martedì 23 aprile 2013

Il vuoto

Alcune riflessioni giusto prima di sedersi a cena.

Preciso fin da subito che per vuoto, non intendo lo spazio che alberga nella testa di alcune persone, ma qualcosa di più profondo.

1. COSA ERA IL VUOTO

Il concetto di vuoto è cambiato profondamente nel corso del tempo: per Aristotele, ad esempio, il vuoto non esisteva affatto. "La natura - egli diceva - aborre il vuoto". Il filosofo greco era giunto a questa conclusione dopo aver osservato che quando da un luogo veniva tolta tutta la materia, producendo appunto il vuoto, immediatamente nuova materia vi si precipitava a colmarlo; per Aristotele quindi la materia doveva essere ovunque.

Ancora oggi, nella pratica di tutti i giorni, definiamo il vuoto come il nulla. Se ad esempio un bicchiere contiene solo aria diciamo che è vuoto, pur sapendo che l'affermazione non è corretta, perché l'aria è materia anch'essa, seppure molto poco densa.

Il fatto che l'aria abbia una massa e sia quindi soggetta all'attrazione gravitazionale terrestre fu riconosciuto solo verso la metà del diciassettesimo secolo quando il fisico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) eseguì il famoso esperimento del tubo di vetro pieno di mercurio con l'estremità aperta posta all’interno di una vaschetta, anch'essa piena di mercurio. Fino a quel tempo era rimasta in auge la teoria aristotelica dell'«horror vacui».

Questa, come abbiamo detto, sosteneva che il vuoto non poteva esistere e che ovunque si fosse tentato di crearlo, immediatamente quel luogo sarebbe stato invaso dalla materia. In realtà molti fatti dell'esperienza quotidiana confermavano questa teoria, ma ogni tanto appariva qualche fenomeno al quale la stessa teoria non era in grado di dare risposta.

Uno di questi era la mancata estrazione dell'acqua da pozzi molto profondi per mezzo delle pompe aspiranti che erano costituite da un cilindro all'interno del quale, mosso da una leva, era libero di scorrere uno stantuffo che aderiva perfettamente alle pareti del suo contenitore. Abbassando la leva della pompa lo stantuffo veniva tirato verso l'alto lasciando uno spazio vuoto nella parte inferiore del cilindro. Pertanto, poiché la natura ha orrore del vuoto, se il tubo fosse stato collegato con una cisterna piena d'acqua, quest'ultima avrebbe dovuto innalzarsi in esso. E in effetti l'acqua si precipitava nel vuoto creato dallo stantuffo che si era alzato ma, qualora il dislivello fra l'acqua contenuta nella cisterna e la sommità del tubo fosse stata superiore ai 10 metri, l'acqua non sarebbe riuscita a superarlo, anche se la macchina aspirante fosse stata in perfetto stato e l’operatore si fosse impegnato a pompare con forza e a lungo.

Per quanto la cosa fosse nota da tempo, l'uomo prese coscienza di questa anomalia solo agli inizi del Seicento quando se ne occupò Galileo Galilei. L'occasione gliela offrì, nell'estate del 1630, un certo Giambattista Buliani, il quale gli scrisse da Genova per chiedergli lumi su di un fatto che gli era capitato di osservare. Egli raccontò in quella lettera di aver costruito un sifone che doveva servire per portare l'acqua al di là di un monte, ma questo sifone non funzionava. Riempitolo d'acqua, infatti, la stessa poi ricadeva da ambo le parti del tubo ricurvo, lasciando un vuoto all'interno della zona superiore, il quale non veniva più riempito dall'acqua.

Galilei gli rispose che a lui era capitato di assistere a qualche cosa di simile e che se gli fosse stato chiesto il parere prima della costruzione dell'impianto, avrebbe potuto fargli risparmiare la spesa, mostrandogli "l'impossibilità del quesito".

In realtà lo scienziato pisano, per spiegare l'anomalia del fenomeno osservato, aveva elaborato una teoria (sbagliata) la quale null’altro era che un ampliamento dell'idea aristotelica dell'«horror vacui». Egli pensava infatti che una colonna d'acqua troppo alta tendeva a spezzarsi sotto l'azione del suo stesso peso, così come si spezza una fune di materiale poco resistente quando, fissata in alto, viene tirata dal basso. Fu quindi proprio questa analogia fondata sull'esperienza osservativa a portare il Galilei fuori strada.

La questione venne risolta, come abbiamo accennato, qualche anno più tardi da un discepolo di Galilei, il fisico Evangelista Torricelli, il quale, in seguito alla sua famosissima “esperienza dell'argento vivo, ebbe concetto" che la forza che reggeva la colonna di mercurio all'interno del tubo di vetro non fosse dovuta all'«horror vacui», ma al peso dell'aria che gravava sul mercurio contenuto nella vaschetta sottostante. Allo stesso modo, l'acqua che sale nel tubo dal quale viene aspirata l'aria, vi sale non già perché deve andare a colmare il vuoto che la natura teme, ma perché viene spinta dalla pressione dell'aria che agisce sull'acqua contenuta nel pozzo.

