Esiste davvero il vuoto?

di Costanza Polastri

Parmenide, filosofo greco del V-VI secolo a.C., nel suo trattato Perì Fuseos, “Sulla Natura”, scrisse:
“L’essere è e non può non essere, il non-essere non è e non può essere.”
Secondo Parmenide, qualsiasi cosa che esiste deve necessariamente “essere” e del non-essere non ha senso neppure parlare.
Forzando i concetti, Parmenide potrebbe non essere l’unico a pensarla così nel mondo classico: l’idea che di qualcosa che non-è non si possa predicare è forse più radicata di quel che pensavo.
Consideriamo per esempio la numerazione latina:
I, II, III, IV, V, …, IX, X, …
sistema di numerazione romanoAgli antichi Romani mancava quella che si chiama la notazione posizionale, che prevede di dare un significato non solo al simbolo (come 1, 8 o X) ma anche alla sua posizione all’interno del numero. Per esempio, nel numero 108 il fatto che il numero 8 sia a destra significa che ci sono 8 unità, e poi abbiamo anche 0 decine e 1 centinaia. Questa notazione ci viene insegnata all’inizio delle elementari e tendiamo a darla per scontata forse senza capirne l’enorme potenza, ma è un modo geniale di segnare i numeri che sveltisce moltissimo i conti.
Nella notazione posizionale lo 0 gioca un ruolo fondamentale, al pari di tutti gli altri simboli, mentre nella notazione latina esso non esisteva: lo zero rappresenta la “mancanza” di numeri, in un certo senso è il non-essere. E perché qualcosa che non può essere nemmeno nominato, almeno secondo Parmenide, dovrebbe meritarsi un simbolo tutto suo?

Pitagora, altra mente geniale dell’antica Grecia, visse nel VI secolo a.C.  Egli fu forse l’uomo con più capacità di astrazione di tutta l’antichità, eppure è possibile che non avesse pensato a un modo di rappresentare lo zero: Pitagora aveva, almeno secondo Wikipedia, una concezione dei numeri un po’ primitiva per cui:

• = 1 sassolino
•• = 2 sassolini
••• = 3 sassolini

…e così via. Pitagora fece progressi straordinari nella geometria, che è la branca più facile da visualizzare della matematica, ma non fu altrettanto brillante in aritmetica. Che sia proprio per la mancanza dello zero?
E’ troppo azzardato pensare a un’influenza diretta di Parmenide su Pitagora, ma mi piace ipotizzare almeno un collegamento.

Naturalmente, non esisteva solo la concezione di Parmenide: fra i filosofi che si sono confrontati con il concetto di vuoto ci sono da ricordare di sicuro gli atomisti, come Democrito, Epicuro o Leucippo. Essi avevano una concezione del vuoto molto più simile a quella moderna, perché per loro il vuoto era un palcoscenico sul quale gli atomi eseguivano la loro danza, indispensabile per l’universo. Un palco perfettamente inerte, e che non interferisce in alcun modo.

Isaac Newton

Newton stesso, uno dei più grandi fisici mai vissuti, era convinto che l’Universo e le galassie fossero immersi in uno spazio tridimensionale e in un tempo. Lo spazio e il tempo per Newton erano infiniti e assoluti, e sebbene i suoi modelli fossero in alcuni punti geniali e molto precisi, le cose sembrerebbero non stare come dice il grande scienziato.

Le scoperte della fisica moderna e le teorie che sono state elaborate per spiegarle hanno profondamente messo in discussione questa visione dell’universo.
Se vogliamo rispondere in modo efficace alla nostra domanda iniziale, dobbiamo avere ben chiaro che cosa stiamo cercando. Ci facciamo quindi un’altra domanda: che cos’è il vuoto per un fisico?

I fisici sono piuttosto pragmatici, e dicono: “è vuoto se non disturba il mio esperimento”.
Per esempio, per una palla che cade sarà vuoto qualsiasi spazio senza aria, mentre per un elettrone che viaggia c’è bisogno che uno spazio non contenga né aria né campo elettromagnetico per essere definito vuoto. Tuttavia la palla non viene influenzata dal campo elettromagnetico, quindi per diversi esperimenti e diverse misure saranno “vuoti” diversi ambienti.

