SIAMO FORSE ALLA VIGILIA DI UNA GRANDE SVOLTA NELLA SCIENZA ?

 

Carlo Bauer

 

Considerazioni tratte dalla lettura di Il cosmo intelligente. Le nuove scoperte sulla natura e l’ordine dell.universo di P. Davies. Mondadori, Milano, 1989.

 

Le vere rivoluzioni scientifiche non sono costituite semplicemente da rapidi progressi tecnici e sono qualcosa di più di nuove scoperte: esse sono dovute a profonde trasformazioni dei concetti sui quali la scienza si fonda.  È compito degli storici della scienza distinguere e caratterizzare i vari livelli di indagine nella scienza e mettere in rilievo le grandi svolte, veri e propri giri di boa, che ci sono state.  In fisica si sono verificate tre rivoluzioni di questa portata prima d’ora.  La prima fu lo sviluppo sistematico della meccanica da parte di Galileo e di Newton: è l’era che possiamo chiamare del trionfo della necessità, con le sue leggi esatte, ferree e reversibili nel tempo.  La seconda è costituita dallo sviluppo della termodinamica, che ha introdotto una freccia nel tempo basata sulla probabilità.  La terza è avvenuta con la teoria della relatività e la teoria quantistica all.inizio di questo secolo.

 

Parallelamente si è andata sviluppando un.altra rivoluzione scientifica: la definizione e lo studio dei sistemi complessi, muniti di proprietà di retroazione e auto adattanti, di cui i sistemi viventi costituiscono un sotto insieme di enorme importanza.  L’impulso per questa svolta è venuto dal campo dell.elettronica, delle telecomunicazioni, dei calcolatori e dei robot; ha portato alla definizione del concetto di informazione, collegato poi anche con la termodinamica, che si è saldato quindi con la biologia; i progressi della biologia molecolare hanno infatti rivelato che, su scala enormemente più complessa e sofisticata, i sistemi biologici sono retti da leggi analoghe a quelle dei sistemi elettronici complessi.  Queste svolte di portata storica, se da una parte hanno procurato una giustificata euforia ed esaltazione, dall’altra hanno portato a rilevare profondi aspetti di crisi su entrambi i versanti fisico e biologico della scienza.  I paradossi della teoria quantistica e i tentativi di armonizzarla con la relatività hanno portato all’idea della non-località, in base alla quale non si possono considerare separatamente particelle anche lontanissime: in pratica il destino di una data particella è inscindibilmente legato al destino del cosmo intero, perché la sua stessa realtà si intreccia con quella del resto dell’universo.

 

Questa affermazione appare un po’ meno drammatica se si considera che le particelle non sono più considerate le entità primarie di ciò che esiste: le unità primarie sono oggi considerati i campi dei vari tipi di forze conosciute.  In ogni caso, questi sviluppi sono di portata veramente eccezionale.  Questo punto infatti costituisce in effetti una rivoluzione nella rivoluzione, perché si è andata rafforzando una visione sempre più olistica proprio nel campo della fisica, che era stata la culla del determinismo e del riduzionismo.  Quest’ultimo modo di inquadrare le cose, partendo dall’idea atomistica degli antichi filosofi greci, attraverso la meccanica classica, aveva impregnato di sé tutta la scienza, persino quelle branche come la biologia e, ancora di più, la scienza dell’uomo, che più sembrano recalcitrare ad un inquadramento meccanicistico, riduzionistico, deterministico.

 

Ma la visione opposta (e complementare) olistica e teleologica era essa stessa già presente nel pensiero greco, principalmente in quello di Aristotele, secondo cui tutto è governato nel suo complesso da una causalità finale.  Aristotele era convinto che gli organismi viventi si comportassero come un complesso coerente perché esiste un.idea completa e perfetta dell.intero organismo, anche prima che esso si sviluppi: lo sviluppo e il comportamento di un organismo vivente sono guidati e controllati da un piano globale che permette di dirigersi con successo verso il fine designato.  Anche l’intero universo viene considerato come un organismo gigantesco, scivolante in maniera sistematica e sorvegliata verso un destino predeterminato.  Il finalismo aristotelico e la teleologia si ritrovarono in seguito nella teologia cristiana e anche oggi costituiscono la base del pensiero religioso occidentale.

