Il vuoto / The void
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Il vuoto / The void
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
COSA ERA IL VUOTO
Il concetto di vuoto è cambiato profondamente nel corso del tempo: per Aristotele, ad esempio, il vuoto non esisteva affatto. “La natura – egli diceva – aborre il vuoto”. Il filosofo greco era giunto a questa conclusione dopo aver osservato che quando da un luogo veniva tolta tutta la materia, producendo appunto il vuoto, immediatamente nuova materia vi si precipitava a colmarlo; per Aristotele quindi la materia doveva essere ovunque.
Ancora oggi, nella pratica di tutti i giorni, definiamo il vuoto come il nulla. Se ad esempio un bicchiere contiene solo aria diciamo che è vuoto, pur sapendo che l’affermazione non è corretta, perché l’aria è materia anch’essa, seppure molto poco densa.
Il fatto che l’aria abbia una massa e sia quindi soggetta all’attrazione gravitazionale terrestre fu riconosciuto solo verso la metà del diciassettesimo secolo quando il fisico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) eseguì il famoso esperimento del tubo di vetro pieno di mercurio con l’estremità aperta posta all’interno di una vaschetta, anch’essa piena di mercurio. Fino a quel tempo era rimasta in auge la teoria aristotelica dell’«horror vacui».
Questa, come abbiamo detto, sosteneva che il vuoto non poteva esistere e che ovunque si fosse tentato di crearlo, immediatamente quel luogo sarebbe stato invaso dalla materia. In realtà molti fatti dell’esperienza quotidiana confermavano questa teoria, ma ogni tanto appariva qualche fenomeno al quale la stessa teoria non era in grado di dare risposta.
Uno di questi era la mancata estrazione dell’acqua da pozzi molto profondi per mezzo delle pompe aspiranti che erano costituite da un cilindro all’interno del quale, mosso da una leva, era libero di scorrere uno stantuffo che aderiva perfettamente alle pareti del suo contenitore. Abbassando la leva della pompa lo stantuffo veniva tirato verso l’alto lasciando uno spazio vuoto nella parte inferiore del cilindro. Pertanto, poiché la natura ha orrore del vuoto, se il tubo fosse stato collegato con una cisterna piena d’acqua, quest’ultima avrebbe dovuto innalzarsi in esso. E in effetti l’acqua si precipitava nel vuoto creato dallo stantuffo che si era alzato ma, qualora il dislivello fra l’acqua contenuta nella cisterna e la sommità del tubo fosse stata superiore ai 10 metri, l’acqua non sarebbe riuscita a superarlo, anche se la macchina aspirante fosse stata in perfetto stato e l’operatore si fosse impegnato a pompare con forza e a lungo.
Per quanto la cosa fosse nota da tempo, l’uomo prese coscienza di questa anomalia solo agli inizi del Seicento quando se ne occupò Galileo Galilei. L’occasione gliela offrì, nell’estate del 1630, un certo Giambattista Buliani, il quale gli scrisse da Genova per chiedergli lumi su di un fatto che gli era capitato di osservare. Egli raccontò in quella lettera di aver costruito un sifone che doveva servire per portare l’acqua al di là di un monte, ma questo sifone non funzionava. Riempitolo d’acqua, infatti, la stessa poi ricadeva da ambo le parti del tubo ricurvo, lasciando un vuoto all’interno della zona superiore, il quale non veniva più riempito dall’acqua.
Galilei gli rispose che a lui era capitato di assistere a qualche cosa di simile e che se gli fosse stato chiesto il parere prima della costruzione dell’impianto, avrebbe potuto fargli risparmiare la spesa, mostrandogli “l’impossibilità del quesito”.
In realtà lo scienziato pisano, per spiegare l’anomalia del fenomeno osservato, aveva elaborato una teoria (sbagliata) la quale null’altro era che un ampliamento dell’idea aristotelica dell’«horror vacui». Egli pensava infatti che una colonna d’acqua troppo alta tendeva a spezzarsi sotto l’azione del suo stesso peso, così come si spezza una fune di materiale poco resistente quando, fissata in alto, viene tirata dal basso. Fu quindi proprio questa analogia fondata sull’esperienza osservativa a portare il Galilei fuori strada.
