Michele Zarrella
Il vuoto nell’immaginario comune ha un connotato negativo e piuttosto pauroso. “Ho paura di cadere nel vuoto”, “Ho le tasche vuote”; “Ho lo stomaco vuoto”, “Ho la testa vuota”, “Ha fatto un discorso vuoto”, “Quella brocca è vuota”, ecc. Quando pensiamo al vuoto pensiamo a qualcosa di negativo o al nulla.
Il primo filosofo a distinguere l’essere dal non-essere fu Parmenide (~515-450) che categoricamente affermava: “L’essere è e non è possibile che non sia. Il non-essere non è e non è possibile che sia”. Questo modo di pensare alla materia stabile e fissa tra un “pieno” che esiste e un “vuoto” che non esiste ha avuto molto seguito, benché fosse contrastato dal pensiero di Eraclito (535-475) col suo “tutto scorre”, tutto è in divenire. Democrito (~470-~360) e gli atomisti teorizzavano che l’Universo fosse composto di piccolissime particelle indivisibili, gli atomi, che scorrazzano, si urtano, si combinano per formare la materia e per farlo hanno bisogno del vuoto: uno spazio vuoto in cui muoversi. Aristotele (384-322) affermava che la natura aborrisce il vuoto e tende a riempirlo sempre e comunque con la materia, pertanto è impossibile che si possa avere il vuoto. Per Aristotele il vuoto era qualcosa di inconcepibile e dove non vediamo nulla c’è una sostanza perfetta, incorruttibile invisibile chiamata etere che riempie tutto l’Universo. La teoria di Aristotele era più vicina al senso comune e fu accettata per millenni, comprese tante altre cose “errate” come la Terra al centro dell’Universo o che la donna avesse un cervello più piccolo dell’uomo e che fosse un essere con un minor potere deliberativo.
Per il senso comune dire che il vuoto esiste, il nulla esiste, esiste il niente è un ossimoro, perché non può esistere qualcosa che è niente, che è vuoto, che è nulla. Pertanto accettando la teoria aristotelica riemerge quella di Parmenide ciò che è è e ciò che non-è non è; dal nulla non può nascere nulla e pertanto il nulla, il niente o il vuoto non esiste. È umanamente comprensibile che la teoria di Aristotele fosse comunemente accettata. Infatti quello che si vede è che il Sole sorge ad est fa un arco nel cielo e tramonta ad ovest e fino all’avvento della teoria copernicana, quindi per duemila anni, si è pensato che sia il Sole a girare intorno alla Terra. E guai a dire il contrario! Così pure, se qualcosa non la vedo, non la tocco, non la gusto, non mi riscalda, non la odoro quella cosa non esiste. Ma non è così. I nostri sensi non sono infallibili, come nel caso della rotazione del Sole, e inoltre essi sono validi entro un certo intervallo; al di fuori di tale intervallo diventano fallaci e quindi inaffidabili. Pertanto la teoria di Democrito e degli atomisti venne dimenticata perché nessuno dei nostri sensi permetteva di “vedere”, “toccare”, “gustare”, “odorare” gli atomi e ancor meno il vuoto.
L’idea di nulla, di niente, di vuoto crea dei problemi concettuali che hanno attraversato la storia del pensiero umano: filosofico, matematico e fisico. Come pure l’altra grande domanda lanciata da Gottfried Leibniz: “Come è possibile che ci sia qualcosa invece del nulla?” Il nulla è una cosa più semplice e più facile rispetto a tutto quello che ci circonda e che tocchiamo, vediamo, odoriamo intorno a noi. Insomma il fatto che esista qualcosa crea in qualche modo un problema e richiede una spiegazione. Ecco questi sono alcuni dei problemi concettuali che accompagnavano l’idea di nulla, di niente e di vuoto.
Il primo scienziato che mise in dubbio che ‘il vuoto non esiste’ fu Galileo Galilei (1564-1642) il quale, per scrivere le leggi del moto di un grave, dovette eliminare ogni forma di attrito fino a teorizzare l’esistenza del vuoto. Solo ammettendo l’esistenza del vuoto Galilei poté affermare che se lascio cadere dalla stessa altezza una pietra e una piuma i due corpi arriveranno al suolo contemporaneamente. Potenza della mente umana! Galilei riuscì a immaginare il vuoto senza mai poterlo realizzare. Breve parentesi. Nell’agosto del 1971 l’astronauta David Scott tenendo in una mano un martello e nell’altra una piuma li portò alla stessa altezza e li fece cadere sulla Luna. Poiché sulla Luna non c’è l’atmosfera potemmo vedere che Galilei aveva ragione. Il video è rintracciabile su YouTube. Chiusa parentesi.
