Quando si combina il principio di indeterminazione con la famosa equazione di Einstein, si ottiene un risultato strabiliante: le particelle possono provenire dal nulla.
- Il concetto di “nulla” è stato dibattuto per millenni, sia da scienziati che da filosofi.
- Anche se prendi un contenitore vuoto privo di ogni materia e lo raffreddi allo zero assoluto, nel contenitore c’è ancora “qualcosa”.
- Quel qualcosa si chiama “schiuma quantistica” e rappresenta le particelle che lampeggiano dentro e fuori dall’esistenza.
Cos’è il nulla? Questa è una domanda che ha smosso i filosofi di ogni parte del mondo fin dai tempi più remoti. Tale quesito li portò a dibattere ampiamente sulla natura del vuoto e se tale presunto “nulla” fosse di fatto qualcosa.
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Il sogno di Democrito. L’atomo dall’antichità alla meccanica quantistica, di Giorgio Chinnici
Una breve storia dell’atomo, da Democrito alla fisica moderna, con la scoperta di elettrone e nucleo, e alla fisica quantistica, alla ricerca di cosa è fatto il mondo. A partire dalle riflessioni degli antichi, la grande avventura intellettuale alla ricerca dell’atomo conduce alla moderna descrizione di come è costruita la materia, come interagisce e quali leggi la governano. Un percorso ricco di temi sia scientifici sia filosofici nella dialettica tra vuoto e materia, continuo e discreto, parte e tutto, onda e particella, caso e necessità.
Il sogno di Democrito. L’atomo dall’antichità alla meccanica quantistica, di Giorgio Chinnici
Che il nulla non fosse una condizione possibile, per taluni era stato chiaro già millenni fa. Si era giunti a tale conclusione attraverso pratiche alle quali oggi le persone tendono a non credere a causa della sostituzione del linguaggio e dei modelli sociali e culturali basati sul pensiero scientifico. Un tipo di pensiero che si è gradualmente diffuso (/imposto) e che ci dice come è vero solo ciò che è osservabile, replicabile e, quindi, dimostrabile. Inoltre il tipo di società attuale, tanto veloce quanto stressante – che tende a sottrarre tutto il tempo alle persone, indaffarate nel proprio sostentamento e al tempo dedicato alla mondanità – ha reso quasi impossibile cimentarsi in pratiche che richiederebbero diverse ore al giorno di grande impegno psichico.
A ogni modo la questione del “nulla”, in tempi molto più recenti, è stata abbondantemente affrontata e dibattuta anche dalla comunità scientifica.
Non c’è davvero nulla?
Cosa accadrebbe se gli scienziati prendessero un contenitore e ne rimuovessero tutta l’aria, creando un vuoto ideale, completamente privo di materia? La rimozione della materia significherebbe che l’energia rimarrebbe. Allo stesso modo in cui l’energia del Sole può raggiungere la Terra attraverso lo spazio vuoto, il calore all’esterno del contenitore si irradierebbe all’interno del contenitore. Pertanto, il contenitore non sarebbe veramente vuoto.
Tuttavia, cosa succederebbe se gli scienziati raffreddassero anche il contenitore alla temperatura più bassa possibile, lo zero assoluto in modo che non irradiasse alcuna energia? Inoltre, supponiamo che gli scienziati riuscissero anche a schermare il contenitore in modo che nessuna energia o radiazione esterna possa penetrarvi. Quindi a questo punto non ci sarebbe assolutamente nulla all’interno del contenitore, giusto?
Ed invece le cose a questo punto diventano controintuitive e si scopre anche la scienza ci dice che il nulla non esiste.
La natura del nulla
Le leggi della meccanica quantistica ci mandano in confusione, queste prevedendo che anche le particelle sono onde e che un gatto in una scatola sia contemporaneamente vivo e morto (paradosso di Schrödinger). Tuttavia, uno dei principi quantistici più assurdi, chiamato principio di indeterminazione di Heisenberg, ci avvisa sull’impossibilità di determinare con precisione a priori illimitata i valori di due variabili incompatibili, ovvero che per esempio non è possibile misurare simultaneamente e perfettamente la posizione e il movimento di una particella subatomica. Nel nostro contesto ci dice che non puoi misurare perfettamente l’energia di nulla e che più breve è il tempo che misuri, peggiore è la tua misurazione. Portato all’estremo, se provi a effettuare una misurazione in un tempo vicino allo zero, la tua misurazione sarà infinitamente imprecisa.