La questione venne risolta, come abbiamo accennato, qualche anno più tardi da un discepolo di Galilei, il fisico Evangelista Torricelli, il quale, in seguito alla sua famosissima “esperienza dell’argento vivo, ebbe concetto” che la forza che reggeva la colonna di mercurio all’interno del tubo di vetro non fosse dovuta all’«horror vacui», ma al peso dell’aria che gravava sul mercurio contenuto nella vaschetta sottostante. Allo stesso modo, l’acqua che sale nel tubo dal quale viene aspirata l’aria, vi sale non già perché deve andare a colmare il vuoto che la natura teme, ma perché viene spinta dalla pressione dell’aria che agisce sull’acqua contenuta nel pozzo.
Poiché si trattava semplicemente di stabilire un’uguaglianza tra pesi Torricelli pensò che non fosse indispensabile usare l’acqua e infatti giudicò più comodo sperimentare con il mercurio: riempì quindi con questa sostanza una provetta lunga un metro e con la sezione di un centimetro quadrato che poi rovesciò, tenendola ben chiusa con il pollice, in una vaschetta piena dello stesso metallo liquido. Tolto il dito dall’apertura del tubo, il mercurio scese fino a raggiungere l’altezza di circa 75 cm. Nei restanti 25 centimetri della provetta si era creato il vuoto, quello che ancora oggi si chiama “vuoto torricelliano”, anche se non si tratta di un vuoto vero e proprio poiché quello spazio contiene una piccola quantità di vapori di mercurio.
Torricelli non si limitò tuttavia a proporre una nuova ipotesi per spiegare il fenomeno che aveva osservato, ma suggerì anche un esperimento (che poi verrà realizzato da altri), che avrebbe potuto avvalorare o falsificare la sua idea. L’esperimento consisteva nel misurare l’altezza del mercurio all’interno del tubo di vetro in alta montagna. Se era vero che era l’aria che premeva sul mercurio contenuto nella vaschetta ad innalzare quello presente nel tubo di vetro, diminuendo il peso dell’aria sovrastante avrebbe dovuto diminuire anche il livello del mercurio all’interno del tubo di vetro. L’esperimento venne realizzato per la prima volta nel 1648 dal matematico francese Blaise Pascal e confermò la previsione del fisico italiano.
Questo è il vero significato che una nuova teoria scientifica deve contenere: essa non solo deve spiegare in modo chiaro e coerente i fatti da cui ha tratto origine, ma deve anche poter avanzare previsioni su comportamenti che saranno eventualmente verificati in un secondo momento. Con la nuova teoria proposta da Torricelli l’uomo fu in grado di giustificare correttamente i fenomeni fino ad allora conosciuti e inoltre di spiegarne un numero sempre più vasto di nuovi.
COSA E’ OGGI IL VUOTO
Oggi l’idea di una natura che ha orrore del vuoto è cambiata radicalmente: la natura non aborre affatto il vuoto anzi, l’Universo è quasi ovunque vuoto ed è semmai la materia che ora costituisce l’eccezione. In verità è la materia stessa praticamente vuota essendo la sua massa quasi interamente concentrata nei piccolissimi nuclei degli atomi che la costituiscono. Non solo, ma la vecchia idea di vuoto che veniva assimilato al nulla è cambiata pure essa.
La meccanica quantistica, ossia la teoria che descrive il comportamento originale e imprevedibile delle particelle subatomiche (elettroni, fotoni, quark, ecc.) ha una visione del tutto nuova di vuoto: essa lo immagina pervaso da continue fluttuazioni energetiche dalle quali si genera materia. Si può dunque dedurre che la materia e l’energia derivino dal nulla? Sì, purché materia ed energia che emergono dal nulla in modo spontaneo e senza motivo un istante dopo essere apparse vengano distrutte e ritornino nel nulla. Come è possibile?
