Chi credette che la velocità della luce è una costante dell’Universo e non la si deve riferire a nessun sistema di riferimento fu lo scienziato più famoso del XX secolo: Albert Einstein (1879-1955). Einstein dice che tutte le contraddizioni si risolvono ponendo la velocità della luce costante per tutti i sistemi di riferimento. Quindi vanno bene le equazioni di Maxwell perché non c’è bisogno di specificare alcun sistema di riferimento assoluto. Nel 1905, Einstein nella sua teoria della relatività ristretta pose come assioma che la velocità della luce nel vuoto è una costante dell’Universo e dimostrò che massa ed energia sono la stessa cosa. Ecco che scompare l’etere luminifero e ritorna in qualche modo il vuoto.
Questa storia del vuoto sembra un’altalena che guida la scienza. Ogni volta che si dà una nuova definizione del vuoto essa modifica l’evoluzione della scienza.
Einstein continua. Poiché la velocità è data dallo spazio percorso rispetto al tempo impiegato (v=s/t) se la velocità della luce è la stessa per tutti i sistemi di riferimento bisogna abbandonare l’idea che lo spazio e il tempo siano gli stessi per tutti, come diceva Newton e tutta la scienza fino ad allora. Questo vuol dire che lo spazio e il tempo si devono modificare. Lavorando su questa ipotesi Einstein dimostrò che lo spazio e il tempo sono indissolubilmente uniti. Non si devono più menzionare separati ma unificati in una sola parola: spaziotempo ed è lo spaziotempo che si modifica al variare della velocità dell’osservatore. Questo spaziotempo universale è una sostanza materiale che muta, nel senso che si allunga e si accorcia, si deforma e si curva a seconda della velocità con cui ci muoviamo e della forza del campo gravitazionale in cui ci troviamo. L’altalena continua: ora il vuoto è pieno dello spaziotempo deformabile. In questo modo Einstein risolve anche il problema di come si trasmette la forza di gravità universale di Newton: la gravità non è un’interazione a distanza ma è la deformazione geometrica del tessuto dell’Universo e tutti i corpi devono seguire questa deformazione. La gravità è una proprietà geometrica dello spaziotempo.
La teoria della relatività stravolge i nostri comuni concetti di spazio e di tempo: lo spazio e il tempo non sono più concetti e non sono più separati, essi costituiscono la struttura materiale dell’Universo. Gli effetti della loro deformazione sono energia potenziale che si accumula e diventano tanto più grandi quanto più ci avviciniamo alla velocità della luce o quanto più la massa è enorme. Per le nostre velocità e gravità terrestri queste deformazioni sono talmente piccole che risultano impercettibili ai nostri limitati sensi.
Avendo la relatività ristretta equiparato la massa all’energia oggi fare il vuoto non significa più togliere tutto quello che c’è dentro alla maniera classica, cioè di togliere tutte le particelle perché occorre togliere anche tutta l’energia. E questo crea di nuovo qualche problema col concetto di vuoto e con l’idea che si possa fare il vuoto completo. Perché se pure togliamo tutta la materia restano altre cose come, per esempio, l’energia del calore. Per togliere il calore dovremmo portare la temperatura allo zero assoluto. E questo secondo la termodinamica è vietato: non si può raggiungere lo zero assoluto. Pertanto già la fisica classica non consente di fare il vuoto assoluto perché posso ridurre la temperatura al minimo ma non posso raggiungere lo zero assoluto e quindi restano quelli che oggi chiamiamo quanti di campo elettromagnetico, i fotoni.
Le cose si complicano con la fisica quantistica perché il principio di indeterminazione di Heisenberg dice che di due quantità correlate non posso conoscere con precisione assoluta entrambe. Per esempio velocità e posizione di una particella: quanto più informazione precisa ho su una della due tanto meno accurata ne ho sull’altra. Lo stesso succede con energia e tempo. Non posso togliete tutta l’energia da una regione dello spazio perché in questo modo saprei con totale precisione il suo valore: zero. E questo non è consentito dalla fisica quantistica. Nelle previsioni della fisica quantistica, anche quando tolgo tutto da una regione dello spazio, rimane sempre un’energia residua che si chiama energia di punto zero. Il vuoto pertanto è lo stato di energia minima che può raggiungere un sistema. Un’energia che è diversa da zero ed è un’energia ineliminabile, che è associata alla costante cosmologica introdotta arbitrariamente da Einstein nella equazione della relatività generale per “stabilizzare” l’Universo, e che la fisica moderna dà quest’altra interpretazione: è lo stato fondamentale, l’energia fondamentale di tutti i campi, di tutte le interazioni presenti nell’Universo. Insomma è questa energia del vuoto, come è chiamata oggi, che permette l’espansione dello spazio e addirittura l’attuale accelerazione dell’espansione dell’Universo. Ma è anche l’energia che, secondo molti cosmologi, ha dato origine all’Universo stesso quando questa energia del vuoto dominava in assoluto e che in una delle fluttuazioni quantistiche, ha dato origine all’inflazione cosmica cioè a un’espansione accelerata velocissima in maniera esponenziale. Le spiegazioni che gli scienziati oggi danno dell’origine dell’Universo è che esso è nato dal vuoto, da una fluttuazione quantistica di questa energia del vuoto che per caso ha inglobato una particella scalare che hanno chiamato inflatone. Ma questo è tutto le hanno dato il nome ma non sanno cos’è. Allora la famosa frase degli atomisti: “Tutto è fatto di atomi e di vuoto”, oggi si dovrebbe riscrivere in forma più breve, così: “Tutto è fatto di vuoto”. Oggi, basandosi sul principio di indeterminazione, gli scienziati pensano che il vuoto sia dotato di una potenzialità, di una capacità di dare vita non solo al nostro universo ma addirittura a tantissimi universi con caratteristiche diverse. Oggi la scienza dice che il vuoto quantistico, con le sue fluttuazioni e le sue infinite popolazioni nascoste di materia e antimateria, è tutt’altro che vuoto. Il vuoto non è qualcosa di negativo e di pauroso, non è la fine bensì l’inizio. Il vuoto della fisica non è abisso immobile, il nulla, ma è pieno di probabilità creatrici e una di esse ha formato il nostro universo. E l’Universo, un vuoto che si è travestito, è in espansione ed è fatto di due ingredienti: massa-energia (energia cinetica, positiva) e spaziotempo-deformato (energia potenziale, negativa). Queste due energie si equivalgono costantemente e tutto l’Universo si tiene in equilibrio da 13 miliardi e 800 milioni di anni con energia totale nulla.
Oggi la scienza ci dice che l’Universo, avendo energia totale nulla, carica totale nulla e momento angolare nullo ha gli stessi numeri quantici del vuoto: questo significa che i due sistemi sono indistinguibili. Pertanto è corretto affermare che l’attuale Universo è il risultato di una trasformazione del vuoto e che quindi rimane ancora vuoto. Un concetto che ci lascia a bocca aperta e che stravolge completamente la millenaria concezione aristotelica del mondo basata sui sensi. Oggi alla domanda di Leibniz possiamo rispondere così: “il qualcosa e il nulla praticamente sono due facce della stessa medaglia, del vuoto”. E alla teoria di Parmenide possiamo dire che l’essere è il non-essere.
Ma non finisce qui. Tutto questo ci dice che c’è tanto ancora da scoprire sulle proprietà del vuoto, come, appunto, cos’è l’inflatone e in fondo qual è la natura dell’energia del vuoto. Pertanto possiamo concludere che il vuoto della fisica contemporanea è pieno di potenzialità e pieno anche di cose che gli scienziati non hanno capito del tutto e che speriamo di capire in futuro. Ai giovani ricercatori l’ardua sfida.
Zarrella Michele
Presidente di Astronomia Moderna
