L'energia del vuoto: uno dei più grandi enigmi della fisica moderna — Transcript

Full transcript

1. 0:00il vuoto è uno dei concetti più
2. 0:02enigmatici in fisica potremmo pensare di
3. 0:04sapere che cosa sia ma in realtà è molto
4. 0:07più complesso di quanto appaia secondo
5. 0:09la fisica teorica inoltre il vuoto
6. 0:12presenta delle caratteristiche insolite
7. 0:15sia dal punto di vista gravitazionale
8. 0:17sia per il fatto che dovrebbe possedere
9. 0:19un'energia intrinseca Ma da dove deriva
10. 0:21esattamente questa energia e quali sono
11. 0:24le conseguenze per l'evoluzione del
12. 0:26Cosmo proviamo a capirlo
13. 0:31[Musica]
14. 0:35è possibile immaginare il nulla completo
15. 0:38l'assenza di qualunque cosa e se
16. 0:41possiamo immaginarlo il nulla Non stiamo
17. 0:43comunque pensando a qualcosa E quindi
18. 0:46quel qualcosa Non può essere nulla Sono
19. 0:48domande molto complicate dal punto di
20. 0:50vista filosofico Ma per fortuna in
21. 0:52fisica abbiamo un approccio un po' più
22. 0:54modesto Non parliamo di nulla parliamo
23. 0:57di vuoto cioè di quello che resta quando
24. 1:00eliminiamo da una regione di spazio
25. 1:03tutto quello che contiene Ma possiamo
26. 1:05davvero eliminare ogni traccia di
27. 1:07materia e di energia da una regione di
28. 1:09spazio e che proprietà avrà lo Stato
29. 1:12corrispondente Beh per la fisica
30. 1:14classica la risposta è abbastanza
31. 1:16semplice se avete un aspiratore
32. 1:19sufficientemente potente potete
33. 1:21utilizzarlo per togliere ogni particella
34. 1:24fino all'ultimo atomo da un certo volume
35. 1:26e avrete fatto il vuoto completo
36. 1:28naturalmente sarebbe un'operazione
37. 1:30complicata In pratica ma in teoria non
38. 1:33ci sarebbe nulla di irrealizzabile per
39. 1:36la fisica moderna però sorgono almeno
40. 1:38due difficoltà La prima è che Einstein
41. 1:41ci ha spiegato che materia e energia
42. 1:44sono la stessa cosa quindi per fare il
43. 1:46vuoto totale non dovreste soltanto
44. 1:48togliere tutte le particelle di materia
45. 1:50che sono contenute in una certa regione
46. 1:53ma anche tutta l'energia che quella
47. 1:54regione contiene e qui già sorge un
48. 1:57problema se la temperatura è diversa
49. 1:59dallo Zero assoluto c'è sempre una
50. 2:01quantità residua di energia e quindi di
51. 2:04radiazione elettromagnetica e quindi di
52. 2:06fotoni Quindi anche eliminando tutte le
53. 2:09particelle dotate di massa rimarrebbero
54. 2:11sempre queste particelle senza Massa che
55. 2:13Però sono pur sempre qualcosa e in più
56. 2:15siccome per le leggi della termodinamica
57. 2:17non si può mai raggiungere lo zero
58. 2:19assoluto Questo significa che comunque
59. 2:21ci saranno sempre dei fotoni presenti in
60. 2:24una certa regione di spazio e qui ci
61. 2:25viene incontro un altro ostacolo Ovvero
62. 2:28la meccanica quantistica il famoso
63. 2:30Principio di indeterminazione di
64. 2:31Heisenberg ci dice che anche in linea di
65. 2:34principio noi non potremo mai conoscere
66. 2:36con precisione il valore dell'energia
67. 2:39contenuto in quella regione di spazio
68. 2:42cioè non potremmo mai dire che l'energia
69. 2:45In quel volume è esattamente zero e
70. 2:47siccome l'energia può essere convertita
71. 2:49in massa non potremo neanche escludere
72. 2:51con certezza che non ci siano particelle
73. 2:54presenti in quel volume In altre parole
74. 2:56sfruttando questa incertezza quantistica
75. 2:58potranno sempre es particelle venute
76. 3:01alla luce prendendo in prestito
77. 3:03l'energia consentita dal Principio di
78. 3:05indeterminazione queste particelle si
79. 3:07chiamano particelle virtuali Insomma non
80. 3:10importa quanto siamo bravi dal punto di
81. 3:12vista sperimentale non importa che
82. 3:14abbiamo costruito la migliore pompa a
83. 3:16vuoto esistente Non riusciremo per
84. 3:18quanto siamo scrupolosi a fare piazza
85. 3:20pulita completamente di tutto quello che
86. 3:22c'è in una certa regione di spazio La
87. 3:24regione in cui pensiamo di aver fatto il
88. 3:26vuoto continuerà a pullulare di queste
89. 3:29parti icelle virtuali di materia e di
90. 3:31energia e non possiamo farci
91. 3:33assolutamente nulla Ok ma come facciamo
92. 3:35a sapere che le cose stanno davvero in
93. 3:38questo modo prima di andare avanti
