Un prodigio che ha aperto il cosmo
Nel 1972, Frank Wilczek e il suo consulente di tesi, David Gross, scoprirono la teoria di base della forza forte, l'ultimo pilastro del Modello Standard della fisica delle particelle. Il loro lavoro ha rivelato la strana alchimia all'opera all'interno del nucleo di un atomo. Si è anche scoperto che era alla base di quasi tutte le successive ricerche sull'universo primordiale. Wilczek e Gross hanno continuato a condividere il Premio Nobel per la Fisica 2004 per il lavoro. All'epoca, Wilczek aveva solo 21 anni.
La sua influenza nei decenni successivi è stata profonda. Ha predetto l'esistenza di un'ipotetica particella chiamata assione, che oggi è uno dei principali candidati per la materia oscura . Ha pubblicato documenti innovativi sulla natura dell'universo primordiale. E proprio l'anno scorso, la sua previsione dell '" anyon " – uno strano tipo di particella che si manifesta solo nei sistemi bidimensionali – è stata confermata sperimentalmente .
Wilczek è cresciuto nel Queens, New York, figlio di immigrati e prodotto delle scuole pubbliche. Ha finito il liceo in due anni e il college in tre. Ha insegnato al Massachusetts Institute of Technology per 20 anni, anche se prima della pandemia ha trascorso gran parte del suo tempo volando in tutto il mondo per i suoi appuntamenti simultanei presso l'Arizona State University, l'Università di Stoccolma e la Shanghai Jiao Tong University, dove dirige il Wilczek Quantum Centro.
L'ultimo libro di Wilczek, Fundamentals: Ten Keys to Reality , esce oggi. Wilczek ha detto a Quanta che era "orgoglioso di questo libro come qualsiasi cosa io abbia mai fatto in vita mia".
Quanta lo ha incontrato due volte nella sua casa di Concord, Massachusetts, tramite Zoom a dicembre. Le interviste sono state condensate e modificate per chiarezza.
Congratulazioni per i fondamentali . Come ti è venuta l'idea del libro?
Ebbene, l'idea originale era piuttosto diversa da come è risultato essere il libro. Stavo per scrivere questo piccolo libro che raccontava alcuni fatti di base sul mondo fisico. L'ho pensato come qualcosa che le persone potevano leggere e sentire di sapere più di prima, qualcosa che avrebbe dato loro materiale di cui parlare ai cocktail party.
Ma mentre stavo mettendo insieme una bozza, non ero soddisfatto di quello che avevo prodotto. Ci sono già molti libri che lo fanno, giusto? E poi quando ho parlato con i miei amici non scientifici – persone intelligenti, artisti, letterati – non sembrava niente che volessero leggere.
Così, sono tornato alla mia scrivania e ho pensato a quando ero un adolescente e quando stavo voltando le spalle alla fede cattolica in cui ero cresciuto, cosa cercavo in un libro sulla scienza e il nostro posto nell'universo ? Cosa mi sarebbe stato utile allora? Il libro che ho finito per scrivere era quello.
C'è molto di Dio nel tuo libro.
Sì.
Probabilmente non ci sono molti scienziati al tuo livello che ci andrebbero.
Bene, mi capita di pensare che questi problemi siano troppo importanti per gli scienziati per lasciarli sul tavolo.
Sai, la scienza in realtà ha molto da dire su ciò che Dio è o su ciò che Dio ha fatto. Capire il suo lavoro – questo è un modo diretto per informarti su ciò che Dio è. C'è una grande tradizione che risale a Galileo, Keplero, Newton, Maxwell ed Einstein riguardo alle questioni religiose. La maggior parte di queste persone era esplicitamente, profondamente religiosamente cristiana.
Einstein, ovviamente, non lo era. Si descriveva come avente un atteggiamento, simile a quello di Spinoza, di una sorta di panteismo, un'idea più astratta del mondo come Dio.
