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La curiosità del mese

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L’insostenibile leggerezza del vuoto

La curiosità del mese di marzo 2011 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - Immagine artistica. Esiste il vuoto, il Nulla?
Fig. 1 - Esiste il vuoto, il Nulla?

Qui sulla Terra siamo immersi in un mare di atomi e di molecole.
In un centimetro cubo di aria ci sono circa 27 miliardi di miliardi di molecole (2.7x1019, per gli esperti).
È un numero così grande che non si riesce ad immaginare: se ogni molecola d’aria fosse lunga un centimetro, e le mettessimo una dietro l’altra, faremmo una fila indiana lunga 27 anni luce...
E quanto pesa un centimetro cubo di aria? Poco, circa un milligrammo.

Fig. 2 - Come cambia la densita’ dell’atmosfera a seconda dell’altezza. A 50 km di altezza la densita’ e’ mille volte minore che al suolo, e a 250 km di altezza e’ 10 miliardi di volte minore.
Fig. 2 - Come cambia la densità dell’atmosfera a seconda dell’altezza. A 50 km di altezza la densità è mille volte minore che al suolo, e a 250 km di altezza è 10 miliardi di volte minore.

Ogni volta che respiriamo i nostri polmoni si riempiono di circa 4 litri d’aria, cioè di centomila miliardi di miliardi di molecole.
Durante la nostra vita è praticamente sicuro che inspiriamo parecchie molecole che hanno inspirato altri esseri umani. Qualche molecola respirata da Leonardo da Vinci è passata o passerà anche per i nostri polmoni...
Sappiamo tutti che in alta montagna l’aria è più rarefatta, perchè ogni centimetro cubo contiene meno molecole, e infatti dobbiamo moderare gli sforzi, perchè insipiramo meno ossigeno.
Però ad un’altezza di 3000 metri ci sono ancora parecchi miliardi di miliardi di molecole d’aria per ogni centimetro cubo.
Man mano che si sale la densità dell»aria diminuisce, tanto che solo persone allenate riescono a scalare l’Everest senza bombole, e a 10,000 metri rischiamo di morire. Ma saliamo ancora. >br> A 50 km di altezza la densità dell’atmosfera è scesa di 1000 volte rispetto a quella al suolo, e a 100 km di altezza la densità è "solo" un milionesimo.
Questo vuol dire che un centimetro cubo contiene "solo" 27 mila miliardi di molecole...
All’altezza della stazione spaziale internazionale (circa 350 Km) o dello Shuttle in orbita la densità è all’incirca mille miliardi di volte meno che alla superficie (cioè ci sono circa 27 milioni di molecole per ogni centimetro cubo).
Questo valore di densità è simile a quella del miglior vuoto che riusciamo a creare in laboratorio: 3 milioni di molecole per centimetro cubo.

Fig. 3 - Un'eruzione solare catturata dal satellite STEREO il 29 settembre del 2008. Le dimensioni delle eruzioni solari sono di parecchie volte il diametro terrestre. Crediti: STEREO Project, NASA - APOD del 4 ottobre 2008
Fig. 3 - Un’eruzione solare catturata dal satellite STEREO il 29 settembre del 2008. Le dimensioni delle eruzioni solari sono di parecchie volte il diametro terrestre. Crediti: STEREO Project, NASA - APOD del 4 ottobre 2008.

Ma siamo ancora lontani dal "vuoto", non credete?
Proviamo allora ad avventurarci nello "spazio aperto", lontano dalla nostra Terra.
Nel nostro sistema solare la densità dipende dalla distanza dal Sole, che con le sue "eruzioni" inietta grandi quantità di materia nello spazio.

Fig. 4 - La distribuzione reale delle galassie, come trovata dale ricerche piu’ recenti. Notate come la distribuzione delle Galassie, uniforme a grande scala, in realta’ presenta dei "grumi", dei "filamenti", e dei "vuoti".
Fig. 4 - La distribuzione reale delle galassie, come trovata dale ricerche più recenti. Notate come la distribuzione delle Galassie, uniforme a grande scala, in realtà presenta dei "grumi", dei "filamenti", e dei "vuoti".