Fisica quantistica per principianti, di Michael Rutherford
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Questi principi quantistici hanno conseguenze sconvolgenti per chiunque cerchi di comprendere la natura del nulla. Ad esempio, se provi a misurare la quantità di energia in un punto, anche se si suppone che quell’energia non sia nulla, non si potrà misurare zero con precisione. A volte, quando si effettua la misurazione, lo zero atteso risulta essere diverso da zero. E questo non è solo un problema di misurazione; è una caratteristica della realtà. Per brevi periodi di tempo, zero non è sempre zero.
Quando si combina questo fatto bizzarro – ovvero che l’energia attesa dal nulla può essere diversa da zero, esaminando un periodo di tempo sufficientemente breve – con la famosa equazione di Einstein E = mc 2 , si ottiene una conseguenza ancora più bizzarra. L’equazione di Einstein dice che l’energia è materia e viceversa. In combinazione con la teoria quantistica, ciò significa che in un luogo che si suppone sia completamente vuoto e privo di energia, lo spazio può fluttuare brevemente a energia diversa da zero e che l’energia temporanea può creare particelle di materia (e antimateria).
Quindi, a livello quantico minuscolo, lo spazio vuoto non è vuoto. In realtà è un luogo vibrante, con minuscole particelle subatomiche che appaiono e scompaiono in un abbandono sfrenato. Questa apparizione e scomparsa ha qualche somiglianza superficiale con il comportamento effervescente della schiuma sulla parte superiore di una birra appena versata, con bolle che appaiono e scompaiono. Da qui il termine “schiuma quantistica”.
La schiuma quantistica non è solo teorica. È abbastanza reale. Una dimostrazione di ciò è quando i ricercatori misurano le proprietà magnetiche di particelle subatomiche come gli elettroni. Se la schiuma quantica non è reale, gli elettroni dovrebbero essere magneti con una certa forza. Tuttavia, quando vengono effettuate le misurazioni, risulta che la forza magnetica degli elettroni è leggermente superiore (di circa lo 0,1%). Quando si tiene conto dell’effetto dovuto alla schiuma quantistica, la teoria e la misurazione concordano perfettamente, con una precisione di dodici cifre.
Un’altra dimostrazione della schiuma quantistica arriva per gentile concessione dell’effetto Casimir, dal nome del fisico olandese Hendrik Casimir. L’effetto è più o meno questo: prendi due lastre di metallo e mettile molto vicine l’una all’altra in un vuoto perfetto, separate da una minuscola frazione di millimetro. Se l’idea della schiuma quantistica è giusta, allora il vuoto che circonda le lastre è riempito da una raffica invisibile di particelle subatomiche che lampeggiano dentro e fuori dall’esistenza.
Queste particelle hanno una gamma di energie, da quella più probabile che è molto piccola a quella che compare occasionalmente, molto più elevata. È qui che entrano in gioco effetti quantistici più familiari perché la teoria quantistica classica afferma che le particelle sono sia particelle che onde. E le onde hanno lunghezze d’onda.
Al di fuori del minuscolo spazio, tutte le onde possono adattarsi senza restrizioni. Tuttavia, all’interno del divario, possono esistere solo onde più corte del divario. Le onde lunghe semplicemente non possono adattarsi. Così, al di fuori del gap, ci sono onde di tutte le lunghezze d’onda, mentre all’interno del gap ci sono solo lunghezze d’onda corte. Ciò significa sostanzialmente che ci sono più tipi di particelle all’esterno che all’interno, e l’effetto è che c’è una pressione netta verso l’interno. Pertanto, se la schiuma quantistica è reale, le lastre verranno spinte insieme.
Gli scienziati hanno effettuato diverse misurazioni dell’effetto Casimir e nel 2001 l’effetto è stato definitivamente dimostrato: la pressione dovuta alla schiuma quantica fa muovere le piastre. La schiuma quantica è reale. Quindi il nulla è qualcosa alla fine dei conti.