 

Con Galileo e Newton ebbe grande impulso quella parte della scienza (la fisica dei sistemi semplici macroscopici) che meglio si inquadra in una visione riduzionistica e deterministica.  I successi furono tali e tanti fra il seicento e l’ottocento, principalmente con lo sviluppo moderno della teoria atomica e molecolare, che il determinismo divenne la filosofia dominante nel mondo scientifico.  A tutt’oggi, la grande maggioranza (in pratica la quasi totalità) di chi opera nella scienza dà per scontata una visione materialista, riduzionista, determinista della realtà e giustifica i mancati successi di questa visione (soprattutto nel campo della biologia, fino allo studio della mente umana) come una arretratezza momentanea che, a fronte dei sempre più rapidi ed esponenziali sviluppi della scienza e della tecnologia, cederà il campo nel prossimo futuro a un chiarimento totale e ad una vittoria definitiva di quella visione filosofica.  Leon Lederman, direttore del Fermi National Accelerator Laboratory di Chicago, ha affermato, rivolgendosi agli studenti:

 

"Speriamo di spiegare l’intero universo con una singola, semplice formula (una lagrangiana) che potrà essere scritta sulla maglietta che indossate."  

 

Il teorico di Cambridge Stephen Hawking durante la sua lezione inaugurale come Nucasian Professor, congetturò liberamente sul trionfo finale del paradigma di Newton, suo predecessore su quella cattedra.  Entusiasmato dal rapido progresso verso la scoperta della lagrangiana fondamentale di tutti i campi conosciuti, per mezzo della sua teoria della super gravità, Hawking intitolò la sua conferenza:

 

"È in vista la fine per la fisica teorica?"

 

Eppure, i sistemi a cui si applica trionfalmente la visione riduzionistico - deterministica sono in realtà sistemi estremamente semplificati che praticamente nella realtà non esistono.  La realtà è estremamente complessa e interconnessa e solo suoi casi particolari semplicissimi si prestano all’analisi resa vincente dalla scienza moderna.  Più complesso è il sistema, più falliscono i metodi di indagine abituali scaturiti dall.analisi scientifica riduzionistica.  Può venire allora il legittimo dubbio che non basti affidarsi ad una dissezione sempre più fine e minuziosa dei sistemi stessi per avere una spiegazione completa, ma che occorra andare a ricercare dei principi organizzatori "superiori".  Tale ricerca è stata sinora esclusa dall.indagine per via del sapore vagamente aristotelico, teleologico e forse animistico che nel corso degli ultimi tre secoli è diventato tabù, proprio come per tutto il periodo del predominio cristiano era tabù invece la visione materialistico - atomista.

 

Questo sostanziale insuccesso della scienza riduzionistica nella spiegazione della vita e delle attività cerebrali umane superiori spiega come mai l’animismo e il vitalismo non si siano in realtà mai ritirati completamente da questi settori.  Mentre l’animismo in fisica e chimica è stato completamente e radicalmente spazzato via dai lampanti successi riduzionisti (essendo stato rimpiazzato dal concetto di campo), in biologia, sotto forma di vitalismo esso è rimasto a lungo in maniera più palese o più latente, riemergendo via via e non potendo mai essere definitivamente eliminato.  La sua formulazione più recente in veste scientifica è quella dell’embriologo Hans Driesch, che nei primi anni di questo secolo riprese le idee aristoteliche postulando l’esistenza di un fattore causale che opera nella materia vivente, chiamato entelechia, che implica l’esistenza anticipata dell’idea perfetta e completa dell’organismo.  Si spiega bene che a riportare fuori questa idea sia stato un embriologo, perché la morfogenesi, che deve essere spiegata dall’embriologia, è uno di quei campi in cui il riduzionismo si manifesta più impotente ed emerge prepotente il richiamo alla ricerca di principi organizzatori olistici che guidino coordinatamente le parti ad un fine ben determinato.

 