Uno dei risultati più straordinari della fisica del microcosmo è l’avere scoperto che lo spazio vuoto non è affatto vuoto: appare tale solo perché la creazione e la distruzione incessante di particelle ed altre strane entità si verifica in esso su intervalli temporali brevissimi e tali comunque da non lasciare allo sperimentatore il tempo materiale per la loro rilevazione. Il vuoto sembra tranquillo e calmo su scala macroscopica come appare piatto e uniforme il mare visto da un aereo che vola ad alta quota mentre se si stesse su una barchetta esso si mostrerebbe ben diverso, con onde e flutti anche di notevoli proporzioni. Allo stesso modo, se lo potessimo guardare da vicino, il vuoto apparirebbe un mare in tempesta ribollente di ogni sorta di manifestazioni stravaganti, fenomeni che avverrebbero da sempre e in ogni dove. Oggi si ritiene non solo che la natura non abbia affatto paura del vuoto, ma che ogni cosa che esiste e che esisterà in futuro è stata ed è tuttora presente in forma virtuale nel nulla dello spazio.
Questa incredibile proprietà del vuoto scaturisce dalla combinazione della meccanica quantistica con la relatività di Einstein. Una conseguenza diretta della meccanica quantistica (o fisica dei quanti) è il principio di indeterminazione di Heisenberg il quale afferma che il mondo microscopico possiede un’incertezza di fondo: l’impossibilità di determinare con precisione assoluta i parametri fisici delle particelle di piccole dimensioni. Nel vuoto questa incertezza si manifesta sotto forma di piccole fluttuazioni energetiche che vanno e vengono senza sosta e che in parte si convertono in entità materiali. La teoria della relatività, attraverso la famosa equazione E=mc² (energia uguale massa per velocità della luce al quadrato), suggerisce infatti che l’energia possa trasformarsi in materia e viceversa. Per la precisione la materia si genera a partire dall’energia sotto forma di particella e antiparticella (ad esempio elettrone e positone insieme) dalla vita brevissima: per tale motivo esse vengono chiamate “virtuali”. Le particelle virtuali quanto più sono grandi tanto meno vivono, ma in quel breve lasso di tempo potrebbero anche diventare reali (cioè particelle effettive) se potessero disporre di una fonte di energia adeguata. Ma se le particelle virtuali non possono essere viste come facciamo a sapere che esistono? Ce lo garantisce la teoria, ancorché per la scienza la teoria non basti.
L’esistenza di coppie effimere particella-antiparticella nel vuoto può essere verificata sia pure indirettamente mediante esperimenti di alta precisione: è indispensabile innanzitutto cercare uno spazio vuoto entro il quale condurre l’esperimento. Il vuoto che riusciamo a creare con le tecniche disponibili non è sufficiente perché quello spazio non è affatto vuoto. Con la classica pompa per vuoto, in funzione nei gabinetti scientifici di molte scuole, si ottiene solo aria rarefatta. Un risultato migliore si ottiene con pompe rotative o con le più moderne pompe criogeniche che condensano i gas su superfici freddissime e poi li eliminano. Tuttavia, per quanto ci si impegni, all’interno del recipiente nel quale si cerca di creare il vuoto resterebbero sempre alcune decine di migliaia di particelle per centimetro cubo, poche rispetto ai miliardi di miliardi che affollano lo stesso volume in condizioni normali ma sempre troppe per considerare vuoto quello spazio. Per ottenere qualche cosa di meglio ci si dovrebbe trasferire nello spazio dove il vuoto è molto più spinto di quello ottenibile in qualsiasi laboratorio terrestre. Anche il vuoto cosmico tuttavia non è del tutto vuoto: qualche elettrone, qualche atomo o rari granellini di polvere finissima si incontrano anche da quelle parti. Tuttavia nello spazio interstellare vi è molto poca materia tanto che per raggranellarne un grammo si dovrebbe rastrellare uno spazio grande come il nostro pianeta.
