Millenni fa Aristotele affermava che la natura detesta il vuoto, ragionamento che gli oggetti voleranno attraverso uno spazio veramente vuoto a velocità impossibili. Nel 1277, il vescovo francese Etienne Tempier replicò, dichiarando che Dio poteva fare qualsiasi cosa, anche creare il vuoto.
Poi un semplice scienziato ce l'ha fatta. Otto von Guericke inventò una pompa per aspirare l'aria dall'interno di una sfera cava di rame, creando forse il primo vuoto di alta qualità sulla Terra. In una dimostrazione teatrale del 1654 dimostrò che nemmeno due pariglie di cavalli che si sforzavano di fare a pezzi la palla grande quanto un pompelmo riuscivano a superare l'aspirazione del nulla.
Da allora, il vuoto è diventato un concetto fondamentale della fisica, il fondamento di qualsiasi teoria di qualcosa. Il vuoto di Von Guericke era un'assenza d'aria. Il vuoto elettromagnetico è l'assenza di un mezzo che possa rallentare la luce. E un vuoto gravitazionale è privo di materia o energia in grado di piegare lo spazio. In ogni caso la varietà specifica del nulla dipende dal tipo di qualcosa che i fisici intendono descrivere. "A volte, è il modo in cui definiamo una teoria", ha detto Patrick Drapper, un fisico teorico dell'Università dell'Illinois.
Mentre i fisici moderni erano alle prese con candidati più sofisticati per la teoria definitiva della natura, si sono imbattuti in una moltitudine crescente di tipi di nulla. Ognuno ha il proprio comportamento, come se fosse una fase diversa di una sostanza. Sembra sempre più che la chiave per comprendere l’origine e il destino dell’universo possa essere un’attenta spiegazione di queste proliferanti varietà di assenza.
"Stiamo imparando che c'è molto di più da imparare sul nulla di quanto pensassimo", ha detto Isabel Garcia Garcia, fisico delle particelle presso il Kavli Institute for Theoretical Physics in California. “Quanto ancora ci manca?”
Finora, tali studi hanno portato a una conclusione drammatica: il nostro universo potrebbe poggiare su una piattaforma di costruzione scadente, un vuoto “metastabile” destinato – in un lontano futuro – a trasformarsi in un’altra sorta di nulla, distruggendo ogni cosa nel processo. .
Il nulla quantistico
Niente cominciò ad assomigliare a qualcosa nel 20° secolo, quando i fisici arrivarono a vedere la realtà come un insieme di campi: oggetti che riempiono lo spazio con un valore in ogni punto (il campo elettrico, ad esempio, ti dice quanta forza avvertirà un elettrone). in luoghi diversi). Nella fisica classica, il valore di un campo può essere zero ovunque, quindi non ha alcuna influenza e non contiene energia. “Classicamente, il vuoto è noioso”, ha detto Daniele Harlow, fisico teorico del Massachusetts Institute of Technology. "Non sta succedendo nulla."
Ma i fisici hanno imparato che i campi dell’universo sono quantistici, non classici, il che significa che sono intrinsecamente incerti. Non catturerai mai un campo quantistico con energia esattamente pari a zero. Harlow paragona un campo quantistico a una serie di pendoli – uno in ogni punto dello spazio – i cui angoli rappresentano i valori del campo. Ogni pendolo pende quasi dritto ma oscilla avanti e indietro.
Lasciato stare, un campo quantistico rimarrà nella sua configurazione di energia minima, nota come “vero vuoto” o “stato fondamentale”. (Le particelle elementari sono increspature in questi campi.) “Quando parliamo del vuoto di un sistema, abbiamo in mente in modo approssimativo lo stato preferito del sistema”, ha detto Garcia Garcia.
La maggior parte dei campi quantistici che riempiono il nostro universo hanno uno, e un solo, stato preferito, in cui rimarranno per l'eternità. La maggior parte, ma non tutti.
Veri e falsi vuoti
Negli anni ’1970, i fisici arrivarono ad apprezzare l’importanza di una diversa classe di campi quantistici i cui valori preferiscono non essere pari a zero, anche in media. Un tale “campo scalare” è come un insieme di pendoli tutti sospesi, diciamo, ad un angolo di 10 gradi. Questa configurazione può essere lo stato fondamentale: i pendoli preferiscono quell'angolo e sono stabili.
Nel 2012, gli sperimentatori del Large Hadron Collider hanno dimostrato che un campo scalare noto come campo di Higgs permea l’universo. All'inizio, nell'universo caldo e primordiale, i suoi pendoli puntavano verso il basso. Ma quando il cosmo si raffreddò, il campo di Higgs cambiò stato, proprio come l’acqua può congelarsi in ghiaccio, e i suoi pendoli si sollevarono tutti con la stessa angolazione. (Questo valore di Higgs diverso da zero è ciò che conferisce a molte particelle elementari la proprietà nota come massa.)