Quando ero un adolescente che metteva in dubbio il cattolicesimo della mia famiglia, mi sono imbattuto in questo concetto di complementarità che mi ha aiutato molto: ci possono essere modi diversi di affrontare la stessa domanda. Spesso ci sono modi diversi per descrivere la stessa cosa. Possono essere validi ciascuno nei propri termini, ma a volte possono essere molto difficili o addirittura impossibili da conciliare. Molti dei conflitti tra religione e scienza sorgono perché rispondono a domande diverse. Ci sono molti conflitti in cui le religioni dicono cose che sono semplicemente sbagliate, ma ci sono molti altri domini in cui si limitano ad affrontare questioni diverse.
In ambito scientifico, ti chiedi in generale: "Come funziona?" Nella religione, stai chiedendo: "Che cosa significa e cosa dovrei fare al riguardo?"
Sei religioso?
La fisica è il mio credo religioso. Nel senso che in fisica scopriamo un mondo straordinariamente meraviglioso là fuori che è ricco di potenziale, ricco di realizzazione e che ha ampio spazio per la fantasia, perché le leggi sono così strane e ci sono così tante cose là fuori da capire. E quando lo capisci, capisci come potrebbe essere.
Imparo che io stesso sono molto piccolo. Ma sono anche molto grande perché contengo moltitudini, come ha detto Walt Whitman. Posso elaborare le informazioni. Posso capire le cose. Posso immaginare. Posso divertirmi. Questa è l'essenza della mia religione. Imparo la mia religione dallo studio di cos'è il mondo e di come funziona.
Raccontaci un po 'di più di questo ragazzo adolescente che stava cercando di capire l'universo e il suo posto in esso.
Sono cresciuto a New York City – Queens. I miei genitori erano immigrati. Mio padre dalla Polonia. Mia madre dall'Italia.
Direi che eravamo da qualche parte tra la classe medio-alta e la classe medio-bassa. Mio padre lavorava come tecnico. Mia madre era una casalinga. Entrambi erano molto intelligenti, anche se non erano stati al college. Mio padre ha dovuto lasciare il liceo per aiutare la sua famiglia durante la Depressione. Ma erano molto coinvolti nell'idea che i loro figli avrebbero dovuto avere una vita migliore di loro.
Siamo stati anche molto fortunati a vivere a New York e ad avere accesso al sistema scolastico pubblico che mi è servito molto bene. Quasi dal momento in cui sono entrato a scuola, mi sono stati sottoposti i test del QI. Quando ho ottenuto un punteggio alto, i miei genitori sono stati chiamati e hanno detto: “Frank è eccezionale. Dovresti fare di tutto per aiutarlo. "
Come hanno reagito all'avere un prodigio in famiglia?
Una volta che la scuola ha iniziato a dire loro quanto ero intelligente, ha cambiato le dinamiche all'interno della famiglia. Non ero più quel ragazzino su cui potevano comandare. Sebbene fossero loro stessi molto intelligenti, penso che fossero un po 'intimiditi da me.
Mi hanno permesso di ottenere giocattoli intelligenti, anche se non potevamo permetterceli: giocattoli meccanici e telescopi. Andavamo in una libreria speciale per libri di scienza e filosofia. Ho letto molto Bertrand Russell, che significava molto per me. Penso che i miei genitori fossero un po 'perplessi da me. Quando volevo fare cose strane, me le lasciavano fare. Penso che mia madre mi idolatrasse. Si pensava che sarei diventato una specie di scienziato. Ha sempre detto: "Curerai il cancro".
Dirò qualcosa di molto immodesto qui. Il fatto che a scuola ottenessi questo tipo di convalida che era molto oggettiva e non falsificata mi ha dato un'enorme fiducia. Ho fatto molto bene in vari test e gare. Ho avuto molta fiducia. È rimasto con me per il resto della mia vita. Gli scienziati hanno bisogno di quel tipo di fiducia per correre rischi intellettuali.
Hai frequentato la Bronx High School of Science?
No. Era un'ora di viaggio da casa. Sono andato a una scuola superiore pubblica molto grande del Queens, Martin Van Buren, dove ero sulla pista dei nerd con circa 20 altri ragazzi. Siamo andati tutti alle stesse lezioni di AP e siamo usciti insieme. Siamo ancora in contatto, fino ad oggi.
