Il vuoto quantistico e l’origine delle perturbazioni



Del vuoto abbiamo a lungo avuto paura. Ma cos’è, davvero, il vuoto? E possiamo farci piacere un’idea del genere? Per rispondere serve dire alcune cose di fisica. E pensarci per bene.


In copertina: Un’opera di Poppy De Havilland, “Unbound”, 2023

Questo testo è estratto da Natura Instabile di Auro Michele Perego. Ringraziamo l’autore e Aguaplano Editore per la gentile concessione.


di Auro Michele Perego

 

Quando Bodhidharma vide l’Imperatore Wu della dinastia Liang, l’Imperatore chiese,
“Qual è la sacra verità ultima?” 
Dharma rispose, “È la vacuità stessa e non vi è nulla di sacro.” 
“Chi è allora colui che adesso mi sta di fronte?”
“Non lo so!” 
 
Hekigan-shū

 

Vogliamo qui affrontare una peculiare e paradossale sorgente di perturbazioni: il vuoto. Consideriamo a titolo di esempio l’instabilità di un atomo che si trova in uno stato eccitato. Ma andiamo per ordine. Che cosa vuol dire che un atomo si trova in uno stato eccitato? La meccanica quantistica ci spiega che l’energia di un atomo è costituita da livelli discreti “quantizzati” ovvero l’atomo non può avere energia arbitraria bensì solo certi valori precisi, che sono funzione di numeri interi detti numeri quantici. L’energia di un atomo è determinata da quali livelli energetici sono occupati dagli elettroni che “orbitano” intorno al nucleo. Gli elettroni riempiono i livelli energetici a partire dal più basso e via via crescendo. Quando tutti gli elettroni hanno occupato i livelli energetici più bassi senza lasciarne di liberi diciamo che l’atomo è nello stato energetico fondamentale. Per semplificare le cose ci possiamo soffermare sull’atomo dell’elemento chimico più semplice: l’idrogeno. Questo possiede un solo elettrone che “orbita” intorno a un nucleo formato da un protone. Quando l’elettrone occupa il livello energetico più basso diciamo che l’atomo si trova nello stato fondamentale. Per far transire l’elettrone dallo stato energetico fondamentale a uno stato avente energia maggiore è necessario fornire energia all’atomo dall’esterno. Ciò avviene sottoponendolo a un campo elettromagnetico. In tal caso un fotone, un quanto di luce, può essere assorbito dall’atomo permettendo all’elettrone di saltare a un livello energetico più elevato. Affinché questo processo si verifichi è necessario che l’energia del fotone sia pressoché pari alla differenza di energia tra i due livelli energetici dell’atomo. Una volta verificatosi il processo di assorbimento del fotone diciamo che l’atomo si trova in uno stato eccitato, uno stato che possiede un’energia superiore rispetto allo stato fondamentale. Verrebbe naturale pensare che se lasciassimo l’atomo indisturbato in uno spazio privo di qualsiasi altra particella esso rimarrebbe in tale stato fintantoché un qualche effetto esterno non induca un mutamento. Possiamo quindi immaginare di creare un ambiente perfettamente vuoto, privo di materia e di energia e isolato dal mondo esterno, in cui l’atomo eccitato può stare in una sorta di eremitaggio solitario e auspicare che lì permanga mantenendo la sua energia. Ma questo isolamento nel vuoto assoluto di fatto non sortisce l’effetto sperato. Dopo un certo lasso di tempo caratteristico detto vita media dello stato eccitato, ecco che l’atomo decade da tale stato a quello fondamentale emettendo un fotone di energia pari alla differenza tra i due livelli. Questo processo che avviene senza lo stimolo di forze esterne o di altre particelle è detto “emissione spontanea”. 

