoli la cosmologia non è stata considerata propriamente una “scienza”, ma più propriamente vicina alla filosofia piuttosto che alla fisica. Il “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” di Newton, un’opera straordinaria che ha gettato le basi della fisica fornendo le leggi sperimentabili della natura, fornisce una spiegazione a una varietà di fenomeni osservabili, dalla caduta libera al moto planetario, eppure non può spiegare cosa abbia messo in moto i pianeti all’origine del nostro universo. La formazione del materiale stellare e planetario era al di là dei principi matematici della filosofia naturale di Newton.

Il filosofo tedesco Alexander Baumgarten nel suo libro “Metafisica” del 1739 affermava che, poiché la cosmologia conteneva i primi principi di fisica, teologia, teleologia e filosofia pratica, essa stessa apparteneva alla sfera della metafisica, costituendo un esercizio razionale di esame del concetto di mondo o dell’universo.

Fu Immanuel Kant, attraverso le sue opere, a esprimere la necessità di integrare la fisica di Newton con basi metafisiche. Infatti, uno dei primi tentativi di spiegazione metafisica moderna dell’origine del nostro universo secondo i Principi newtoniani può essere trovato nel suo lavoro del 1755 ‘Storia universale della natura e teoria del cielo‘ (Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels), il cui sottotitolo recita: ‘Saggio sulla costituzione e le origini meccaniche dell’intero universo secondo i principi newtoniani‘.

Immanuel Kant

In questo testo Kant sostiene che all’origine dell’universo, lo spazio non era vuoto come suggerito da Newton, ma era pieno di ciò che chiamava la “materia sottile” su cui agivano due forze fondamentali: l’attrazione, come forza che agisce a distanza e capace di far affluire la materia in ciò che poi diventeranno pianeti e stelle, e una forza repulsiva che consentiva alla materia di muoversi in vortici che avrebbero poi contribuito alla formazione dei corpi celesti. Mentre sia l’attrazione che la repulsione sono citate da Newton come forze fondamentali della natura sia nei “Principia” che nelle “Opticks“, l’interpretazione originale di Kant su Newton consisteva nell’usare queste due forze per fornire una spiegazione dei presunti meccanismi di azione nella costituzione dell’universo. Così facendo, Kant pose le basi di quella che divenne nota come “Ipotesi della Nebulosa di Kant-Laplace“, uno dei primi tentativi di spiegazione scientifica dell’origine del nostro universo.

Tuttavia, lo stesso Kant fu scettico riguardo alla possibilità di sviluppare la cosmologia come scienza, perché l’idea di un universo che aveva un inizio nello spazio e nel tempo sembrava piena di contraddizioni, qualcosa che Kant nel suo lavoro maturo chiamerà “Antinomie della ragione“. Queste parole di Kant, tratte dalla Critica della Ragion Pratica (1788), rendono bene l’idea di quanta importanza ebbero nel filosofo prussiano gli studi di astronomia: «Due cose riempiono l’animo mio di sempre nuova e crescente ammirazione e reverenza, quanto più spesso e più durevolmente la riflessione vi si esercita: il cielo stellato sopra di me e la legge morale in me».

Così, alla fine del XVIII secolo, le prospettive di sviluppo della cosmologia come ramo della metafisica apparivano oscure e il percorso verso la cosmologia come scienza era ancora molto lungo. Perché ci è voluto tanto tempo affinché la cosmologia diventasse una scienza? Non erano solo le basi metafisiche della cosmologia che si rivelavano piene di contraddizioni, come diceva Kant, ma tre problemi principali ostacolavano il riconoscimento della cosmologia come una scienza:

