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Articolo pubblicato il 17-01-2006
Numero 24 - Anno 3
17 Gennaio 2005
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 La scoperta dei frattali cosmici
Traduzione di Sara Sidoretti e Giuliano Pascucci
Introduzione di Benoit Mandelbrot Anno 2005
Collana «Saggi scienze»
Prezzo circa 36,00
464 pagg., con 92 figure nel testo
Recensione di: Francesco Sylos Labini* e Luciano Pietronero**
Questo libro racconta la storia delle idee che hanno guidato le diverse
culture nel corso dei millenni alla ricerca della comprensione degli interrogativi
più antichi dell’uomo: la natura del cosmo.
Accompagnando il lettore attraverso
una semplice ed accessibile presentazione dell’evoluzione delle
“teorie cosmologiche”, sono discusse le differenti spiegazioni che nel corso
del tempo sono state elaborate mettendo così in luce l’aspetto più affascinante
della cosmologia, o, in altre parole, dello studio dell’universo nel suo insieme:
che sia dunque una delle ricerche più antiche che l’uomo ha intrapreso,
forse la prima.
Le domande cui si vorrebbe rispondere sono così enormi, profonde,
complesse, che nel passato si è fatto ricorso prima alla mitologia ed alla
religione e poi, grazie allo sviluppo delle scienze fisiche,
è iniziata un’elaborazione di modelli cosmologici che ancora continua.
Oggi, l’antichità delle origini di questa ricerca s’intreccia in modo inestricabile
con l’attualità della nostra conoscenza scientifica. Come hanno fatto i nostri
antenati di fronte alla magnificenza del cielo stellato, gli scienziati
odierni cercano di rispondere alle stesse domande. Questo è il filo conduttore
del libro.
Ogni nuova scoperta rappresenta un piccolo o grande tassello in questa ricerca,
che viene da lontano ed andrà ancora più lontano di quanto oggi possiamo immaginare
o sperare. A questa imprescindibile ricerca gli autori attribuiscono tre “regole
d’oro”: Dubita dell’ovvio, aspettati l’inaspettabile e tieniti pronto per nuove
possibilità.
Questa è la lezione della storia raccontata in questo libro: che ogni
“soluzione” è figlia del suo tempo e perciò destinata ad essere, alla fine,
superata da una nuova.
Nei nostri tempi, lo scienziato dispone di conoscenze strabilianti se
confrontate a quelle di solo qualche decennio fa, grazie allo soluzioni
di problemi teorici ed allo sviluppo di nuovi e più potenti mezzi osservativi,
come satelliti e grandi telescopi.
Ma la cosmologia, a differenza della fisica,
rimane una scienza sostanzialmente debole. Nella fisica di laboratorio l’asse
portante è rappresentato dal confronto continuo ed estenuante tra risultati teorici
ed esperimenti, e se a volte la teoria fa un passo più veloce,
altre volte è l’esperimento che apre le nuove vie della ricerca ponendo più
intricati problemi.
In questo continuo confronto tra elaborazione teorica e lavoro sperimentale si
è potuta sviluppare una conoscenza, sempre limitata, ma “forte” che ha
reso cioè possibile lo sviluppo tecnico di gran parte delle cose che ci circondano.
Nella cosmologia un risultato sperimentale è soprattutto rappresentato da un nuovo dato
osservativo: abbiamo un “solo” universo e non possiamo certo fare degli
esperimenti in laboratorio. Dunque lo scienziato moderno si trova davanti ad un sorta di
puzzle, dove ogni osservazione fornisce un tassello. La composizione dei vari tasselli
in un coerente quadro teorico è oggi la grande sfida della cosmologia teorica.
Solo qualche decennio fa i dati osservativi rappresentavano sporadici ed incompleti
lampi di luce nell’oscura profondità del cosmo. Oggi i ricercatori hanno intrapreso
dei programmi osservativi che mettono la cosmologia al pari della fisica delle particelle
elementari, ma solo per lo sforzo economico e strutturale compiuto e non per la
natura intrinseca di questa ricerca, come si faceva cenno sopra. Infatti
la costruzione di grandi telescopi, di satelliti, la programmazione d’osservazioni
sistematiche del cosmo ha generato un’enorme quantità di dati ed ha permesso di
sviluppare collaborazioni internazionali a tutto campo.