Poiché si trattava semplicemente di stabilire un’uguaglianza tra pesi Torricelli pensò che non fosse indispensabile usare l’acqua e infatti giudicò più comodo sperimentare con il mercurio: riempì quindi con questa sostanza una provetta lunga un metro e con la sezione di un centimetro quadrato che poi rovesciò, tenendola ben chiusa con il pollice, in una vaschetta piena dello stesso metallo liquido. Tolto il dito dall’apertura del tubo, il mercurio scese fino a raggiungere l’altezza di circa 75 cm. Nei restanti 25 centimetri della provetta si era creato il vuoto, quello che ancora oggi si chiama “vuoto torricelliano”, anche se non si tratta di un vuoto vero e proprio poiché quello spazio contiene una piccola quantità di vapori di mercurio.

Torricelli non si limitò tuttavia a proporre una nuova ipotesi per spiegare il fenomeno che aveva osservato, ma suggerì anche un esperimento (che poi verrà realizzato da altri), che avrebbe potuto avvalorare o falsificare la sua idea. L'esperimento consisteva nel misurare l'altezza del mercurio all'interno del tubo di vetro in alta montagna. Se era vero che era l'aria che premeva sul mercurio contenuto nella vaschetta ad innalzare quello presente nel tubo di vetro, diminuendo il peso dell'aria sovrastante avrebbe dovuto diminuire anche il livello del mercurio all'interno del tubo di vetro. L'esperimento venne realizzato per la prima volta nel 1648 dal matematico francese Blaise Pascal e confermò la previsione del fisico italiano.

Questo è il vero significato che una nuova teoria scientifica deve contenere: essa non solo deve spiegare in modo chiaro e coerente i fatti da cui ha tratto origine, ma deve anche poter avanzare previsioni su comportamenti che saranno eventualmente verificati in un secondo momento. Con la nuova teoria proposta da Torricelli l'uomo fu in grado di giustificare correttamente i fenomeni fino ad allora conosciuti e inoltre di spiegarne un numero sempre più vasto di nuovi.



2. COSA E’ OGGI IL VUOTO

Oggi l’idea di una natura che ha orrore del vuoto è cambiata radicalmente: la natura non aborre affatto il vuoto anzi, l’Universo è quasi ovunque vuoto ed è semmai la materia che ora costituisce l’eccezione. In verità è la materia stessa praticamente vuota essendo la sua massa quasi interamente concentrata nei piccolissimi nuclei degli atomi che la costituiscono. Non solo, ma la vecchia idea di vuoto che veniva assimilato al nulla è cambiata pure essa.

La meccanica quantistica, ossia la teoria che descrive il comportamento originale e imprevedibile delle particelle subatomiche (elettroni, fotoni, quark, ecc.) ha una visione del tutto nuova di vuoto: essa lo immagina pervaso da continue fluttuazioni energetiche dalle quali si genera materia. Si può dunque dedurre che la materia e l’energia derivino dal nulla? Sì, purché materia ed energia che emergono dal nulla in modo spontaneo e senza motivo un istante dopo essere apparse vengano distrutte e ritornino nel nulla. Come è possibile?

Uno dei risultati più straordinari della fisica del microcosmo è l’avere scoperto che lo spazio vuoto non è affatto vuoto: appare tale solo perché la creazione e la distruzione incessante di particelle ed altre strane entità si verifica in esso su intervalli temporali brevissimi e tali comunque da non lasciare allo sperimentatore il tempo materiale per la loro rilevazione. Il vuoto sembra tranquillo e calmo su scala macroscopica come appare piatto e uniforme il mare visto da un aereo che vola ad alta quota mentre se si stesse su una barchetta esso si mostrerebbe ben diverso, con onde e flutti anche di notevoli proporzioni. Allo stesso modo, se lo potessimo guardare da vicino, il vuoto apparirebbe un mare in tempesta ribollente di ogni sorta di manifestazioni stravaganti, fenomeni che avverrebbero da sempre e in ogni dove. Oggi si ritiene non solo che la natura non abbia affatto paura del vuoto, ma che ogni cosa che esiste e che esisterà in futuro è stata ed è tuttora presente in forma virtuale nel nulla dello spazio.

Questa incredibile proprietà del vuoto scaturisce dalla combinazione della meccanica quantistica con la relatività di Einstein. Una conseguenza diretta della meccanica quantistica (o fisica dei quanti) è il principio di indeterminazione di Heisenberg il quale afferma che il mondo microscopico possiede un’incertezza di fondo: l’impossibilità di determinare con precisione assoluta i parametri fisici delle particelle di piccole dimensioni. Nel vuoto questa incertezza si manifesta sotto forma di piccole fluttuazioni energetiche che vanno e vengono senza sosta e che in parte si convertono in entità materiali. La teoria della relatività, attraverso la famosa equazione E=mc² (energia uguale massa per velocità della luce al quadrato), suggerisce infatti che l’energia possa trasformarsi in materia e viceversa. Per la precisione la materia si genera a partire dall’energia sotto forma di particella e antiparticella (ad esempio elettrone e positone insieme) dalla vita brevissima: per tale motivo esse vengono chiamate “virtuali”. Le particelle virtuali quanto più sono grandi tanto meno vivono, ma in quel breve lasso di tempo potrebbero anche diventare reali (cioè particelle effettive) se potessero disporre di una fonte di energia adeguata. Ma se le particelle virtuali non possono essere viste come facciamo a sapere che esistono? Ce lo garantisce la teoria, ancorché per la scienza la teoria non basti.