  • Leggi della Natura. Le teorie scientifiche permettono agli scienziati di formulare deduzioni basate sulle leggi della natura. Ad esempio, data la legge di gravità di Newton, gli scienziati possono dedurre i moti planetari, così come la caduta di una mela o i tempi delle maree. Un problema specifico sorge in cosmologia quando cerchiamo di usare le leggi della natura per fare deduzioni sulle origini del nostro universo: come possiamo sostenere che le leggi della natura che conosciamo oggi si applicano anche all’origine del nostro universo? Le nostre leggi non sono forse nate insieme al nostro universo? E come possiamo estrapolare le origini del nostro universo dalle attuali leggi della fisica?
  • Unicità. Affinché alla cosmologia venga riconosciuto lo status di una scienza sperimentale, dovrebbe essere possibile condurre esperimenti per verificarne le ipotesi. In genere, eseguire un esperimento comporta la possibilità di ripetere il test più di una volta e su diversi campioni dello stesso oggetto. Se la ripetizione del test su più campioni e in circostanze diverse è la chiave per sperimentare, allora le prospettive per la cosmologia come scienza sperimentale sembrano poco promettenti. Abbiamo un solo universo da osservare e sperimentare, il nostro.
  • Non osservabilità. Un terzo problema riguarda la misura in cui vengono estrapolate le informazioni dal nostro attuale punto di osservazione, il pianeta Terra, verso l’universo nel suo complesso. La quantità di informazioni a cui possiamo accedere dal nostro attuale punto di vista, considerando che la velocità della luce limita la misura cui risalire indietro nella storia del nostro universo, è limitata agli eventi nel cosiddetto “cono di luce passato“. Questo è noto come il problema dell’orizzonte: oggetti a una distanza superiore a circa c*t, dove cè la velocità della luce, non possono essere visti prima del tempo t. Questo, di per sé, non sarebbe un grande problema poiché si potrebbe assumere che il nostro orizzonte crescerà e quindi qualsiasi oggetto verrà prima o poi osservato, comunque distante. Ma in un universo in accelerazione come il nostro, punti sufficientemente distanti l’uno dall’altro, non saranno mai in contatto e ciò significa che ci sono vaste regioni del nostro universo che sono destinate a rimanere per noi inosservabili per sempre.

Nonostante questi tre problemi metodologici, i cosmologi hanno percorso molta strada dai tempi dell’ipotesi nebulosa di Kant-Laplace: il tragitto che ha portato la cosmologia da un ramo della metafisica a una scienza vera e propria, non è stato comunque privo di vivaci discussioni filosofiche nell’ultimo secolo.

 

La metodologia scientifica

In che modo un ramo della metafisica, dopo tutto, può diventare una teoria scientifica? Per rispondere a questa domanda occorre tornare a far riferimento ai tre problemi identificati precedentemente, inserendoli nel contesto di più ampie vedute filosofiche e metodologiche.

Il primo problema metodologico incontrato è relativo all’estensione delle attuali leggi della natura fino all’universo primordiale. Per affrontare questo problema, il fisico Hermann Bondie altri sostenitori del cosiddetto “universo dello stato stazionario”, introdussero negli anni ’50  quello che definirono il “Principio Cosmologico Perfetto“, secondo il quale l’universo è omogeneo in tutte le sue leggi fisiche. Ma l’universo dello stato stazionario è stato successivamente a lungo smentito dalle prove sperimentali dell’universo in evoluzione, provenienti dalla scoperta della radiazione cosmica di fondo. Tuttavia, questo non significa la fine delle riflessioni filosofiche sulle leggi della natura in cosmologia; al contrario, il problema rimane pressante e ha spinto filosofi e fisici a ripensare la nozione delle leggi applicate al cosmo. Solo per citare un esempio, il fisico Lee Smolin ha introdotto una visione denominata “Selezione naturale cosmologica“, sostenendo che le leggi stesse hanno una storia e si sono evolute con il nostro universo. Quindi, adottando questa teoria, il problema delle leggi della natura scompare.

Il secondo problema evidenziato in precedenza è rappresentato dall’unicità dell’oggetto di studio e la specifica difficoltà che questo pone alla verificabilità della cosmologia. L’idea chiave delle teorie scientifiche è rappresentata dalla replicabilità di un esperimento su più campioni, ma avendo la cosmologia un unico oggetto da studiare (l’universo), la questione appariva in contrasto con la definizione. Tuttavia, in questo caso, il principio di falsificabilità di Karl Popper sembrò offrire una via d’uscita. Popper riteneva che il metodo scientifico consistesse in un metodo deduttivo, in base al quale data un’ipotesi o una congettura con previsioni innovative rischiose, gli scienziati possono adottarla e ricercare una singola prova negativa che possa potenzialmente falsificarne l’ipotesi. In altri termini, una teoria, per essere controllabile, perciò scientifica, deve consentire la possibilità di confutarla: dalle sue premesse di base devono poter essere deducibili le condizioni di almeno un esperimento che, qualora la teoria sia errata, ne possa dimostrare integralmente tale erroneità alla prova dei fatti. Per riassumere il concetto popperiano: le teorie scientifiche, per essere rigorosamente tali, devono risultare “sperimentalmente falsificabili”, ossia formulate in modo tale che un’eventuale osservazione abbia la possibilità di smentirle (se accettabile). La teoria di Newton è caduta quando Einstein sviluppò la Relatività, ma questo fu possibile perché la teoria newtoniana era controllabile con l’osservazione, che garantiva la sua “confutabilità”.

