luogo, pieno di materia e di energia, in varie forme, che giocano sul palcoscenico dello spaziotempo, in accordo con le leggi della fisica. Ciò è esemplificato da questa immagine del telescopio spaziale Hubble dell’ammasso di galassie IDCS J1426.5+3508. Quanto bisogna togliere, però, prima di rimanere veramente senza niente? NASA, ESA e M. Brodwin (Università del Missouri)

Quando oggi ci guardiamo intorno e guardiamo il nostro mondo e il nostro universo, parliamo e pensiamo a tutte le cose che ci sono dentro. Queste vanno da particelle, atomi ed esseri umani a pianeti, stelle, galassie e le strutture più grandi di tutte. A seconda di ciò che ci interessa, potremmo parlare di gas, polvere, radiazioni, buchi neri o anche materia oscura. Ma tutte le cose che vediamo, osserviamo o di cui deduciamo l’esistenza oggi potrebbero non essere lì da sempre. Alcune di queste sono nate da una materia preesistente che esisteva in precedenza, ma altre sembrano essere nate dal nulla. Non sorprende che non tutti siano d’accordo su cosa intendiamo, scientificamente, quando parliamo di cosa sia effettivamente il “nulla”. A seconda di chi lo chiedi (o quando lo chiedi), potresti ottenere uno dei quattro diversi significati. Ecco perché sono tutti rilevanti.

altre galassie nelle sue vicinanze per 100 milioni di anni luce in qualsiasi direzione. Ancora, questa non è una vera realizzazione dello spazio vuoto. ESA/Hubble & NASA e N. Gorin (STScI); Ringraziamenti: Judy Schmidt

1.) Un tempo in cui la tua “cosa” di interesse non esisteva. Come ha fatto l’Universo a creare i pianeti? E le stelle? E l’asimmetria della materia? Queste cose non sono sempre esistite, ma hanno dovuto essere create. Quando il meccanismo è noto, normalmente diciamo che la nostra “cosa” è stata creata da qualcosa, piuttosto che dal nulla. I pianeti sono nati dai detriti riciclati di precedenti generazioni di stelle, dove gli elementi pesanti che compongono i loro nuclei e le loro superfici solide sono stati creati e poi espulsi di nuovo nel mezzo interstellare. Le stelle provengono da nubi di gas in contrazione, che contengono regioni che diventano abbastanza dense e calde da innescare la fusione nucleare. Sia i pianeti che le stelle sono materia che proviene da forme preesistenti di materia; sono una cosa che proviene da qualcosa, piuttosto che dal nulla.

La radiazione, con un po’ più di materia creata ad un certo punto, porta al nostro Universo oggi. Come questa asimmetria sia nata, o sia sorta da dove non c’era asimmetria all’inizio, è ancora una questione aperta. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Ma la materia che abbiamo oggi non è nata da materia preesistente. Ad un certo punto del lontano passato, l’Universo era composto da quantità uguali di materia e antimateria; le leggi della fisica che abbiamo scoperto ci permettono solo di crearle in quantità uguali. Eppure l’Universo che abbiamo oggi è fatto in modo schiacciante di materia e non di antimateria, dove ognuna dei miliardi e miliardi di galassie che conosciamo è fatta di materia e non di antimateria. Da dove viene la nostra asimmetria della materia? Da uno stato precedentemente simmetrico; da uno stato in cui materia e antimateria esistevano in quantità uguali. Da un tempo in cui non c’era asimmetria. Secondo alcuni, questo significa che la materia che abbiamo oggi è sorta dal nulla, anche se altri che aderiscono strettamente ad una delle altre definizioni lo contestano.

