Affollato come il vuoto

Il vuoto in fisica non è quello che la parola lascerebbe intendere

Il vuoto, lo dice la parola, è un luogo dove non c'è niente. Per un filosofo forse la definizione potrebbe finire lì. Non so come un filosofo possa definire il vuoto, e se esista un dibattito filosofico sulla definizione del vuoto, dato che non ho mai avuto grande affinità con la filosofia. Il professore di terza liceo aveva seminato delle buone basi, ma quello di quarta e poi quello di quinta le hanno distrutte con il tritolo. Di quello di quinta, in particolare, mi è rimasto solo il ricordo del lunghissimo ciuffo con cui costruiva il riporto, ciuffo che partiva dalla base del collo e serpeggiava su per la nuca facendo vari giri sulla testa, e che ogni tanto cedeva sotto il suo stesso peso, srotolandosi impietosamente per un buon mezzo metro. Il mio rapporto con la filosofia al liceo era caratterizzato unicamente dall'attesa di questo evento catartico.

Comunque, tornando al nostro vuoto, per un fisico non c'è niente di più complesso e affollato del vuoto. Vediamo perché.

Innanzitutto chiediamoci cosa dovremmo fare per produrre il vuoto. Immaginiamo di avere una scatola, e di volerci fare al suo interno "il vuoto".

La scegliamo ben sigillata, e tiriamo via l'aria. Supponiamo di avere le pompe a vuoto più sofisticate in commercio. Non riusciremmo mai a togliere tutta l'aria, qualche molecola qua e là resterebbe comunque, ma si potrebbe dire che alla fine è solo un problema tecnico. In pratica non riusciamo a fare il vuoto, ma la teoria c'è tutta: ciucciamo fuori tutto quello che c'è, e se dalle pareti della scatola le molecole hanno la gentilezza di non staccarsi e andare a vagare al suo interno (cosa che in generale succede, ma noi abbiamo scelto il materiale più adatto allo scopo), ecco che, almeno sulla carta, abbiamo ottenuto il vuoto. 

Dentro l'acceleratore LHC del Cern, ad esempio, c'è una pressione che arriva fino a 10^-9 Pa, corrispondente a un vuoto pari a quello presente nello spazio vuoto del sistema solare (fonte). Ci vogliono 2 settimane per pompare via l'aria e raggiungere quella condizione. Potremmo dire che, avendo un sistema tecnologicamente migliore, anche se costosissimo, potremmo avvicinarci al vuoto.

Però. 

Però la nostra scatola ha una sua temperatura. E la fisica ci insegna che un oggetto a una data temperatura diversa dallo zero assoluto emette onde elettromagnetiche. Non importa quale sia il materiale o la forma del contenitore, la nostra scatola, anche se dentro gli abbiamo tolto ogni singola molecola d'aria, sarà piena di fotoni, solo per il fatto di essere a una temperatura diversa dallo zero assoluto. Fotoni la cui energia dipende dalla temperatura della scatola. Quindi dovremmo anche raffreddare la nostra scatola il più possibile verso lo zero assoluto, per ridurre al minimo il contributo dei fotoni naturalmente emessi da qualunque oggetto posto a una data temperatura.

Ma poi esistono le particelle subatomiche. Esiste la teoria dei campi. Esiste la fisica moderna.

Nella teoria dei campi ogni particella è interpretata come un'eccitazione di un campo. E ogni eccitazione di un campo è una particella. Nella meccanica quantistica particelle e campi sono un tutt'uno. Vabè, si potrebbe pensare che, non mettendo particelle nella scatola, avremmo risolto il problema. Nel vuoto classico non c'è nessuna particella, e quindi il mio campo è bello piatto, senza increspature di alcun tipo. Energia zero, tipo una corda tesa e immobile, che è l'esempio che normalmente viene fatto.

Però esiste la meccanica quantistica, e nella meccanica quantistica il principio di indeterminazione di Heisenberg. Il principio di indeterminazione dice che è impossibile che ogni punto della corda che idealmente raffigura il campo presente all'interno della scatola, campo dovuto alla presenza (assenza in questo caso) di particelle, sia sempre costantemente fermo in una data posizione. In altri termini, la corda deve oscillare per soddisfare il principio di indeterminazione di Heisenberg. Poco ma deve farlo, per non far arrabbiare Heisenberg. E se la corda si muove, se la corda oscilla un pochino, e quella corda mi rappresenta l'energia del vuoto, ovvero il minimo di energia compatibile con il principio di indeterminazione di Heisenberg, allora vuol dire che il vuoto contiene energia.

Capite quindi che, se consideriamo i fenomeni quantistici, il nostro vuoto, che sulla carta ci sembrava la cosa più semplice del mondo (cosa c'è più semplice di "niente"?) diventa un oggetto bello incasinato.

Ma guardiamo il nostro vuoto, e guardiamolo con gli occhi della meccanica quantistica.  Ogni singolo punto dello spazio non ha mai un'energia esattamente definita, ma fluttua attorno a un minimo, contemporaneamente in tanti stati diversi (vi ricordate il Gatto di Schrodinger, che è contemporaneamente vivo e morto?). Il vuoto si trova quindi in una sovrapposizione di stati, e quindi può essere visto come un tripudio di particelle, che nascono e muoiono continuamente. Particelle di tutti i tipi, anche estremamente pesanti, la cui effimera esistenza è regolata dalla meccanica quantistica. La nostra scatola, in cui abbiamo tolto l'aria, e che abbiamo raffreddato il più possibile verso lo zero assoluto, è quindi piena dell'energia di questa moltitudine di particelle che saltano fuori e scompaiono incessantemente. Un'energia che è la minima possibile, ma non è zero.

 

Ma possiamo misurare questa energia? Possiamo verificare con qualche tipo di esperimento che tutto questo è vero? Si, possiamo.

Esistono vari effetti che sono stati misurati. Fra questi il Lamb Shift, una leggera variazione di energia nello spettro fra due livelli dell'atomo di idrogeno, misurata con grande precisione. Questa piccola variazione di energia, è dovuta all'interazione dell' elettrone dell'atomo di idrogeno con le fluttuazioni quantistiche del vuoto. In pratica, nell'interazione elettromagnetica con il nucleo, l'elettrone risente degli effetti quantistici del vuoto, che si polarizza, come un dielettrico in un condensatore. Questo produce delle alterazioni del campo elettrico fra elettrone e nucleo, che si manifestano in piccole modifiche dei livelli di energie degli spettri atomici. Modifiche calcolabili, e che vengono puntualmente misurate.

E se qualcuno dovesse pensare che queste misure siamo imprecise e arraffazzonate, visto l'argomento, rispondo che esse sono di gran lunga fra le misure più precise mai realizzate in fisica: la misura sperimentale di 8172.874(60) MHz per il Lamb shift 1S nell'idrogeno si confronta infatti con la previsione teorica di 8172.802(40) MHz. Le cifre fra parentesi danno l'incertezza sulle ultime 2 cifre, sia della misura che della previsione teorica. L'errore è 1.2 parti su 100000, come misurare l'altezza dell'Everest sbagliando di un palmo.

 

Ma quanto vale questa energia del vuoto? E' tanta o è poca? 

Possiamo averne una stima dalla misura della costante cosmologica. La costante cosmologica è quel parametro che si pensa descriva l'accelerazione dell'espansione del'universo. Infatti osserviamo che, espandendosi, l'universo accelera la sua espansione. Si pensa che questo effetto sia legato all'energia del vuoto. Infatti, se la densità di energia del vuoto ha un valore fissato e costante, determinato dalle considerazioni di meccanica quantistica descritte finora, allora aumentando lo spazio (a causa dell'espansione dell'universo) deve aumentare l'energia associata al vuoto. Questa energia ha un effetto repulsivo (pressione negativa) sulla materia. La costante cosmologica è associata a questa grandezza. 

 

Dalla misura della costante cosmologica si stima che il vuoto abbia una densità di energia pari a 10⁻⁹ joules per metro cubo. 10⁻⁹ joules equivale più o meno all'energia cinetica di una zanzara in volo di ricognizione, diluita in un metro cubo di spazio. Poco, decisamente poco, in termini macroscopici, ma considerato tutto lo spazio vuoto che c'è nell'universo, alla fine viene fuori che questa energia è ciò che domina nell'universo. Quella che viene chiamata energia oscura, e che determina la dinamica dell'universo a grande scala e su tempi lunghi. In pratica, se l'universo oggi è così come lo osserviamo, è grazie alle proprietà del vuoto. Quanti filosofi, pur nei loro pensieri più inconfessabili, sarebbero arrivati a immaginare una cosa del genere?