La vera scienza e il collezionismo di francobolli

img
Ernest Rutherford, premio Nobel per la chimica nel 1908 e generalmente considerato uno dei fondatori della moderna fisica nucleare, è ampiamente citato per aver affermato una volta che «nella scienza esiste solo la fisica; tutto il resto è collezione di francobolli». Questa visione, magari in qualche forma meno estrema, non è poi così rara (per lo meno tra i fisici) ed è una guasconata per affermare un’idea radicalmente riduzionista della scienza: un concetto estremamente importante, complesso e controverso, che cominceremo ad affrontare facendo delle semplificazioni ancora più radicali del solito. Innanzitutto con riduzionismo si intende, per esempio secondo il Dizionario Treccani di Filosofia, «ogni concezione epistemologica che tenda a formulare concetti e linguaggio di una teoria scientifica nei termini di un’altra teoria considerata più fondamentale». Un approccio radicalmente riduzionista assume che debba essere possibile, per esempio, descrivere i processi mentali studiati dalla psicologia attraverso i meccanismi biologici delle cellule cerebrali; che questi meccanismi biologici possano essere spiegati dalle leggi che governano le reazioni chimiche alla base della vita, e che a loro volta le leggi della chimica derivino e possano essere descritte in termini delle leggi fisiche che governano gli atomi e le particelle subatomiche che li compongono. Si capisce immediatamente che, in questa forma un po’ caricaturale, piaccia molto ai fisici: la chimica è fisica applicata, la biologia è chimica applicata, eccetera. Gli unici veri scienziati “fondamentali” sono i fisici, gli altri collezionano francobolli. Questa idea di una gerarchia delle scienze, dal più fondamentale al più complesso, è in effetti intuitivamente attraente. Tuttavia, andando a scavare un po’ si trova che le cose sono più complicate, come al solito. Intanto, ammesso che esista come descritta ora, a che livello si trova la gerarchia? Può essere, per esempio, che la natura sia realmente fatta così: esiste solo un numero piccolo di entità fondamentali componendo le quali si ottiene qualunque cosa, passando attraverso livelli di complessità crescente; quest’idea si chiama “riduzionismo ontologico”. In questa rubrica non ci occupiamo di filosofia della scienza (per quello c’è la rubrica L’arrotino di Occam) ma di raccontare il lavoro e il modo di ragionare degli scienziati, quindi voleremo basso e sospenderemo il giudizio sul riduzionismo ontologico. Esiste una forma più debole di riduzionismo, il riduzionismo metodologico, che non è necessariamente un principio universale ma possiamo vedere semplicemente come uno strumento di lavoro: consiste nel cercare di spiegare un fenomeno riducendolo in termini di entità più piccole (e spesso più semplici): a volte funziona, a volte, come vedremo, no. L’idea di provare a descrivere un fenomeno complicato immaginando in termini di entità più fondamentali ha spesso funzionato molto bene, per esempio in chimica e fisica. La gigantesca varietà delle sostanze chimiche può essere descritta attraverso un numero relativamente piccolo di elementi chimici; ordinando nella tavola periodica gli elementi in base alle loro proprietà chimiche, come fece Dmitrij Mendeleev nel XIX secolo, si ha un primo indizio che gli atomi sono in realtà composti da particelle più elementari (protoni e neutroni nel nucleo, più gli elettroni) in diverse combinazioni tra loro. Poi i fisici cominciarono un po’ alla volta a scoprire molte altre particelle simili a protoni e neutroni, che chiamarono π, K, lambda, xi e poi ancora altre. All’inizio degli anni ’60 del Novecento Murray Gell-Mann si accorse che possono essere anche queste ordinate, anche se non in una semplice tabella con righe e colonne come gli atomi. Provò quindi a spiegarne le proprietà in termini di particelle più piccole, che chiamò quark. L’effettiva esistenza dei quark venne poi confermata dagli esperimenti a partire dal 1968, e il sesto e ultimo quark previsto dalla teoria è stato osservato al Fermilab di Chicago nel 1995. Appena si sale un po’ nella ipotetica gerarchia delle scienze è sempre più difficile usare questo tipo di ragionamenti, ma occasionalmente possono essere utili. Per esempio i biologi possono usare un approccio riduzionista per cercare di spiegare variazioni specifiche del fenotipo (l’anemia falciforme, per esempio) attraverso una corrispondenza diretta con un numero limitato di mutazioni nei geni (una sola base, nel caso dell’anemia). Tuttavia, anche senza spostarsi dalla fisica, il riduzionismo comincia a mostrare dei limiti quando, a metà del Novecento, fanno la loro comparsa i primi studi sistematici sulla teoria dei sistemi complessi e non-lineari. Un sistema complesso è un sistema composto da moltissimi elementi che interagiscono tra loro, e può avere caratteristiche che mettono in crisi i ragionamenti riduzionisti; per esempio, possono presentare dei comportamenti emergenti, che non possono essere previsti semplicemente usando le regole che governano i componenti: esattamente l’opposto del riduzionismo. L’atmosfera e il clima, gli esseri viventi o gli ecosistemi sono sistemi complessi; ma si possono fare esempi in apparenza molto più semplici. Uno molto famoso è Life, un “automa cellulare” ideato dal matematico inglese John Conway nel 1970. Un automa cellulare è una griglia di celle che possono esistere in diversi stati (due nel caso più semplice, che possiamo chiamare “vivo” o “morto”); una cella può transire da uno stato a un altro in base a regole predeterminate. Nel caso di Life:

  • una cella viva muore se ha più di tre celle vive adiacenti
  • una cella viva con meno di due celle vive adiacenti muore
  • una cella viva continua a vivere se ha due o tre celle vive adiacenti
  • una cella morta diventa viva se ha esattamente tre celle vive adiacenti.

image
Ernest Rutherford
L’idea è simulare, in modo estremamente semplificato, un sistema vivente: per esempio, la prima regola corrisponde alla sovrappopolazione, mentre la quarta alla riproduzione.

La cosa interessante è che, studiando al computer il comportamento dell’automa cellulare lungo lo scorrere delle generazioni, già con queste semplicissime regole si manifestano comportamenti emergenti che non è possibile prevedere a partire dalle regole che governano il comportamento delle singole celle. Per esempio, esiste una configurazione formata da cinque celle che “cammina” in diagonale attraversando la griglia (in gergo si chiama “glider”); ne esistono altre che “esplodono” fino a formare una nuova configurazione stabile molto più grande, altre che oscillano tra un numero finito di forme e altre ancora. Più semplice di tante spiegazioni è provare: esistono numerose versioni online di Life con cui sperimentare[1]. Il punto qui, però, è mostrare i limiti del ragionamento riduzionista. È chiaro che, conoscendo lo stato della griglia all’inizio e le regole, possiamo produrre o simulare tutti questi fenomeni, ma non c’è modo di derivare le leggi che regolano il comportamento per esempio del glider da quelle che regolano il comportamento delle celle. In alcuni casi, quindi, il ragionamento riduzionista non basta e bisogna affrontare lo studio della natura in un altro modo. L’argomento è molto intricato e dovremo riparlarne; l’errore in cui non cadere, però, è quello fatto in molte discipline pseudoscientifiche: dire semplicemente che “tutto è collegato a tutto”, e non si può quindi ridurre in alcun modo, non porta da nessuna parte.

Note