La mia domanda iniziale “esiste il vuoto?” si è allora un po’ modificata, ed è diventata più precisa: “Posso creare uno spazio che non interferisca con nessun esperimento? O almeno, se non posso crearlo, posso immaginarlo?”

In realtà, alla seconda parte della domanda è piuttosto facile rispondere: purtroppo no, e per capire perché bisogna capire come funziona il più grande alleato del fisico, il metodo sperimentale.

Pensiamo bene a come avviene, nella pratica, un esperimento: si fa avvenire un fenomeno e lì intorno si mette tutta una serie di strumentazioni. Possono essere dei sofisticatissimi rivelatori di neutrini oppure delle campanelle, ma comunque c’è un pezzo della strumentazione che mi dice “ecco, il fenomeno è avvenuto!”. E’ fondamentale che il fenomeno in qualche modo interagisca con la strumentazione, altrimenti lo scienziato non ha alcun modo di sapere che è avvenuto.

Parte di una pagina di Ordinatio di Duns Scoto: Pluralitas non est ponenda sine necessitate, in italiano: Non considerare la pluralità se non è necessario.

Parte di una pagina di Ordinatio di Duns Scoto: Pluralitas non est ponenda sine necessitate, in italiano: Non considerare la pluralità se non è necessario.

E’ simile all’argomentazione che in filosofia viene chiamata rasoio di Occam, che molto parafrasata suona così: se si può spiegare un concetto o un fenomeno in modo semplice, non bisogna complicare inutilmente la spiegazione. Per uno scienziato che sta cercando di scrivere un modello matematico di un fenomeno, esso si traduce in: se qualcosa non influenza in alcun modo la mia esistenza, posso far finta che non esista.

Naturalmente, anche gli atomisti si erano scontrati con un’argomentazione simile a questa: se il vuoto che sta in mezzo agli atomi non posso né vederlo, né toccarlo (né misurarlo, aggiungerei), come posso essere sicuro che esista?
La risposta è che se il vuoto non esistesse, gli atomi non potrebbero muoversi e la natura sarebbe completamente diversa. Si ha quel che si potrebbe considerare una prova indiretta dell’esistenza del vuoto.

Dobbiamo allora cambiare ancora una volta la nostra domanda: posso creare uno spazio che non interferisca con nessun esperimento, che però esista e faccia solo da “palcoscenico” ai fenomeni?
In altre parole, la natura è davvero come la immagina Democrito, con una netta divisione fra vuoto e fenomeni?
Vediamo come rispondono a questa domanda le teorie della fisica moderna.

La prima teoria che interroghiamo è la misteriosa (quanto affascinante) meccanica quantistica, e per farlo per prima cosa dobbiamo introdurre il concetto di campo, di cui la fisica moderna fa larghissimo uso.
Un campo è un modello matematico un po’ astratto ma molto utile ai fisici: è definito come una funzione che ad ogni punto dello spazio associa un valore.
Un valore di cosa? Di quello che vogliamo.
Facciamo qualche esempio per essere più chiari:

1) In una stanza, io posso definire un campo di “densità di aria” immaginando di prendere dei cubetti minuscoli di spazio, e andando a guardare quanta aria c’è in ciascun cubetto. Ad ogni punto dello spazio (immagino il punto come un cubetto così piccolo da poter essere considerato come un punto) è associato un certo valore di densità dell’aria.

2) In uno stagno, posso definire un campo “livello dell’acqua”, che sarà sempre uguale se l’acqua è ferma, mentre cambierà se, per esempio, viene buttato nello stagno un sasso. Questo secondo esempio è particolarmente calzante perché aiuta molto a vedere come un’onda, come può essere l’onda generata da un sasso nello stagno, è in realtà solo un campo che è stato agitato.

In fisica, si dice che un’onda è una perturbazione di un campo.