Chi fisicamente realizzò il vuoto fu il suo allievo Evangelista Torricelli (1608-1647), col famoso esperimento del tubo di vetro riempito di mercurio e poi immerso dal lato aperto in una bacinella piena anch’essa di mercurio. La colonnina di mercurio nel tubo si abbassa fino a quando il suo peso è bilanciato dalla pressione dell’aria sulla superficie della bacinella, pertanto si forma nella parte alta del tubo una zona “vuota”. Quindi Torricelli aveva creato il vuoto e la natura non si affrettava ad andare a riempirlo. Pertanto Aristotele non era nel giusto e si poté vedere che la natura non aveva tanto terrore del vuoto. Naturalmente il vuoto creato da Torricelli è parziale perché in esso ci sono ancora tante cose, come i vapori di mercurio, il calore, ecc., però era un grosso passo avanti nella comprensione del mondo. Con l’esperimento di Torricelli fu dimostrato fisicamente che la natura non aborrisce il vuoto, che esso esiste e non è un’idea assurda.
Le proprietà di questo vuoto furono subito studiate e poi, naturalmente, sfruttate tecnologicamente e anche spettacolarmente. Famoso è l’esperimento di Otto von Guericke. Nella piazza di Magdeburgo, fece tirare da due coppie di otto cavalli ciascuna due grosse semisfere di ottone accoppiate perfettamente e alle quali aveva estratto con una pompa l’aria, creando quindi nella sfera intera il vuoto. Come analogia immaginate di accoppiare due ventose enormi e dopo aver creato il vuoto tentate di staccarle. Nonostante le frustate date ai cavalli questi non riuscivano a separare le due semisfere. Torricelli aveva dimostrato che l’aria ha un peso e disse che noi viviamo sul fondo di in un oceano d’aria. Questo oceano d’aria spinge contro tutti i corpi con una pressione di oltre un chilogrammo a centimetro quadrato. Pertanto, essendo il diametro della sfera di Guericke di oltre sessanta centimetri, i cavalli dovevano superare una forza peso di oltre undici tonnellate e per questo non riuscivano a separare le sue semisfere.
Dopo l’esperimento di Torricelli, l’idea del vuoto viene accettata da molti scienziati e perfino Newton (1642-1727) dice che la forza di gravità universale si manifesta nello spazio vuoto che c’è fra due corpi. Newton è cosciente di non saper spiegare come la forza di gravità agisca a distanza nel vuoto, per esempio fra la Terra e la Luna, e dice: “ipotesi non fingo però la mia legge funziona e questo mi basta”. Per Newton lo spazio è un vuoto assoluto nel quale accadono gli avvenimenti dell’Universo. Ma non tutti accettavano l’ipotesi del vuoto. Per il filosofo francese Cartesio (1596-1650) tutto è pieno e tutto è riempito da qualcosa. Se così non fosse, se tutto lo spazio è vuoto come fa la luce a viaggiare dal Sole alla Terra? A questa domanda Newton risponde che la luce è fatta di corpuscoli e che i corpuscoli hanno bisogno del vuoto per muoversi. Ritorna in auge la teoria di Democrito e degli atomisti.
Ma, con le nuove scoperte che gli scienziati fanno, l’ipotesi della luce fatta di corpuscoli va in crisi perché il matematico e astronomo Christiaan Huygens (1629-1695) per primo dimostra la natura ondulatoria della luce. Gli scienziati studiando la luce osservano i classici fenomeni delle onde: l’interferenza, la rifrazione e la polarizzazione che non si possono spiegare con la teoria dei corpuscoli di Newton. Infine arriva James Clerk Maxwell (1831-1879) con le sue famose equazioni, che unificano l’elettricità col magnetismo, cosa che aveva dimostrato sperimentalmente Michael Faraday (1791-1867), nelle quali sono presenti le onde elettromagnetiche che confermano che la luce è un’onda. Un’onda di campi elettrici e magnetici che si propaga a velocità costante: quasi 300.000 km/s nel vuoto. Per quanto se ne sapeva allora, le onde per propagarsi hanno bisogno di un mezzo come le onde del mare che hanno bisogno dell’acqua o le onde sonore che hanno bisogno dell’aria. Cioè c’è bisogno di un movimento meccanico, una vibrazione che produce le onde e di un mezzo elastico per trasmetterle. Quindi qual è questo mezzo se lo spazio è vuoto? Inoltre c’è il problema che le equazioni di Maxwell non dicono rispetto a quale sistema di riferimento è misurata la velocità delle onde elettromagnetiche, come insegnava Galilei che bisogna specificare sempre il sistema di riferimento, cioè rispetto a chi, per dire che qualcosa viaggia a tot chilometri all’ora. Un’auto viaggia a 80 km/h rispetto alla strada. Un treno viaggia a 200 km/h rispetto al capo stazione.
