18 maggio 2009

Se il vuoto non è “vuoto” ovvero l’energia dal nulla e l’espansione dell’Universo

Profondo cielo, telescopio Hubble

L’affermazione secondo cui il vuoto non è “vuoto” potrebbe suonare come un semplice bisticcio di parole, ma da un punto di vista scientifico la frase assume una notevole importanza a causa delle implicazioni fisiche e cosmologiche associate; stiamo parlando dell’Energia del vuoto, quell’energia che possiamo spiegare ricorrendo soltanto alle leggi della meccanica quantistica. Ma andiamo con ordine… 

Nel 1948 il fisico olandese Hendrik Casimir teorizzò l’effetto che porterà il suo nome, l’effetto Casimir, appunto. Se si pongono due piastre metalliche piane e parallele distanti pochi micron l’una dall’altra in condizioni di vuoto e in assenza di campi magnetici, si riscontra una forza che tende ad avvicinarle. Di cosa si tratta? Di un effetto della meccanica quantistica che a certe condizioni mostra fenomeni macroscopici. L’effetto Casimir in particolare è generato dalla “spinta” delle particelle virtuali, particelle che “esistono” per un tempo brevissimo prima di annichilirsi e scomparire. Queste particelle virtuali “urtano” le piastre determinando la nascita di due forze opposte: nelle pareti esterne la forza è maggiore, mentre nelle pareti interne, distanti tra loro pochi micron, la forza sviluppata è minore. Ma perché quest’ultima forza è minore e non uguale? Una particella si comporta come un’onda, così come un’onda elettromagnetica si comporta come una particella: è uno dei fondamenti della meccanica quantistica, il dualismo onda particella. Nello spazio di pochi micron infatti potranno esistere solo particelle più piccole rispetto a quelle delle pareti esterne, ossia a lunghezze d’onda minori della distanza tra le due piastre. La forza sprigionata (e quindi l’energia) di queste ultime particelle è inferiore a quella sviluppata nelle altre pareti: per questo motivo le lastre tendono ad avvicinarsi l’un l’altra, perché la dimensione delle particelle virtuali esterne, e l’energia sviluppata, risulta maggiore.
Cosa comporta dunque l’effetto Casimir? Determina la conseguenza che il vuoto non è del tutto “vuoto” ma è perturbato da fluttuazioni quantistiche, cioè dalla continua creazione e annichilazione di particelle e antiparticelle. In poche parole anche nel vuoto c’è una certa quantità di energia che si ripercuote su scala macroscopica anche nelle leggi che regolano l’Universo.

L'effetto Casimir

L'effetto Casimir e le forze sviluppate a causa delle fluttuazioni quantistiche del vuoto

Che l’Universo sia in espansione è cosa nota sin dal 1929, da quando cioè l’astronomo Edwin Hubble scoprì che le galassie si allontanano con una velocità maggiore all’aumentare della distanza: l’Universo pertanto non è stazionario (come qualcuno sosteneva). Questa importante scoperta contribuì poi al successo della teoria del Big Bang, tuttora valida e dimostrata. Ma nel 1988 osservando la velocità di allontanamento di più di 40 supernove, un gruppo di scienziati poté provare che l’Universo si espande addirittura in modo accelerato! Al che sorse subito un dubbio: possibile che un Universo vecchio 14 miliardi di anni manifesti ancora un’espansione accelerata? Non sarebbe più logico supporre un universo che abbia esaurito la sua forza espansiva iniziale e che adesso tenda a rallentare il suo moto d’espansione? L’accelerazione probabilmente non è più assimilabile all’effetto del “grande botto”, ma causata da una forza oscura che lo costringe a espandersi: come se esistesse un’energia in grado di vincere la gravità, una sorta di antigravità! Questa forza è chiamata comunemente Energia oscura, un’energia che esiste probabilmente tra gli spazi “vuoti” delle galassie, e di cui tutt’oggi non si sa nulla. Ciò che rende imbarazzante la posizione della scienza su questo aspetto, è che per risolvere il problema della “massa mancante” dell’Universo (tale da spiegare appunto l’espansione accelerata), si deve ipotizzare una quantità di energia oscura nell’ordine del 70%! Significa che oggi (a parte le prove indirette dell’esistenza di un 20% di materia oscura) conosciamo soltanto il 10% della massa totale dell’Universo: quella stessa massa di cui siamo fatti tutti noi, le stelle e i pianeti. E tutta la restante massa da cosa sarebbe formata? E’ il grande mistero che perseguono gli scienziati, e di cui non pare esistere una soluzione se non affidandoci a speculazioni teoriche come la Teoria delle Stringhe: ma questa è una storia che andrebbe raccontata a parte…

Rappresentazione dell'espansione dell'Universo.
Rappresentazione dell'espansione dell'Universo. Dopo il Big Bang l'Universo ha avuto un'espansione lineare,
nel tempo attuale invece l'espansione è accelerata a causa dell'effetto dell'energia oscura

Nelle particelle virtuali dunque potrebbe risiedere la spiegazione dell’energia oscura; un’energia che nasce nel vuoto tra le galassie, in quegli immensi spazi bui privi di stelle e di materia.
Dall’effetto Casimir all’Universo, esiste probabilmente una connessione sottile in grado di risolvere il problema della fisica attuale: le leggi della nostra scienza sono esatte oppure no? La teoria della relatività, assieme alle altre teorie sull’universo appaiono spesso in affanno, concedendoci l’unica certezza che abbiamo: ad oggi possiamo spiegare solo una parte minima della nostra realtà. Il resto è un vuoto non del tutto “vuoto”.

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