Per il nostro esperimento nemmeno lo spazio cosmico andrebbe bene: servirebbe un vuoto assoluto e uno spazio con quelle caratteristiche è stato individuato all’interno dell’atomo le cui particelle costitutive (nucleo ed elettroni che gli girano intorno) sono migliaia di volte più piccole dell’atomo intero: ragione per cui l’edificio nel suo complesso appare vuoto. Ebbene, proprio nel vuoto presente fra il nucleo centrale e gli elettroni che si muovono intorno ad esso si vengono a creare particelle virtuali che, come abbiamo detto, è impossibile vedere direttamente ma i cui effetti sono misurabili sugli elettroni periferici dell’atomo stesso.
L’esperimento venne portato a termine, nell’immediato dopo guerra, utilizzando alcune tecniche di precisione che furono messe a punto nel corso del secondo conflitto mondiale dal fisico sperimentale Willis Lamb. Egli misurò piccole variazioni orbitali dell’elettrone dell’atomo di idrogeno le quali venivano poi confrontate con i calcoli teorici basati sulla elettrodinamica quantistica. Se i calcoli non avessero tenuto conto della comparsa e della successiva scomparsa di una coppia particella-antiparticella virtuale, ci sarebbe stata discordanza fra predizioni teoriche e osservazioni sperimentali. Questa discordanza invece non c’era e l’orbita dell’elettrone calcolata sulla carta si accordava perfettamente con le misurazioni effettuate da Lamb a dimostrazione del fatto che le particelle virtuali che affollano il vuoto producono effetti reali sulla materia.
Una seconda convalida del nuovo modo di concepire il vuoto si ebbe all’interno dei ciclotroni, le macchine nelle quali vengono accelerate le particelle subatomiche per poi farle scontrare fra di loro. Lanciando gli uni contro gli altri, elettroni e positoni, (cioè materia ed antimateria) l’energia che scaturisce dalla loro annichilazione è sufficiente per rendere reali le particelle virtuali fluttuanti nel vuoto. In questo modo venne creato uno dei tre quark esistenti (il charm) con il corrispondente antiquark. I fisici confidano con queste tecniche di tirare fuori dal vuoto nuove forme di materia ancora sconosciute.
Dal vuoto sarebbe addirittura nato l’Universo intero. Non è infatti da escludere che anche il Cosmo si sia materializzato dal nulla in seguito ad una gigantesca fluttuazione quantistica del vuoto: le leggi della fisica, come abbiamo visto, non escludono una simile eventualità.
ENGLISH
WHAT THE EMPTY WAS
The concept of emptiness has changed profoundly over time: for Aristotle, for example, emptiness did not exist at all. "Nature - he said - abhors the void". The Greek philosopher had come to this conclusion after having observed that when from a place the whole matter was removed, producing precisely the void, immediately new matter rushed to fill it; for Aristotle, therefore, matter had to be everywhere.
Even today, in everyday practice, we define emptiness as nothingness. If, for example, a glass contains only air, we say that it is empty, even if we know that the statement is not correct, because air is also a matter, even if it is not very dense.
The fact that the air has a mass and is therefore subject to Earth's gravitational attraction was recognized only in the middle of the seventeenth century when the Italian physicist Evangelista Torricelli (1608-1647) performed the famous experiment of the glass tube full of mercury with the open end placed inside a tray, which is also full of mercury. Until that time the Aristotelian theory of "horror vacui" remained in vogue.
This, as we said, held that emptiness could not exist and that wherever it was attempted to create it, immediately that place would be invaded by matter. In reality, many facts of daily experience confirmed this theory, but every now and then there appeared some phenomenon to which the same theory was unable to respond.
One of these was the lack of extraction of water from very deep wells by means of the suction pumps which consisted of a cylinder inside which, moved by a lever, was free to slide a plunger that adhered perfectly to the walls of its container . By lowering the pump lever the plunger was pulled upwards leaving an empty space in the lower part of the cylinder. Therefore, since nature has a horror of emptiness, if the pipe were connected to a cistern full of water, the latter would have to rise up in it. And in fact the water rushed into the void created by the plunger that had risen, but if the difference in water between the water contained in the cistern and the top of the tube had exceeded 10 meters, the water would not have been able to overcome it. even if the suction machine was in perfect condition and the operator was busy pumping hard and long.