L’esistenza di coppie effimere particella-antiparticella nel vuoto può essere verificata sia pure indirettamente mediante esperimenti di alta precisione: è indispensabile innanzitutto cercare uno spazio vuoto entro il quale condurre l’esperimento. Il vuoto che riusciamo a creare con le tecniche disponibili non è sufficiente perché quello spazio non è affatto vuoto. Con la classica pompa per vuoto, in funzione nei gabinetti scientifici di molte scuole, si ottiene solo aria rarefatta. Un risultato migliore si ottiene con pompe rotative o con le più moderne pompe criogeniche che condensano i gas su superfici freddissime e poi li eliminano. Tuttavia, per quanto ci si impegni, all’interno del recipiente nel quale si cerca di creare il vuoto resterebbero sempre alcune decine di migliaia di particelle per centimetro cubo, poche rispetto ai miliardi di miliardi che affollano lo stesso volume in condizioni normali ma sempre troppe per considerare vuoto quello spazio. Per ottenere qualche cosa di meglio ci si dovrebbe trasferire nello spazio dove il vuoto è molto più spinto di quello ottenibile in qualsiasi laboratorio terrestre. Anche il vuoto cosmico tuttavia non è del tutto vuoto: qualche elettrone, qualche atomo o rari granellini di polvere finissima si incontrano anche da quelle parti. Tuttavia nello spazio interstellare vi è molto poca materia tanto che per raggranellarne un grammo si dovrebbe rastrellare uno spazio grande come il nostro pianeta.

Per il nostro esperimento nemmeno lo spazio cosmico andrebbe bene: servirebbe un vuoto assoluto e uno spazio con quelle caratteristiche è stato individuato all’interno dell’atomo le cui particelle costitutive (nucleo ed elettroni che gli girano intorno) sono migliaia di volte più piccole dell’atomo intero: ragione per cui l’edificio nel suo complesso appare vuoto. Ebbene, proprio nel vuoto presente fra il nucleo centrale e gli elettroni che si muovono intorno ad esso si vengono a creare particelle virtuali che, come abbiamo detto, è impossibile vedere direttamente ma i cui effetti sono misurabili sugli elettroni periferici dell’atomo stesso.

L’esperimento venne portato a termine, nell’immediato dopo guerra, utilizzando alcune tecniche di precisione che furono messe a punto nel corso del secondo conflitto mondiale dal fisico sperimentale Willis Lamb. Egli misurò piccole variazioni orbitali dell’elettrone dell’atomo di idrogeno le quali venivano poi confrontate con i calcoli teorici basati sulla elettrodinamica quantistica. Se i calcoli non avessero tenuto conto della comparsa e della successiva scomparsa di una coppia particella-antiparticella virtuale, ci sarebbe stata discordanza fra predizioni teoriche e osservazioni sperimentali. Questa discordanza invece non c’era e l’orbita dell’elettrone calcolata sulla carta si accordava perfettamente con le misurazioni effettuate da Lamb a dimostrazione del fatto che le particelle virtuali che affollano il vuoto producono effetti reali sulla materia.

Una seconda convalida del nuovo modo di concepire il vuoto si ebbe all’interno dei ciclotroni, le macchine nelle quali vengono accelerate le particelle subatomiche per poi farle scontrare fra di loro. Lanciando gli uni contro gli altri, elettroni e positoni, (cioè materia ed antimateria) l’energia che scaturisce dalla loro annichilazione è sufficiente per rendere reali le particelle virtuali fluttuanti nel vuoto. In questo modo venne creato uno dei tre quark esistenti (il charm) con il corrispondente antiquark. I fisici confidano con queste tecniche di tirare fuori dal vuoto nuove forme di materia ancora sconosciute.

Dal vuoto sarebbe addirittura nato l’Universo intero. Non è infatti da escludere che anche il Cosmo si sia materializzato dal nulla in seguito ad una gigantesca fluttuazione quantistica del vuoto: le leggi della fisica, come abbiamo visto, non escludono una simile eventualità.

2 commenti:

Silvia Azzaroli ha detto...

Molto molto interessante questo tuo articolo sul vuoto socio. Mi hai aperto nuovi mondi su fisica quantistica, Einstein, teoria della relatività e genesi dell'universo.
Attendo un seguito.

Mauro ha detto...

Silvietta, il tuo compare mi vuole rubare il lavoro di fisico ;)

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