Meccanica Quantistica: l'inesistenza del vuoto
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.
Questa incredibile proprietà del
vuoto scaturisce dalla combinazione della meccanica quantistica con la
relatività di Einstein. Una conseguenza diretta della meccanica quantistica 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 l'equazione E=mc² , suggerisce infatti che l'energia
possa trasformarsi in materia e viceversa.
Dunque è possibile che queste
particelle esistano, ma sotto forma di particella e antiparticella dalla vita
brevissima e per questo sono 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?
L'esistenza di coppie effimere particella-antiparticella nel
vuoto può essere verificata sia pure indirettamente mediante esperimenti di
alta precisione ma è indispensabile innanzitutto cercare uno spazio vuoto entro
il quale condurre l'esperimento. Il vuoto che possiamo ottenere sulla Terra
perfino con le più avanzate tecnologie non è altro che aria rarefatta,
tutt'altro che vuoto. 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. Dunque per il nostro esperimento nemmeno lo
spazio cosmico andrebbe bene: come si è già dimostrato un vuoto assoluto e uno
spazio con quelle caratteristiche è stato individuato all'interno dell'atomo le
cui particelle costitutive sono migliaia di volte più piccole dell'atomo
intero: ragione per cui l'atomo 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. 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.
Quindi la conclusione che la scienza
moderna può trarre è che 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.
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