Although the thing was known for some time, the man became aware of this anomaly only at the beginning of the seventeenth century when Galileo Galilei took care of it. On the occasion of the summer of 1630, a certain Giambattista Buliani offered it to him, who wrote to him from Genoa to ask him for enlightenment on a fact that he had happened to observe. He told in that letter that he had built a siphon that was supposed to be used to bring water beyond a mountain, but this siphon did not work. Filling it with water, in fact, the same then fell on both sides of the curved tube, leaving a gap in the upper area, which was no longer filled with water.
Galilei told him that he had happened to see something similar and that if he had been asked for the opinion before the construction of the plant, he could have saved him the expense, showing him "the impossibility of the question".
In reality, the Pisan scientist, in order to explain the anomaly of the observed phenomenon, had elaborated a (wrong) theory which was nothing more than a widening of the Aristotelian idea of the "horror vacui". In fact, he thought that a column of water that was too high tended to break under the action of its own weight, just as a rope of not very resistant material breaks when, fixed at the top, it is pulled from below. It was therefore precisely this analogy based on the observational experience that brought Galilei out of the way.
The question was resolved, as we have mentioned, a few years later by a disciple of Galilei, the physicist Evangelista Torricelli, who, following his famous "experience of the silver alive, had a concept" that the strength that held the column of mercury within the glass tube was not due to the "horror vacui", but to the weight of the air that weighed on the mercury contained in the tray below. In the same way, the water that rises in the tube from which the air is sucked up, does not rise because it must go to fill the void that nature fears, but because it is driven by the pressure of the air that acts on the water contained in the well.
Since it was simply a matter of establishing an equality between weights, Torricelli thought that it was not essential to use water and in fact he judged it more convenient to experiment with mercury: he then filled with a substance a meter long and with a square centimeter section then he overturned, keeping it tightly closed with his thumb, in a basin full of the same liquid metal. With the finger removed from the opening of the tube, the mercury dropped to a height of about 75 cm. In the remaining 25 centimeters of the test tube a void had been created, what is still today called "Torricellian void", even if it is not a real void because that space contains a small quantity of mercury vapors.
Torricelli did not limit himself, however, to proposing a new hypothesis to explain the phenomenon he had observed, but he also suggested an experiment (which will then be carried out by others), which could corroborate or falsify his idea. The experiment consisted of measuring the height of mercury in the high mountain glass tube. If it was true that it was the air that pressed on the mercury contained in the tank to raise the one present in the glass tube, decreasing the weight of the overlying air would also have had to decrease the level of mercury inside the glass tube. The experiment was realized for the first time in 1648 by the French mathematician Blaise Pascal and confirmed the prediction of the Italian physicist.
This is the true meaning that a new scientific theory must contain: it must not only clearly and consistently explain the facts from which it originated, but must also be able to make predictions about behaviors that will eventually be verified at a later time. With the new theory proposed by Torricelli, the man was able to correctly justify the phenomena hitherto known and also to explain a growing number of new ones.
WHAT IS EMPTY TODAY
Today the idea of a nature that has a horror of emptiness has changed radically: nature does not abhor emptiness at all, the Universe is almost everywhere empty and it is, if anything, the matter that now constitutes the exception. In truth it is the matter itself that is practically empty, since its mass is almost entirely concentrated in the very small nuclei of the atoms that constitute it. Not only that, but the old idea of emptiness that was assimilated to nothing has changed too.
Quantum mechanics, that is the theory that describes the original and unpredictable behavior of subatomic particles (electrons, photons, quarks, etc.) has a completely new vision of emptiness: it is pervaded by continuous energetic fluctuations from which matter is generated. Can we therefore deduce that matter and energy derive from nothing? Yes, as long as matter and energy emerge from nothing spontaneously and without reason a moment after appearing are destroyed and return to nothingness. How is it possible?