Quando sono andato all'università di Chicago a 16 anni – avevo saltato due classi – nel complesso, gli studenti non erano bravi come i miei amici a Van Buren. D'altra parte, i professori erano su un piano diverso. Volevano capire le cose in grande stile. A Chicago, almeno dalla facoltà, sentivo di entrare in contatto con l'avanguardia dell'esplorazione intellettuale umana. Avevo molte ambizioni amorfe. Chicago era un buon posto per cercare di capire cosa volevo fare.
Ad esempio, ho scoperto rapidamente che il lavoro di laboratorio non faceva per me. Ho visto che può essere un lavoro esigente, ripetitivo. Quindi ho esplorato l'informatica, la fisica, la biologia. Ero in uno schema di attesa. Alla fine ho optato per la matematica perché amo fare i puzzle, e questo si è fuso con l'idea di risolvere equazioni e manipolare i dati in senso lato. Avevo queste idee amorfe come voler investigare il modo in cui funziona la mente usando la logica matematica.
La matematica ha funzionato?
Da studente universitario, lo ha fatto. Ho finito in tre anni e poi sono andato a laurearmi in matematica a Princeton. Lì, ho vissuto un grande shock.
La scuola di specializzazione non era questione di imparare cose che altri avevano già capito, ma di produrre qualcosa di nuovo. Mi hanno dato un ufficio con una lavagna e mi hanno detto: "Fai qualcosa di interessante". All'improvviso venivo trattato come un adulto. L'ho trovato davvero difficile. Sono entrato in una specie di crisi.
Ma poi ho avuto un'enorme fortuna. È successo un miracolo. Mi è capitato di frequentare alcune lezioni di fisica, e questo mi ha coinvolto in questo progetto di comprensione di come funzionava la teoria quantistica dei campi e se poteva essere applicata all'interazione forte. Questo è stato fondamentalmente il primo pezzo di ricerca seria che abbia mai provato a fare. E ha funzionato!
E ha portato direttamente a un premio Nobel. Ho fatto calcoli difficili che nessun altro poteva fare. Stavo collaborando con David Gross, che era uno scienziato molto più esperto. E così brillante. Lavorando con lui, ho sentito di dare un contributo reale. Negli anni successivi sono stato in grado di creare un'applicazione di successo di quelle idee dopo l'altra – o fare altre cose creative come gli assioni, anche se molto più tardi.
Ho capito subito che se la teoria che stavamo proponendo era corretta, era potenzialmente un grosso problema. Ricordo di aver detto a David: "Se gli esperimenti lo confermano, otterremo il Premio Nobel". Ora, il premio è arrivato 30 anni dopo, nel 2004. Ma la convalida personale è stata istantanea. Abbiamo fatto i calcoli nell'inverno del 1972 e li abbiamo pubblicati in primavera. Quell'estate sono andato alla mia prima conferenza. Era molto piccolo, in un posto chiamato Downingtown Inn. Ma c'era Feynman, il Feynman, e ha parlato del nostro lavoro. Ha detto: "Questo è davvero importante". Avevo 21 anni.
Avresti potuto essere paralizzato da un così straordinario successo iniziale. Molte persone lo sono.
Affatto. Penso che per il tipo di lavoro che svolgo, avere fiducia in me stesso sia oro puro. Per aprire un nuovo terreno, devi essere disposto a uscire su un arto e correre dei rischi. A causa dei miei primi successi, i miei errori, quando li ho commessi, non sono stati così devastanti come avrebbero potuto essere.
Ad essere onesti, ne ho fatti alcuni. Uno è stato un errore di opportunità persa. Sento che avrei dovuto scoprire l'inflazione. Avevo tutti i pezzi necessari; Ero nel posto giusto al momento giusto con il giusto tipo di conoscenza. Stavo solo pensando ad altre cose.