Le particelle elementari secondo il Modello Standard

Le particelle elementari secondo il Modello Standard

Ora, la densità dell’aria è definita solo all’interno della stanza e l’altezza dell’acqua solo all’interno dello stagno, ma ci sono campi particolari della fisica detti fondamentali che sono definiti in tutto l’Universo. Le leggi che governano questi campi sono una parte della branca più affascinante e complicata della fisica teorica: la Quantum Field Theory, QFT per gli amici.
Esistono un certo numero di campi fondamentali e le particelle fondamentali, quelle del cosiddetto Modello Standard, non sono niente altro che delle perturbazioni di questi campi, delle onde, appunto.

Per la particella elettrone, per esempio, si definisce in tutto l’universo un campo elettronico, uno “stagno” degli elettroni, e si immaginano gli elettroni stessi come dei sassi buttati in questi stagno. Si fa poi lo stesso con tutte le altre particelle previste dal Modello Standard, si immaginal’universo come un arazzo con fili di 12 colori diversi, che ogni istante cambia il suo disegno e a volte ci ruba le particelle da sotto il naso. E’ un gomitolo che si prende gioco del gatto, costringendolo a costruire teorie sofisticatissime e acceleratori sovrumani, spinto da una curiosità che non può ucciderlo.

Una delle cose più curiose è che, proprio perché i campi sono in tutto lo spazio, in ogni punto dell’universo può apparire “dal nulla” una coppia di particelle, che si separa e torna a unirsi dopo pochissimo. Questo fenomeno in realtà succede di continuo, tanto che se si immagina di osservare una porzione di spazio abbastanza piccola, quel che si troverà è una miriade di particelle che nascono e si annichilano come lucciole nella notte di agosto che che hanno l’energia di brillare un istante, spegnersi, illuminarsi di nuovo in un altro luogo e spegnersi ancora. E’ uno spazio-tempo cosiddetto “a bolle” quello descritto dalla meccanica quantistica, come la pozione di chissà quale cosmico stregone!

i 27 km di percorso sotterraneo del Large Hadron Collider (LHC), foto di Maximilien Brice (CERN)

i 27 km di percorso sotterraneo del Large Hadron Collider (LHC), foto di Maximilien Brice (CERN)

Per uno di questi 12 campi, quello elettromagnetico, c’è un modo di bloccarlo fuori da una certa porzione di spazio, ma per gli altri 11 non è possibile con la tecnologia attuale. E c’è di più: se anche ci fosse una barriera così potente da schermare tutti i campi che conosciamo, chi ci assicura che non ci siano altri campi ancora da scoprire?
Nel 1964 il brillante fisico teorico Peter Higgs ipotizzò che ci fosse un campo che prima non si conosceva, poi chiamato il Campo di Higgs, e nel 2012 l’LHC al CERN ha confermato la scoperta grazie a due esperimenti sofisticatissimi, chiamati Atlas e CMS. E’ stato un passo importantissimo per la fisica delle particelle, che ha permesso di completare il Modello Standard.
Nessuno può assicurarci che una cosa del genere non succeda di nuovo… anzi, speriamo proprio che succeda, sarebbe incredibilmente interessante!
Insomma, la meccanica quantistica sembra proprio intenzionata a impedirci di creare il vuoto.

Albert Einstein ritratto in un francobollo USA da 8 centesimiMa se viaggiassimo con la fantasia? Immaginiamo di avere una barriera magica, che sappia già quali campi ci siano e riesca a tenerli tutti fuori. Proprio tutti, anche quelli che noi ancora non conosciamo (ovviamente una barriera del genere non potremo mai crearla, ma facciamo un volo con l’immaginazione). A quel punto avremo il vuoto completo.
Beh, proviamo a chiedere un parere all’altro gigante della fisica teorica: la relatività generale.

Einstein si è guadagnato un posto d’onore nella storia della fisica creando una delle teorie più complete e poetiche della fisica. Egli capì che la (forza di) gravità non stava modificando il moto degli oggetti, ma piuttosto si limitava a curvare la superficie sulla quale tutti gli oggetti si muovono: la superficie dello Spazio-Tempo. L’universo possiamo immaginarlo come un palloncino che continua a gonfiarsi, e la cosa sorprendente è che non esiste un “fuori” dall’universo, il palloncino è letteralmente tutto ciò che è, tutto ciò che esiste.

Consideriamo oggetti in moto su una superficie curva: immaginiamo di tracciare una linea dritta sul nostro palloncino, dopodiché tracciamo un’altra linea inizialmente parallela alla prima. Dopo un po’ esse si incontreranno, non perché hanno curvato ma perché la superficie gli si è curvata sotto: andare dritti su una superficie curva, che in matematica si chiama seguire le geodetiche della superficie, significa curvare dal punto di vista di un osservatore fermo.
Beh, Einstein scoprì che tutti i corpi seguono le geodetiche dello spazio tempo, e che tutto ciò che ha una massa fa curvare lo spazio-tempo stesso.

rappresentazione di due sfere su una superficie curva a rappresentazione dello spazio-tempo

Temo quindi che non ci sia speranza per il nostro vuoto: se anche avessimo uno schermo magico che respinge tutti i campi teorizzati dalla meccanica quantistica, anche quelli che ancora non conosciamo, comunque lo spazio vuoto esisterebbe… e abbiamo detto che tutto ciò che esiste è lo spazio-tempo, è una parte del palloncino. Lo spazio-tempo a sua volta è molto lontano dall’essere un palcoscenico inerte, esso si porta dietro una curvatura che chiamiamo gravità e che è potenzialmente in grado di cambiare la direzione degli oggetti.

Meccanica quantistica e relatività non vanno d’accordo quasi mai. Sono due teorie bellissime ma che proprio non si riescono a conciliare, sembrano contraddirsi nei punti fondamentali.
Su una cosa però sembrerebbero d’accordo: il vuoto, almeno come lo intendeva Democrito, non si può né creare né immaginare… e forse Parmenide aveva ragione.

 

 

2 risposte a Esiste davvero il vuoto?

  • Donato scrive:

    Articolo molto interessante, che come era da prevedersi, solleva nuovi interrogativi piuttosto che rispondere ai vecchi. Se posso dare il mio modesto parere, pur non avendo una sufficiente ed aggiornata cultura in fisica, mi sembra che le scoperte più recenti della fisica più che decretare l’esistenza o meno del vuoto puntino ad una revisione e rivalutazione del modo in cui questo viene concepito. L’affermazione di Parmenide ai miei occhi non ha molto senso perchè in realtà non sappiamo cosa sia l’esistenza. “Vuoto e pieno” sono semplicemente due espressioni linguistiche che si basano su esperienze pratiche e limitate della vita quotidiana e che restano valide solo in quell’ambito ristretto. Per esempio diciamo che una tazza è vuota quando non contiene alcun liquido o materia solida, ma è ovvio che contiene pur sempre aria. Ai fini pratici questo linguaggio è funzionale ma del tutto inadeguato a descrivere una realtà più vasta e più complessa. Quindi, concedendo al nostro linguaggio una certa elasticità e mettendo da parte la precisione che abbiamo visto non è in grado di avere, potremmo dire che il vuoto esiste ma che non è propriamente “vuoto” cioè non è nulla. La teoria dei campi, se non ho capito male, ci prospetta un concetto molto diverso di “eistenza” di quello dell’uomo comune e di quello di Parmenide. Esistenza e non esistenza potrebbero semplicemente essere due aspetti della realtà, così come lo sono le particelle e le onde. Spero di non essere scivolato sulla fantascienza!

  • Stef89 scrive:

    Faccio molta fatica a capire un punto: lo spazio-tempo, quindi, questo “palcoscenico”, non sarebbe solamente un “sistema di coordinate”, ma sarebbe qualcosa di concreto, siccome si deforma? Ma questo mi fa confondere con il concetto superato di “etere”…

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