One of the most extraordinary results of the physics of the microcosm is to have discovered that empty space is not empty: it appears only because the creation and the incessant destruction of particles and other strange entities occurs in it on very short time intervals and anyway not to leave the time for the detection to the experimenter. The void seems calm and calm on a macroscopic scale, as the sea looks uniform and flat, seen from an airplane flying at high altitude, while if it were on a boat it would look very different, with waves and waves of considerable proportions. In the same way, if we could look closely, the emptiness would appear like a sea in a seething storm of all sorts of extravagant manifestations, phenomena that would have happened forever and everywhere. Today it is believed not only that nature is not afraid of emptiness at all, but that everything that exists and that will exist in the future has been and still is present in virtual form in the void of space.
This incredible property of emptiness springs from the combination of quantum mechanics with Einstein's relativity. A direct consequence of quantum mechanics (or quantum physics) is Heisenberg's uncertainty principle which states that the microscopic world has a fundamental uncertainty: the impossibility of determining with absolute precision the physical parameters of small particles. In the void this uncertainty manifests itself in the form of small energetic fluctuations that come and go unabated and which in part are converted into material entities. The theory of relativity, through the famous equation E = mc² (energy equal mass for the speed of light squared), suggests that energy can transform into matter and vice versa. To be precise, matter is generated from the energy in the form of particle and antiparticle (for example electron and positon together) from very short life: for this reason they are called "virtual". The virtual particles the larger they are, the less they live, but in that short period of time they could also become real (ie, actual particles) if they could have an adequate source of energy. But if virtual particles can not be seen how do we know they exist? The theory guarantees this, even if the theory is not enough for science.
The existence of ephemeral particle-antiparticle pairs in the vacuum can be verified albeit indirectly by means of high precision experiments: it is essential, first of all, to look for an empty space within which to conduct the experiment. The emptiness that we can create with the available techniques is not enough because that space is not empty at all. With the classic vacuum pump, which operates in the scientific cabinets of many schools, only rarefied air is obtained. A better result is obtained with rotary pumps or with the most modern cryogenic pumps that condense the gases on very cold surfaces and then eliminate them. However, no matter how much you try, inside the container in which you try to create the vacuum, there will always be tens of thousands of particles per cubic centimeter, few compared to the billions of billions that crowd the same volume under normal conditions but always too many to consider that space empty. To get something better, you should transfer to the space where the vacuum is much more pushed than that obtainable in any terrestrial laboratory. Even the cosmic emptiness, however, is not completely empty: some electrons, some atom or rare small grains of very fine dust can also be found there. However, in the interstellar space there is very little matter so much that to grasp one gram we should rake up a space as big as our planet.
For our experiment not even the cosmic space would be fine: it would need an absolute void and a space with those characteristics has been identified within the atom whose constituent particles (nucleus and electrons that run around it) are thousands of times smaller than the whole atom: reason why the building as a whole appears empty. Well, in the vacuum present between the central nucleus and the electrons moving around it, virtual particles are created which, as we have said, it is impossible to see directly but whose effects are measurable on the peripheral electrons of the atom itself.
The experiment was completed, immediately after the war, using some precision techniques that were developed during the Second World War by the experimental physicist Willis Lamb. He measured small orbital variations of the electron of the hydrogen atom which were then compared with the theoretical calculations based on quantum electrodynamics. If the calculations had not taken into account the appearance and subsequent disappearance of a virtual particle-antiparticle pair, there would have been discrepancy between theoretical predictions and experimental observations. This discrepancy, however, was not there and the electron orbit calculated on the paper perfectly matched the measurements made by Lamb to demonstrate the fact that the virtual particles that fill the void produce real effects on matter.
A second validation of the new way of conceiving the vacuum occurred inside the cyclotrons, the machines in which the subatomic particles are accelerated and then collided with each other. By throwing against each other, electrons and positons (ie matter and antimatter) the energy that flows from their annihilation is sufficient to make the virtual particles floating in the void real. In this way one of the three existing quarks (the charm) was created with the corresponding antiquark. Physicists trust these techniques to bring out new forms of matter that are still unknown.
From the void, the whole Universe would have been born. It is not to be excluded that even the Cosmos has materialized from nothing following a gigantic quantum fluctuation of the vacuum: the laws of physics, as we have seen, do not exclude such an eventuality.
Da:
http://www.cosediscienza.it/vuoto
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