I filosofi hanno discusso la natura del "nulla", del "niente", del "niente", del "vuoto" per migliaia di anni, ma cosa può dire la scienza moderna al riguardo? A questa domanda risponderà Martin Rees, Astronomo della Royal Society e Professore Emerito di Cosmologia e Astrofisica all'Università di Cambridge. Spiega che quando i fisici discutono di "niente", intendono lo spazio vuoto (vuoto). Può sembrare abbastanza ordinario, ma gli esperimenti dimostrano che lo spazio vuoto non è veramente vuoto: contiene un'energia misteriosa che può dirci qualcosa sul destino dell'universo.
Intervista a Martin Rees presentata dalla rivista The Conversation.
Lo spazio vuoto è uguale a niente?
Lo spazio vuoto ci sembra niente. Per analogia, l'acqua può sembrare "niente" per il pesce: è l'acqua che rimane quando rimuovi tutto il resto che galleggia nel mare. Allo stesso modo, lo spazio vuoto risulta essere abbastanza difficile nella pratica.
Sappiamo che l'universo è molto vuoto. La densità media dello spazio è di circa un atomo per ogni dieci metri cubi: l'ambiente è molto più rarefatto di qualsiasi vuoto che possiamo ottenere sulla Terra. Ma anche con tutta la materia rimossa, lo spazio ha una sorta di elasticità che (come recentemente confermato) consente alle onde gravitazionali - le increspature dello spazio stesso - di propagarsi attraverso di esso. Inoltre, abbiamo imparato che nello stesso spazio vuoto c'è una forma esotica di energia.
Abbiamo appreso per la prima volta di questa energia del vuoto nel 20 ° secolo con l'avvento della meccanica quantistica, che spiega il comportamento di atomi e particelle su scala più piccola. Ne consegue che lo spazio vuoto è costituito da un campo di fluttuazioni nell'energia di fondo - che dà vita a onde e particelle virtuali, che di tanto in tanto appaiono e scompaiono nel nulla. Possono persino creare una piccola forza. Ma per quanto riguarda lo spazio bianco su larga scala?
Il fatto che lo spazio vuoto crea una forza su larga scala è stato scoperto 20 anni fa. Gli astronomi hanno scoperto che l'espansione dell'universo sta accelerando. Questa è stata una sorpresa. L'espansione era nota da oltre 50 anni, ma tutti pensavano che sarebbe rallentata a causa dell'attrazione gravitazionale che le galassie e altre strutture esercitano l'una sull'altra. Quindi è stata una grande sorpresa per tutti che la decelerazione dovuta alla gravità sia stata compensata da qualcosa che ha "spinto" l'espansione. Si è scoperto che nello stesso spazio vuoto c'è energia che crea una sorta di repulsione che supera l'attrazione della gravità su queste grandi scale. Questo fenomeno - l'energia oscura - è la manifestazione più incredibile del fatto che lo spazio vuoto non è rugoso o vuoto. Inoltre,questo fatto determina l'ulteriore destino del nostro Universo.
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C'è un limite a ciò che possiamo imparare? Su una scala di un trilione di trilioni di volte più piccola di un atomo, le fluttuazioni quantistiche nello spazio-tempo possono dare vita non solo a particelle virtuali, ma anche a buchi neri virtuali. Questo è nei limiti che non possiamo osservare e per capire quali, almeno ipotetici, abbiamo bisogno di combinare la teoria della gravità con la meccanica quantistica - e questo è incredibilmente difficile.
Esistono diverse teorie per capirlo, di cui la più famosa è la teoria delle stringhe. Ma nessuna di queste teorie è ancora collegata al mondo reale, quindi sono ancora infondate. Penso che quasi tutti riconosceranno che lo spazio stesso ha una struttura complessa su piccola scala in cui si incontrano gli effetti gravitazionali e quantistici.
Sappiamo che il nostro universo ha tre dimensioni spaziali: puoi muoverti a sinistra ea destra, avanti e indietro, su e giù. Il tempo è come la quarta dimensione. Tuttavia, c'è un forte sospetto che se ingrandisci un minuscolo punto nello spazio fino a sentire quella piccola scala, scoprirai che sarà un origami densamente compresso di cinque dimensioni extra che non possiamo vedere. Come se guardassi il tubo da lontano e pensassi che fosse solo una linea. Avvicinandoti, vedresti che una dimensione è essenzialmente tre. La teoria delle stringhe include la matematica complessa, così come le teorie concorrenti. Ma questa è esattamente la teoria di cui abbiamo bisogno se vogliamo comprendere al livello più profondo il vuoto che si può immaginare: lo spazio vuoto, ovviamente.
