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Il Vuoto Quantistico: dal Nulla al Tutto

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Luigi Maxmilian Caligiuri - 01/01/2016

Il concetto di vuoto, sia esso inteso come Nulla o come Tutto, si ritrova, differentemente mascherato, al centro delle più importanti questioni scientifiche e filosofiche di tutti i tempi. Il concetto di vuoto quantistico, seppur diversamente inteso e interpretato, rappresenta oggi il fondamento della fisica e della cosmologia moderna e la sua effettiva comprensione la chiave ultima per l’interpretazione della realtà. Analizziamo sinteticamente le principali teorie “ufficiali” sul vuoto quantistico e gli ultimi risultati della ricerca scientifica di frontiera.

Il concetto di vuoto
“La natura aborrisce il vuoto”: questa affermazione, risalente ai filosofi greci oltre 2500 anni fa, dimostra che il problema del vuoto, nelle pur diverse e spesso contraddittorie accezioni che lo hanno caratterizzato nella storia del pensiero umano, ha costituito e costituisce ancora uno degli argomenti centrali di discussione e di dibattito scientifico e filosofico.
Lungi dal potere essere considerata come una questione puramente accademica, la reale natura del vuoto fisico è oggi alla base della cosmologia moderna e costituisce la chiave per la comprensione dei fondamenti della Fisica stessa.
Il concetto di un vuoto assoluto in cui nulla esiste, oltre a indurre una sensazione di disagio, appare artificioso se non addirittura privo di senso.
Ad esempio, come farebbero due corpi materiali a rimanere separati dal vuoto assoluto? Quale significato avrebbe lo spazio? Se è vero che il nostro Universo si sta espandendo in cosa si espande lo spazio? Queste sono solo alcune delle innumerevoli domande alle quali l’idea di vuoto conduce.
Il concetto di vuoto ha subito diverse modificazioni e interpretazioni nel corso dei secoli.
Già nell’antica Grecia, l’interpretazione del concetto di vuoto divideva profondamente i pensatori: da un lato la corrente di pensiero facente capo a Parmenide, successivamente fatta propria da Aristotele, secondo la quale lo spazio vuoto tra gli oggetti materiali risultava in realtà riempito da un mezzo invisibile, dall’altro quella “atomistica” che faceva capo a Democrito e Leucippo secondo la quale la realtà ultima era costituita da particelle materiali invisibili e indivisibili (agli atomi appunto) che esistono nel vuoto assoluto e le cui diverse combinazioni davano origine alla materia.
Tale dibattito, all’epoca ancora sostanzialmente di natura metafisica, vide sostanzialmente il contrapporsi di tali posizioni antitetiche (la negazione del vuoto da un lato e la sua esistenza quale “contenitore” della materia dell’altro) per tutto il Medioevo.
La nascita della scienza moderna nel XVII secolo non riuscì di fatto a risolvere la questione del vuoto, al contrario, rese ancora più complesso lo scenario concettuale con la formulazione del principio d’inerzia da parte di Galileo e della dinamica ad opera di Newton.
Nella concezione newtoniana, infatti, lo spazio esistente tra tutti i corpi materiali nell’Universo è riempito da un mezzo avente caratteristiche estremamente speciali: invisibile, privo di attrito e tale da consentire il moto senza determinare alcuna interferenza su di esso.
Newton chiamò tale “sostanza” etere ed essa divenne il sistema di riferimento privilegiato rispetto al quale descrivere qualsiasi tipo di movimento. Nella concezione newtoniana, il concetto di etere era dunque necessario per poter identificare il cosiddetto moto assoluto, identificando il sistema di riferimento privilegiato rispetto al quale determinare i moti “relativi”. Questa interpretazione della realtà cercava di dare una risposta al fondamentale problema delle cosiddette forze “inerziali”, quale ad esempio la forza centrifuga, che si manifesta nei sistemi rotanti come la Terra. Secondo Newton, infatti, l’allargamento della Terra all’equatore aveva origine dalla forza dovuta alla rotazione terrestre rispetto a un sistema di riferimento assoluto costituito dall’etere.
A tale concezione si opponeva radicalmente quella di Gottfried Leibniz secondo il quale qualsiasi tipo di moto, quindi anche quello rotatorio, era invece da considerarsi relativo rispetto a tutti gli altri corpi presenti nell’Universo e in particolare rispetto alle cosiddette stelle fisse. Un osservatore in moto rotatorio nello spazio profondo avrebbe visto le stelle ruotare in verso opposto e contemporaneamente avrebbe sperimentato una forza centrifuga: se le stelle fossero improvvisamente scomparse si sarebbe dileguata con esse anche la forza. In questo modo, secondo Leibniz, non era necessario introdurre il concetto di un mezzo invisibile rispetto al quale calcolare il moto.
La posizione di Leibniz sarebbe stata in seguito ripresa in senso ancora più radicale da Ernest Mach nel XIX secolo secondo il quale le forze centrifughe e i relativi effetti sul moto di un dato corpo dovuti alle masse erano da attribuire esclusivamente alla forza gravitazionale esercitata a distanza da tutta la restante materia presente nell’universo sul corpo in questione.
Nel corso del XIX secolo l’interpretazione della vera natura dello spazio vuoto era divenuta un argomento centrale di discussione scientifica e aveva assunto un ruolo cruciale nella comprensione di un altro fenomeno tanto fondamentale quanto misterioso: la propagazione a distanza delle interazioni. Come poteva, ad esempio, il Sole attrarre la Terra se fra i due corpi esisteva soltanto uno spazio vuoto? Oppure come facevano due magneti vicini tra loro, ma non a contatto, a interagire mutuamente? Tali domande, nella loro sconcertante semplicità, sottintendevano tuttavia, come sarebbe divenuto sempre più chiaro in futuro, questioni di enorme complessità.
Nel caso delle interazioni elettriche e magnetiche, la possibile interpretazione del fenomeno fu proposta dal fisico Michael Faraday, secondo il quale i corpi elettricamente carichi edi magneti generavano, attorno a sè, una regione di influenza, di dimensione virtualmente infinita: si trattava della prima formulazione del concetto moderno di campo di forze che sarebbe divenuto uno dei concetti più importanti, ma anche, alla luce dei più recenti sviluppi, uno dei più controversi, della fisica moderna.

 

Nell'articolo integrale si parla anche di: 

  • il concetto di campo
  • la rivoluzione quantistica
  • il moderno concetto di vuoto
  • il vuoto di Higgs e le altre più recenti e innovative teorie sul vuoto
  • il vuoto quantistico come condensato e l’ipotesi dei volumi di Planck

 


Luigi Maxmilian Caligiuri
Nasce a Cosenza il 30 novembre del 1972. Nel 1995 riceve la Laurea Magna cum Laudein Fisica Teorica presso l’Università della Calabria, dove... Leggi la biografia
Nasce a Cosenza il 30 novembre del 1972. Nel 1995 riceve la Laurea Magna cum Laudein Fisica Teorica presso l’Università della Calabria, dove inizia la sua attività didattica e diricerca nelle Facoltà di Scienze ed Ingegneria, in diversi campi di natura teorica esperimentale, Dal 2001 è professore di Fisica e, dal 2013, anche Direttore... Leggi la biografia

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