Alla fine del XIX secolo, la fisica supponeva che per trasmettere le onde era necessario un mezzo elastico in cui si potessero propagare. Quindi l’esistenza di un etere per mezzo del quale si propagasse la luce era un dato acquisito per tutta la scienza. Due scienziati, Michelson e Morley, idearono un esperimento per dimostrarne l’esistenza. Pensavano che misurando la velocità della luce in due versi opposti avrebbero rilevato valori diversi a causa della rotazione della Terra che viaggia a circa 30 chilometri al secondo. Dall’esperimento risultò che la luce viaggia sempre a velocità costante e quindi gli scienziati ritennero che il loro esperimento fosse fallito. Fu Einstein nel 1905 a rivelare che la luce, combinazione di fluttuanti campi magnetici ed elettrici, non ha bisogno di un etere ma ha la strana proprietà di propagarsi attraverso il vuoto.
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Pertanto il risultato dell’esperimento di Michelson e Morley non era fallito ma diceva semplicemente che l’etere non esiste, e si può avere davvero uno spazio dove non esiste nulla: uno spazio vuoto. Da quel momento si sviluppò la fisica e la tecnologia del vuoto. Il filamento di tungsteno delle vecchie lampadine poteva emettere luce per molto tempo perché si trovava in un bulbo di vetro dove era stato creato il vuoto. Senza il vuoto si consumerebbe in pochi secondi. Con la tecnologia del vuoto si potettero costruire le valvole, le radio, i televisori e i computer. La scienza utilizzò il vuoto come strumento di ricerca e di studio di componenti senza che questi subissero l’interferenza dell’aria contaminata. Grazie al vuoto furono scoperti i raggi X, l’elettrone, la struttura dell’atomo. Queste scoperte aprirono un mondo nuovo riguardo al modo in cui la natura si comporta ai livelli microscopici, atomici e subatomici fino a portarci alla teoria della meccanica quantistica che stravolge il senso comune a cui siamo abituati. Cioè quello di causa ed effetto; azione e reazione. Invece la meccanica quantistica si basa sul principio di indeterminazione di Heisenberg. Il mondo subatomico è un mondo di incertezza dove nulla sta fermo. Delle particelle che ne fanno parte non possiamo sapere con esattezza contemporaneamente la loro posizione e la loro quantità di moto, o più semplicemente la loro velocità. Più sappiamo con precisione una e meno precisamente ne sappiamo dell’altra. Questa è una caratteristica del mondo microscopico delle particelle elementari.
Il principio di indeterminazione si applica in termini di equilibrio anche fra energia e tempo. Poniamo di avere uno piccolo volume di spazio vuoto (una scatolina). Gli scienziati possono calcolare quanta energia contiene in modo molto preciso. Ma se vogliamo sapere l’energia in esso contenuto in un intervallo di tempo molto, molto piccolo perdo informazione sulla esatta energia contenuta. Se volessimo esaminare un volume molto più piccolo e un intervallo di tempo ancora più piccolo la matematica di Heisenberg ci dice che succederebbe qualcosa contraria al senso comune. L’incertezza sulla quantità di energia che ci sia in quel piccolissimo volume potrebbe essere tanto grande che quella energia potrebbe creare nuove particelle dal nulla che sparirebbero in un tempo brevissimo. Insomma il principio di indeterminazione sembra dire che in piccolissimi volumi di spazio vuoto e in piccolissimi tempi possono nascere delle particelle dal nulla e sparire velocemente. Si hanno le cosiddette particelle virtuali che compaiono e scompaiono rapidamente. Sono piccole sacche di energia che compaiono e scompaiono: sono le fluttuazioni quantistiche. Insomma il vuoto quantistico contrariamente al senso comune è vivo e pieno di fluttuazioni.
Il principio di indeterminazione di Heisenberg dice che si potrebbe prendere in prestito energia dal vuoto purché la si restituisca immediatamente. Per capire come questo possa accadere dobbiamo rifarci alla scoperta dell’antimateria ipotizzata da un genio della fisica, il fisico teorico Paul Dirac. Dirac trovò il modo di unire la relatività di Einstein con lo strano mondo della fisica quantistica con una delle più grandi equazioni matematiche del XX secolo. Dietro all’equazione di Dirac che descriveva l’elettrone ci sono idee matematiche che sono state sviluppate e affinate da molti altri grandi scienziati. Per descrivere l’elettrone, Dirac ha usato quattro equazioni ma solo due descrivevano l’elettrone come veniva osservato in laboratorio, mentre le altre due facevano ipotizzare l’esistenza di un altro elettrone, che nessuno mai aveva visto, con proprietà identiche ad eccezione della carica elettrica che è opposta: un antielettrone. Dirac si rese conto che se un elettrone e un antielettrone si incontrano le due particelle si annientano istantaneamente; scompaiono trasformando la loro massa in energia come descriveva la relatività di Einstein: E = mc2.