Ecco che risorge il concetto di etere che riempie lo spazio vuoto dell’intero Universo. Ma è diverso dall’etere aristotelico e viene chiamato etere luminifero. Cioè una sostanza che deve avere proprietà di questo tipo: essere invisibile, trasparente e incredibilmente rigida che pervade tutto lo spazio ed è capace di trasportare le onde elettromagnetiche. Ora con questa ipotesi gli scienziati possono misurare la velocità della luce rispetto a questo mezzo. Nel XIX secolo due scienziati americani, Albert Abraham Michelson (1852-1931) e Edward Morley (1838-1923) progettano un esperimento famosissimo, costosissimo e raffinatissimo che doveva misurare la velocità della luce sfruttando il moto di rivoluzione della Terra mentre si muove all’interno di questo etere.
Per analogia, ma con tutte le riserve e approssimazioni delle analogie, quindi solo per capirci, è come se io volessi misurare la velocità dell’automobile in corsa mettendo fuori dal finestrino la mano e la orientassi una volta in un verso e un’altra volta nel verso ortogonale al primo e misurassi la differenza fra le due forze di spinta sulla mano.
La Terra orbita intorno al Sole a 30 km/s quindi misurando la velocità della luce in due direzioni ortogonali fra loro e ripetendo le misure in tempi diversi i due scienziati avrebbero dovuto trovare valori diversi nelle diverse direzioni e queste piccolissime differenze sarebbero dovute comparire con evidenza nella classica figura di interferenza. Ma, per quanto ripetessero in varie situazioni, in vari tempi e in varie angolazioni l’esperimento i due scienziati non riuscirono a misurare alcuna differenza: la velocità della luce risultava sempre la stessa. Insomma l’esperimento non diede il risultato sperato e gli scienziati conclusero, con grande dispiacere, spreco di molto denaro e di tanto tempo, di aver fallito. Erano talmente convinti che l’etere luminifero esistesse che non credettero al loro importantissimo risultato sperimentale: la luce ha sempre la stessa velocità e l’etere luminifero non esiste.
Chi credette che la velocità della luce è una costante dell’Universo e non la si deve riferire a nessun sistema di riferimento fu lo scienziato più famoso del XX secolo: Albert Einstein (1879-1955). Einstein dice che tutte le contraddizioni si risolvono ponendo la velocità della luce costante per tutti i sistemi di riferimento. Quindi vanno bene le equazioni di Maxwell perché non c’è bisogno di specificare alcun sistema di riferimento assoluto. Nel 1905, Einstein nella sua teoria della relatività ristretta pose come assioma che la velocità della luce nel vuoto è una costante dell’Universo e dimostrò che massa ed energia sono la stessa cosa. Ecco che scompare l’etere luminifero e ritorna in qualche modo il vuoto.
Questa storia del vuoto sembra un’altalena che guida la scienza. Ogni volta che si dà una nuova definizione del vuoto essa modifica l’evoluzione della scienza.
Einstein continua. Poiché la velocità è data dallo spazio percorso rispetto al tempo impiegato (v=s/t) se la velocità della luce è la stessa per tutti i sistemi di riferimento bisogna abbandonare l’idea che lo spazio e il tempo siano gli stessi per tutti, come diceva Newton e tutta la scienza fino ad allora. Questo vuol dire che lo spazio e il tempo si devono modificare. Lavorando su questa ipotesi Einstein dimostrò che lo spazio e il tempo sono indissolubilmente uniti. Non si devono più menzionare separati ma unificati in una sola parola: spaziotempo ed è lo spaziotempo che si modifica al variare della velocità dell’osservatore. Questo spaziotempo universale è una sostanza materiale che muta, nel senso che si allunga e si accorcia, si deforma e si curva a seconda della velocità con cui ci muoviamo e della forza del campo gravitazionale in cui ci troviamo. L’altalena continua: ora il vuoto è pieno dello spaziotempo deformabile. In questo modo Einstein risolve anche il problema di come si trasmette la forza di gravità universale di Newton: la gravità non è un’interazione a distanza ma è la deformazione geometrica del tessuto dell’Universo e tutti i corpi devono seguire questa deformazione. La gravità è una proprietà geometrica dello spaziotempo.
La teoria della relatività stravolge i nostri comuni concetti di spazio e di tempo: lo spazio e il tempo non sono più concetti e non sono più separati, essi costituiscono la struttura materiale dell’Universo. Gli effetti della loro deformazione sono energia potenziale che si accumula e diventano tanto più grandi quanto più ci avviciniamo alla velocità della luce o quanto più la massa è enorme. Per le nostre velocità e gravità terrestri queste deformazioni sono talmente piccole che risultano impercettibili ai nostri limitati sensi.