Nella nostra attuale comprensione, come possiamo spiegare che il nostro intero universo si sta espandendo dal nulla? Potrebbe davvero essere iniziato con una piccola fluttuazione nell'energia del vuoto?
Alcune misteriose transizioni o fluttuazioni potrebbero portare all'improvviso al fatto che parte dello spazio ha iniziato ad espandersi, come credono alcuni teorici. Le fluttuazioni inerenti alla teoria quantistica potrebbero scuotere l'intero universo se fosse compresso a scale sufficientemente piccole. Questo dovrebbe essere accaduto in circa 10 (fino a -44) secondi: questo è il tempo di Planck. Su queste scale, il tempo e lo spazio sono intrecciati, quindi l'idea di un orologio che ticchetta non ha senso. Possiamo estrapolare il nostro universo con un alto grado di certezza al nanosecondo e con un alto grado di probabilità torneremo più vicino al tempo di Planck. Ma dopo di che le nostre supposizioni non sono più valide: la fisica su questa scala è sostituita da qualche altra teoria più complessa.
Se potrebbe essere che una fluttuazione in una parte casuale dello spazio vuoto ha dato vita all'universo, perché la stessa cosa non può accadere a un'altra parte dello spazio vuoto e dare vita ad universi paralleli in un multiverso infinito?
L'idea che il nostro Big Bang non sia l'unico, e che ciò che vediamo attraverso i nostri telescopi sia un minuscolo pezzo di realtà fisica, è abbastanza popolare tra i fisici. E ci sono molte versioni dell'universo ciclico. Solo 50 anni fa, sono emerse prove evidenti che il Big Bang è avvenuto. Ma da allora ci sono state speculazioni sul fatto che potesse essere solo un episodio in un universo ciclico. C'è anche la tendenza a capire che la realtà fisica è molto più del volume di spazio e tempo che possiamo sentire, anche con i telescopi più potenti.
Pertanto, non abbiamo idea se ci fosse un Big Bang o ce ne fossero molti: ci sono scenari che prevedono molti Big Bang e scenari che ne prevedono uno. Penso che dovremmo studiarli tutti.
Qual è la fine dell'universo?
La previsione più semplice per il lontano futuro è che l'universo continuerà ad espandersi sempre più velocemente, diventando più freddo e più vuoto. Le particelle al suo interno possono disintegrarsi, dissolvendosi all'infinito nel vuoto. Potremmo trovarci in un enorme volume di spazio, ma sarà ancora più vuoto di quanto lo sia ora. Questo è uno degli scenari. Ci sono altri che prevedono un "inversione" della direzione dell'energia oscura, dalla repulsione all'attrazione, a seguito della quale saremo compressi in un punto denso.
C'è anche l'idea di Roger Penrose che l'universo continuerà ad espandersi, diventando sempre più diluito, ma in qualche modo - quando non contiene altro che fotoni, particelle di luce - gli oggetti in esso saranno ricalibrati e lo spazio diventerà in qualche modo un generatore di un nuovo Big Bang … Questa sarà una versione molto esotica del vecchio universo ciclico, ma per favore non chiedetemi di spiegare le idee di Penrose.
Quanto sei sicuro che un giorno la scienza svelerà il mistero di cosa sia questo "niente"? Anche se potessimo dimostrare che l'universo è emerso da una strana fluttuazione in un campo del vuoto, non dovremmo chiederci da dove viene questo campo del vuoto?
La scienza cerca di fornire risposte, ma ogni volta che le troviamo sorgono nuove domande: non avremo mai il quadro completo. Quando ho iniziato a fare ricerche alla fine degli anni '60, c'erano dubbi sul fatto che ci fosse un Big Bang. Ora non ci sono più dubbi e possiamo dire con una precisione di circa il 2% che l'universo è stato lo stesso per 13,8 miliardi di anni, fino al primissimo nanosecondo. Questo è un grande progresso. È ridicolmente ottimistico credere che nei prossimi 50 anni risolveremo le difficili questioni di ciò che sta accadendo nell'era quantistica o "inflazionistica".
Ma, naturalmente, sorge un'altra domanda: quanta scienza sarà comprensibile al cervello umano? Può essere che la matematica della teoria delle stringhe sia, in un certo senso, una descrizione corretta della realtà, ma non possiamo mai comprenderla abbastanza bene da metterla alla prova contro un'osservazione genuina. Quindi potremmo dover aspettare che appaiano alcuni post-umani per ottenere una comprensione più completa.
Ilya Khel