Tuttavia, dopo l’inizio di questo secolo, il vitalismo si eclissò nuovamente anche per i crescenti successi del riduzionismo nel campo biologico: prima in sordina, ma efficacemente, negli anni 20 – 40, e poi con l’esplosione della Biologia Molecolare negli ultimi decenni, furono ottenuti successi strepitosi nella elucidazione molecolare riduzionistica dei meccanismi biologici fondamentali.  Nello stesso tempo però, questi successi hanno rivelato una estrema complessità e una regolazione fittamente interconnessa dei meccanismi biologici cellulari di base, al di là di ogni possibile aspettativa precedente.  L’hardware e il software di questi meccanismi cominciano ormai a disegnarsi chiaramente su mappe di "ingegnosità" e complessità ben al di là di quelle dei più sofisticati prodotti dell’ingegneria umana.  Non solo, ma certi aspetti della codificazione biologica sono su base completamente astratta e simbolica.  Tutto ciò porta inevitabilmente ancora una volta a ricercare dei principi organizzatori "superiori" che aiutino a capire il coordinamento olistico delle parti che ha portato alla formazione, all’evoluzione e al funzionamento delle strutture biologiche.  Abbiamo visto così che l.antica contrapposizione (e anche complementarità) tra olismo e riduzionismo, già presente nella cultura greca classica, persiste ed è ricomparsa prepotentemente, sia pure in forme diverse, nella scienza moderna sia fisica che biologica: essa però in pratica é stata sempre presente, con le ampie oscillazioni e alternanze viste sopra, negli sviluppi successivi della cultura fino al giorno d’oggi.

 

Ciò premesso, il panorama attuale della scienza, che ha interiorizzato gli elementi di crisi sopra delineati, è caratterizzato, da una parte da sforzi grandiosi e ambiziosi sia dal punto di vista riduzionistico che olistico, dall’altra da una tendenza inevitabile a una superiore integrazione.  Su di un fronte, grande eccitazione viene dagli ambizione si tentativi teorici di unificare le forze della natura e fornire una descrizione completa di tutte le particelle subatomiche.  Un tale schema è stato chiamato "teoria del tutto", o semplicemente TOE (dall’espressione inglese "Theory Of Everything").  Tale programma si svolge nell’ambito della fisica delle alte energie e della cosmologia moderna e mira a svelare le entità fondamentali che costituiscono le basi dell’intero mondo.  Anche sull’altro versante, all’interfaccia tra fisica e biologia si fanno sforzi aggiornati per comprendere in che modo i vari pezzi vengono uniti e funzionano come un complesso integrato.  Qui i concetti fondamentali sono rappresentati dalla complessità piuttosto che dalla semplicità, e dall’organizzazione piuttosto che dalla struttura.  Si sta cercando una "teoria dell’organizzazione" generale, o TOO (dall’inglese "Theory Of Organization").

 

Sia la TOE che la TOO condurranno certamente a importanti revisioni delle scienze conosciute.  La TOE ha prodotto idee nuove come l’esistenza di dimensioni extra - spaziali e la possibilità che il mondo possa essere edificato a partire da "corde" per cui occorrono nuovi strumenti matematici.  La TOO cerca principi nuovi che conducono la materia e l.energia a complessificarsi, autoadattarsi, organizzarsi.  L’origine della vita, l’evoluzione della crescente complessità biologica, lo sviluppo dell’embrione da una singola cellula uovo, tutto sembra miracoloso a prima vista, e tutto rimane in gran parte inspiegato.  È imprescindibile scoprire i principi organizzatori sconosciuti, perché tutti i tentativi di spiegare la complessità e l.auto adattamento utilizzando le leggi fisiche di base hanno avuto ben poco successo e non potranno per l’avvenire spiegare più di quanto hanno fatto sinora.

 

Tenendo conto di tutto questo, non è azzardato pensare che non saranno i principi scoperti sinora in fisica a spiegare la biologia, ma i principi, ancora in gran parte da scoprire, della biologia a spiegare la fisica.  Sia tra i fisici che tra i biologi che si pongono questi problemi vi è la diffusa sensazione che sulla loro materia aleggi l’ombra di una importante rivoluzione.  Davies nel suo libro ci porta magistralmente alla frontiera di questi problemi della scienza nel suo insieme e passa in rassegna i diversi tentativi, che cominciano ad essere fatti, per aprire dei varchi nel mistero dei principi organizzatori "superiori".  In effetti, alcuni principi organizzatori dell’ordine e della complessità, che potremmo chiamare "inferiori" sono già noti: essi sono i potenziali dei diversi tipi di forza che agiscono nell.universo, che contengono l’informazione necessaria per produrre nuclei, atomi, molecole, cristalli, corpi celesti, macromolecole e pre biomacromolecole.  Tali potenziali, sfogandosi dopo essere stati creati nella singolarità iniziale, producono calore che si disperde e le strutture ordinate di cui sopra: la dispersione del calore prodotto su stati enormemente più probabili (secondo principio) genera una freccia del tempo che rende possibili quelle strutture ordinate senza che il fenomeno "rimbalzi" indietro verso la disgregazione.

