E-school  di  Arrigo Amadori

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