94. 3:40Volevo segnalarvi il mio nuovo libro Il
95. 3:42cosmo in brevi lezioni lo trovate in
96. 3:44tutte le librerie e negli Store online
97. 3:46vi lascio il link nella descrizione nel
98. 3:491948 Il fisico olandese Hendrick casimir
99. 3:53propose un esperimento per dimostrare
100. 3:55che le fluttuazioni quantistiche del
101. 3:57campo elettromagnetico nel vuoto possono
102. 4:00generare effetti misurabili immaginò due
103. 4:03piastre metalliche parallele e
104. 4:06perfettamente riflettenti poste nel
105. 4:08vuoto e a temperatura Zero all'esterno
106. 4:11delle piastre le onde elettromagnetiche
107. 4:13sono libere di oscillare a qualsiasi
108. 4:15frequenza mentre all'interno possono
109. 4:18trovare posto solo quelle con frequenze
110. 4:21precise compatibili con lo spazio tra le
111. 4:24piastre questa differenza crea una forza
112. 4:28le onde esterne più numerose esercitano
113. 4:31una pressione Maggiore spingendo le
114. 4:33piastre ad avvicinarsi questo fenomeno
115. 4:36noto come effetto casimir dimostrerebbe
116. 4:39che anche il vuoto è pieno di fotoni
117. 4:42virtuali mettere alla prova questa
118. 4:44ipotesi di casimir è dal punto di vista
119. 4:47sperimentale una cosa complicatissima
120. 4:49bisogna realizzare un vuoto quasi
121. 4:52perfetto mettersi a temperature prossime
122. 4:54il più possibile allo Zero Assoluto E
123. 4:57anche così anche con separazioni
124. 4:59Minuscole tra le piastre di pochi
125. 5:01millesimi di millimetro la forza
126. 5:03prevista è uguale al peso di una
127. 5:06gocciolina d'acqua nel 1996 però il
128. 5:09fisico Steve lamau riuscì a creare le
129. 5:12condizioni necessarie per testare l'idea
130. 5:14di casimir il vuoto intorno alle piastre
131. 5:17si comportava proprio come previsto un
132. 5:20mare ribollente di fotoni virtuali
133. 5:23insomma per la fisica moderna vuoto Non
134. 5:26significa uno spazio da cui è stato
135. 5:30tutto il possibile significa
136. 5:31semplicemente l'energia minima
137. 5:34raggiungibile da un certo sistema fisico
138. 5:36anche se fosse possibile svuotare
139. 5:38completamente una regione portandola
140. 5:40allo Zero Assoluto rimarrebbe un'energia
141. 5:43intrinseca però a questo punto è
142. 5:44importante notare che l'energia del
143. 5:46vuoto pur essendo reale non ha nessuna
144. 5:50utilità pratica energia conta soltanto
145. 5:52quando possiamo scambiarla In pratica
146. 5:54contano soltanto le differenze di
147. 5:56energia come succede per esempio quando
148. 5:58un corpo passa da un'energia più alta a
149. 6:01un'energia più bassa per esempio un peso
150. 6:03che cade in quel caso possiamo sfruttare
151. 6:05l'energia corrispondente ma lo stato di
152. 6:08vuoto rappresenta già il minimo valore
153. 6:10di energia possibile non è possibile
154. 6:12andare a un'energia ancora più bassa
155. 6:14quindi non possiamo prendercela non
156. 6:15possiamo utilizzarla questa energia
157. 6:17Inoltre come Vedremo tra poco le
158. 6:19osservazioni astrofisiche ci permettono
159. 6:21di misurare con una certa precisione
160. 6:23Quant'è l'energia associata allo spazio
161. 6:25vuoto in 1 m Cub di spazio vuoto c'è
162. 6:28un'energia G circa 100 miliardi di volte
163. 6:32più piccola di quella che serve per
164. 6:34tenere accesa una lampadina da 100 W per
165. 6:37un secondo anche se potessimo attingere
166. 6:40a questa energia potremmo farci ben poco
167. 6:43le cose cambiano quando entra in gioco
168. 6:45la gravità l'energia del vuoto Come
169. 6:47qualsiasi altra forma di energia genera
170. 6:49un effetto
171. 6:51gravitazionale essendo distribuita in
172. 6:53modo perfettamente uniforme in tutto
173. 6:55l'universo non causa fenomeni locali
174. 6:58Tuttavia il Il valore complessivo di
175. 7:00tutta l'energia del vuoto presente
176. 7:02nell'universo Ha un impatto
177. 7:04significativo a livello cosmologico
178. 7:06influenzando l'evoluzione E la struttura
179. 7:09dell'universo su larga scala per la
180. 7:12teoria della relatività generale di
181. 7:13Einstein Infatti l'energia del vuoto ha
182. 7:16un effetto gravitazionale del tutto
183. 7:17diverso da quello della materia e
184. 7:19dell'energia ordinarie In sostanza
185. 7:22l'energia del vuoto spinge l'espansione
186. 7:24dell'universo ad accelerare invece che a
