Millenni fa, Aristotele affermò che la natura detesta il vuoto, ragionando sul fatto che gli oggetti voleranno attraverso uno spazio veramente vuoto a velocità impossibili. Nel 1277, il vescovo francese Etienne Tempier replicò, dichiarando che Dio poteva fare qualsiasi cosa, persino creare il vuoto.
Poi un semplice scienziato ce l’ha fatta. Otto von Guericke ha inventato una pompa per aspirare l’aria dall’interno di una sfera di rame cava, stabilendo forse il primo vuoto di alta qualità sulla Terra. In una dimostrazione teatrale nel 1654, dimostrò che nemmeno due tiri di cavalli che si sforzavano di fare a pezzi la palla delle dimensioni di un cocomero potevano superare l’aspirazione del nulla.
Da allora, il vuoto è diventato un concetto fondamentale della fisica, il fondamento di qualsiasi teoria di qualcosa. Il vuoto di Von Guericke era un’assenza d’aria. Il vuoto elettromagnetico è l’assenza di un mezzo in grado di rallentare la luce. E un vuoto gravitazionale manca di qualsiasi materia o energia in grado di piegare lo spazio. In ogni caso la varietà specifica del nulla dipende dal tipo di qualcosa che i fisici intendono descrivere. “A volte, è il modo in cui definiamo una teoria“, ha detto Patrick Draper, fisico teorico dell’Università dell’Illinois.
Mentre i fisici moderni si cimentavano con candidati più sofisticati per la teoria definitiva della natura, hanno incontrato una moltitudine crescente di tipi di nulla. Ognuno ha il suo comportamento, come se fosse una fase diversa di una sostanza. Sembra sempre più che la chiave per comprendere l’origine e il destino dell’universo possa essere un’attenta contabilità di queste proliferanti varietà di assenza.
introduzione
“Stiamo imparando che c’è molto di più da imparare sul nulla di quanto pensassimo“, ha detto Isabel Garcia Garcia, fisica delle particelle al Kavli Institute for Theoretical Physics in California. “Quanto ancora ci manca?”
Finora, tali studi hanno portato a una conclusione drammatica: il nostro universo potrebbe trovarsi su una piattaforma di costruzione scadente, un vuoto “metastabile” che è destinato – in un lontano futuro – a trasformarsi in un altro tipo di nulla, distruggendo tutto nel processo.
Nulla Quantico
Il nulla ha iniziato a sembrare qualcosa nel 20° secolo, quando i fisici sono arrivati a vedere la realtà come un insieme di campi: oggetti che riempiono lo spazio con un valore in ogni punto (il campo elettrico, per esempio, ti dice quanta forza sentirà un elettrone in luoghi diversi). Nella fisica classica, il valore di un campo può essere zero ovunque in modo che non abbia alcuna influenza e non contenga energia. “Classicamente, il vuoto è noioso“, ha affermato Daniel Harlow, fisico teorico presso il Massachusetts Institute of Technology. “Non succede niente“.
Ma i fisici hanno imparato che i campi dell’universo sono quantistici, non classici, il che significa che sono intrinsecamente incerti. Non catturerai mai un campo quantistico con energia esattamente zero. Harlow paragona un campo quantistico a una serie di pendoli, uno in ogni punto dello spazio, i cui angoli rappresentano i valori del campo. Ogni pendolo pende quasi dritto verso il basso ma oscilla avanti e indietro.
Lasciato solo, un campo quantistico rimarrà nella sua configurazione di minima energia, nota come “vero vuoto” o “stato fondamentale” (le particelle elementari sono increspature in questi campi). “Quando parliamo del vuoto di un sistema, abbiamo in mente in qualche modo lo stato preferito del sistema“, ha detto Garcia Garcia.
La maggior parte dei campi quantistici che riempiono il nostro universo hanno uno, e solo uno, stato preferito, in cui rimarranno per l’eternità. La maggior parte, ma non tutti.
Vuoti veri e falsi
Negli anni ’70, i fisici arrivarono ad apprezzare il significato di una diversa classe di campi quantistici i cui valori preferiscono non essere zero, anche in media. Un tale “campo scalare” è come un insieme di pendoli che si librano tutti, diciamo, a un angolo di 10 gradi. Questa configurazione può essere lo stato fondamentale: i pendoli preferiscono quell’angolo e sono stabili.
Nel 2012, gli sperimentatori del Large Hadron Collider hanno dimostrato che un campo scalare noto come campo di Higgs permea l’universo. All’inizio, nel caldo universo primordiale, i suoi pendoli puntavano verso il basso. Ma quando il cosmo si è raffreddato, il campo di Higgs ha cambiato stato, proprio come l’acqua può congelarsi in ghiaccio, e i suoi pendoli sono saliti tutti allo stesso angolo (questo valore di Higgs diverso da zero è ciò che conferisce a molte particelle elementari la proprietà nota come massa).