 

Si tratta dunque di andare oltre, spiegare le forme superiori di organizzazione: biomolecole, vita, cellule, evoluzione, sviluppo embrionale, psiche, scoprendo i relativi principi organizzatori superiori.  Come si è osservato in precedenza, i fisici in ogni caso non considerano più le particelle come entità fondamentali.  Questo ruolo è riservato ai campi.  Fino ad ora il concetto di campo ha avuto un impatto modesto in biologia.  Tuttavia, viene seriamente considerata l’idea che campi di un qualche tipo possano essere presenti, ad esempio, nel meccanismo della morfogenesi.  Questi "campi morfogenetici" sono stati variamente identificati come campi di concentrazione chimica, campi elettrici, o perfino campi sconosciuti alla fisica attuale.  L’attività dei campi potrebbe aiutare a spiegare le forme biologiche perché i campi, diversamente dalle particelle, sono entità estese.  Essi sono quindi più adatti a spiegare caratteristiche globali o a vasto raggio.  In fisica la struttura di un campo è imposta dalle condizioni al contorno, e cioè da un controllo globale, olistico.

 

Una linea di ricerca, sviluppata dalla scuola di Bruxelles, è quella sull’auto adattamento spontaneo che tende a manifestarsi nei sistemi aperti non lineari e lontani dallo stato di equilibrio, con un elevato grado di retroazione.  Tali sistemi, lungi dall’essere fuori del comune, rappresentano in realtà la norma in natura.  È in corso un dibattito se il principio organizzatore che sta alla base di tali strutture dissipative possa avere avuto un ruolo nell’origine della vita o anche nella morfogenesi.  I principi organizzatori superiori trascendono ma noncontraddicono le leggi fondamentali della fisica.  Tutti gli utilizzatori di calcolatori sanno che vi possono essere "leggi software" che coesistono perfettamentecon le "leggi hardware" che controllano i circuiti del computer.  Nessuno si sognerebbe di sostenere che le leggi dell’elettromagnetismo possano essere usate per derivare le leggi fiscali solo perché queste ultime sono immagazzinate nel computer del fisco !

 

Né d’altra parte che le leggi fiscali possano essere in contrasto con le leggi dell’elettromagnetismo.  Siamo perciò condotti a considerare la possibilità che in natura esistano "leggi software", leggi che governano il comportamento dell’organizzazione, dell’informazione e della complessità.  L’azione dei livelli più alti su quelli inferiori è stata chiamata causalità verso il basso e tutti i processi che avvengono ai livelli inferiori di una gerarchia sono regolati dalle leggi dei livelli superiori e agiscono in conformità con le stesse.  Vi sono moltissimi esempi dicausalità verso il basso in dispositivi fisici o ingegneristici, come laser, ologrammi, oscillatori accoppiati, incui strutture complesse su grande scala fanno sì che il moto dei singoli elementi si conformi a uno schema coerente di attività.  In questi apparati vi è però un oroeramma di azione inserito dalla mente umana.  Che cosa avviene nei sistemi biologici, enormemente più complessi?

 

A parte il problema dell’origine (e non è poco) il programma deve risiedere in gran parte nella sequenza del DNA: il difficile è tradurre questo passaggio mono dimensionale nello spazio e nel tempo.  Anzitutto, i campi elementari noti possono combinarsi per dare campi più complessi: ad es. la disposizione dei gruppi della base guanina rappresenta una condizione al contorno che modella il campo risultante circostante in modo da renderlo specifico per la citosina: possiamo chiamarlo "campo nucleotidico".  Ma poi?  Davies discute a fondo i principi organizzatori, classificandoli e non tralasciando di citare anche le idee più strane e bizzarre emerse sinora e che potrebbero contenere qualche germe di verità.

 

Sono trattati in maniera comprensibile anche tanti argomenti affascinanti considerati difficili, come la teoria dei frattali, quella del caos, delle catastrofi, sottili questioni di cosmologia e meccanica quantistica.  Tutto ciò rende questo libro una lettura quanto mai stimolante e istruttiva, così appetibile da leggersi tutto d’un fiato, come un romanzo avvincente.  La chiarezza di esposizione è tale che anche uno studente liceale ben dotato e motivato potrebbe accostarvisi con la speranza di afferrarne parti sostanziali.  Dunque è una lettura estremamente stimolante e proficua per gli insegnanti, ma anche per gli studenti di un liceo.

 

 

Pubblicato originariamente su Naturalmente, 1990, 3 (1), 13-15.