Con i campi scalari presenti, la stabilità del vuoto non è necessariamente assoluta. I pendoli di un campo potrebbero avere più angoli semi-stabili e una propensione a passare da una configurazione all'altra. I teorici non sono sicuri se il campo di Higgs, ad esempio, abbia trovato la sua configurazione preferita in assoluto: il vero vuoto. Alcuni hanno sostenuto che lo stato attuale del giacimento, nonostante persista da 13.8 miliardi di anni, è solo temporaneamente stabile, o “metastabile”.
Se è così, i bei momenti non dureranno per sempre. Negli anni '1980 i fisici Sidney Coleman e Frank De Luccia descrissero come farlo un falso vuoto di un campo scalare potrebbe “decadere”. In qualsiasi momento, se un numero sufficiente di pendoli in qualche posizione si spostano verso un angolo più favorevole, trascineranno i loro vicini verso di loro e una bolla di vero vuoto volerà verso l'esterno quasi alla velocità della luce. Riscriverà la fisica man mano che procede, distruggendo gli atomi e le molecole sul suo cammino. (Niente panico. Anche se il nostro vuoto è solo metastabile, data la sua capacità di resistenza finora, probabilmente durerà per miliardi di anni in più.)
Nella potenziale mutabilità del campo di Higgs, i fisici hanno identificato il primo di un numero praticamente infinito di modi in cui il nulla potrebbe ucciderci tutti.
Più problemi, più vuoti
Nel tentativo di inserire le leggi confermate della natura in un insieme più ampio (colmando nel processo enormi lacune nella nostra comprensione), i fisici hanno elaborato possibili teorie della natura con campi aggiuntivi e altri ingredienti.
Quando i campi si accumulano, interagiscono, influenzandosi a vicenda i pendoli e stabilendo nuove configurazioni reciproche in cui amano rimanere bloccati. I fisici visualizzano questi vuoti come valli in un “paesaggio energetico” ondulato. Diversi angoli del pendolo corrispondono a diverse quantità di energia, o altitudini nel panorama energetico, e un campo cerca di abbassare la sua energia proprio come una pietra cerca di rotolare in discesa. La valle più profonda è lo stato fondamentale, ma la pietra potrebbe fermarsi – almeno per un certo periodo – in una valle più alta.
Un paio di decenni fa, il paesaggio esplose in scala. I fisici Joseph Polchinski e Raphael Bousso studiavano alcuni aspetti della teoria delle stringhe, il principale quadro matematico per descrivere il lato quantistico della gravità. La teoria delle stringhe funziona solo se l’universo ha circa 10 dimensioni, con quelle extra raggomitolate in forme troppo piccole per essere rilevate. Polchinski e Bousso calcolato nel 2000 che tali dimensioni extra potrebbero ripiegarsi in un numero enorme di modi. Ciascun modo di piegare formerebbe un vuoto distinto con le proprie leggi fisiche.
La scoperta che la teoria delle stringhe consente quasi innumerevoli vuoti si scontra con un’altra scoperta di quasi due decenni prima.
All'inizio degli anni '1980 i cosmologi svilupparono un'ipotesi nota come inflazione cosmica che è diventata la teoria principale sulla nascita dell'universo. La teoria sostiene che l'universo ebbe inizio con una rapida esplosione di espansione esponenziale, il che spiega facilmente la levigatezza e l'immensità dell'universo. Ma i successi dell’inflazione hanno un prezzo.
I ricercatori hanno scoperto che una volta iniziata l’inflazione cosmica, essa sarebbe continuata. La maggior parte del vuoto esploderebbe violentemente verso l'esterno per sempre. Solo regioni finite di spazio smetterebbero di gonfiarsi, diventando bolle di relativa stabilità separate l’una dall’altra gonfiando lo spazio intermedio. I cosmologi inflazionisti ritengono che una di queste bolle sia chiamata casa.
Un multiverso di vuoti
Per alcuni, l’idea che viviamo in un multiverso – un paesaggio infinito di bolle di vuoto – lo è inquietante. Fa sembrare la natura di qualsiasi vuoto (come il nostro) casuale e imprevedibile, frenando la nostra capacità di comprendere il nostro universo. Polchinski, chi morto in 2018, detto la fisica e autrice Sabine Hossenfelder che la scoperta del panorama dei vuoti della teoria delle stringhe inizialmente lo rese così infelice da spingerlo a cercare una terapia. Se la teoria delle stringhe prevede ogni varietà immaginabile del nulla, ha forse previsto qualcosa?