187. 7:26rallentare l'energia del vuoto In altre
188. 7:29parole è esattamente ciò che Einstein
189. 7:31aveva chiamato costante cosmologica
190. 7:34quindi l'energia del vuoto può spiegare
191. 7:36il fenomeno dell'espansione accelerata
192. 7:39dell'universo scoperto nel 1998 e di cui
193. 7:42già vi ho parlato nel video precedente
194. 7:44ma non solo un meccanismo identico
195. 7:47potrebbe anche spiegare il periodo di
196. 7:49espansione accelerata che chiamiamo
197. 7:51inflazione che sarebbe avvenuto
198. 7:53all'inizio della storia dell'universo
199. 7:55circa 14 miliardi di anni fa secondo
200. 7:57l'ipotesi dell'inflazione una
201. 7:59fluttuazione quantistica nell'energia in
202. 8:01una minuscola regione di spazio
203. 8:03inizialmente vuoto ha prodotto un
204. 8:05brevissimo periodo di espansione
205. 8:07accelerata al termine del quale la
206. 8:09regione è diventata un intero Universo
207. 8:12Come il nostro contenente particelle ed
208. 8:14energia ma se l'energia del vuoto
209. 8:17Potrebbe spiegare sia l'inizio
210. 8:19dell'espansione dell'universo che
211. 8:21l'espansione accelerata che stiamo
212. 8:22osservando attualmente perché non siamo
213. 8:25soddisfatti Che cos'è che ancora ci
214. 8:27manca di capire il problema principale è
215. 8:30che la fisica teorica al momento non è
216. 8:32in grado di spiegare quale sia il valore
217. 8:34reale dell'energia del vuoto come ho
218. 8:36detto L'osservazione dell'espansione
219. 8:38accelerata dell'universo attuale ci
220. 8:40permette di misurare con una certa
221. 8:41precisione il valore dell'energia del
222. 8:43vuoto ma questo valore è completamente
223. 8:46diverso da quello previsto dai modelli
224. 8:48della fisica teorica e non si tratta di
225. 8:49una discrepanza piccola o irrilevante
226. 8:51perché il valore teorico differisce da
227. 8:54quello osservato di circa 120 ordini di
228. 8:57grandezza per capirci la previsione è
229. 8:59sbagliata di un fattore 10 alla 120 cioè
230. 9:031 seguito da 120 Zer è stata definita la
231. 9:06peggiore previsione teorica nella storia
232. 9:08della fisica questa discrepanza
233. 9:10rappresenta un problema fondamentale in
234. 9:12fisica teorica significa che ci manca
235. 9:14una comprensione profonda dell'energia
236. 9:16del vuoto sia del suo valore ma anche
237. 9:18del modo in cui essa emerge dalla fisica
238. 9:21fondamentale e del suo rapporto con la
239. 9:24gravità e per risolvere questa
240. 9:25discrepanza probabilmente avremo bisogno
241. 9:27di nuove idee di nuova fisica magari
242. 9:29quella legata all'unificazione o alla
243. 9:32quantizzazione della gravità Tutto
244. 9:34questo solo per quanto riguarda il
245. 9:36valore attuale dell'energia del vuoto ma
246. 9:38durante l'inflazione ammesso che
247. 9:39l'inflazione ci sia stata il valore
248. 9:41dell'energia del vuoto doveva
249. 9:43temporaneamente essere ancora più alto
250. 9:45si suppone che questa energia fosse
251. 9:47Associata a un campo fondamentale che
252. 9:49viene chiamato inflat ma purtroppo non
253. 9:52abbiamo idea di che cosa sia l'inl non
254. 9:54c'è nell'ambito delle teorie fisiche
255. 9:56conosciute nessun campo che possa
256. 9:58giocare questo ruolo e ci sono molte
257. 10:00altre domande che potremmo farci
258. 10:01riguardo all'energia del vuoto è davvero
259. 10:04costante ovunque o potrebbe variare
260. 10:06nello spazio e nel tempo e se sì Quali
261. 10:09sarebbero le conseguenze per
262. 10:10l'evoluzione del Cosmo e infine il vuoto
263. 10:14potrebbe essere il ponte per comprendere
264. 10:17una teoria più profonda che UniFI la
265. 10:19meccanica quantistica e la relatività
266. 10:21generale Sono domande ancora aperte a
267. 10:23cui non sappiamo dare risposta quello
268. 10:25dell'energia del vuoto è uno dei
269. 10:27problemi più profondi ancora aperti in
270. 10:29fisica moderna E per capirlo dovremmo
271. 10:32fare grandi passi avanti Non solo dal
272. 10:34punto di vista teorico ma anche con le
273. 10:36osservazioni e sicuramente le
274. 10:37osservazioni astrofisiche hanno
275. 10:39contribuito molto ad accrescere le
276. 10:42conoscenze intorno a questa cosa così
277. 10:43misteriosa come il vuoto e in futuro
278. 10:46potranno ancora darci qualche indizio
279. 10:48per capire come stanno le
280. 10:52[Musica]
281. 10:58cose m