Ora, questo processo sembra contraddire il paradigma secondo cui per destabilizzare uno stato di equilibrio si rende necessaria la presenza di piccole perturbazioni che inneschino la dinamica dell’instabilità. Se l’atomo si trova nel vuoto, non vi è nulla se non il vuoto stesso che potrebbe perturbarlo, ma siccome il vuoto è infatti vuoto, ovvero privazione massima, per definizione non contiene nulla. Siamo dinnanzi a una sorta di paradosso. Come può il vuoto generare una perturbazione che inneschi l’instabilità dell’atomo eccitato?

La soluzione del paradosso sta in una comprensione dell’intima natura del vuoto per come essa è stata rivelata dalla teoria quantistica dei campi. In tale teoria sviluppata combinando la meccanica quantistica con la teoria della relatività speciale i campi, entità estese e permeanti spazio, e non le particelle sono i protagonisti. Ogni campo possiede un tipo di particella caratteristica, la quale descrive il suo grado di eccitazione in un dato punto dello spazio. In questo senso le particelle non sono quantità fondamentali in quanto appunto descrivono i gradi di eccitazione o di energia dei campi. In ogni punto dello spazio un campo può esibire diversi gradi di eccitazione, a seconda del numero di particelle che sono presenti in quel punto. Se consideriamo ad esempio il campo elettromagnetico, le sue eccitazioni, ovvero le sue particelle, sono i fotoni: i quanti di luce. I fotoni possono essere distrutti oppure creati nei processi d’interazione del campo elettromagnetico con la materia, come abbiamo visto nel caso dei processi di assorbimento e di emissione stimolata. Ora, lo stato di vuoto del campo elettromagnetico corrisponde alla situazione laddove il campo non è eccitato, ovvero dove non è presente alcuna particella. Ci aspetteremmo che, quando tutte le eccitazioni del campo, ovvero le particelle corrispondenti, siano rimosse, l’energia di tale stato di vuoto sia pari a zero. Ma se calcoliamo l’energia dello stato di vuoto secondo la teoria quantistica ecco che, sorprendentemente, otteniamo un valore diverso da zero. Questa è l’energia del vuoto, anche detta energia di punto zero. Il vuoto secondo la meccanica quantistica non è affatto vuoto nel senso classico del termine. Tutto al contrario, possiede energia. Questa energia consiste di fluttuazioni del campo elettromagnetico che oscilla. Lo stato di minima energia, e potremmo dire di massima quiete, non è affatto quieto, bensì consiste, se vogliamo fornirne una rappresentazione pittorica, in una sorta di mare ribollente e inquieto che muta costantemente. Le fluttuazioni del vuoto quantistico costituiscono le perturbazioni che spingono gli atomi eccitati a decadere allo stato fondamentale emettendo quanti di luce: il ribollire del vuoto è all’origine del processo d’instabilità degli atomi eccitati e quindi della loro emissione spontanea di fotoni.

Un’opera di Poppy De Havilland, “Unbound”, 2023

La visione del vuoto come di uno stato in cui l’energia è presente e causa effetti tangibili richiede un cambio di paradigma rispetto al concetto di vuoto come nulla, descritto dalla fisica classica e, con ogni probabilità, ben più radicato nel senso comune. Ciò che è importante sottolineare ai fini dell’argomento trattato in questo libro è il ruolo del vuoto quantistico come sorgente ultima di perturbazioni e come la sua energia sottenda quindi alle instabilità più fondamentali della natura con il suo inarrestabile moto che accompagna i processi di decadimento spontaneo a livello atomico.

La civiltà occidentale, tradizionalmente, aborre il vuoto: l’horror vacui è per certi versi una delle sue cifre significative. Alle radici delle civiltà europea, tra le assolate isole greche cominciò la ricerca del Principio. Fu Parmenide a esplicitare nel modo più chiaro la primazia dell’Essere contrapponendolo al non esistente Non Essere. Platone perfezionò poi tale afflato differenziando l’Essere in quelle molteplici essenze che sono le Idee. Da lì in poi, è stata una battaglia su come interpretare questo Essere e su come esso si relazioni alla materia e al divenire: di questo consistono quelle note a margine di Platone di cui parla Whitehead riferendosi all’intero corpus della filosofia occidentale. L’assenza di fondamento dell’Essere è stata stigmatizzata come concettualmente fallace e portatrice di deriva morale sin dai tempi dei Sofisti. Pochi, prima del pensiero debole postmoderno, hanno nobilitato l’assenza di un fondamento stabile della Verità, del Soggetto e della Storia.