Ancora, nessuno contesta che il problema scientifico della barogenesi, o l’origine dell’asimmetria materia-antimateria, è uno dei più pressanti enigmi della fisica teorica di oggi. Molte idee e meccanismi abbondano su come la nostra materia (e non l’antimateria) sia venuta ad esistere, ma ci mancano le prove necessarie per dichiarare un vincitore.

per tre delle quattro forze (eccetto la gravità), l’intera serie di particelle scoperte e tutte le loro interazioni. Dalla teoria di campo quantistica associata, possiamo anche capire le proprietà del vuoto quantistico. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL

2.) Spazio vuoto. Pensa a tutte le “cose” che esistono oggi nell’Universo. Pensate ad ogni costituente fondamentale della materia; ogni quantum di radiazione; ogni buco nero; ogni massa; ogni particella e antiparticella. Ora, immaginate di rimuoverli tutti. Immaginate in qualche modo di portarli fuori dall’Universo, lasciando dietro di sé solo lo spazio vuoto. Cosa rimarrebbe? Alcuni lo chiamano “niente” e sono abbastanza contenti di questa definizione.

calcolo che mostra particelle virtuali nel vuoto quantistico. Anche nello spazio vuoto, questa energia del vuoto non è zero. Derek Leinweber

L’entità conosciuta come spaziotempo è ancora lì, così come le leggi della fisica. Tutti i campi presenti nello spazio vuoto, dal campo di Higgs ai campi gravitazionali ai campi quantistici che spesso visualizziamo come coppie particella-antiparticella che entrano ed escono dall’esistenza, sono ancora presenti. Leggi fisiche come la teoria dei campi quantistici sono ancora lì; la relatività generale è ancora lì; le costanti fondamentali non solo sono ancora lì, ma hanno gli stessi valori che hanno oggi. E lo stesso vuoto dello spazio vuoto ha ancora un’energia di punto zero che non è zero. Questa si manifesta come energia oscura oggi, e con un valore non nullo molto diverso nel lontano passato, era la forza trainante dell’inflazione cosmologica. Quando si parla di Universo che nasce dal nulla, questo è il tipo di “nulla” a cui si fa riferimento: il Big Bang caldo che nasce dall’inflazione.

Materia, energia o curvatura di qualsiasi tipo. Se questo spazio ha la più bassa energia di punto zero possibile, non sarà possibile ridurlo ulteriormente. Amber Stuver / Living Ligo

3.) Spaziotempo vuoto nello stato di energia più bassa possibile. E se l’energia del punto zero dell’Universo fosse ridotta al suo vero stato di base? Quando l’inflazione è finita, c’è stato un enorme calo dell’energia del vuoto dell’Universo: dalla scala dell’inflazione al valore che ha oggi. Quel calo dell’energia dello spazio vuoto fu responsabile del massiccio aumento dell’energia delle particelle, e dell’origine del Big Bang caldo. Ma non c’è alcuna garanzia che in questo momento ci troviamo nel vero stato di minima energia; è possibile che ci troviamo semplicemente in uno stato di falso vuoto, e che il vero vuoto ci aspetti dopo un’altra transizione catastrofica che modifichi l’Universo.

l’energia E è più alta di quella nel vero vuoto o stato di terra, ma c’è una barriera che impedisce al campo di rotolare classicamente verso il vero vuoto. Durante l’inflazione, l’Universo non è in uno stato di vero vuoto; oggi, potrebbe non esserlo. Wikimedia Commons user Stannered

Se tu raggiungessi qualunque sia il vero stato di terra ed espellessi tutta la materia, l’energia, la radiazione e le increspature dello spazio-tempo dal tuo Universo, cosa ti resterebbe? Questa è, forse, l’idea ultima di ciò che può essere il “nulla fisico”: dove hai ancora un palcoscenico su cui l’Universo può giocare. Potrebbero non esserci attori, cast, copione e scena, ma nel grande abisso del nulla, c’è ancora un palcoscenico. Il vuoto cosmico sarebbe al minimo; non ci sarebbe alcuna speranza di estrarre lavoro, energia o particelle reali da questo vuoto, ma lo spaziotempo e le leggi della fisica sarebbero ancora presenti. In teoria, se si aggiungesse una particella a questo Universo, non sarebbe così diverso da una particella isolata esistente oggi nel nostro Universo.

