Guido Tonelli: la scienza ha risolto il dilemma di Amleto

Non è però così intuitivo capire perché - da uno stato di ordine - ci sia stata questa fluttuazione che ha creato il disordine

In realtà lo stato cosiddetto di ordine, sul piano microscopico, è abbastanza caotico: se uno potesse vedere lo stato di vuoto vedrebbe un turbinare continuo di fluttuazioni, quello che chiamiamo la schiuma quantistica. È un caos ordinato, dominato dalle leggi della casualità e della meccanica quantistica. Una di queste bollicine, se estrae dal vuoto una piccola quantità di materia - particelle strane che chiamiamo infratoni - e le colloca in una minuscola porzione di spazio-tempo se succede casualmente che l’energia positiva necessaria per estrarre le particelle dal vuoto è uguale e contraria all’energia negativa di cui si impregna lo spazio-tempo per la presenza di questa materia, il sistema ha energia totale nulla e quindi può evolvere per tempi indefiniti. Non si richiude. Se l’energia fosse positiva dovrebbe rientrare nei ranghi. È un meccanismo semplice e incredibile allo stesso tempo ed è la soluzione più semplice sulla quale la scienza contemporanea ha indagato per decenni fino a che non si è riusciti a misurare l’energia totale dell’universo e si è scoperto sorprendentemente che l’energia totale dell’universo è zero. Di colpo questo ha permesso di capire da dove sono originati i primi istanti.

Ma la cosa sorprendente è realizzare che ancora oggi l’universo, cioè 200 miliardi di galassie ciascuna contenente 100 miliardi di stelle e polveri e gas e energia oscura e materia oscura, e un’enorme struttura materiale, è ancora uno stato di vuoto.

Il vuoto è pienissimo...

In realtà la nostra visione del mondo, quella messa a punto dei primi sapienti greci, ci ha portato a sottovalutare un elemento che solo recentemente abbiamo iniziato a indagare. La nostra visione si è concentrata sul pieno, sugli oggetti materiali. Noi, ad esempio, vediamo il Sole e la Terra, una grande stella attorno a cui orbita il pianeta, e non poniamo attenzione allo spazio-tempo che li racchiude. Abbiamo un pregiudizio di ignorare il contenitore in cui avvengono i fenomeni fisici, ma questo contenitore ha un ruolo decisivo: è lo spazio-tempo deformato dalla presenza del Sole a produrre l’orbita della Terra intorno al Sole. Quando si è cominciato a considerare il ruolo dello spazio-tempo nella dinamica dell’universo, a partire da Einstein, si è scoperto che lo spazio-tempo è una struttura anch’essa materiale che contiene energia, che vibra e che oscilla, che produce onde gravitazionali che possono propagarsi a distanze spropositate, tutto questo ha preso 100 anni di studi, e questa è la chiave che ci ha fatto capire di colpo che se noi consideriamo il ruolo dello spazio-tempo, che è l’energia negativa, l’energia di attrazione gravitazionale tra pianeti, galassie etc, e l’energia positiva, concentrata nel pieno, nelle masse dei pianeti o galassie, queste due componenti sono complementari, si annullano, esattamente come avveniva nella bollicina primordiale dove è nato il tutto. Quindi pieno e vuoto, essere e non essere, sono due facce della stessa medaglia, non si può separali. L’essere il non essere coesistono si compenetrano, la materia e il vuoto sono strettamente connessi tra loro, il pieno e il vuoto sono aspetti dello stesso fenomeno.

Nel libro infatti le scrive essere è non essere...

Sì, bisogna togliere la «o» e mettere la «è» e si risolve il dilemma amletico.

La scoperta del bosone di Higgs che ruolo ha giocato?

Abbiamo visto che il vuoto è la culla dell’universo. La comprensione più approfondita del vuoto, il viaggio che abbiamo fatto nel vuoto, ci ha fatto capire la nostra origine. È come se ci avesse fatto un enorme regalo. L’altro regalo è l’aver compreso che l’universo è uno stato di vuoto. Siamo debitori del vuoto perché al vuoto dobbiamo la nostra origine e il vuoto è la nostra essenza può profonda, di questo universo di cui noi stessi facciamo parte. Ma c’è un terzo dono del vuoto che abbiamo scoperto più recentemente, nel 2012, quando abbiamo scoperto il bosone di Higgs. Allora abbiamo realizzato che il vuoto gioca un ruolo decisivo anche nel definire la particolare struttura materiale che ha preso il nostro universo. Si tratta del vuoto elettrodebole, non un vuoto-vuoto ma un vuoto arricchito dalla presenza di questo campo che è il campo di Higgs. Da quando si è installato nell’universo intero, cosa che è avvenuta nei primissimi istanti, subito dopo il Big Bang, il vuoto elettrodebole ha cambiato tutto. Quell’universo caotico in cui miriadi di particelle elementari prive di masse volavano ovunque non avrebbe mai potuto costruire la meraviglia che ci circonda: stelle, pianeti, piante, esseri umani. Tutte queste forme materiali nascono dall’interazione del vuoto elettrodebole con le particelle elementari. Interagendo con il vuoto elettrodebole le particelle elementari acquistano masse diverse fra loro: essendo diversa la forza della loro interazione con il vuoto elettrodebole acquistano masse diverse, e questo meccanismo è fondamentale per permettere la costruzione di strutture materiali permanenti. Senza il vuoto elettrodebole non si potrebbero formare protoni o neutroni in cui quark leggeri sono tenuti insieme da gluoni. Questi mattoni primordiali sono alla base della costruzione delle prime strutture materiali. Senza quella particolare interazione che gli elettroni hanno con il vuoto elettrodebole non si potrebbe spiegare la massa leggera che hanno gli elettroni e che permette loro di orbitare intorno ai nuclei a formare atomi. Nasce tutto da lì. Da lì si formeranno poi gas di idrogeno, stelle, galassie, pianeti, rocce, mari, piante animali esseri umani: è alla base di un’infinita catena di generazioni successive di strutture materiali persistenti. All’origine c’è il dono che ci ha fatto il vuoto elettrodebole dando a questo universo una struttura materiale meravigliosa che è quella che ci circonda.

Cosa può venire dalla comprensione del vuoto?

È una sfida di grande attualità perché è come se per 2500 anni ci fossimo concentrati sulla materia: abbiamo capito con grande dettaglio la sua composizione, la sua struttura microscopica, e abbiamo però trascurato l’altro componente, lo spazio-tempo che contiene la materia. Ora che abbiamo capito l’importanza del vuoto, dello spazio-tempo se riuscissimo a studiare in profondità le leggi che regolano la sua struttura più intima, da un lato potremmo trovare risposta ad alcuni dei grandi quesiti della scienza contemporanee - forse si nasconde lì il segreto della gravità quantistica, che ancora non siamo riusciti a descrivere - e, dall’altro, se guardiamo alle tecnologie che siamo stati in grado di sviluppare una volta compresa la struttura dettagliata della materia, tutte le tecnologie che sono state sviluppate negli ultimi cento anni grazie alla meccanica quantistica, possiamo farci un’idea di cosa potrebbe nascere dalla conoscenza delle leggi più intime del vuoto, dello spazio-tempo. Dobbiamo immaginare che il giorno in cui l’umanità riuscirà a capire il funzionamento più dettagliato delle strutture più infime del vuoto, da lì potranno nascere tecnologie inimmaginabili, ed è questa la sfida cui sono chiamati i ricercatori delle prossime generazioni.