Avendo la relatività ristretta equiparato la massa all’energia oggi fare il vuoto non significa più togliere tutto quello che c’è dentro alla maniera classica, cioè di togliere tutte le particelle perché occorre togliere anche tutta l’energia. E questo crea di nuovo qualche problema col concetto di vuoto e con l’idea che si possa fare il vuoto completo. Perché se pure togliamo tutta la materia restano altre cose come, per esempio, l’energia del calore. Per togliere il calore dovremmo portare la temperatura allo zero assoluto. E questo secondo la termodinamica è vietato: non si può raggiungere lo zero assoluto. Pertanto già la fisica classica non consente di fare il vuoto assoluto perché posso ridurre la temperatura al minimo ma non posso raggiungere lo zero assoluto e quindi restano quelli che oggi chiamiamo quanti di campo elettromagnetico, i fotoni.
Le cose si complicano con la fisica quantistica perché il principio di indeterminazione di Heisenberg dice che di due quantità correlate non posso conoscere con precisione assoluta entrambe. Per esempio velocità e posizione di una particella: quanto più informazione precisa ho su una della due tanto meno accurata ne ho sull’altra. Lo stesso succede con energia e tempo. Non posso togliete tutta l’energia da una regione dello spazio perché in questo modo saprei con totale precisione il suo valore: zero. E questo non è consentito dalla fisica quantistica. Nelle previsioni della fisica quantistica, anche quando tolgo tutto da una regione dello spazio, rimane sempre un’energia residua che si chiama energia di punto zero. Il vuoto pertanto è lo stato di energia minima che può raggiungere un sistema. Un’energia che è diversa da zero ed è un’energia ineliminabile, che è associata alla costante cosmologica introdotta arbitrariamente da Einstein nella equazione della relatività generale per “stabilizzare” l’Universo, e che la fisica moderna dà quest’altra interpretazione: è lo stato fondamentale, l’energia fondamentale di tutti i campi, di tutte le interazioni presenti nell’Universo. Insomma è questa energia del vuoto, come è chiamata oggi, che permette l’espansione dello spazio e addirittura l’attuale accelerazione dell’espansione dell’Universo. Ma è anche l’energia che, secondo molti cosmologi, ha dato origine all’Universo stesso quando questa energia del vuoto in una delle fluttuazioni quantistiche, ha dato origine all’inflazione cosmica cioè a un’espansione accelerata velocissima in maniera esponenziale.
Le spiegazioni che gli scienziati oggi danno dell’origine dell’Universo è che esso è nato dal vuoto, da una fluttuazione quantistica di questa energia del vuoto che per caso ha inglobato una particella scalare che hanno chiamato inflatone. Ma questo è tutto: le hanno dato il nome, ma non sanno cos’è. Allora la famosa frase degli atomisti: “Tutto è fatto di atomi e di vuoto”, oggi si dovrebbe riscrivere in forma più breve, così: “Tutto è fatto di vuoto”. Oggi gli scienziati pensano che il vuoto sia dotato di una potenzialità, di una capacità di dare vita non solo al nostro universo ma addirittura a tantissimi universi con caratteristiche diverse. Oggi la scienza dice che il vuoto quantistico, con le sue fluttuazioni e le sue infinite popolazioni nascoste di materia e antimateria, è tutt’altro che vuoto. Il vuoto della fisica non è vuoto, ma è pieno, e l’Universo, un vuoto che si è travestito, è in espansione ed è fatto di due ingredienti: massa-energia (energia cinetica, positiva) e spaziotempo (energia potenziale, negativa). Queste due energie si equivalgono costantemente e tutto l’Universo si tiene in equilibrio da 13 miliardi e 800 milioni di anni con energia totale nulla.
Oggi la scienza ci dice che l’Universo, avendo energia totale nulla, carica totale nulla e momento angolare nullo ha gli stessi numeri quantici del vuoto: questo significa che i due sistemi sono indistinguibili. Pertanto è corretto affermare che l’attuale Universo è il risultato di una trasformazione del vuoto e che quindi rimane ancora vuoto. Un concetto che ci lascia a bocca aperta e che stravolge completamente la millenaria concezione aristotelica del mondo basata sui sensi. Oggi alla domanda di Leibniz possiamo rispondere così: “il qualcosa e il nulla praticamente sono due facce della stessa medaglia, del vuoto”. E alla teoria di Parmenide possiamo dire che l’essere è il non-essere.
Ma non finisce qui. Tutto questo ci dice che c’è tanto ancora da scoprire sulle proprietà del vuoto, come, appunto, cos’è l’inflatone e in fondo qual è la natura dell’energia del vuoto. Pertanto possiamo concludere che il vuoto della fisica contemporanea è pieno di potenzialità e pieno anche di cose che gli scienziati non hanno capito del tutto e che speriamo di capire in futuro. Ai giovani ricercatori l’ardua sfida.