L’universo deve le sue origini al Big Bang caldo. Più fondamentalmente, l’Universo che abbiamo oggi può nascere solo grazie alle proprietà dello spazio-tempo e alle leggi della fisica. Senza di esse, non possiamo avere esistenza in nessuna forma. NASA / GSFC

4.) Quello che ti rimane quando togli l’intero Universo e le leggi che lo governano. Infine, si può concepire di togliere tutto, compreso lo spazio, il tempo e le regole che governano qualsiasi tipo di particelle o quanti di energia. Questo crea un tipo di “nulla” per il quale i fisici non hanno una definizione. Questo va oltre il “nulla” come esiste nell’Universo, realizzando invece una sorta di filosofico, assoluto nulla. Ma nel contesto della fisica, non possiamo dare un senso a questo tipo di nulla. Dovremmo assumere che esiste una cosa come uno stato al di fuori dello spazio e del tempo, dove si può avere l’emergere dello spaziotempo da questo ipotetico stato di vero nulla.

Ma è possibile? Come fa lo spaziotempo ad emergere in un luogo particolare, quando lo spazio non esiste? Come si può creare l’inizio del tempo se non esiste il concetto di qualcosa come “prima” senza che il tempo esista già? E da dove nascerebbero allora le regole che governano le particelle e le loro interazioni? Questa definizione finale di “niente” significa qualcosa, o è solo un costrutto logico senza un significato fisico proprio?

La scala quantistica si estende attraverso l’Universo durante l’inflazione, dando origine a imperfezioni sia nella densità che nelle onde gravitazionali. Mentre lo spazio che si gonfia può essere giustamente chiamato “nulla” sotto molti aspetti, non tutti sono d’accordo. E. Siegel, con immagini derivate da ESA/Planck e dalla task force interagenzia DoE/NASA/ NSF sulla ricerca CMB

Non c’è consenso qui. Con il linguaggio che ha l’ambiguità che ha, si può dire “niente” e legittimamente riferirsi a uno qualsiasi di questi, con i puristi che non vedono l’ora di sgridarti se osi usare “niente” in un contesto che è meno puro della loro definizione. Se qualcosa fondamentalmente è sorto dove prima non c’era, puoi chiamarlo nulla, ma non tutti saranno d’accordo. Se si toglie tutta la materia, l’antimateria, la radiazione e persino la curvatura spaziale, si può certamente affermare che il “nulla” è questo, ma ci sono alcune “cose” che sono ancora presenti. Se poi si toglie qualsiasi energia inerente allo spazio stesso, lasciando solo lo spaziotempo e le leggi della natura, si può chiamare anche questo “niente”. Ma filosoficamente, alcune persone saranno ancora insoddisfatte. Solo togliendo anche questo, alcuni finalmente si rassegneranno a chiamare tale entità “nulla”.

Il Modello Standard è previsto esistere come conseguenza delle leggi della fisica. Senza quelle leggi, o senza il palcoscenico dello spazio-tempo, può mai emergere qualcosa di sensato? E. Siegel / Beyond The Galaxy

Quindi chi ha ragione? Lo sono tutti, a modo loro. La chiave non è discutere o combattere su cosa sia veramente il “nulla”, ma accettare e capire queste definizioni come le persone le usano. È fondamentale non confondere un significato con un altro, o entrare in un battibecco sul perché è sbagliato usare una parola in un modo particolare. Invece, quando qualcuno – in particolare uno scienziato – dice la parola “niente”, cerca di capire quale significato sta usando, e qual è il fenomeno che sta cercando di spiegare. Per quanto la nostra immaginazione possa portarci, l’unica vera forma di conoscenza che possiamo sperare di avere riguardo a qualsiasi cosa si basa sul metterla alla prova nella nostra realtà fisica. Tutto il resto, per quanto logicamente valido, è solo un costrutto della nostra mente.

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