I filosofi hanno discusso la natura del “nulla” per migliaia di anni, ma cosa ha da dire la scienza moderna? In un’intervista a The Conversation, Martin Rees, Astronomo Reale e Professore Emerito di Cosmologia e Astrofisica all’Università di Cambridge, spiega che quando i fisici parlano di nulla, intendono lo spazio vuoto (vacuum). Questo può sembrare semplice, ma gli esperimenti dimostrano che lo spazio vuoto non è veramente vuoto – c’è una misteriosa energia latente in esso che può dirci qualcosa sul destino dell’universo.

Rees è stato intervistato per il podcast Anthill di The Conversation sul Nulla. Questo Q&A è basato su una trascrizione modificata di quell’intervista.

Q: Lo spazio vuoto è davvero uguale al nulla?

A: Lo spazio vuoto sembra essere nulla per noi. Per analogia, l’acqua può sembrare nulla per un pesce – è ciò che rimane quando si tolgono tutte le altre cose che galleggiano nel mare. Allo stesso modo, si suppone che lo spazio vuoto sia abbastanza complicato.

Sappiamo che l’universo è molto vuoto. La densità media dello spazio è di circa un atomo ogni dieci metri cubi – molto più rarefatto di qualsiasi vuoto che possiamo raggiungere sulla Terra. Ma anche se si toglie tutta la materia, lo spazio ha una sorta di elasticità che (come è stato recentemente confermato) permette alle onde gravitazionali – increspature nello spazio stesso – di propagarsi attraverso di esso. Inoltre, abbiamo imparato che c’è un tipo esotico di energia nello spazio vuoto stesso.

Q: Abbiamo appreso per la prima volta di questa energia del vuoto nel XX secolo con l’ascesa della meccanica quantistica, che governa il piccolo mondo degli atomi e delle particelle. Essa suggerisce che lo spazio vuoto è costituito da un campo di energia di fondo fluttuante – dando origine a onde e particelle virtuali che entrano ed escono dall’esistenza. Possono persino creare una piccola forza. Ma che dire dello spazio vuoto su larga scala?

A: Il fatto che lo spazio vuoto eserciti una forza su larga scala è stato scoperto 20 anni fa. Gli astronomi hanno scoperto che l’espansione dell’universo stava accelerando. Questo fu una sorpresa. L’espansione era nota da più di 50 anni, ma tutti si aspettavano che rallentasse a causa dell’attrazione gravitazionale che le galassie e altre strutture esercitano le une sulle altre. È stata quindi una grande sorpresa scoprire che questa decelerazione dovuta alla gravità era sopraffatta da qualcosa che “spingeva” l’espansione. C’è, per così dire, un’energia latente nello spazio vuoto stesso, che provoca una sorta di repulsione che supera l’attrazione della gravità su queste grandi scale. Questo fenomeno – soprannominato energia oscura – è la manifestazione più drammatica del fatto che lo spazio vuoto non è privo di caratteristiche e irrilevante. Infatti determina il destino a lungo termine del nostro universo.

Q: Ma c’è un limite a ciò che possiamo sapere? Su una scala di un trilione di trilioni di volte più piccola di un atomo, le fluttuazioni quantistiche nello spaziotempo possono dare origine non solo a particelle virtuali, ma a buchi neri virtuali. Questo è un intervallo che non possiamo osservare, e dove dobbiamo combinare le teorie della gravità con la meccanica quantistica per sondare ciò che accade teoricamente – qualcosa che è notoriamente difficile da fare.

A: Ci sono diverse teorie che mirano a capire questo, la più famosa è la teoria delle stringhe. Ma nessuna di queste teorie si è ancora confrontata con il mondo reale – quindi sono ancora speculazioni non testate. Ma penso che quasi tutti accettino che lo spazio stesso possa avere una struttura complicata su questa piccola, minuscola scala dove gli effetti gravitazionali e quantistici si incontrano.

Sappiamo che il nostro universo ha tre dimensioni nello spazio: si può andare a sinistra e a destra, avanti e indietro, su e giù. Il tempo è come una quarta dimensione. Ma c’è il forte sospetto che se si dovesse ingrandire un piccolo punto nello spazio in modo da sondare questa piccola, minuscola scala… si scoprirebbe che è un origami strettamente avvolto in circa cinque dimensioni extra che non vediamo. È un po’ come quando si guarda un tubo da molto lontano, si pensa che sia solo una linea. Ma quando si guarda più da vicino, si vede che una dimensione era in realtà tre dimensioni. La teoria delle stringhe implica una matematica complessa – così come le teorie rivali. Ma è il tipo di teoria di cui avremo bisogno se vogliamo capire al livello più profondo il più vicino al nulla che possiamo immaginare: cioè lo spazio vuoto.