Per altri, la pletora di vuoti non è un problema; "in effetti, è una virtù", ha detto Andrei linde, un eminente cosmologo dell'Università di Stanford e uno degli sviluppatori dell'inflazione cosmica. Questo perché il multiverso risolve potenzialmente un grande mistero: l’energia ultrabassa del nostro particolare vuoto.
Quando i teorici stimano ingenuamente il jitter collettivo di tutti i campi quantistici dell’universo, l’energia è enorme, sufficiente ad accelerare rapidamente l’espansione dello spazio e, in breve tempo, a fare a pezzi il cosmo. Ma l’accelerazione osservata dello spazio è estremamente lieve in confronto, suggerendo che gran parte del tremolio collettivo si annulla e che il nostro vuoto ha un valore positivo straordinariamente basso per la sua energia.
In un universo solitario, la minuscola energia dell’unico vuoto sembra un profondo puzzle. Ma in un multiverso è solo pura fortuna. Se diverse bolle di spazio hanno energie diverse e si espandono a velocità diverse, le galassie e i pianeti si formeranno solo nelle bolle più letargiche. Il nostro vuoto calmo, quindi, non è più misterioso dell’orbita Riccioli d’oro del nostro pianeta: ci troviamo qui perché quasi ovunque il resto è inospitale per la vita.
Che la si ami o la si odi, l’ipotesi del multiverso come attualmente intesa presenta un problema. Nonostante il menu apparentemente infinito di vuoti della teoria delle stringhe, finora nessuno ha trovato una specifica piegatura di minuscole dimensioni extra che corrisponde a un vuoto come il nostro, con la sua energia appena positiva. La teoria delle stringhe sembra produrre vuoti di energia negativa molto più facilmente.
Forse la teoria delle stringhe è falsa, oppure il difetto potrebbe risiedere nella sua immatura comprensione da parte dei ricercatori. I fisici potrebbero non aver trovato il modo giusto per gestire l’energia positiva del vuoto nell’ambito della teoria delle stringhe. "Questo è perfettamente possibile", ha detto Nathan Seiberg, fisico dell'Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey. "Questo è un argomento caldo."
Oppure il nostro vuoto potrebbe essere semplicemente intrinsecamente vago. “L’opinione prevalente è che lo spazio [energizzato positivamente] non sia stabile”, ha detto Seiberg. "Potrebbe decadere in qualcos'altro, quindi questo potrebbe essere uno dei motivi per cui è così difficile capirne la fisica."
Questi ricercatori sospettano che il nostro vuoto non sia uno degli stati preferiti della realtà e che un giorno si muoverà in una valle più profonda e più stabile. Così facendo, il nostro vuoto potrebbe perdere il campo che genera elettroni o raccogliere una nuova tavolozza di particelle. Le dimensioni strettamente piegate potrebbero essere spiegate. Oppure il vuoto potrebbe addirittura rinunciare del tutto all’esistenza.
"Questa è un'altra delle opzioni", ha detto Harlow. “Un vero niente.”
La fine del vuoto
Il fisico Edward Witten scoprì per primo il “bolla di niente" nel 1982. Mentre studiava il vuoto con una dimensione extra raggomitolata in un minuscolo cerchio in ogni punto, scoprì che i nervosismi quantistici inevitabilmente facevano oscillare la dimensione extra, a volte restringendo il cerchio fino a un punto. Quando la dimensione svanì nel nulla, scoprì Witten, portò con sé tutto il resto. L’instabilità genererebbe una bolla in rapida espansione senza interno, la cui superficie a specchio segnerebbe la fine dello spazio-tempo stesso.
Questa instabilità di piccole dimensioni affligge da tempo la teoria delle stringhe e sono stati ideati vari ingredienti per irrigidirle. A dicembre, Garcia Garcia, insieme a Draper e Benjamin Lillard dell'Illinois, calcolò la durata di vita di un aspirapolvere con un'unica dimensione extra raggomitolata. Hanno considerato vari campanelli e fischietti stabilizzatori, ma hanno scoperto che la maggior parte dei meccanismi non riusciva a fermare le bolle. Le loro conclusioni in linea con quello di Witten: quando la dimensione della dimensione extra scendeva al di sotto di una certa soglia, il vuoto collassava immediatamente. Un calcolo simile, esteso a modelli più sofisticati, potrebbe escludere la presenza di vuoti nella teoria delle stringhe con dimensioni inferiori a tale dimensione.
Con una dimensione nascosta sufficientemente grande, tuttavia, il vuoto potrebbe sopravvivere per molti miliardi di anni. Ciò significa che le teorie che producono bolle di nulla potrebbero plausibilmente corrispondere al nostro universo. Se è così, Aristotele potrebbe aver avuto più ragione di quanto pensasse. La natura potrebbe non essere una grande fan del vuoto. A lungo termine, potrebbe non preferire nulla.