Ma, vi sono eccezioni. Se il post-modernismo pare definire un Essere debole, incapace di fondare ontologicamente la Verità, al contrario il pensiero filosofico-mistico di MeisterEckhart, tramite la sua identificazione tra il fondo dell’anima inteso come Nulla e Dio anch’esso privo di qualsivoglia attributo definibile positivamente – nel momento in cui il soggetto tramite il distacco si riconosce come privo di realtà sostanziale e autonoma – è forse una delle rare celebrazioni di una sorta di vacuità come cardine della metafisica.

L’horror vacui non rimane tuttavia confinato nelle menti dei metafisici. Si fa carne nella quotidianità di coloro che sono ignari di fini dibattiti intellettuali. Le ondate d’inquietudine psichica che percorrono come brividi la schiena delle masse occidentali richiedono il rumore di sottofondo, il brusio del piccolo intrattenimento spiccio per scacciare la paura del silenzio. Il vuoto e il silenzio sono rifuggiti e sovente riempiti alla minima avvisaglia con qualsiasi cosa capiti a tiro. Nel passato Oriente invece il vuoto ha avuto da tempi lontani dignità di fondamento. La vacuità è l’essenza fondamentale della realtà e lo stato spirituale ultimo a cui tende la pratica meditativa nel Buddhismo. A prescindere dalla sua esperienza diretta ottenibile per via contemplativa, la vacuità del Buddhismo si può riassumere filosoficamente nel concetto di generazione co-dipendente delle cose, per cui ciascuna entità non esiste di per sé in modo isolato, bensì solo in virtù e in funzione delle sue interazioni e relazioni con tutte le altre entità. Questa esistenza puramente fondata sulle relazioni degli oggetti e persino delle particelle elementari emerge parimenti dalla cosiddetta interpretazione relazionale della meccanica quantistica (seppur in un contesto diverso rispetto al nostro discorso sul vuoto e le sue fluttuazioni). Secondo tale interpretazione, per dirla con Rovelli: “le caratteristiche di un oggetto sono il modo in cui esso agisce su altri oggetti. L’oggetto stesso non è che un insieme di interazioni su altri oggetti”.

A partire dal secolo appena conclusosi, nella teoria quantistica dei campi, ovvero in una delle formulazioni più sofisticate della scienza moderna, il vuoto diventa protagonista positivo, attivo e razionalmente accessibile. I campi quantistici distribuiti nello spazio-tempo sono le entità fondamentali e il loro stato di vuoto è la matrice da cui nascono e in cui muoiono le particelle. Lo stato di vuoto è attivo e dotato di attributi positivi e ontologicamente definibili. Un luogo, insieme dell’Essere e della sua mancanza. Chissà che forse, lungo questo sentiero speculativo, non si possa cercare una riconciliazione che superi le antitesi tra Oriente e Occidente, tra silenzio e rumore, tra presenza e assenza.


Auro Michele Perego è laureato in Fisica (Università degli Studi dell’Insubria) e ha ottenuto un dottorato in Electrical Engineering (Aston University). Al momento è Research Fellow of The Royal Academy of Engineering presso l’Aston Institute of Photonic Technologies a Birmingham, nel Regno Unito. Con il suo gruppo di ricerca studia la fisica dei laser e delle fibre ottiche, le onde nonlineari e la teoria e le applicazioni delle instabilità nell’ambito delle tecnologie fotoniche come la sensoristica e le telecomunicazioni.
 
 

2 comments on “Il vuoto quantistico e l’origine delle perturbazioni

  1. orio de paoli

    interessante e chiaro, complimenti

  2. Arianna

    Stupendo …grazie

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *