Il Mondo è pieno di Vuoto

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15/12/2013 18:17 - 09/02/2017 16:03 #118 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Il Mondo è pieno di Vuoto
Il Mondo è pieno di Vuoto
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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Il “Vuoto” è un tema che nasce entro di noi. C’è chi si interroga sulla sua essenza e chi lo esorcizza riempiendolo. Gli scienziati si cimentano a studiarlo razionalmente. Nasce entro di noi con il suo mistero, che solo con occhi che guardano dentro e non solo fuori riescono a trasformare in immagine … surrealista (figura 1).

Il Vuoto abita entro di noi anche come “ Horror vacui ”. Esso ci forza a riempire il tempo. Esso ci porta a riempire superfici e spazi, nell’arte, nella decorazione e nell’arredamento. Da tempi antichissimi riempiamo anche la superficie del nostro corpo con tatuaggi o scarificazioni (figura 2). La Psicologia tratta l’horror vacui come una patologia di nome “cenofobia”. Esso ci induce talvolta a pensare al dopo della nostra vita.

Il Vuoto agisce con noi anche come “vuoto attivo”. Sotto il nome “pausa”, esso è uno strumento di base nella comunicazione, al pari del “pieno” (la parola): per dire no senza pronunciare no, nell’oratoria, nella recitazione (Essere .. o non essere nell’Amleto di Shakespeare), nella poesia, nel canto, nella musica. Come "silenzio", il Vuoto induce a pensare. Nella comunicazione, può essere più significativo di qualsiasi espressione. Un assoluto silenzio è più definitivo di un "no". Lo si constata nei paesi orientali, ove "dire" no è considerato disdicevole.


Fig. 1. Salvador Dalí, L’eco del vuoto, circa 1935
Olio su tela, Milano, Collezione privata
Immagine Art in Italy


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Fig. 2. Figurina con tatuaggi
o scarificazioni (1750-1600 a.C.)
Terracotta dalla necropoli T, Adindan
Bassa Nubia , Egitto
Oriental Institute Museum , Chicago, Illinois
Immagine University of Chicago

La Filosofia dell’antica Grecia affrontò il tema Vuoto con il suo potere logico e speculativo. La Scienza - creatura della Filosofia - lo indagò con la sua metodologia, presentandolo a noi in luce costantemente rinnovata e dando luogo a numerose controversie. Occupandosi laicamente del Vuoto, la Scienza ha avuto con Teologia e Chiesa difficoltà del genere ben noto a Galileo Galilei. Quella del Vuoto è quindi una Storia multiforme e complessa.

Quest’articolo parte da quando Fisica e Filosofia erano indistinte, attraversa secoli di fisica classica e, assieme a Il Vuoto: dall’interazione a distanza al bosone di Higgs, entra nel terreno di avventura della Meccanica Quantistica-Relativistica, della Fisica delle Particelle, dell’Astrofisica e della Cosmologia.


Atomo e Vuoto nascono gemelli

La concezione atomistica della materia nacque con Leucippo di Mileto (nato nella prima metà del V sec. a.C.) e con il suo più famoso allievo Democrito di Abdera (460-370 a.C.), al quale essa viene correntemente attribuita. Il filosofo neoplatonico bizantino Simplicio (490-560 d.C.) in De coelo riferisce che secondo la teoria atomistica “gli atomi si muovono nel vuoto e, sopraggiungendosi, reciprocamente si urtano, e gli uni rimbalzano come si trovano, gli altri si allacciano fra loro secondo la simmetria delle forme, delle grandezze, delle posizioni e disposizioni, e si raccolgono, e così si compie la nascita delle cose composte”. Ipotizzando l’esistenza di (indivisibili) “atomi” come costituenti della materia piuttosto che pensare a una materia compatta, si deve ammettere anche quella del luogo della loro mancanza: il “Vuoto”.

Dice Aristotele di Stagira (384-322 a.C.) in La Metafisica: “Leucippo e l’amico suo Democrito dissero che gli elementi sono il pieno e il vuoto, chiamandoli rispettivamente essere e non-essere”. Similmente, Diogene Laerzio (circa 180-240) nelle sue Vite dei filosofi così riferisce sul pensiero di Democrito: “Princìpi di tutte le cose sono gli atomi e il vuoto, e tutto il resto è apparenza soggettiva”.

Filosofia a parte, possiamo dire che un bicchiere è “pieno” perché sappiamo che il bicchiere può anche essere “vuoto”. Pieno e Vuoto sono concetti arditi e connessi.


Platone e Aristotele

In assenza della percezione fisica del Vuoto che oggi abbiamo (possiamo anche “misurarne” il grado), nel Timeo il Vuoto come spazio immateriale esistente di per sé appariva a Platone ateniese (circa 427-347 a.C.) come un concetto astratto al quale negare una realtà.
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Fig. 3. Le cristalline corone sferiche delle stelle fisse
Evrart de Conty, Livre des échecs amoureux moralisés (circa 1400)
Dettaglio di manoscritto miniato (circa 1490)
Bibliotèque Nationale de France, Paris
Immagine originale Gallica
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Aristotele (384-322 a.C.) dissente da Leucippo e Democrito: “Non è possibile che neppure una sola cosa si muova, se esiste il vuoto; difatti, come alcuni dicono che la terra per la sua omogeneità è ferma, cosí anche è necessario che nel vuoto vi sia quiete: non vi è infatti dove piú o meno possa effettuarsi il movimento, poiché, in quanto è un vuoto, non comporta differenza” (Aristotele, La Fisica).

Se oggi pensiamo al mondo celeste, due parole vengono spontanee: "infinito" e "vuoto". Non ammettendo a priori l’esistenza del Vuoto, Aristotele dovette filosofare di conseguenza. Il mondo delle stelle doveva essere perfetto e quindi senza la mutevolezza del movimento. Le "stelle" fisse erano incastonate in corone sferiche concentriche, costituite da un materiale cristallino chiamato "etere". In questa visione, non c'era posto per l'infinito. Noi vivevamo in una sfera sottostante nella quale, diciamo fortunatamente, l'imperfetto e il mutevole avevano campo libero.

Notate bene, l'etere aristotelico va inteso in ben diversa accezione dall'odierno aggettivo "etereo" e anche dell'etere ipotizzato in soccorso della misteriosa costanza della velocità della luce nelle equazioni di Maxwell, discussa in Simmetrie e Relatività Speciale e qui ripresa in seguito.

Stupisce che, pur non essendo Aristotele un astronomo d.o.c., la sua visione abbia rappresentato l'ortodossia per quasi due millenni. Vediamo le stelle fisse nel foglio (figura 3) di un magnifico manoscritto miniato del trattato sull'educazione principesca scritto attorno al 1400 da Evrart de Conty , medico del futuro Re di Francia Carlo V.


Visione finalistica e Ipse dixit

In Sull'intelletto Leucippo esprime così un aspetto di fondo dell'atomismo: “ Nulla si produce senza motivo, ma tutto con una ragione e necessariamente ". Nel Medioevo occidentale prevalse invece una visione “finalistica” dei fenomeni naturali, appoggiandosi su una filosofia basata su ragionamenti logici – piuttosto che sulla sperimentazione - e quindi più malleabile in favore di quello che si vuole imporre come verità.

Ipse dixit ” ossia “l’ha detto egli stesso” è una locuzione latina (di origine greca secondo Cicerone) usata con riferimento ad Aristotele, che fu anche strumentalizzato per bollare come “eretiche” idee scomodamente diverse senza accettare il dibattito. Come si è detto, Aristotele non ammetteva l'esistenza del Vuoto. Venne in uso dire “ Natura abhorret a vacuo ” ovvero "La natura aborre il vuoto", pur se in modo dibattuto anche all'interno della Chiesa.

Furono l' Umanesimo e il Rinascimento ad aprire la strada ad una nuova visione. La riscoperta del sapere antico fu seguita dall'osservazione del mondo che ci circonda e dalla sua trasposizione in Scienza, con spirito laico piuttosto che con credenze precostituite, religiose o altre. Il “metodo scientifico” fornì anche armi di contrasto dialettico alle “verità autoritarie”, non senza problemi come lo stesso Galileo (1564-1642) constatò duramente. Esso aprì la strada a uno straordinario sviluppo della Scienza, che ora corre a un ritmo stupefacente.

Nella Scienza vale la “democrazia della realtà sperimentata”. In base ad essa, un giovane può rispettosamente smentire un professore e un professore che sia anche “maestro” è contento di un tale allievo. In Giappone esiste la bella usanza: chiamare correntemente “sensei” le persone da rispettare come “maestri” nel senso umano e intellettuale della parola.
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Fig. 4. Esperimento di tipo torricelliano
Da Gaspar Schott
Technica curiosa, sive, Mirabilia artis
Würzburg (1664)
Immagine Museo Galileo
Fig. 5. Gli “emisferi di Magdeburgo” nello spettacolare esperimento di Otto von Guericke
Da Gaspar Schott, Mechanica hydraulico-pneumatica, Würzburg (1657) - Immagine Wikipedia



La scoperta del Vuoto

Per il Vuoto, il metodo scientifico fu messo in campo da Evangelista Torricelli (1608-47), discepolo di Galileo. “Molti hanno detto che il vacuo non si dia, altri che si dia, ma con repugnanza della natura e con fatica; non so già che alcuno habbia detto che si dia senza fatica e senza resistenza della natura. ….. Dico ciò perché qualche Filosofo, vedendo di non poter fuggire questa confessione, che la gravità dell'aria cagioni la repugnanza che si sente nel fare il vacuo, non dicesse di concedere l'operazione del peso aereo ma persistesse nell'asseverare che anche la natura concorre a repugnare al vacuo. Noi viviamo sommersi nel fondo d'un pelago d'aria elementare, la quale per esperienze indubitate si sa che pesa, e tanto che questa grossissima vicino alla superficie terrena, pesa circa la quattrocentesima parte del peso dell'acqua” ( Lettera a Michelangelo Ricci, 11 giugno 1644).

Secondo Torricelli, lo spazio creato dalla discesa del mercurio nel tubo è “vuoto” e la colonna di mercurio è spinta verso l’alto dalla pressione dell'aria sul mercurio esposto all’atmosfera nella bacinella che lo contiene. Con poche parole egli dice quasi tutto su tutto: il Vuoto esiste e questo alla Natura sta bene; siamo immersi in un fluido, l’aria; si può “fare il vuoto”; si può “misurare” la pressione atmosferica mediante un “ barometro ”, nel quale la colonna di mercurio bilancia la pressione atmosferica (figura 4). Per rendersi conto della grandiosa fecondità di quei tempi, ricordiamo che Galileo compose il Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo tra il 1624 e il 1630, ed ebbe l’imprimatur nel 1632.

La spettacolare conferma dell’esistenza del Vuoto avvenne nel 1657. Otto von Guericke costruì la prima pompa a vuoto e riuscì a evacuare il volume tra due calotte emisferiche o, se volete un linguaggio non proprio corretto ma più immaginifico, a “imprigionarvi” il Vuoto. Nel famoso esperimento degli “emisferi di Magdeburgo” (figura 5) egli mostrò che la pressione atmosferica premeva con tale forza sulle calotte, incontrastata da una pressione dell'aria al loro interno, da renderne impossibile il distacco anche facendole trarre in direzioni opposte da numerosi cavalli.