Quindi, se la falsificabilità è davvero un metodo della scienza, l’unicità dell’universo non pone alcun ostacolo per la cosmologia. Tutto ciò che è richiesto è una singola previsione rischiosa, che può essere testata e smentita, un “potenziale falsificatore” (come definito da Popper).

Per affrontare il terzo problema, vale a dire la limitazione di ciò che possiamo osservare ristretta al solo cono di luce del passato, occorre considerare una forma di indeterminazione dello spazio-tempo. L’epistemologo John Norton  ha perfettamente illustrato questo problema con una metafora: siamo come formiche su un foglio di carta euclideo infinito, che può essere esplorato solo intorno a un’area di 10.000 metri quadrati;  quindi non siamo in grado di dire se lo spazio-tempo in cui viviamo, è davvero infinitamente piatto o curvo come un cilindro con una circonferenza di un chilometro. Potrebbero esistere diversi modelli di spazio-tempo tra loro indistinguibili, tutti compatibili con lo stesso cono di luce passato degli eventi, tanto che un osservatore potrebbe non essere in grado di stabilire in quale realtà spazio-temporale egli si trovi.

 

Conclusioni

Per secoli la cosmologia è stata ritenuta un ramo della filosofia piuttosto che una scienza; nel XVIII secolo l’ipotesi nebulare di Kant-Laplace fu uno dei primi tentativi di spiegazione scientifica dell’origine del nostro universo.

Espansione (clicca per ingrandire)

Come scienza, la cosmologia deve affrontare tre distinti problemi metodologici: primo, se le nostre attuali leggi si applicano all’origine dell’universo; secondo, l’unicità del suo oggetto di studio e, in terzo luogo, l’inosservabilità di ampie porzioni dell’universo stesso. Sebbene non si possa osservare l’intero cosmo, la porzione oggi accessibile è sufficientemente ampia da poter stabilire l’uniformità delle sue proprietà su larga scala.

Nel 1917, Einstein ha introdotto nella sua teoria della relatività l’idea della costante cosmologica, ciò che oggi chiamiamo “energia oscura“, equivalente alla densità dello spazio vuoto e implicante un universo dinamico in continua espansione accelerata. Tuttavia la piena comprensione dell’universo in espansione, arrivò solo nel 1922 con il cosmologo sovietico Alexander Friedmann, il quale fornì una soluzione alle equazioni di Einstein nella loro forma generale contenente sia l’energia oscura, la materia ordinaria e la radiazione. La conclusione che raggiunse fu sbalorditiva: tali universi in espansione non potevano esistere da sempre, ma sarebbero emersi da un tempo finito nel passato, da uno stato di densità infinita, ciò oggi viene definita come singolarità o Big Bang (13.8 miliardi di anni fa).

Dagli anni ’60 in poi, la cosmologia è riuscita a disegnare un quadro molto attendibile circa l’evoluzione dell’universo che permette di comprendere cosa sia successo negli ultimi 10 miliardi di anni circa. Tuttavia molte domande sono ancora rimaste irrisolte: cosa accadde subito prima del Big Bang? Perché l’universo ha iniziato a espandersi? E soprattutto, perché quando si è espanso, conteneva piccole fluttuazioni di densità che successivamente sono collassate nelle strutture astronomiche in cui ora viviamo? E – infine – il grande mistero, quello che tiene da sempre occupate menti di filosofi e fisici: nessun cosmologo ha la più pallida idea del perché c’è qualcosa piuttosto che niente.

La scienza ha dei limiti. Un giorno potremmo sentirci pressati contro quei limiti e, a quel punto, potrebbe essere essenziale ritirarsi nel regno delle idee. Potrebbe essere necessario «rinunciare ai cieli stellati se ci proponiamo di ottenere una vera conoscenza dell’astronomia», come suggeriva Platone nella “Repubblica“.


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