Con campi scalari intorno, la stabilità del vuoto non è necessariamente assoluta. I pendoli di un campo potrebbero avere più angoli semi-stabili e una propensione a passare da una configurazione all’altra. I teorici non sono sicuri se il campo di Higgs, ad esempio, abbia trovato la sua configurazione preferita in assoluto: il vero vuoto. Alcuni hanno sostenuto che lo stato attuale, nonostante sia durato per 13,8 miliardi di anni, è solo temporaneamente stabile, o “metastabile”.
Se è così, i bei tempi non dureranno per sempre. Negli anni ’80, i fisici Sidney Coleman e Frank De Luccia descrissero come un falso vuoto di un campo scalare potesse “decadere”. In qualsiasi momento, se un numero sufficiente di pendoli in qualche posizione si fa strada in un angolo più favorevole, trascineranno i loro vicini per incontrarli e una bolla di vero vuoto volerà verso l’esterno quasi alla velocità della luce. Riscriverà la fisica mentre procede, distruggendo gli atomi e le molecole sul suo cammino (niente panico. Anche se il nostro vuoto è solo metastabile, data la sua capacità di resistenza fino ad ora, probabilmente durerà per altri miliardi di anni).
Nella potenziale mutabilità del campo di Higgs, i fisici hanno identificato il primo di un numero praticamente infinito di modi in cui il nulla potrebbe ucciderci tutti.
Più problemi, più vuoti
Quando i fisici hanno tentato di adattare le leggi confermate della natura in un insieme più ampio (colmando enormi lacune nella nostra comprensione nel processo), hanno inventato teorie della natura candidate con campi aggiuntivi e altri ingredienti.
Quando i campi si accumulano, interagiscono, influenzandosi reciprocamente sui pendoli e stabilendo nuove configurazioni reciproche in cui amano incastrarsi. I fisici visualizzano questi vuoti come valli in un ondulato “paesaggio energetico“. Diversi angoli del pendolo corrispondono a diverse quantità di energia, o altitudini nel panorama energetico, e un campo cerca di abbassare la sua energia proprio come una pietra cerca di rotolare verso il basso. La valle più profonda è lo stato fondamentale, ma la pietra potrebbe fermarsi, almeno per un po’, in una valle più alta.
Un paio di decenni fa, il paesaggio è esploso in scala. I fisici Joseph Polchinski e Raphael Bousso stavano studiando alcuni aspetti della teoria delle stringhe, la principale struttura matematica per descrivere il lato quantistico della gravità. La teoria delle stringhe funziona solo se l’universo ha circa 10 dimensioni, con quelle extra raggomitolate in forme troppo piccole per essere rilevate. Polchinski e Bousso hanno calcolato nel 2000 che tali dimensioni extra potrebbero ripiegarsi in un numero enorme di modi. Ogni modo formerebbe un vuoto distinto con le proprie leggi fisiche.
La scoperta che la teoria delle stringhe consente quasi innumerevoli vuoti si scontra con un’altra scoperta di quasi due decenni prima.
I cosmologi nei primi anni ’80 hanno sviluppato un’ipotesi nota come inflazione cosmica che è diventata la teoria principale della nascita dell’universo. La teoria sostiene che l’universo sia iniziato con una rapida esplosione di espansione esponenziale, il che spiega facilmente la fluidità e l’immensità dell’universo. Ma i successi dell’inflazione hanno un prezzo.
I ricercatori hanno scoperto che una volta iniziata l’inflazione cosmica, essa continuerà. La maggior parte del vuoto continuerà a dilatarsi verso l’esterno per sempre. Solo le regioni finite dello spazio smettono di gonfiarsi, diventando bolle di relativa stabilità separate l’una dall’altra gonfiando lo spazio intermedio. I cosmologi inflazionisti credono che chiamiamo casa una di queste bolle.
Un multiverso di vuoti
Per alcuni, l’idea che viviamo in un multiverso – un paesaggio infinito di bolle di vuoto – è inquietante. Fa sembrare casuale e imprevedibile la natura di qualsiasi vuoto (come il nostro), limitando la nostra capacità di comprendere il nostro universo. Polchinski, morto nel 2018, ha detto alla fisica e autrice Sabine Hossenfelder che la scoperta del panorama dei vuoti della teoria delle stringhe inizialmente lo ha reso così infelice da portarlo a cercare una terapia. Se la teoria delle stringhe predice ogni varietà immaginabile di nulla, ha previsto qualcosa?
Per altri, la pletora di vuoti non è un problema; “in effetti, è una virtù“, ha detto Andrei Linde, un eminente cosmologo della Stanford University e uno degli sviluppatori dell’inflazione cosmica. Questo perché il multiverso risolve potenzialmente un grande mistero: l’energia ultrabassa del nostro particolare vuoto.
Quando i teorici stimano ingenuamente il tremolio collettivo di tutti i campi quantistici dell’universo, l’energia è enorme, sufficiente per accelerare rapidamente l’espansione dello spazio e, in breve tempo, fare a pezzi il cosmo. Ma l’accelerazione dello spazio osservata è estremamente lieve in confronto, suggerendo che gran parte del tremolio collettivo si annulla e il nostro vuoto ha un valore positivo straordinariamente basso per la sua energia.
In un universo solitario, la minuscola energia dell’unico vuoto sembra un profondo puzzle. Ma in un multiverso, è solo pura fortuna. Se diverse bolle dello spazio hanno energie diverse e si espandono a velocità diverse, galassie e pianeti si formeranno solo nelle bolle più letargiche. Il nostro vuoto calmo, quindi, non è più misterioso dell’orbita di Riccioli d’oro del nostro pianeta: ci troviamo qui perché quasi qualsiasi altro altrove è inospitale per la vita.
Lo adori o lo odi, l’ipotesi del multiverso come attualmente intesa, però, ha un problema. Nonostante il menu apparentemente infinito di vuoti della teoria delle stringhe, finora nessuno ha trovato una specifica piegatura di minuscole dimensioni extra che corrisponda a un vuoto come il nostro, con la sua energia appena positiva. La teoria delle stringhe sembra produrre vuoti di energia negativa molto più facilmente.
Forse la teoria delle stringhe non è vera, o il difetto potrebbe risiedere nella comprensione immatura di essa da parte dei ricercatori. I fisici potrebbero non aver trovato la strada giusta per gestire l’energia del vuoto positiva all’interno della teoria delle stringhe. “Questo è perfettamente possibile”, ha detto Nathan Seiberg, un fisico presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey. “Questo è un argomento caldo“.
Oppure il nostro vuoto potrebbe essere solo intrinsecamente impreciso. “L’opinione prevalente è che lo spazio [energizzato positivamente] non sia stabile“, ha detto Seiberg. “Potrebbe decadere in qualcos’altro, quindi questo potrebbe essere uno dei motivi per cui è così difficile capirne la fisica“.
Questi ricercatori sospettano che il nostro vuoto non sia uno degli stati preferiti della realtà e che un giorno si trascinerà in una valle più profonda e più stabile. In tal modo, il nostro vuoto potrebbe perdere il campo che genera gli elettroni o raccogliere una nuova tavolozza di particelle. Le dimensioni strettamente ripiegate potrebbero essere spiegate. Oppure il vuoto potrebbe persino rinunciare completamente all’esistenza.
«Questa è un’altra delle opzioni», disse Harlow. “Un vero niente”.
La fine del vuoto
Il fisico Edward Witten scoprì per la prima volta la “bolla del nulla” nel 1982. Mentre studiava un vuoto con una dimensione extra arrotolata in un minuscolo cerchio in ogni punto, scoprì che i nervosismi quantistici inevitabilmente facevano oscillare la dimensione extra, a volte restringendo il cerchio a un punto. Quando la dimensione svanì nel nulla, scoprì Witten, portò con sé tutto il resto. L’instabilità genererebbe una bolla in rapida espansione senza interno, la cui superficie simile a uno specchio segnerebbe la fine dello spazio-tempo stesso.
Questa instabilità delle dimensioni minuscole ha afflitto a lungo la teoria delle stringhe e sono stati escogitati vari ingredienti per irrigidirli. A dicembre, Garcia Garcia, insieme a Draper e Benjamin Lillard dell’Illinois, ha calcolato la durata di un vuoto con una singola dimensione extra raggomitolata. Hanno preso in considerazione vari campanelli e fischietti stabilizzanti, ma hanno scoperto che la maggior parte dei meccanismi non è riuscita a fermare le bolle. Le loro conclusioni erano in linea con quelle di Witten: quando la dimensione della dimensione extra scende al di sotto di una certa soglia, il vuoto collassa immediatamente. Un calcolo simile, esteso a modelli più sofisticati, potrebbe escludere i vuoti nella teoria delle stringhe con dimensioni inferiori a quella dimensione.
Con una dimensione nascosta abbastanza grande, tuttavia, il vuoto potrebbe sopravvivere per molti miliardi di anni. Ciò significa che le teorie che producono bolle di nulla potrebbero corrispondere plausibilmente al nostro universo. Se è così, Aristotele potrebbe aver avuto più ragione di quanto sapesse. La natura potrebbe non essere una grande fan del vuoto. A lungo termine, potrebbe non preferire nulla.
