Il Nulla

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Oggi si parla del nulla, il vuoto: la calma, tranquilla, noiosa e eternamente uguale a sé stessa regione di spazio che non contiene niente… in questa frase c’è una carica soporifera non indifferente, invece il vuoto è esattamente l’opposto di come l’ho descritto e anzi quello che noi chiamiamo vuoto è in realtà in continuo mutamento.

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No, non puoi vantarti di essere nel nulla.

Ma andiamo per gradi: intanto creare il vuoto perfetto è impossibile, sia tecnicamente (sulla terra) che, come vedremo poi, teoricamente. Se pensiamo al vuoto ci viene subito in mente lo spazio siderale, vuoto, freddo e buio. Un posto ideale per andare in villeggiatura. Anche quello, per quanto sia un vuoto di grado molto alto, non è un vuoto assoluto: ci sono circa 10-30 g/cm3 (ordine di grandezza in più, ordine di grandezza in meno); ciò significa circa 600 protoni per metro cubo di spazio.

 

Ma è lecito pensare:”se ci sono soltanto 600 protoni in un metro cubo – se io racchiudo 1cm3 di spazio avrò ottime probabilità di non acchiappare neanche un protone ed ecco fatto il vuoto perfetto.” Ok, si può fare ma ci sono continuamente particelle che viaggiano nello spazio e che non possono essere bloccate. Per esempio se consideriamo quel cm3, esso sarà sempre e comunque attraversato da un’infinità di neutrini: piccole, noiose ed inutili particelle che se ne vanno in giro senza fare nulla. E quando dico non fare nulla intendo proprio nulla: possono attraversare la Terra per intero senza interagire mai con niente. Allora queste sono le difficoltà tecniche, ma facciamo finta che non ci interessi una grande regione di spazio vuoto, ipotizziamo di racchiudere tra minuscole pareti un volume di spazio più piccolo di un atomo. La probabilità che nel nostro volumetto ci sia finito qualcosa è praticamente nulla e anche quella di essere attraversato da un neutrino è molto molto bassa. Quella di ridurre il volume considerato non è poi tanto male come idea, ma i campi? No, non sono strafatto di acidi, semplicemente non possiamo escludere da una regione di spazio i campi come quello elettrico o quello gravitazionale che sono impossibili da bloccare e ridurre a zero.  Quindi possiamo affermare che è del tutto impossibile isolare una regione di spazio priva di tutto, possiamo togliere la materia ma non l’energia. “Va bene, sono solo inutili sottigliezze, che mi frega se li c’è o non c’è energia, per vuoto intendo l’assenza di materia”. Ah sì? Ok, adesso vediamo il passaggio che ci frega: l’azione congiunta della relatività speciale e della meccanica quantistica ci rende ogni tentativo vano. Allora teniamo a mente due formulette facili facili ma che per qualche strano motivo si studiano al 3° anno della facoltà di fisica:  che ci dice che energia e materia sono legate e che soprattutto ci vuole un sacco di energia per fare pochissima materia e la meno conosciuta  . Calmi… tranquilli, non c’è nulla da temere è solo una disequazione che ci dice una cosa semplicissima (quanto assurda): più piccolo è l’intervallo di tempo entro cui compio una misura più grande è l’incertezza con cui conosco l’energia che sto misurando. Adesso mettiamo tutto insieme e vediamo che conseguenze ha tutto questo sul vuoto. Vi ricordate i campi di cui parlavo prima? Questi hanno un valore che possiamo considerare energia, potenziale ma sempre energia. Se io misuro questo intervallo in un tempo lungo tutto ok, ma se io misuro quanto vale questo valore in un determinato istante di tempo viene fuori che vale infinito. In altre parole quando la durata dell’intervallo di tempo si avvicina a zero il valore dell’energia oscilla tra valori altissimi. Valori di energia così alti da far entrare in gioco la nostra prima e famosissima equazione.

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“Stammi lontano.” “Non toccarmi, materia che non sei altro!”