Non stiamo però parlando di molecole, ma di singoli nuclei di idrogeno, cioè di protoni.
Dalle parti dell’orbita della terra il vento solare è di circa 5 protoni per centimetro cubo, ma può arrivare fino a 100 protoni per centimetro cubo a seguito di grandi "eruzioni" solari.
Oltre ai protoni, esistono però anche altre particelle più strane, come neutrini e fotoni.
I neutrini provengono dal centro del Sole, proprio dove avvengono le reazioni termonucleari che lo tengono acceso, e i fotoni non sono altro che le particelle di luce che provengono dalla superficie del Sole.
Man mano che ci allontiamo dal Sole il numero di tutte queste particelle diminuisce: sarà possible quindi raggiungere il Nulla, se ci allontiamo abbastanza? Andiamo a vedere.
Siamo ormai nello spazio tra le stelle, lontano dal Sole e da ogni altra stella.
Ebbene, anche qui lo spazio non è proprio vuoto: c’è un protone ogni centimetro cubo.
D’accordo, è quasi niente, ma non è il nulla.
Oltre a questo unico protoncino per centimetro cubo troviamo anche qualche raro raggio cosmico che sfreccia via ad altissime velocità e gli onnipresenti fotoni.
E allora continuiamo il viaggio, ed andiamo addirittura fuori dalla nostra galassia.
Abbiamo finalmente raggiunto il vuoto assoluto? No, neanche qui.

Fig. 5 - La distribuzione di materia nell’Universo come risulta da simulazioni al computer. Le zone piu’ chiare indicano gli addensamenti di materia.
Fig. 5 - La distribuzione di materia nell’Universo come risulta da simulazioni al computer. Le zone più chiare indicano gli addensamenti di materia.

Dobbiamo però cambiare scala, invece di particelle per centimetro cubo dobbiamo adesso parlare di particelle per metro cubo (un metro cubo è un milione di volte più grande di un centimetro cubo).
In media troveremmo un protone per ogni metro cubo, ma noteremmo anche una grande diversità: ci sono filamenti cosmici dove ci sono 10 o 100 protoni per metro cubo e grandi "vuoti cosmici" dove la densità è 10 volte minore della media.
Tutto qui? No, anche se fossimo in un "vuoto cosmico", dove ogni protone "occupa" 10 metri cubi, troveremmo sempre dei fotoni onnipresenti, di cui non riusciamo a liberarci.
Sono i fotoni della radiazione di fondo, quella generata durante il Big Bang, che da allora viaggiano imperterriti.
Sono circa 400 fotoni per ogni centimetro cubo. E altrettanti neutrini, anche loro nati durante il Big Bang.
E per quanti sforzi facciamo, di loro proprio non riusciamo a liberarci.
Ma c’è stata un’epoca in cui il vuoto esisteva? Magari tanto tempo fa? No, dato che l’Universo si sta espandendo, nel passato era più denso, e quindi meno vuoto...
E nel futuro? Beh, proprio per via dell’espansione, lo spazio tra i grandi ammassi di galassie, che adesso sono i luoghi più vuoti dell’universo, saranno ancora più vuoti.
Per ogni centimetro cubo, ci saranno meno fotoni e neutrini nati nel Big Bang. Potreste pensare che quindi è solo questione di tempo: basta aspettare, e il Nulla conquisterà zone sempre più vaste dell’Universo.
Ma questo è vero solo in parte, cioè per quelle particelle "normali"che conosciamo bene.
In realtà però la fisica moderna è arrivata a dimostrare che il Nulla assoluto non può proprio esistere.
Per quanto bizzarro possa sembrare, la natura si ribella al vuoto assoluto: non lo permette.
Il modo con cui lo fa è curioso: fa vivere e morire delle particelle per brevissimo tempo.
Quanto più grossa è la particella, tanto più breve è la sua effimera vita.
Tanto effimera che queste particelle vengono chiamate virtuali. Tutto lo spazio pullula di questa attività, di questo ribollire ultramicroscopico.
Anche quello tra le galassie. Quindi anche nel futuro, quando la densità delle particelle normali sarà sempre più piccola, esisteranno sempre queste particelle virtuali ad abitare lo spazio, e la loro densità sarà sempre la stessa, indipendentemente da quanto l’Universo si sarà espanso.
Saranno loro ad abitare per sempre lo spazio, dandosi il cambio in continuazione...

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