Tutto questo è avvenuto negli ultimi venti anni tanto che i più ottimisti parlano oggi,
forse incautamente, di “cosmologia di precisione”. Questo libro, se da una parte ci ricorda
l’enorme differenza che intercorre tra una scienza sperimentale, basata su esperimenti
controllati, ed una osservativa, basata talvolta sulla casualità delle scoperte e
l’incontrollabilità delle stesse, d’altra parte ci ricorda la peculiarità della cosmologia
come scienza: i limiti di non poter essere mai certi, come lo può essere chi studia la
fisica della materia, che i tasselli siano quelli giusti, sia per la loro completezza
sia per la loro interpretazione.
Il tema fondamentale del libro, come suggerisce il titolo, rappresenta un aspetto
così nuovo e sorprendente della moderna ricerca cosmologica che sembra la conferma
letterale delle “regole d’oro” sopra menzionate.
Questa volta non si tratta solamente di nuovi dati osservativi ma anche,
soprattutto, dello sviluppo di un quadro teorico che possa permettere
una nuova interpretazione degli stessi.
Questa nuova prospettiva cambia, infatti, la maniera di rimettere insieme i
differenti tasselli del puzzle cosmologico, risolvendo alcuni problemi,
e soprattutto ponendo altre affascinanti domande. Per comprendere
di cosa si tratti bisogna considerare due elementi.
Il primo è rappresentato dalla costruzione di grandi e coerenti cataloghi di galassie,
con i quali, grazie alla misura della posizione nel cielo e della distanza
(attraverso il “redshift”), è possibile ricostruire la distribuzione delle galassie nello
spazio. Da questi cataloghi sono state derivate delle vere e proprie
mappe dell’universo a grande scala, che ci hanno fatto un’inaspettata sorpresa:
hanno mostrato infatti l’esistenza di enormi strutture di galassie.
La galassia, un’“isola” auto-gravitante di stelle e materia, rappresenta
l’unità fondamentale di questo studio, il “punto” della cosmologia.
La distribuzione di questi punti è dunque molto irregolare, con gruppi ed
ammassi interconnessi che formano catene e filamenti sospesi intorno a grandi
zone vuote di materia visibile. Queste mappe hanno infatti mostrato l’esistenza
di quelle che oggi si chiamano “le grandi strutture a larga scala”, formate da
migliaia di galassie raggruppate insieme.
Il secondo elemento è fornito dalla fisica dei sistemi complessi,
che permette non solo di interpretare la geometria di queste strutture ma
anche di porre i problemi teorici che possono aiutarci a comprenderne la formazione.
La ricerca cosmologica, ambizioso progetto, non può, infatti, prescindere dallo sviluppo
d’altri settori della fisica e, più generalmente, della scienza: anzi vi è fortemente
legata e da questa trae l’energia delle nuove idee e concetti che sono indispensabili
per illuminare problemi altrimenti irrisolti.
Dunque, mentre la cosmologia cerca di costruire una teoria fisica coerente per
l’interpretazione delle diverse osservazioni dell’universo alle scale più grandi,
la fisica statistica e dei sistemi complessi si occupa della comprensione di
sistemi con tanti gradi di libertà, irregolari, non lineari, caotici.
Per questo motivo, non è sorprendente che questo recente campo della fisica
teorica possa fornire idee e concetti nuovi alla cosmologia, come questo libro
cerca di dimostrare. Spesso dallo studio di soggetti che si trovano al confine
tra diversi campi sono stati compiuti dei progressi importanti. Questo è avvenuto,
per esempio, in varie applicazioni dello studio di fenomeni intrinsecamente
irregolari e non lineari. Da un punto di vista teorico sta diventando
chiaro che sistemi dissipativi lontano dall’equilibrio possano sviluppare
comportamenti collettivi che portino all’emergenza di strutture organizzate
di una grande complessità.
Questo è il soggetto principale della “Scienza dei Sistemi Complessi”, che
rappresenta un approccio nuovo ed interdisciplinare per lo studio, in molti
differenti campi della scienza, di sistemi composti da numerose, interdipendenti
ed interagenti parti.
Nei sistemi complessi questi comportamenti collettivi emergono in una maniera
impredicibile ed inaspettata dall’esame delle singole parti che lo compongono.
In questo senso l’idea che “la realtà ha una struttura gerarchica nella quale a
ciascun livello delle leggi, concetti e generalizzazioni nuove sono
necessarie e richiedono un'ispirazione ed una creatività dello stessa
natura di quella usata al livello precedente” (P.W. Anderson, 1972).