Teoria cinetica dei gas

Nell'Ottocento, la Termodinamica inserì la pressione nella descrizione quantitativa del comportamento macroscopico dei gas. Il collegamento con una visione microscopica venne con la Teoria cinetica dei gas . Essa mostrò che le grandezze termodinamiche sono un modo di esprimere a scala macroscopica delle grandezze genuinamente microscopiche: la temperatura è direttamente collegata all’energia cinetica di agitazione termica delle molecole e la pressione alla variazione della quantità di moto nei loro urti contro una parete. Leucippo e Democrito avevano visto giusto.


Etere?

L'ultima minaccia all'esistenza del Vuoto (nel senso della fisica classica) venne nel 1864 con le equazioni di Maxwell ed è discussa in Simmetrie e Relatività Speciale . La misteriosa invarianza della velocità della luce resuscitò l'ipotesi di un invisibile "etere" nel quale solo esse valgano. Questa ipotesi fu smentita nel 1887 dall'esperimento di Michelson-Morley e scomparve definitivamente con la trasformazione di Lorentz e con la canonizzazione dell'invarianza della velocità della luce da parte Relatività Speciale di Einstein nel 1905.


Vuoto atomico

In Interazione Forte è illustrato come nel 1909 Ernest Rutherford scoprì che nell’atomo la materia è concentrata in un minuscolo “nucleo” e come furono successivamente determinate le dimensioni dei nuclei atomici. Esse sono dell’ordine di 10-13 [/size] cm e quindi circa centomila volte più piccole di quelle dell’atomo (10-8 [/size] cm). Un rapido calcolo dice che la frazione del volume atomico occupata dal nucleo è dell’ordine di 10-15 [/size]. L’atomo è praticamente tutto vuoto.

Nella stesso articolo, leggiamo anche che con questa scoperta Ernest Rutherford smentì il modello atomico di Joseph Thompson (lo scopritore dell’elettrone), secondo il quale la carica positiva e la materia erano distribuite su tutto il volume atomico. Prevalse un modello atomico cosiddetto planetario per la sua analogia con il sistema solare, con il nucleo atomico al posto del Sole e gli elettroni orbitanti in uno spazio vuoto. Era necessario giustificare il fatto che gli elettroni perdendo energia per radiazione non spiralano verso il nucleo. Li salva la loro natura quantistica, che intervenne nel modello atomico di Bohr (1913) e successivamente nel modello a orbitali (1926-27), tuttora valido. Resta il fatto che lo spazio atomico è essenzialmente vuoto.

Una cosa è leggere, un’altra è “capire” l’impatto, a volte sconvolgente, delle scoperte. Il grande artista Wassily Kandinsky (1866-1944) seguiva i progressi della Scienza capì l’impatto della scoperta di Rutherford e ne fu sconvolto. In Sguardi sul passato, egli scrisse: “Il collasso del modello atomico equivalse, nel mio spirito, a un collasso del mondo intero”.

Kandinsky aveva capito. Possiamo esprimere con altre parole l'impatto della scoperta di Rutherford: “Anche quello credevamo solido è in realtà costituito da spazio sostanzialmente vuoto”.


Vuoto cosmico

Nel 1912 l'astronomo Henry Pickering osservò quanto segue: "Anche se il mezzo interstellare mezzo può essere semplicemente etere, la sua caratteristica di assorbire selettivamente (in lunghezza d’onda), notata da Kaptein, è caratteristica di un gas, e molecole gassose libere vi sono di sicuro, dato che probabilmente esse sono espulse continuamente da sole e stelle" (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 72).

In un articolo articolo del 1926 (Astrophysical Journal, v. 64), Edwin Hubble fornì la prima stima quantitativa della densità media dell'Universo: ”Le masse (delle nebulose extragalattiche) appaiono essere dell’ordine di 2.6x108 masse solari. […] Entro vari limiti di magnitudine, il numero di nebulose varia direttamente con il volume dello spazio considerato dai limiti. Questo indica una densità approssimativamente uniforme nello spazio, dell’ordine di 1.5x10-31 [/size] in unità C.G.S.”.

Dalla scala del microcosmo alla massima scala del macrocosmo, il mondo è “pieno di Vuoto”.
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Fig. 6. La legge di Hubble (notate le scale non lineari)
1 Megaparsec (Mpc) = 3 milioni di anni luce
Immagine Minnesota State University
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Fig. 7. Mappa schematica delle velocità delle galassie
relativamente a noi
Immagine University of Illinois


L’Universo in espansione

Nel 1914 Vesto Slipher osservò uno spostamento delle righe spettrali della luce da galassie lontane, che attribuì a un effetto Doppler dovuto un loro moto di allontanamento relativamente a noi.

Nel 1929 Edwin Hubble osservò che le galassie appaiono allontanarsi con una velocità approssimativamente proporzionale alla loro distanza (figura 6), secondo la cosiddetta “Legge di Hubble”. La figura 7 mostra schematicamente una mappa delle velocità di allontanamento delle galassie relativamente a dove siamo noi. Essendo noi in un punto “qualsiasi” dell’Universo, questo implica che esso è in espansione. La prima ipotesi di Universo in espansione era stata avanzata da Georges Lemaître nel 1927.

Andando indietro nel tempo dell’Universo, l’espansione diventa contrazione. La Legge di Hubble condusse così a formulare la teoria del “ Big Bang ”. Secondo questa teoria, l’espansione dell’Universo origina da una gigantesca esplosione (da cui la denominazione della teoria) di uno stato iniziale in cui tutta l’energia era concentrata in dimensioni idealmente nulle. L’Universo statico di Aristotele si allontanò ancor più nella Storia.

Da questa energia scaturirono materia (particelle elementari) e radiazione (per esempio fotoni , i “quanti” della radiazione elettromagnetica), che nei primissimi istanti convissero strettamente interagendo continuamente.
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Fig. 8. Mappa della Radiazione Cosmica di Fondo
Missione spaziale ESA/Planck (2013) - Immagine ESA/Planck
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Fig. 9. Orme di dinosauri a Monte Zugna presso Rovereto
Immagine Trentino

Radiazione Cosmica di Fondo

Nel 1964 Arno Penzias e Robert Wilson scopersero casualmente una nuova presenza nel Vuoto Cosmico: l’Universo è permeato da una “ Radiazione Cosmica di Fondo ” situata nel dominio delle microonde elettromagnetiche.

Essa fu interpretata come l’atteso resto “fossile” della radiazione generata ai primordi dell’Universo secondo la teoria del Big Bang. Il proseguire dell’espansione e la conseguente diminuzione di densità resero più improbabili le interazioni e portarono a un "disaccoppiamento" di materia e radiazione.

La materia si è coagulata e l’attrazione gravitazionale ha portato alle galassie che popolano il Cosmo. Nell’Universo meno denso, la radiazione non ha più avuto una significativa probabilità d’interagire (da cui la sua denominazione di "fossile"). Con la sua scoperta, la teoria del Big Bang trovò una sensazionale conferma.

Da Onde e particelle per pedoni molto curiosi si ricordi che la frequenza di una radiazione elettromagnetica corrisponde all’energia dei “quanti” (fotoni) che la compongono e che a questa energia corrisponde una temperatura, la grandezza fisica macroscopica introdotta dalla Termodinamica quando era ancora incolpevolmente ignara dell’esistenza di atomi e quanti. Nell’espansione successiva al disaccoppiamento, la radiazione fossile si è enormemente “raffreddata”. Ai giorni nostri, la temperatura della radiazione fossile è 2,7 o [/size]K.

La Radiazione Cosmica di Fondo presenta minime disuniformità , al livello di 10 parti per milione. Esse sono impronte lasciate dai fenomeni accaduti ai primordi dell’Universo, sui quali sono un’eccezionale fonte d’informazioni. La figura 8 mostra le disuniformità rilevate dalla missione spaziale Planck della Agenzia Spaziale Europea.

La figura 9 mostra le impronte lasciate da dinosauri a Monte Zugna presso Rovereto. Esse forniscono informazioni sui primordi della vita sulla Terra, come le disuniformità nella radiazione fossile fanno per quelli dell’Universo.

La teoria del Big Bang prevede disuniformità più grandi di quelle osservate. Inoltre, esse dovrebbero essere accompagnate da disuniformità nella attuale “ struttura a larga scala ” della distribuzione delle galassie nell’Universo maggiori di quelle che riscontriamo. La “ teoria Inflazionaria ”, formulata agli inizi degli anni Novanta, ne fornisce una spiegazione spostando in avanti il t=0 del Bing Bang e facendolo precedere da una fase di enorme espansione in un tempo incredibilmente breve, che nel suo corso non diede tempo alle disuniformità di svilupparsi. Si iniziano ad avere indicazioni della sua validità.

Le disuniformità nella Radiazione Cosmica di Fondo danno anche informazioni su proprietà del Cosmo inaccessibili ai nostri attuali strumenti di osservazione, quali la costituzione della cosiddetta “ Materia Oscura ” e la presenza di una “ Energia Oscura ”.




Fig. 10. Aroma del caffè
grazie alla tecnologia del Vuoto - Immagine
ReuZZa - Nikonclub
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Fig. 11. Collisionatore LHC e vista aerea del sito -
Immagini
CERN e CERN/ATLAS

Il Vuoto diventa Tecnologia

Dalla pompa a vuoto realizzata nel 1654 da Otto von Guericke, siamo giunti a mettere correntemente sotto vuoto i nostri alimenti. Senza la tecnologia del Vuoto, il caffè che troviamo in commercio non avrebbe lo stesso aroma (figura 10). Il Vuoto fa parte della nostra vita quotidiana fin dalla mattina.

La tecnologia del Vuoto è diventata raffinatissima. Nei laboratori scientifici sono stati raggiunti gradi di vuoto incredibilmente spinti anche su grandi volumi. La figura 11 mostra un esempio molto significativo, anche se di eccezione. Nella " ciambella " di 27 km di circonferenza entro cui circolano i protoni nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN, la pressione del gas residuo è 10-14 [/size]-10-13 [/size] volte più piccola di quella atmosferica.


Appetito di vuoto

Abbiamo sinteticamente percorso la “Storia del Vuoto” e giustificato il titolo dell’articolo. Nascono gli interrogativi e con essi un forte “appetito di Vuoto”. Eccone alcuni. Quale è la visione concettuale del Vuoto in quadro quantistico-relativistico? Come questa visione è stata cambiata dai più recenti sviluppi della Fisica? Vi sono ampi motivi per non demordere e continuare a “sfidare il Vuoto”. La Storia del Vuoto continua in Il Vuoto: dall’interazione a distanza al bosone di Higgs.


Collegamenti

Horror vacui? Omaggio a Torricelli , Museo Galileo , Firenze
Nature abhors a vacuum in Hmolpedia: Encyclopedia of Human Thermodynamics, Chemistry and Physics
Alessandro Melchiorri, Un Universo vuoto ma speciale , Frascati Scienza (2012)
Alessandro Melchiorri, Cosmologia , Enciclopedia Treccani (2004)
Roberto Renzetti, Torricelli, il peso dell'aria e il vuoto , Fisica/mente
Dizionario di Filosofia, Cosmologia , Enciclopedia Treccani (2009)
StarChild , La Cosmologia , High Energy Astrophysics Science Archive Research Center (HEASAC) – INAF/Padova


Emilio Balzano e Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 16:03 da Paolo.

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Di più
22/08/2014 14:39 - 08/02/2017 11:31 #144 da P. Strolin
P. Strolin ha risposto alla discussione Il Mondo è pieno di Vuoto
Il Mondo è pieno di Vuoto
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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Il “Vuoto” è un tema che nasce entro di noi. C’è chi si interroga sulla sua essenza e chi lo esorcizza riempiendolo. Gli scienziati si cimentano a studiarlo razionalmente. Nasce entro di noi con il suo mistero, che solo con occhi che guardano dentro e non solo fuori riescono a trasformare in immagine … surrealista (figura 1).

Il Vuoto abita entro di noi anche come “ Horror vacui ”. Esso ci forza a riempire il tempo. Esso ci porta a riempire superfici e spazi, nell’arte, nella decorazione e nell’arredamento. Da tempi antichissimi riempiamo anche la superficie del nostro corpo con tatuaggi o scarificazioni (figura 2). La Psicologia tratta l’horror vacui come una patologia di nome “cenofobia”. Esso ci induce talvolta a pensare al dopo della nostra vita.

Il Vuoto agisce con noi anche come “vuoto attivo”. Sotto il nome “pausa”, esso è uno strumento di base nella comunicazione, al pari del “pieno” (la parola): per dire no senza pronunciare no, nell’oratoria, nella recitazione (Essere .. o non essere nell’Amleto di Shakespeare), nella poesia, nel canto, nella musica. Come "silenzio", il Vuoto induce a pensare. Nella comunicazione, può essere più significativo di qualsiasi espressione. Un assoluto silenzio è più definitivo di un "no". Lo si constata nei paesi orientali, ove "dire" no è considerato disdicevole.
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Fig. 1. Salvador Dalí, L’eco del vuoto, circa 1935
Olio su tela, Milano, Collezione privata
Immagine Art in Italy
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Fig. 2. Figurina con tatuaggi
o scarificazioni (1750-1600 a.C.)
Terracotta dalla necropoli T, Adindan
Bassa Nubia , Egitto
Oriental Institute Museum , Chicago, Illinois
Immagine University of Chicago

La Filosofia dell’antica Grecia affrontò il tema Vuoto con il suo potere logico e speculativo. La Scienza - creatura della Filosofia - lo indagò con la sua metodologia, presentandolo a noi in luce costantemente rinnovata e dando luogo a numerose controversie. Occupandosi laicamente del Vuoto, la Scienza ha avuto con Teologia e Chiesa difficoltà del genere ben noto a Galileo Galilei. Quella del Vuoto è quindi una Storia multiforme e complessa.

Quest’articolo parte da quando Fisica e Filosofia erano indistinte, attraversa secoli di fisica classica e, assieme a Il Vuoto: dall’interazione a distanza al bosone di Higgs, entra nel terreno di avventura della Meccanica Quantistica-Relativistica, della Fisica delle Particelle, dell’Astrofisica e della Cosmologia.


Atomo e Vuoto nascono gemelli

La concezione atomistica della materia nacque con Leucippo di Mileto (nato nella prima metà del V sec. a.C.) e con il suo più famoso allievo Democrito di Abdera (460-370 a.C.), al quale essa viene correntemente attribuita. Il filosofo neoplatonico bizantino Simplicio (490-560 d.C.) in De coelo riferisce che secondo la teoria atomistica “gli atomi si muovono nel vuoto e, sopraggiungendosi, reciprocamente si urtano, e gli uni rimbalzano come si trovano, gli altri si allacciano fra loro secondo la simmetria delle forme, delle grandezze, delle posizioni e disposizioni, e si raccolgono, e così si compie la nascita delle cose composte”. Ipotizzando l’esistenza di (indivisibili) “atomi” come costituenti della materia piuttosto che pensare a una materia compatta, si deve ammettere anche quella del luogo della loro mancanza: il “Vuoto”.

Dice Aristotele di Stagira (384-322 a.C.) in La Metafisica: “Leucippo e l’amico suo Democrito dissero che gli elementi sono il pieno e il vuoto, chiamandoli rispettivamente essere e non-essere”. Similmente, Diogene Laerzio (circa 180-240) nelle sue Vite dei filosofi così riferisce sul pensiero di Democrito: “Princìpi di tutte le cose sono gli atomi e il vuoto, e tutto il resto è apparenza soggettiva”.

Filosofia a parte, possiamo dire che un bicchiere è “pieno” perché sappiamo che il bicchiere può anche essere “vuoto”. Pieno e Vuoto sono concetti arditi e connessi.


Platone e Aristotele

In assenza della percezione fisica del Vuoto che oggi abbiamo (possiamo anche “misurarne” il grado), nel Timeo il Vuoto come spazio immateriale esistente di per sé appariva a Platone ateniese (circa 427-347 a.C.) come un concetto astratto al quale negare una realtà.
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Fig. 3. Le cristalline corone sferiche delle stelle fisse
Evrart de Conty, Livre des échecs amoureux moralisés (circa 1400)
Dettaglio di manoscritto miniato (circa 1490)
Bibliotèque Nationale de France, Paris
Immagine originale Gallica
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Aristotele (384-322 a.C.) dissente da Leucippo e Democrito: “Non è possibile che neppure una sola cosa si muova, se esiste il vuoto; difatti, come alcuni dicono che la terra per la sua omogeneità è ferma, cosí anche è necessario che nel vuoto vi sia quiete: non vi è infatti dove piú o meno possa effettuarsi il movimento, poiché, in quanto è un vuoto, non comporta differenza” (Aristotele, La Fisica).

Se oggi pensiamo al mondo celeste, due parole vengono spontanee: "infinito" e "vuoto". Non ammettendo a priori l’esistenza del Vuoto, Aristotele dovette filosofare di conseguenza. Il mondo delle stelle doveva essere perfetto e quindi senza la mutevolezza del movimento. Le "stelle" fisse erano incastonate in corone sferiche concentriche, costituite da un materiale cristallino chiamato "etere". In questa visione, non c'era posto per l'infinito. Noi vivevamo in una sfera sottostante nella quale, diciamo fortunatamente, l'imperfetto e il mutevole avevano campo libero.

Notate bene, l'etere aristotelico va inteso in ben diversa accezione dall'odierno aggettivo "etereo" e anche dell'etere ipotizzato in soccorso della misteriosa costanza della velocità della luce nelle equazioni di Maxwell, discussa in Simmetrie e Relatività Speciale e qui ripresa in seguito.

Stupisce che, pur non essendo Aristotele un astronomo d.o.c., la sua visione abbia rappresentato l'ortodossia per quasi due millenni. Vediamo le stelle fisse nel foglio (figura 3) di un magnifico manoscritto miniato del trattato sull'educazione principesca scritto attorno al 1400 da Evrart de Conty , medico del futuro Re di Francia Carlo V.


Visione finalistica e Ipse dixit

In Sull'intelletto Leucippo esprime così un aspetto di fondo dell'atomismo: “ Nulla si produce senza motivo, ma tutto con una ragione e necessariamente ". Nel Medioevo occidentale prevalse invece una visione “finalistica” dei fenomeni naturali, appoggiandosi su una filosofia basata su ragionamenti logici – piuttosto che sulla sperimentazione - e quindi più malleabile in favore di quello che si vuole imporre come verità.

Ipse dixit ” ossia “l’ha detto egli stesso” è una locuzione latina (di origine greca secondo Cicerone) usata con riferimento ad Aristotele, che fu anche strumentalizzato per bollare come “eretiche” idee scomodamente diverse senza accettare il dibattito. Come si è detto, Aristotele non ammetteva l'esistenza del Vuoto. Venne in uso dire “ Natura abhorret a vacuo ” ovvero "La natura aborre il vuoto", pur se in modo dibattuto anche all'interno della Chiesa.

Furono l' Umanesimo e il Rinascimento ad aprire la strada ad una nuova visione. La riscoperta del sapere antico fu seguita dall'osservazione del mondo che ci circonda e dalla sua trasposizione in Scienza, con spirito laico piuttosto che con credenze precostituite, religiose o altre. Il “metodo scientifico” fornì anche armi di contrasto dialettico alle “verità autoritarie”, non senza problemi come lo stesso Galileo (1564-1642) constatò duramente. Esso aprì la strada a uno straordinario sviluppo della Scienza, che ora corre a un ritmo stupefacente.

Nella Scienza vale la “democrazia della realtà sperimentata”. In base ad essa, un giovane può rispettosamente smentire un professore e un professore che sia anche “maestro” è contento di un tale allievo. In Giappone esiste la bella usanza: chiamare correntemente “sensei” le persone da rispettare come “maestri” nel senso umano e intellettuale della parola.
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Fig. 4. Esperimento di tipo torricelliano
Da Gaspar Schott
Technica curiosa, sive, Mirabilia artis
Würzburg (1664)
Immagine Museo Galileo
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Fig. 5. Gli “emisferi di Magdeburgo” nello spettacolare esperimento di Otto von Guericke
Da Gaspar Schott, Mechanica hydraulico-pneumatica, Würzburg (1657) - Immagine [url=http://en.wikipedia.org/wiki/File:Magdeburg.jpgWikipedia[/url]

La scoperta del Vuoto

Per il Vuoto, il metodo scientifico fu messo in campo da Evangelista Torricelli (1608-47), discepolo di Galileo. “Molti hanno detto che il vacuo non si dia, altri che si dia, ma con repugnanza della natura e con fatica; non so già che alcuno habbia detto che si dia senza fatica e senza resistenza della natura. ….. Dico ciò perché qualche Filosofo, vedendo di non poter fuggire questa confessione, che la gravità dell'aria cagioni la repugnanza che si sente nel fare il vacuo, non dicesse di concedere l'operazione del peso aereo ma persistesse nell'asseverare che anche la natura concorre a repugnare al vacuo. Noi viviamo sommersi nel fondo d'un pelago d'aria elementare, la quale per esperienze indubitate si sa che pesa, e tanto che questa grossissima vicino alla superficie terrena, pesa circa la quattrocentesima parte del peso dell'acqua” ( Lettera a Michelangelo Ricci, 11 giugno 1644).

Secondo Torricelli, lo spazio creato dalla discesa del mercurio nel tubo è “vuoto” e la colonna di mercurio è spinta verso l’alto dalla pressione dell'aria sul mercurio esposto all’atmosfera nella bacinella che lo contiene. Con poche parole egli dice quasi tutto su tutto: il Vuoto esiste e questo alla Natura sta bene; siamo immersi in un fluido, l’aria; si può “fare il vuoto”; si può “misurare” la pressione atmosferica mediante un “ barometro ”, nel quale la colonna di mercurio bilancia la pressione atmosferica (figura 4). Per rendersi conto della grandiosa fecondità di quei tempi, ricordiamo che Galileo compose il Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo tra il 1624 e il 1630, ed ebbe l’imprimatur nel 1632.

La spettacolare conferma dell’esistenza del Vuoto avvenne nel 1657. Otto von Guericke costruì la prima pompa a vuoto e riuscì a evacuare il volume tra due calotte emisferiche o, se volete un linguaggio non proprio corretto ma più immaginifico, a “imprigionarvi” il Vuoto. Nel famoso esperimento degli “emisferi di Magdeburgo” (figura 5) egli mostrò che la pressione atmosferica premeva con tale forza sulle calotte, incontrastata da una pressione dell'aria al loro interno, da renderne impossibile il distacco anche facendole trarre in direzioni opposte da numerosi cavalli.


Teoria cinetica dei gas

Nell'Ottocento, la Termodinamica inserì la pressione nella descrizione quantitativa del comportamento macroscopico dei gas. Il collegamento con una visione microscopica venne con la Teoria cinetica dei gas . Essa mostrò che le grandezze termodinamiche sono un modo di esprimere a scala macroscopica delle grandezze genuinamente microscopiche: la temperatura è direttamente collegata all’energia cinetica di agitazione termica delle molecole e la pressione alla variazione della quantità di moto nei loro urti contro una parete. Leucippo e Democrito avevano visto giusto.


Etere?

L'ultima minaccia all'esistenza del Vuoto (nel senso della fisica classica) venne nel 1864 con le equazioni di Maxwell ed è discussa in Simmetrie e Relatività Speciale . La misteriosa invarianza della velocità della luce resuscitò l'ipotesi di un invisibile "etere" nel quale solo esse valgano. Questa ipotesi fu smentita nel 1887 dall'esperimento di Michelson-Morley e scomparve definitivamente con la trasformazione di Lorentz e con la canonizzazione dell'invarianza della velocità della luce da parte Relatività Speciale di Einstein nel 1905.


Vuoto atomico

In Interazione Forte è illustrato come nel 1909 Ernest Rutherford scoprì che nell’atomo la materia è concentrata in un minuscolo “nucleo” e come furono successivamente determinate le dimensioni dei nuclei atomici. Esse sono dell’ordine di 10-13 [/size] cm e quindi circa centomila volte più piccole di quelle dell’atomo (10-8 [/size] cm). Un rapido calcolo dice che la frazione del volume atomico occupata dal nucleo è dell’ordine di 10-15 [/size]. L’atomo è praticamente tutto vuoto.

Nella stesso articolo, leggiamo anche che con questa scoperta Ernest Rutherford smentì il modello atomico di Joseph Thompson (lo scopritore dell’elettrone), secondo il quale la carica positiva e la materia erano distribuite su tutto il volume atomico. Prevalse un modello atomico cosiddetto planetario per la sua analogia con il sistema solare, con il nucleo atomico al posto del Sole e gli elettroni orbitanti in uno spazio vuoto. Era necessario giustificare il fatto che gli elettroni perdendo energia per radiazione non spiralano verso il nucleo. Li salva la loro natura quantistica, che intervenne nel modello atomico di Bohr (1913) e successivamente nel modello a orbitali (1926-27), tuttora valido. Resta il fatto che lo spazio atomico è essenzialmente vuoto.

Una cosa è leggere, un’altra è “capire” l’impatto, a volte sconvolgente, delle scoperte. Il grande artista Wassily Kandinsky (1866-1944) seguiva i progressi della Scienza capì l’impatto della scoperta di Rutherford e ne fu sconvolto. In Sguardi sul passato, egli scrisse: “Il collasso del modello atomico equivalse, nel mio spirito, a un collasso del mondo intero”.

Kandinsky aveva capito. Possiamo esprimere con altre parole l'impatto della scoperta di Rutherford: “Anche quello credevamo solido è in realtà costituito da spazio sostanzialmente vuoto”.


Vuoto cosmico

Nel 1912 l'astronomo Henry Pickering osservò quanto segue: "Anche se il mezzo interstellare mezzo può essere semplicemente etere, la sua caratteristica di assorbire selettivamente (in lunghezza d’onda), notata da Kaptein, è caratteristica di un gas, e molecole gassose libere vi sono di sicuro, dato che probabilmente esse sono espulse continuamente da sole e stelle" (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 72).

In un articolo articolo del 1926 (Astrophysical Journal, v. 64), Edwin Hubble fornì la prima stima quantitativa della densità media dell'Universo: ”Le masse (delle nebulose extragalattiche) appaiono essere dell’ordine di 2.6x108 masse solari. […] Entro vari limiti di magnitudine, il numero di nebulose varia direttamente con il volume dello spazio considerato dai limiti. Questo indica una densità approssimativamente uniforme nello spazio, dell’ordine di 1.5x10-31 [/size] in unità C.G.S.”.

Dalla scala del microcosmo alla massima scala del macrocosmo, il mondo è “pieno di Vuoto”.
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Fig. 6. La legge di Hubble (notate le scale non lineari)
1 Megaparsec (Mpc) = 3 milioni di anni luce
Immagine Minnesota State University
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Fig. 7. Mappa schematica delle velocità delle galassie
relativamente a noi
Immagine University of Illinois


L’Universo in espansione

Nel 1914 Vesto Slipher osservò uno spostamento delle righe spettrali della luce da galassie lontane, che attribuì a un effetto Doppler dovuto un loro moto di allontanamento relativamente a noi.

Nel 1929 Edwin Hubble osservò che le galassie appaiono allontanarsi con una velocità approssimativamente proporzionale alla loro distanza (figura 6), secondo la cosiddetta “Legge di Hubble”. La figura 7 mostra schematicamente una mappa delle velocità di allontanamento delle galassie relativamente a dove siamo noi. Essendo noi in un punto “qualsiasi” dell’Universo, questo implica che esso è in espansione. La prima ipotesi di Universo in espansione era stata avanzata da Georges Lemaître nel 1927.

Andando indietro nel tempo dell’Universo, l’espansione diventa contrazione. La Legge di Hubble condusse così a formulare la teoria del “ Big Bang ”. Secondo questa teoria, l’espansione dell’Universo origina da una gigantesca esplosione (da cui la denominazione della teoria) di uno stato iniziale in cui tutta l’energia era concentrata in dimensioni idealmente nulle. L’Universo statico di Aristotele si allontanò ancor più nella Storia.