Uno dei miei grandi successi negli ultimi anni è stato quello di proporre il concetto di un cristallo temporale, che è fiorito in un intero campo. Ma nel primo articolo, il mio esempio principale si è rivelato non molto buono. Tecnicamente era instabile. Non era scientificamente valido. La direzione generale era buona, ma l'implementazione dettagliata non lo era.
Cosa dici a te stesso quando hai commesso un errore?
Non mi soffermo su questo. Ascolta, mi piace lavorare con idee fantasiose. Gli errori a volte sono il prezzo per farlo.
Parliamo di una delle tue idee fantasiose: gli assioni. Sono l'ipotetica particella che potrebbe costituire la materia oscura e quindi potrebbe essere una chiave per comprendere l'universo primordiale. Teorizzi e pubblichi su di loro da più di 40 anni. Come hai iniziato con gli assioni?
Una notte dell'estate 1977 feci una lunga passeggiata al Fermilab e decisi di pensare ai problemi intorno alla particella o alle particelle di Higgs. Per prima cosa ho pensato a come rilevarli. Fondamentalmente ho risolto il problema, anche se non è diventato chiaro fino a molto tempo dopo. Poi ho pensato se poteva esserci più di un campo di Higgs, e se c'era qualcosa di interessante si poteva dire su quel tipo di possibilità. L'idea più intrigante che mi è venuta in mente è stata che con più di un campo di Higgs potresti avere schemi di simmetria.
Il giorno dopo sono andato in biblioteca e ho controllato cosa avevano fatto le persone su tutte queste domande. Ho scoperto che Roberto Peccei e Helen Quinn non solo avevano considerato la simmetria di Higgs, ma hanno dimostrato che poteva affrontare un problema fondamentale in fisica. Ma Peccei e Quinn non avevano realizzato una conseguenza molto sorprendente della simmetria, vale a dire l'esistenza di una particella molto leggera – ciò che ora chiamiamo assione. Il mio primo pensiero è stato che una tale particella sarebbe stata sicuramente osservata se fosse esistita, quindi non ci ho lavorato con la stessa urgenza che ho fatto sull'altra idea.
Ma man mano che lo consideravo più da vicino, gradualmente mi convinsi che forse l'assione – che è così che l'ho chiamato, dall'inizio – potrebbe forse esistere dopo tutto, perché uno dopo l'altro i miei tentativi di escluderlo sono falliti. Non capita tutti i giorni di imbattersi in nuovi modi di porre e possibilmente rispondere a domande così fondamentali, quindi sono stato risucchiato.
Alcuni anni dopo fui invitato da Stephen Hawking a una conferenza ormai leggendaria, la conferenza Nuffield del 1982 a Cambridge, dove la cosmologia dell'universo primordiale era l'argomento principale. Stephen mi ha chiesto di tenere il discorso di sintesi. Ho sentito che avrei dovuto essere all'altezza dell'occasione e presentare alcune nuove idee, quindi ho sollevato la questione di come il campo dell'assione si assesta dopo il Big Bang e se potrebbe lasciare una reliquia osservabile.
John Preskill, Mark Wise e io lo abbiamo scoperto e abbiamo scoperto che in realtà molti assioni rimangono e che avrebbero le proprietà giuste per fornire la "materia oscura" di cui i cosmologi sembrano aver bisogno.
Dato che tu e gli altri siete stati dei grandi battitori, perché gli assioni per così tanto tempo sono stati i Rodney Dangerfield del mondo della fisica? Non hanno ricevuto molto rispetto.
Ebbene, gli assioni erano un tipo di particella molto diverso, molto diverso da qualsiasi cosa prima. Senza una comprensione delle idee teoriche profonde alla base, gli assioni sembravano semplicemente stravaganti.
È cambiato. Il caso della materia oscura è diventato molto più forte e gli assioni sono diventati molto più popolari. Certamente, il caso della materia oscura nell'universo è molto forte ora, quasi universalmente accettato. Anche quella materia oscura è probabilmente un nuovo tipo di nuova particella è quasi universalmente accettata. Si adatta a molte, molte linee di prova indipendenti. E potrebbe essere l'assione. L'assione ha tutte le proprietà giuste, il che non è affatto banale.