In altre parole, la fisica riduzionistica focalizza l’attenzione sui mattoni
elementari che formano la materia: poi questi mattoni sono messi insieme in
strutture meravigliose ed elaborate. La fisica dei sistemi complessi si occupa
di queste architetture che dipendono solo in parte dalla natura dei mattoni
costituenti, che hanno leggi fondamentali e proprietà che non possono
essere dedotte dalla conoscenza di quei mattoni elementari.
Questa situazione permette dunque lo studio di nuovi comportamenti dinamici
collettivi, e la loro comprensione rappresenta una delle sfide più intriganti
della fisica teorica moderna.
In questo ambito si inquadra il dibattito legato alla natura “frattale”
della distribuzione delle galassie a grande scala, di cui gli scriventi ed i
loro collaboratori, inclusi Baryshev e Teerikorpi,
rappresentano una controparte riconosciuta a livello mondiale.
La geometria frattale rappresenta lo strumento quantitativo e matematico per
la caratterizzazione di strutture intrinsecamente complesse, come gli alberi,
i fulmini, i fiocchi di neve, le nuvole, e gran parte delle forme naturali che
siamo abituati a vedere guardando fuori dalla finestra.
Ma anche nel nostro corpo per esempio, la natura ha adottato una distribuzione
irregolare per risolvere vari “problemi”, come la struttura dei vasi sanguigni
o dei polmoni.
Nel primo caso la ragione è semplice: il sangue rappresenta solo il 5% del volume
del corpo umano ma può essere distribuito su tutto il restante volume grazie
all’adozione di una fitta rete di vene e capillari, che con la loro differente
dimensione e con la continua biforcazione, riesce così ad ottimizzare lo scambio.
In breve, e rimandiamo il lettore al libro per una discussione più approfondita,
la geometria frattale ci ha permesso di comprendere matematicamente la gran
parte delle strutture irregolari presenti in natura. La sua applicazione alla
distribuzione delle galassie, in altre parole alle mappe tridimensionali
cui si faceva cenno prima, è stato il nostro contributo a questo campo.
Prima dell’avvento della geometria frattale i dati delle galassie sono stati
studiati attraverso un metodo statistico che assumeva che la distribuzione
fosse uniforme, e dunque ne caratterizzava la disomogeneità.
Il problema di questo metodo è semplicemente che la sua applicazione
ad una distribuzione che uniforme non è, un frattale per esempio, porta
ad una serie di risultati matematicamente inconsistenti, in altre parole
che non sono legati alla caratteristiche proprie della distribuzione in
questione, quanto invece a degli effetti spuri che dipendono per esempio
dalla grandezza dei campioni studiati.
Insomma i vecchi metodi statistici cercano di rispondere a delle differenti
domande rispetto ai metodi della geometria frattale. Quest’ultimi tuttavia
sono più generali, poiché contengono i metodi tradizionali per lo studio di
sistemi uniformi come caso limite.
La comprensione della natura frattale della distribuzione a larga scala
della materia luminosa porta con sé in maniera naturale delle differenti
questioni teoriche rispetto a quelle comunemente stabilite attraverso i metodi usuali.
Dunque se da una parte il dibattito sulla natura frattale della distribuzione delle
galassie riguarda una questione di grandezze scala, cioè fino a che distanza
le galassie abbiano proprietà frattali, dall’altra apre la via per lo studio di
queste strutture, a prescindere dalle scale, con una prospettiva diversa rispetto
all’approccio tradizionale.
Per quanto riguarda l’estensione di queste strutture i nuovi dati che si stanno raccogliendo
proprio in questi anni, chiariranno la natura delle distribuzione a grande scala in maniera
definitiva.
Come sottolineato più volte in questo libro l’esistenza di strutture sempre più
grandi sembra essere confermata via che i nuovi dati vengono raccolti.
Tuttavia, dopo la scoperta, la comprensione della dinamica che ha dato origine ai
“frattali cosmici” rappresenta dunque la grande sfida della cosmologia contemporanea.
Siamo sicuri che il lettore troverà in questo libro una descrizione appassionante
di questa problematica, inserita in un contesto storico di grande visone culturale che
riesca a trasmettere il caldo fascino di una ricerca di frontiera che, come sempre,
caratterizza lo sviluppo di nuove idee e la comprensione di problemi che sono da una
parte puramente teorici, ma che d’altro canto si intrecciano inestricabilmente con le
più antiche domande che l’uomo si è posto.
* Francesco Sylos Labini
Centro Studi e Ricerche
Enrico Fermi
Home Page: http://pil.phys.uniroma1.it/~sylos/
** Luciano Pietronero
Dipartimento di Fisica
Università La Sapienza Roma
Home Page: http://pil.phys.uniroma1.it/~luciano/
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