Quell’energia immensa si trasforma in materia per la precisione in coppie di particelle e antiparticelle che subito dopo essersi formate si distruggono a vicenda. Per brevissimi istanti di tempo il principio di conservazione dell’energia può essere violato; il famoso “nulla si crea e nulla si distrugge” di Lavoisier non vale più. E quindi? Viene fuori così da due semplicissime equazioni, pardon, un’equazione e una disequazione, che il vuoto non esiste. Quello che a noi sembra vuoto è un continuo e caotico ribollio di particelle che si creano e si distruggono in un tempo troppo breve affinché noi possiamo accorgercene. Queste fluttuazioni nei valori di energia del vuoto sono dette fluttuazioni quantistiche e questa energia è chiamata energia del vuoto o anche, meno precisamente, energia di punto zero. Ecco quindi come la fisica moderna non ammette l’esistenza del vuoto assoluto (nonostante si stiano facendo studi sul cervello di Andrea Dipre perché sembra approssimare in maniera praticamente perfetta il vuoto assoluto, vi terremo informati!). Ok ma di tutta questa massa di astrazioni, supposizioni e teorie c’è mica qualche prova concreta e tangibile?

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Come sei attraente…

Insomma a fare ipotesi son tutti capaci ma poi bisogna dimostrarle! D’accordo scettico che altro non sei, la prova di tutto questo sta nell’effetto Casimir. Per capire come funziona bisogna masticare un po’ di meccanica quantistica per cui ci limiteremo a dire in che consiste lasciando i link degli approfondimenti ai più coraggiosi. L’effetto Casimir fu teorizzato negli anni ’40 da un fisico olandese di nome, indovinate un po’, Hendrik Casimir. Se prendo due piastre piane, conduttrici, perfettamente parallele e le avvicino a distanza di pochi micron (ovviamente tutto questo nel vuoto) si verifica un fenomeno strano, le due piastre si attraggono. Spiegazione: a causa della natura duplice delle particelle dentro le due piastre possono formarsi solo particelle con determinate energie, mentre fuori dalle piastre non c’è questa orribile discriminazione razziale per i positroni troppo energetici. Ciò porta alla formazione di un vuoto “più vuoto” tra le piastre e per questo si verifica l’analogo quantistico di uno sturalavandino o per metterla in termini scientifici la differenza di pressione causa una forza che agisce sulle piastre.

Questa forza è incredibilmente piccola: circa 0,001 N/m² negli esperimenti, ma c’è ed è stata misurata. Pensate che l’allineamento delle piastre deve essere così preciso che abbiamo dovuto aspettare il 2002 per avere la prima misura sperimentale fatta a piastre parallele (per giunta misurazione compiuta da un team italiano, tanto perché noi siamo pizza, mafia e mandolino)! Questa energia intrinseca del vuoto è uno dei candidati per il titolo di energia oscura, ma ancora i cosmologi non sono riusciti a far quadrare bene i conti. In ogni caso sapere che il vuoto non è il livello energetico più basso, ci avvicina un pochino alla soluzione. È incredibile come la meccanica quantistica abbia cambiato in modo tanto radicale anche concetti intuitivamente molto semplici come quello di “vuoto “ed è stupendo anche scoprire la trama nascosta dell’universo dato che ogni volta che viene portata un po’ in superficie rivela una struttura meravigliosa che si nasconde anche nelle cose più semplici e banali. Ci si potrebbero scrivere centinaia di pagine su quest’argomento, ma sarebbe necessario cominciare ad usare matematica di livello veramente molto alto, quindi se siete curiosi e volete sapere altre cose sorprendenti sul mondo che vi circonda andate subito ad iscrivervi alla facoltà di fisica della vostra università di fiducia. Spero che dopo aver letto quest’articolo pensiate, prima di insultare pesantemente una persona fastidiosamente ottusa, che la sua testa non è del tutto vuota, ma ci sono pur sempre le fluttuazioni quantistiche.

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