Da questa energia scaturirono materia (particelle elementari) e radiazione (per esempio fotoni , i “quanti” della radiazione elettromagnetica), che nei primissimi istanti convissero strettamente interagendo continuamente.
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Fig. 8. Mappa della Radiazione Cosmica di Fondo
Missione spaziale ESA/Planck (2013) - Immagine ESA/Planck
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Fig. 9. Orme di dinosauri a Monte Zugna presso Rovereto
Immagine Trentino

Radiazione Cosmica di Fondo

Nel 1964 Arno Penzias e Robert Wilson scopersero casualmente una nuova presenza nel Vuoto Cosmico: l’Universo è permeato da una “ Radiazione Cosmica di Fondo ” situata nel dominio delle microonde elettromagnetiche.

Essa fu interpretata come l’atteso resto “fossile” della radiazione generata ai primordi dell’Universo secondo la teoria del Big Bang. Il proseguire dell’espansione e la conseguente diminuzione di densità resero più improbabili le interazioni e portarono a un "disaccoppiamento" di materia e radiazione.

La materia si è coagulata e l’attrazione gravitazionale ha portato alle galassie che popolano il Cosmo. Nell’Universo meno denso, la radiazione non ha più avuto una significativa probabilità d’interagire (da cui la sua denominazione di "fossile"). Con la sua scoperta, la teoria del Big Bang trovò una sensazionale conferma.

Da Onde e particelle per pedoni molto curiosi si ricordi che la frequenza di una radiazione elettromagnetica corrisponde all’energia dei “quanti” (fotoni) che la compongono e che a questa energia corrisponde una temperatura, la grandezza fisica macroscopica introdotta dalla Termodinamica quando era ancora incolpevolmente ignara dell’esistenza di atomi e quanti. Nell’espansione successiva al disaccoppiamento, la radiazione fossile si è enormemente “raffreddata”. Ai giorni nostri, la temperatura della radiazione fossile è 2,7 o [/size]K.

La Radiazione Cosmica di Fondo presenta minime disuniformità , al livello di 10 parti per milione. Esse sono impronte lasciate dai fenomeni accaduti ai primordi dell’Universo, sui quali sono un’eccezionale fonte d’informazioni. La figura 8 mostra le disuniformità rilevate dalla missione spaziale Planck della Agenzia Spaziale Europea.

La figura 9 mostra le impronte lasciate da dinosauri a Monte Zugna presso Rovereto. Esse forniscono informazioni sui primordi della vita sulla Terra, come le disuniformità nella radiazione fossile fanno per quelli dell’Universo.

La teoria del Big Bang prevede disuniformità più grandi di quelle osservate. Inoltre, esse dovrebbero essere accompagnate da disuniformità nella attuale “ struttura a larga scala ” della distribuzione delle galassie nell’Universo maggiori di quelle che riscontriamo. La “ teoria Inflazionaria ”, formulata agli inizi degli anni Novanta, ne fornisce una spiegazione spostando in avanti il t=0 del Bing Bang e facendolo precedere da una fase di enorme espansione in un tempo incredibilmente breve, che nel suo corso non diede tempo alle disuniformità di svilupparsi. Si iniziano ad avere indicazioni della sua validità.

Le disuniformità nella Radiazione Cosmica di Fondo danno anche informazioni su proprietà del Cosmo inaccessibili ai nostri attuali strumenti di osservazione, quali la costituzione della cosiddetta “ Materia Oscura ” e la presenza di una “ Energia Oscura ”.
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Fig. 10. Aroma del caffè
grazie alla
tecnologia del Vuoto
Immagine ReuZZa - Nikonclub
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Fig. 11. Collisionatore LHC e vista aerea del sito - Immagini CERN e CERN/ATLAS

Il Vuoto diventa Tecnologia

Dalla pompa a vuoto realizzata nel 1654 da Otto von Guericke, siamo giunti a mettere correntemente sotto vuoto i nostri alimenti. Senza la tecnologia del Vuoto, il caffè che troviamo in commercio non avrebbe lo stesso aroma (figura 10). Il Vuoto fa parte della nostra vita quotidiana fin dalla mattina.

La tecnologia del Vuoto è diventata raffinatissima. Nei laboratori scientifici sono stati raggiunti gradi di vuoto incredibilmente spinti anche su grandi volumi. La figura 11 mostra un esempio molto significativo, anche se di eccezione. Nella " ciambella " di 27 km di circonferenza entro cui circolano i protoni nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN, la pressione del gas residuo è 10-14 [/size]-10-13 [/size] volte più piccola di quella atmosferica.


Appetito di vuoto

Abbiamo sinteticamente percorso la “Storia del Vuoto” e giustificato il titolo dell’articolo. Nascono gli interrogativi e con essi un forte “appetito di Vuoto”. Eccone alcuni. Quale è la visione concettuale del Vuoto in quadro quantistico-relativistico? Come questa visione è stata cambiata dai più recenti sviluppi della Fisica? Vi sono ampi motivi per non demordere e continuare a “sfidare il Vuoto”. La Storia del Vuoto continua in Il Vuoto: dall’interazione a distanza al bosone di Higgs.


Collegamenti

Horror vacui? Omaggio a Torricelli , Museo Galileo , Firenze
Nature abhors a vacuum in Hmolpedia: Encyclopedia of Human Thermodynamics, Chemistry and Physics
Alessandro Melchiorri, Un Universo vuoto ma speciale , Frascati Scienza (2012)
Alessandro Melchiorri, Cosmologia , Enciclopedia Treccani (2004)
Roberto Renzetti, Torricelli, il peso dell'aria e il vuoto , Fisica/mente
Dizionario di Filosofia, Cosmologia , Enciclopedia Treccani (2009)
StarChild , La Cosmologia , High Energy Astrophysics Science Archive Research Center (HEASAC) – INAF/Padova


Emilio Balzano e Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 08/02/2017 11:31 da Paolo.

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