Universo#5

La fisica del vuoto

Uno dei più intriganti risultati della Teoria Quantistica dei Campi (TQC) è la trasformazione del concetto del “vuoto”. Ma prima di tuffarci  dentro ad esso è bene capire cosa diavolo sia questo vuoto. Nel linguaggio comune il vuoto è sinonimo di “niente”: cosa c’è tra voi ed il monitor da cui leggete? Niente, il vuoto, direte, ma pensandoci bene il vuoto non è vuoto. Tra un corpo e l’altro c’è l’aria, una miscela gassosa di azoto, ossigeno, anidride carbonica, argon, ed acqua. Qundi, nell’atmosfera terrestre, questo vuoto è un fluido costituito da molti atomi e molecole. Se però utilizzazziomo una macchina in grado di produrre vuoto “spinto” buttando fuori di un contenitore i gas, potremmo avere anche qui sulla terra un’idea di cosa sia il nuoto dello spazio, come quello che c’è tra la terra e la luna o tra il sole e gli altri pianeti:  in questo “vuoto” esiste ancora qualche particella e, soprattutto  “campi” (elettromagnetico, magnetico, gravitazionale), veicoli energetici che gli astronauti sfruttano per comunicare con la terra e per ruotare intorno ad essa. Se ci allontaniamo dal sole e dai pianeti, nello spazio interstellare, potremmo ancora risentire dell’influenza gravitazionale delle stelle vicine  e del nucleo galattico e per trovare un vuoto “più vuoto” dovremmo raggiungere il buio e freddo spazio intergalattico: ma anche in questa regione, uguale per tutto l’universo in  quanto “piatta” dal punto di vista dei campi, una sorta di “piano terra” del cosmo, scopriremmo che non ci troviamo di fronte al nulla della filosofia, il niente del senso comune.

Se nella fisica classica il vuoto coincideva con qualcosa che aveva energia uniformemente zero, già la meccanica quantistica (MQ) gli riconosceva delle qualità fisiche derivate dall’estesione del principio di indeterminatezza di Heisenberg alla coppia energia-tempo: l’energia dei campi divenuta “virtuale” come i corpuscoli con cui interagisce è da immaginarsi quindi oscillante intorno allo zero (il valore è la costante cosmologica detta energia del vuoto o energia oscura di cui parleremo più avanti). La QTC trasforma il vuoto in un “mare” la cui supeficie è rappresentata dal valore di zero energia, ma in cui, sopra e sotto “guizzano” in maniera incoerente (indipendentemente) infinite particelle virtuali, quindi inosservabili, ma i cui effetti si rilevano indirettamente nei campi di “forze” della fisica. E anzi, gli stessi campi della MQ vanno visti in TQC proprio come il risultato  di scambi ed interazioni tra particelle virtuali che trasferiscono in un dato fenomeno impulsi ed energia da una particella reale iniziale ad una reale finale. E’ l’energia del vuoto, divenuta in TQC infinita, a rendere possibile tutto questo. L’alto tasso di controintuitività della TQC porta con sé l’impressione che in fisica tutto sia divenuto virtuale, imprigionato in uno stato intermedio tra l’essere ed non essere. Certo, i numeri funzionano come non mai permettendo applicazioni tecniche mai viste, ma la comprensione del “reale” sembra allontanarsi. Le incredibili qualità del vuoto non finiscono qui. E’ infatti ancora il vuoto, privo di caratteristiche spazio temporali,  che dona e sottrae energia instantaneamente ai corpi, anche quelli distanti miliardi di chilometri, impastando tutti i corpi tra loro in un continuum che chiamiamo entanglement. Che tale fenomeno sia qualcosa di reale e non una speculazione matematica lo si deve alla dimostrazione sperimentale del paradosso  EPR (Einstein, Podolsky e Rosen ), immaginato dal trio di scienziati scettici nel 1935. Infatti Einstein & company non potevano accettare chela realtà fosse tanto insondabile e bislacca, concludevano quindi che fosse la teoria quantistica ed essere sbagliata. 

Misurare in che senso?

J. S. Bell

L’entanglement è tutt’altro che indolore per la visione positivistica visto che mette in discussione in un colpo solo località, causalità e concetto di “corpo isolato” di galileiana memoria. E fu la stessa mamma della fisica, la matematica, a peggiorare le cose. Non si era ancora spenta l’eco dei teoremi di Gödel che nel 1932 ne avevano limitato l’efficacia, che la stessa matematica nel ’64 partorì, grazie a John Stewart Bell, un teorema che impediva di uniformare la relatività (che è una metateoria, cioè dice come le altre devono essere), MQ e TQC, per tentare di salvare il salvabile di una fisica “impazzita”. Il teorema infatti stabilisce che la descrizione oggettiva del mondo (realismo), il binomio località-causalità e MQ (particelle e campi) sono incompatibili nel loro complesso. MQ accettò di perdere il realismo, Einstein avrebbe voluto fare a meno di campi e particelle, la TQC salva il realismo e MQ ma perde in parte la località e causalità. Da allora i fondamenti della fisica finiscono a gambe all’aria, con l’aggravante  che lo stesso concetto di “misurazione” su cui tutto si fonda ne usce irrimediabilmente indebolito: « Il concetto di “misura” diventa così sfocato riflettendo che è piuttosto sorprendente vederlo apparire nella teoria fisica al livello più fondamentale “. (John Stewart Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, p. 117). Ma mancava la conferma sperimentale: la tecnica potè mettere per la prima volta alla prova il paradosso EPR solo nel 1982, grazie ad Alain Aspect: Einstein aveva torto, come gli era successo anche per l’origine dell’universo, e  l’esperimento del 2008 conclusosi al CERN di Ginevra decretò che la meccanica quantistica parlava di un mondo del tutto assurdo. Chissà come avrebbe commentato la fine del realismo scientifico il grande Albert, deceduto nel 1955.

Tenendo conto quindi della nostra ridimensionata capacità di “detezione” della realtà, esistono fenomeni “diacronici“, causali in quanto localizzati nello spazio-tempo, e fenomeni “sincronici“, fuori dallo spazio tempo e quindi privi di causalità e località. A riunire tutta questa irreale realtà c’è sempre il solito misterioso vuoto, vero collante del tutto nel tempo e nello spazio, unico capace di risolvere assurdità logiche come quelle del “gatto di Shrödinger” trasformandole in modalità di campo virtuale percepite da un osservatore “localizzato” (cosa che, piuttosto che a parole, è meglio spigare con la fantascienza del film Interstellar, del 2014). Ma a questo punto l’unica cosa sicura è un bel mal di testa.

Il lettore però non disperi: dopo questa ingombrante ma necessaria divagazione nella fisica, nel prossimo appuntamento torneremo a parlare di  galassie, spazio e tempo dell’universo, roba più grossa, intuitivamente più abbordabile.