Baca juga: Alieni, universi molto strani e Brexit – Martin Rees Q&A

Q: Nell’ambito della nostra attuale comprensione, come possiamo spiegare il nostro intero universo che si espande dal nulla? Potrebbe davvero partire da un po’ di energia fluttuante nel vuoto?

A: Qualche misteriosa transizione o fluttuazione potrebbe aver improvvisamente innescato l’espansione di una parte dello spazio – almeno questo è quello che pensano alcuni teorici. Le fluttuazioni intrinseche alla teoria dei quanti sarebbero in grado di scuotere l’intero universo se fosse schiacciato su una scala sufficientemente piccola. Questo accadrebbe in un tempo di circa 10-44 secondi – quello che viene chiamato il tempo di Planck. Questa è una scala in cui il tempo e lo spazio sono intrecciati in modo che l’idea di un orologio che ticchetta non ha senso. Possiamo estrapolare il nostro universo con grande sicurezza fino a un nanosecondo, e con una certa sicurezza anche molto più vicino al tempo di Planck. Ma dopo, tutte le scommesse sono annullate perché … la fisica su questa scala deve essere sostituita da qualche grande teoria più complicata.

Q: Se è possibile che una fluttuazione di una parte casuale di spazio vuoto abbia dato origine all’universo, perché non potrebbe accadere esattamente la stessa cosa in un’altra parte di spazio vuoto – dando vita a universi paralleli in un multiverso infinito?

A: L’idea che il nostro Big Bang non sia l’unico e che quello che vediamo con i nostri telescopi sia una piccola frazione della realtà fisica è popolare tra molti fisici. E ci sono molte versioni di un universo ciclico. Solo 50 anni fa è emersa per la prima volta una forte evidenza di un Big Bang. Ma da allora ci sono sempre state speculazioni sul fatto che questo sia solo un episodio di un universo ciclico. E c’è stata una crescente spinta verso il concetto che c’è molto di più nella realtà fisica rispetto al volume di spazio e tempo che possiamo sondare – anche con i telescopi più potenti.

Quindi non abbiamo idea se ci sia stato un solo Big Bang o molti – ci sono scenari che prevedono molti Big Bang e altri che ne prevedono uno. Penso che dovremmo esplorarli tutti.

D: Come finirà l’universo?

A: La previsione a lungo raggio più diretta prevede che l’universo continui ad espandersi ad un ritmo accelerato, diventando sempre più vuoto e sempre più freddo. Le particelle che lo compongono possono decadere, facendo procedere la diluizione all’infinito. Ci ritroveremmo, in un certo senso, con un enorme volume di spazio, ma sarebbe ancora più vuoto di quanto lo sia ora. Questo è uno scenario, ma ce ne sono altri che coinvolgono la “direzione” dell’energia oscura che si inverte da repulsione ad attrazione, in modo che ci sia un collasso verso un cosiddetto “Big Crunch”, quando la densità si dirige di nuovo verso l’infinito.

C’è anche un’idea, dovuta al fisico Roger Penrose, che l’universo continua ad espandersi, diventando sempre più diluito, ma in qualche modo – quando non c’è niente dentro a parte i fotoni, particelle di luce – le cose possono essere “ridimensionate”, così che dopo questa enorme diluizione, lo spazio diventa in un certo senso il generatore di un nuovo Big Bang. Quindi questa è una versione piuttosto esotica del vecchio universo ciclico – ma per favore non mi chieda di spiegare le idee di Penrose.

Q: Quanto è sicuro che la scienza possa alla fine decifrare cosa sia il nulla? Anche se potessimo provare che il nostro universo è partito da qualche strana fluttuazione di un campo a vuoto, non dovremmo chiederci da dove viene quel campo a vuoto?

A: Le scienze cercano di rispondere alle domande, ma ogni volta che rispondiamo, ne vengono messe a fuoco di nuove – non avremo mai un quadro completo. Quando ho iniziato la ricerca alla fine degli anni ’60, era controverso se ci fosse stato o meno un Big Bang. Ora non è più controverso, e possiamo dire con circa il 2% di precisione com’era l’universo da 13,8 miliardi di anni a un nanosecondo. Questo è un progresso enorme. Quindi non è assurdamente ottimistico credere che nei prossimi 50 anni, le questioni impegnative su ciò che accade alle ere quantistiche o “inflazionarie” saranno comprese.

Ma naturalmente questo solleva un’altra questione: quanto della scienza sarà accessibile al cervello umano? Potrebbe risultare, per esempio, che la matematica della teoria delle stringhe è in un certo senso una descrizione corretta della realtà, ma che non saremo mai in grado di capirla abbastanza bene da verificarla con qualsiasi osservazione autentica. Allora potremmo dover aspettare l’emergere di una sorta di post-umani per ottenere una comprensione più completa.

Ma chiunque rifletta su questi misteri dovrebbe rendersi conto che lo spazio vuoto del fisico – il vuoto – non è la stessa cosa del “nulla” del filosofo.