Miscellanea
Il vuoto non è vuoto
Il vuoto classico.
La parola vuoto significa assenza di ogni cosa. Nella fisica classica, la fisica precedente
all'avvento della meccanica quantistica (primi decenni del '900), uno spazio vuoto è uno
spazio dove non vi è né materia né energia.
Nell'universo, probabilmente, non esistono regioni di spazio completamente vuote. Almeno
la radiazione fossile primordiale (ciò che rimane dalla immane esplosione che diede origine
all'universo secondo la teoria del Big Bang) dovrebbe, se questa teoria è esatta,
essere presente ovunque.
Comunque, teoricamente, secondo la fisica classica, si può pensare che il vuoto esista.
Basterebbe isolare completamente una regione di spazio e privarla di tutta la materia
e l'energia in esso contenuta. Ciò è tecnicamente impossibile ma il limite di ciò non è teorico,
è solo pratico. Sarebbe solo un problema tecnologico.
Teoricamente, quindi, secondo la fisica classica il vuoto (assenza di ogni cosa) è possibile.
Il vuoto quantistico.
La meccanica quantistica è basata su concetti antitetici alla fisica classica. Secondo
la meccanica quantistica un corpo non può avere posizione e velocità (*) contemporaneamente
determinate. Questo principio va sotto il nome di principio di indeterminazione di Heisenberg.
Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma più precisamente 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 costante di Planck.
Matematicamente : Δx Δv ≥ ħ
dove Δx indica l'indeterminazione con cui si conosce la posizione e Δv indica l'indeterminazione
con cui si conosce la velocità. La costante di Planck è indicata dalla lettera ħ (si pronuncia "acca
tagliata", e vale indicativamente 10 alla -30, ovvero 0,000000000000000000000000000001 ).
Per gli oggetti macroscopici della nostra esperienza (e per l'intera fisica classica che si occupa appunto
di corpi macroscopici ) il principio di indeterminazione di Heisenberg non è apprezzabile in quanto ħ è
molto piccola e d'altra parte ci si può "accontentare" di indeterminazioni sulle misure di spazio e velocità
dell'ordine di 10 alla -6, ovvero 0,000001 (il millesimo di millimetro per la posizione). Per tali indeterminazioni
la disuguaglianza espressa dal principio di indeterminazione di Heisenberg è abbondantemente verificata.
Non è così per gli oggetti microscopici che costituiscono la realtà : le cosiddette particelle elementari.
Esse sono così piccole che le indeterminazioni delle loro posizioni e velocità possono essere
dell'ordine di ħ . Nel mondo microscopico, quindi, il principio di indeterminazione di Heisenberg
è fondamentale e tutti i fenomeni sono regolati da esso.
Una conseguenza diretta del principio di indeterminazione di Heisenberg è quella che
un corpo non può avere contemporaneamente posizione e velocità determinate perché
in questo caso si avrebbe Δx = 0 e Δv = 0 per cui il loro prodotto sarebbe zero
in contraddizione col principio stesso.
Altrimenti, se per esempio si conosce esattamente la posizione di un corpo, ovvero
la sua indeterminazione Δx è zero, l'indeterminazione corrispondente della velocità
diventa infinita. Ovvero, se un corpo ha una posizione esatta, la sua velocità
diventa del tutto indeterminata.
Il principio di indeterminazione di Heisenberg si applica anche alle radiazioni (onde)
elettromagnetiche. Un onda elettromagnetica è formata dall'oscillazione del campo
elettrico e magnetico lungo la direzione di propagazione della medesima.
Queste oscillazioni del campo possono essere viste come le oscillazioni di
"oscillatori armonici" (che oscillano regolarmente con una certa frequenza ben
precisa). Il campo elettromagnetico può essere quindi considerato come
fosse riempito di tali oscillatori armonici. Ciascuno di questi oscillatori può essere
considerato come un piccolo pendolo.
Un oscillatore, se non oscillasse per nulla, sarebbe localizzato nel suo punto di equilibrio ed
avrebbe velocità nulla (così come un pendolo immobile). Per il principio di indeterminazione
di Heisenberg ciò è impossibile perché posizione e velocità non possono essere contemporaneamente
determinate.
Un oscillatore armonico possiede sempre, quindi, per il principio di indeterminazione di
Heisenberg, una sua oscillazione propria, seppur minima, dotata di una certa energia.
Il campo elettromagnetico, essendo formato da oscillatori armonici, allora, non può essere
nullo. Anche nel suo stato fondamentale (stato di minima energia) esso ha sempre una certa
vibrazione, e quindi una certa energia.
Il vuoto, in conclusione, non è vuoto. Esso possiede almeno una vibrazione quantistica teoricamente
e praticamente ineliminabile : la fluttuazione del vuoto.
Fine.
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(*) più esattamente si deve parlare di quantità di moto, ovvero di massa per velocità, ma il
senso del ragionamento non cambia