Stars' dust: God's spell - The essence of emptiness

Pippolo Angelina – Star’s Dust, God’s Spell : the Essence of Emptiness

1. Il nero come sinonimo di vuoto

- La “tappezzeria” cosmica: vuoti e materia

Alzando gli occhi al cielo, di sera,

o di notte, qualsiasi occhio nota im-

mediatamente il colore cupo, denso,

del cielo, che sembra quasi asfittica-

mente costituito da neri abissi vuoti,

più che da stelline luminose, galassie,

dalla Via Lattea. Sembra esserci pro-

prio una predominanza di un “nulla”, i

più lo chiamano “lo spazio”, o si Fig. 1.1. / Fig. 1.2. Via Lattea magnificamente visibile in una chiara notte

vuoto , inteso come

spingono più in là definendolo proprio

spazio privo di materia. In un certo senso è indiscutibile,

se ci mettiamo dalla parte del “senso comune”; le stelle,

come le galassie, i superammassi di galassie, i pianeti

(la Terra non fa eccezione) sono dei granellini di sabbia

dispersi in questo spazio, e ai giorni d’oggi, si può asse-

rire che l’universo conoscibile è costituito per il 10% dal-

vuoto, ossia privo di

la materia, e per ben il 90% è.. “

materia”

.

L’universo può essere immaginato come una “bolla di

sapone” (la cui superficie può rappresentare, indicativa-

mente, i “concetti” di spazio e il tempo) che trascina se-

co la materia, le stelle, le galassie, nel mentre in cui

possono essere visibili dei grandi “vuoti cosmici” (di recente sono state scoperte zone prive di

materia con diametri anche di diecimila miliardi di chilometri): nell’universo esistono delle grandi

regioni “vuote”, del diametro, mediamente, di decine di milioni di anni luce e prive di ga-

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lassie. Questi hanno la forma di grandi cavità

quasi sferiche, e sono interconnesse in una spe-

cie di sterminata rete tridimensionale, come se

fosse una ragnatela, ma non regolare.

Pensiamo di essere distesi, ora, e di fissare

il cielo. Sono le due di notte, e non c’è una

sola nuvola che copre la volta celeste. Perchè è

Perché parliamo di miliardi di

nero, questo cielo? Fig. 1.3. “Questi vuoti hanno la forma di grandi cavità

miliardi di miliardi di stelle, galassie, superam- quasi sferiche, e sono interconnesse in una specie di

sterminata rete tridimensionale, come se fosse una ra-

massi di galassie, e in contemporanea ci ritro- gnatela, ma non regolare.”

viamo a fissare una volta celeste che è praticamente nera? La risposta è abbastanza sempli-

ce, e la si può spiegare in due modi diversi, a seconda che si studi la cosa da un punto

di vista soggettivo (ossia partendo dalla considerazione del fatto che noi viviamo qui, sul pia-

neta Terra, che ha come caratteristica fon-

damentale la presenza di una particolare

atmosfera, e di una particolare posizione

nel sistema solare) e da un punto di vista

oggettivo, ossia considerando l’universo a

partire da ciò che gli studi scientifici e le

ricerche hanno potuto costruire riguardo al

suo passato e, volendo, al suo possibile

futuro.

Si tolga una certa percentuale di non

visibilità dovuta all’illuminazione artificiale

prodotta dall’uomo, che sicuramente rema Fig. 1.4. Perché lo spazio è buio?

contro l’osservazione; il motivo per cui ve-

diamo il cielo nero è il medesimo che ci consente di vederlo azzurro / blu di giorno:

l’atmosfera è tale da “filtrare” i raggi solari. La luce proveniente dal Sole colpisce le molecole

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dell' atmosfera terrestre e viene diffusa in

Fig. 1.5. Diffusione della luce

tutte le direzioni. Il colore blu del

cielo è un risultato del processo di

diffusione. Di notte, quando la parte

della Terra in cui ci troviamo è rivolta

in direzione opposta al Sole, lo spazio è

nero perché non ci sono sorgenti

luminose vicine, come il Sole, la cui luce

possa essere diffusa.

Ora, studiamo la cosa da una

Fig. 1.6. Cielo, nuvole,, luce.

prospettiva un po’ più complessa: se l'Universo è

perché la luce proveniente da tutte le stelle non si somma rendendo il cielo

pieno di stelle,

sempre luminoso ? Se l'Universo fosse infinitamente grande e fosse sempre esistito, ci aspette-

remmo che il cielo notturno fosse chiaro, perché sarebbe illuminato dalla luce di tutte queste

stelle. In ogni direzione tu guardassi nello spazio, troveresti una stella. Tuttavia sappiamo per

Paradosso di Ol-

esperienza che lo spazio è scuro. Questa contraddizione prende il nome di

bers . E' un paradosso perché secondo logica ci aspetteremmo di vedere il cielo notturno lu-

minoso, invece l'esperienza ci dice il contrario. La notte è nera

: in un universo “statico” non

1

Guarda il cielo e conta le stelle, se puoi. ve ne era motivo, doveva brulicare di luce. Con

(Bibbia)

l’”avvento” della teoria dell’espansione dell’universo, le stelle, galassie ecc. non emettono abba-

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Immagina di abbracciare l'immensità del tempo e l'universo, e poi pa-

stanza luce tanto da ragona all'infinito quella che chiamiamo vita umana: vedrei come è

poca cosa questa vita che desideriamo e cerchiamo di prolungare.

riscaldare l’universo stesso (Seneca)

2

(il fatto che l’universo sia

in espansione, che la temperatura sia diminuita fin da quando è nato, sono correlati a ciò).

2. Il vuoto vero e proprio

prio in astrono

o mia e fisica classica…

…

pro astron classica

In astronomia, i vuoti sono i grandi spazi per l’appunto vuoti (nel senso sempre comune del

termine) tra i “filamenti” di galassie, tra le strutture più grandi dell'Universo, che contengono

nessuna o pochissime galassie, come

già accennato nel paragrafo precedente. Convenzionalmente si definiscono diversi gradi di “vuoto”.

I vuoti hanno tipicamente un diametro Si possono definire i seguenti gradi:

da 30 a 500 milioni di anni luce e • 5

Rough vacuum

Vuoto basso ( , RV): 1 · 10 Pa –

2

1 · 10 Pa

quelli particolarmente grandi, definiti dal- • 3 -

Medium vacuum

Vuoto medio ( , MV): 1 · 10 Pa – 1 · 10

1

l'assenza di superammassi ricchi, sono a Pa

• -1 -5

High vacuum

Vuoto alto ( , HV): 1 · 10 Pa – 1 · 10 Pa

volte chiamati supervuoti. • -5

Ultra high vacuum

Vuoto ultra alto ( , UHV): 1 · 10 Pa –

-9

1 · 10 Pa

assenza di

La parola vuoto significa • Extremely high vacuum

Vuoto estremamamente alto ( , EHV):

-9

< 1 · 10 Pa

ogni cosa . Nella fisica classica, prece- • 5

Pressione atmosferica: 1,01315 · 10 Pa

dente all'avvento della meccanica quanti- • -4

Atmosfera terrestre esterna = 1,3 · 10 Pa

• -6

stica (primi decenni del '900), uno spa- Pressione atmosferica sulla Luna = 1,3 · 10 Pa

- 8

Spazio interstellare = 1,3 · 10 Pa

•

non vi è

zio vuoto è uno spazio dove

né materia né energia . Ora, nell’universo, pro- Fig. 2.1. Tabella dei gradi di “vuoto”

babilmente (anzi, dopo vedremo sicuramente),

non esistono regioni di spazio completamente vuote, parlando in termini di energia, oltre che

di materia. Basti pensare alla radiazione fossile primordiale (ciò che si suppone rimanga dalla

immane esplosione che diede origine all'universo secondo la teoria del Big Bang); essa do-

vrebbe, se questa teoria è esatta, essere presente ovunque. - 7 -

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Molto semplicemente, potremmo anche pensare di avere la “presunzione” di poterlo creare

noi stessi un vuoto degno 3

di tale nome: secondo la “ reci

i

Il vuoto è ciò che rimane in un rec piente dopo che

rimos

s so”

tutto ciò che si può rimuovere è stato rimo

fisica classica, si può be- (James Clerk Maxwell)

nissimo pensare che esista.

Mi ripeto. Basterebbe, infatti,

semplicemente isolare com

m pletamente una regione spa

a zio e privarla di tutta la e

co di sp materia

contenuta. Teoricamente nessuno ci vieta di poter pensare a una siffatta re-

l'energia in esso contenuta

gione di spazio, il limite di ciò non è teorico, è (in teoria, e mi scuso per la ripetizione) so-

Sarebbe

lo pratico. solo un problema tecnologico.

Teoricamente, quindi, secondo la fisica classica il vuoto (assenza di ogni cosa) è possi

i

bile.

poss

3. … il principio di indeterminazione

erminazione di Heisenberg…

indet

Ora, spostiamoci su una branca moderna della fisica: parliamo di meccanica quantistica, ba-

sata sostanzialmente su concetti antitetici alla fisica classica (diciamo che va oltre la fisica

classica, spiegando realtà microscopiche che in precedenza non potevano riscontrare dei risulta-

ti, delle risposte con la fisica precedente. La fisica classica, infatti, si può considerare una

“particolarità” della fisica quantistica).

Secondo la meccanica quantistica un corpo non può avere posizione e veloci-

tà contemporaneamente determinate con precisione assoluta, e tale principio ha il nome di

principio di inde

e terminazione d i Heisenberg.

ind Heisenberg

Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che il prodotto fra l'indeterminazione

con cui si conosce la posizione di un corpo per l'indeterminazione con cui si conosce la sua

velocità non può essere minore di un valore ben preciso (anche se molto piccolo) detto co-

-34

stante di Planck (6,626 x 10 Js).

Matematicamente si ha: ∆x ∆v ≥ ħ - 8 -

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dove indica l'indeterminazione con cui si conosce la posizione e indica l'indetermina-

∆x ∆v

zione con cui si conosce la velocità. La costante di Planck è indicata dalla lettera (si pro-

ħ

nuncia "acca tagliata").

Per gli oggetti macroscopici della nostra esperienza (e per l'intera fisica classica che si oc-

cupa appunto di corpi macroscopici) il principio di indeterminazione di Heisenberg non è ap-

molto piccola

prezzabile in quanto è . Non è così per gli oggetti microscopici che costitui-

ħ particelle elementari

scono la realtà: le cosiddette . Esse sono così piccole che le indetermina-

zioni delle loro posizioni e velocità possono essere dell'ordine di Nel mondo microscopico,

ħ.

quindi, il principio di indeterminazione di Heisenberg è fondamentale e tutti i fenomeni devo-

no sottostare allo stesso.

Una conseguenza diretta del principio di indeterminazione di Heisenberg è quella che un

corpo non può avere contemporaneamente posizione e

velocità assolutamente determinate perché in questo Fig. 4.1. Le fluttuazioni quantistiche.

Il concetto di probabilità nella Meccanica

caso si avrebbe e per cui il loro prodot-

∆x=0 ∆v=0 Quantistica è importantissimo

to sarebbe zero in contraddizione col principio stesso.

esattamente

Altrimenti, se per esempio si conoscesse

la posizione di un corpo, ovvero la sua indeterminazio-

ne tendesse a zero, l'indeterminazione corrisponden-

∆x

te della velocità diventerebbe infinita. Ovvero, se un

esatta

corpo ha una posizione , la sua velocità diventa

del tutto indeterminata.

4. … e la visione del vuoto grazie all’avvento della Fi-

i-

F

Quantistica

sica

Ma torniamo a noi, e alla rivoluzione vera e propria

che la fisica quantistica fa nascere, riguardo alla conce- - 9 -

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zione comune che si aveva (e si ha tuttora..) del vuoto.

Prendiamo in considerazione una scatola, una scatola “vuota”, o un bicchiere, il classico bic-

chiere soggetto della domanda, piuttosto simpatica, “ma il bicchiere è mezzo pieno o mezzo

vuoto?”. Ecco, sappiamo benissimo che il bicchiere può essere considerato, oramai, alla luce

anche della meccanica quantistica, sempre e comunque pieno: primo, perché se è riempito per

pieno

metà di acqua, per esempio, e siamo all’interno dell’atmosfera terrestre, l’altra metà è ricolma

di aria, pullulante di particelle di gas vari, ecc.; secondo, perché se siamo nello spazio, po-

niamo in una regione ove pressioni, e densità, sono bassissime, il bicchiere sarà comunque

sempre pieno.

Secondo le leggi della

Meccanica Quantistica le

grandezze fisiche non sono

mai determinate, ma devono

inevitabilmente fluttuare:

l’unica sicurezza che pos-

siamo oggettivamente avere

è data dalla PROBABI

I

LITÁ.

PROBAB LITÁ

La teoria della relatività

generale tratta piani lisci e