Nel 1932 l’antielettrone, che chiamiamo positrone, fu effettivamente osservato dallo scienziato americano Carl Anderson. Ecco finalmente la risposta all’enigma dello spazio vuoto ma vivo. Esiste una materia e un’antimateria che quando si incontrano si annichiliscono. Allora ogni volta che dal nostro piccolissimo volume di spazio vuoto, per il principio di Heisenberg, si crea una particella la sua antiparticella fa la stessa cosa e l’equilibrio energetico è conservato. All’interno dello spazio vuoto, all’interno del nulla si formano, prendendo energia, e si annichiliscono, restituendo l’energia presa, particelle e antiparticelle continuamente in una sorta di danza dinamica, una specie di effervescenza, di fluttuazioni quantistiche. Il vuoto, dall’essere il nulla, diventa qualcosa di brulicante attività. Una massa ribollente di particelle virtuali di materia e antimateria che appaiono e scompaiono miliardi e miliardi di volte in un tempo brevissimo.
L’esistenza delle particelle virtuali è stata osservata grazie a dei brillanti esperimenti di laboratorio che si basano sulle piccolissime oscillazioni che subiscono gli elettroni quando orbitano intorno al nucleo. Per capire, ma semplificando in maniera estrema, si potrebbe pensare a quando si vede un aereo che è costretto a variare la sua altitudine perché ha incontrato una turbolenza. L’elettrone subisce delle oscillazioni perché incontra le particelle virtuali che fluttuano nello spazio tra il nucleo e l’orbita, che per il nostro senso comune è vuoto. Usando la matematica ideata da Heisenberg, Dirac e altri è possibile calcolare la misura di quanto l’elettrone viene influenzato. Da tutto ciò possiamo concludere che il vuoto vuoto non esiste e che il vuoto è vivo ed è pregno di una energia misteriosa per mezzo della quale si formano e si disfano particelle e antiparticelle.
Acquisito il concetto che il vuoto è vivo e brulicante di fluttuazioni quantistiche, la fisica quantistica diviene ad oggi la teoria che meglio descrive il mondo naturale fino alla nascita dell’Universo. La teoria del Big Bang ci dice che quando nacque l’Universo era molto più piccolo di un atomo. A queste dimensioni governa la fisica quantistica e non le leggi della fisica classica. Quindi è stata la fisica quantistica a modellare inizialmente la struttura dell’Universo. Il nostro Universo è il risultato di un’evoluzione del mondo quantistico moltiplicato per molte, molte volte. Il nulla ha modellato il tutto. E abbiamo un modo per vederlo: la radiazione cosmica di fondo, l’immagine della prima luce rilasciata dopo il Big Bang.
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Vedere questa fotografia dell’Universo è come per una persona di 50 anni vedere la sua foto di quando era un feto di poche ore. E, come nelle cellule del feto possiamo analizzare il DNA, così in questa foto possiamo vedere il prototipo dell’Universo e analizzare quel che sarà dopo 13 miliardi e 800 milioni di anni. Le piccolissime variazioni di temperatura, dell’ordine del centomillesimo di grado, sono le irregolarità lasciate dal vuoto quantico nel nostro Universo, che hanno fatto sì che l’Universo si espandesse formando galassie, ammassi di galassie, stelle, pianeti, ecc. Applicando la fisica quantistica alla cosmologia gli scienziati hanno ottenuto un meccanismo naturale – le fluttuazioni quantistiche – per ipotizzare la sua nascita. L’idea che una galassia con centinaia di miliardi di stelle possa nascere da una piccolissima fluttuazione quantistica di quasi 14 miliardi di anni fa è fuori dal senso comune. Il pensiero è davvero sconvolgente, ma è scientificamente comprensibile perché alla fine il bilancio dell’energia di tutto l’Universo è zero. Cioè sommando tutte le energie positive e tutte le energie negative del nostro Universo il totale è zero.
Si direbbe che il mondo quantistico, il luogo che pensavamo come il vuoto, con le elucubrazioni di Einstein, Heisenberg, Dirac ed altri scienziati, abbia modellato tutto il cosmo che conosciamo. Dobbiamo pensare che le fluttuazioni quantistiche della brulicante attività del vuoto quantistico sono semi che hanno formato l’Universo che vediamo oggi. Allo stesso modo che quel feto di 12 ore, cioè poche cellule, è diventato la persona di 50 anni. La teoria dei quanti prevede che all’inizio nacque la stessa quantità di materia e antimateria, e che mentre il cosmo si raffreddava la materia e l’antimateria si annichilivano e alimentavano l’immenso calore che vediamo oggi in forma di radiazione a microonde. Però è successo che per ogni miliardo di particelle di materia e antimateria ne rimaneva una di materia. Le particelle rimaste, una per ogni miliardo, e che non sono state annientate sono quelle di cui sono fatte le galassie, i pianeti, e… le persone. Quello che pensavamo fosse il vuoto, con le teorie attuali della meccanica quantistica e con la scoperta del bosone di Higgs sembra aver svelato i misteri più reconditi del nostro Universo.