Inoltre, il problema fondamentale originale che l'assione è stato progettato per affrontare, questo problema del perché le leggi sembrano le stesse avanti e indietro nel tempo, esiste da quasi 50 anni ormai, e gli assioni sono l'unica soluzione che regge. Quindi ne abbiamo bisogno. Ne abbiamo bisogno. Penso che possiamo aspettare con impazienza la scoperta che la materia oscura è in realtà assioni.
Per molto tempo, il candidato principale alternativo per la materia oscura è stato qualcosa chiamato WIMP. È caduto sul ciglio della strada?
Credo di si. Avrebbe dovuto emergere dalle teorie dell'unificazione supersimmetrica, un'idea certamente allettante.
Ma quello che è successo è che al Large Hadron Collider, la supersimmetria non è stata scoperta , e quindi in un gran numero di altre ricerche di WIMP, non sono state scoperte, e quindi il caso empirico contro di loro è montato. Con il processo di eliminazione, ciò ha lasciato gli assioni come una specie di ultimo uomo in piedi. Ora, non è del tutto vero che tutte le modifiche alla teoria WIMP siano state escluse. Ma i WIMP stanno diventando meno plausibili, mentre gli assioni sembrano sempre migliori.
Se si dimostrerà che gli assioni sono la materia oscura, avrai scosso il mondo della fisica una seconda volta?
Ebbene sì e no. Se gli assioni lo fossero, non scuoterebbero tutto perché c'è già un corpo teorico ben consolidato al riguardo. I concetti di base esistono da 40 anni. Ci sono migliaia di giornali. Tuttavia, una cosa è avere speculazioni teoriche e un'altra avere il mondo.
Mi è piaciuto lavorare sull'assione: è stato divertente. Con altri, ho iniziato all'inizio degli anni '80 proponendo che potesse essere un candidato per la materia oscura, e questo ha aperto nuovi modi per cercarla. Era un concetto interessante su cui lavorare rispetto a QCD, che era stato risolto. Oggi molte persone stanno lavorando sugli assioni. E questo è stimolante e mi tiene in contatto con i giovani.
D'altra parte, non è ancora la stessa cosa di quello che abbiamo fatto io e David sull'interazione forte, che fa parte del tessuto della legge fondamentale.
A cosa stai lavorando adesso?
Diverse cose: un mix eclettico. Sono molto attivamente coinvolto nel tentativo di progettare antenne assiali che finalmente li rileveranno. Mi sto divertendo molto a lavorare con sperimentatori e persone di tipo ingegneristico per farlo.
Sto lavorando su uno stato della materia chiamato anyons che penso potrebbe aprire un'area completamente nuova della fisica e potrebbe cambiare l'informatica. Ho un'altra brillante idea su qualcosa relativo alla teoria dell'informazione quantistica.
Sono molto interessato a seguire i cristalli temporali; Penso che sia fiorito oltre le mie aspettative iniziali. Ed è andato in direzioni diverse.
Hai dovuto sospendere questi progetti a causa della pandemia?
Oh no. No! Sono stati promossi per questo. Non vado in giro e vado a conferenze e viaggio. Voglio dire, sto mangiando meglio. Ho perso 15 libbre, ho iniziato a fare il giocoliere, a fare esercizio. Mi ha dato il tempo di pensare in modo creativo. In un certo senso sono tornato a scuola, come se fossi uno studente laureato. Voglio saperne di più sull'apprendimento automatico. Compirò 70 anni a maggio, ma ora mi sento più giovane di quanto mi sentissi da molti anni.
Sai, quando ero adolescente e cercavo di mettere tutto insieme, pensavo che la vita fosse una questione di trovare le risposte alle domande e basta. Ora sto imparando che buone risposte portano a domande migliori e che il ciclo non finisce mai.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/frank-wilczek-cracked-open-the-cosmos-20210112/ in data Tue, 12 Jan 2021 17:36:57 +0000.