Prima conferma del processo che potrebbe aver creato l'universo

Una collaborazione italo-inglese realizza il primo esperimento in cui viene osservato il decadimento di un falso vuoto grazie a fluttuazioni quantistiche

Rappresentazione artistica del decadimento di falso vuoto dell’universo. Credit: New Atlas / Depositphotos

Provate a immaginate che lo spazio attorno a voi possa improvvisamente cadere a pezzi. Fantascienza, giusto? Beh, non proprio, dato che esso potrebbe in teoria essere ciò che si dice un falso vuoto.

Un falso vuoto può restare in uno stato apparentemente stabile anche per miliardi di anni, finché una fluttuazione quantistica (cioè, una variazione temporanea e casuale del suo livello energetico) non ne causi il decadimento.

Tale decadimento rilascerebbe una quantità enorme di energia, ponendo fine alla vita per come la conosciamo. Per fortuna, si tratta solo di teorie non dimostrate…almeno fino a oggi.

In un recente esperimento, infatti, è stato osservato che fluttuazioni quantistiche sono effettivamente in grado di provocare il suddetto decadimento, perlomeno limitatamente a gas ultra-freddi in laboratorio.

Stati metastabili e tunnel quantistici

In fisica uno stato che non è totalmente stabile è detto metastabile ed è soggetto a decadere in un altro stato più stabile, tramite quella che si chiama transizione di fase, come spiega Sabine Hossenfelder sul suo canale YouTube.

Solitamente questo processo è rappresentato con un grafico come quello qui sotto, dove sull’asse delle y è indicata l’energia del sistema, mentre su quello delle x è indicato un qualche parametro che descrive la transizione di fase.

Credit: Sabine Hossenfelder

La “vallata” in alto a sinistra rappresenta lo stato metastabile: finché il sistema subisce solo piccole perturbazioni, esso rimarrà in tale stato, un po’ come una pallina che non riesce a scalare la “montagna” successiva e ritorna al punto di partenza.

Se però le perturbazioni sono sufficientemente grandi, il sistema decade in uno stato più stabile, rappresentato dalla vallata in basso a destra nel grafico. Di norma, tali transizioni di fase sono provocate da forze esterne, ma in teoria possono anche avvenire a causa di fluttuazioni quantistiche casuali.

In quest’ultimo caso si parla di un fenomeno noto come effetto tunnel: immaginando sempre la pallina di cui sopra, essa non scalerà la montagna al centro delle due vallate, ma la attraverserà direttamente, come se ci fosse un traforo.

Falso vuoto e bubble nucleation

“Ma che c’entra tutto questo con lo spazio nell’universo?”, mi direte. Beh, una delle teorie sull’origine dell’universo è che esso fosse inizialmente nient’altro che spazio vuoto in uno stato metastabile, ovvero un falso vuoto, che decadendo avrebbe rilasciato enormi quantità d’energia, che avrebbe a sua volta generato la materia (in base alla famosa equivalenza E=mc²).

Altra obiezione: ma se l’universo ha già subito un decadimento, che problema c’è? Il fatto è che possono esistere più stati metastabili in sequenza, così che l’universo potrebbe effettivamente incorrere in un’altra transizione di fase.

In particolare, si ritiene che ciò possa avvenire tramite un processo chiamato bubble nucleation (traducibile come “nucleazione a bolle”), in cui una fluttuazione quantistica provoca il decadimento in un determinato punto ed esso si espande successivamente in punti adiacenti.

Finora nessuno aveva mai osservato un processo del genere, ma un gruppo di ricercatori italiani guidato da Alessandro Zenesini dell’università di Trento, in collaborazione con l’università di Newcastle, ci è finalmente riuscito, come descritto nello studio pubblicato su Nature.

I dettagli dell’esperimento

Per il loro esperimento, effettuato nel Pitaevskii Center for Bose-Einstein Condensation di Trento, Zenesini e colleghi hanno impiegato una “nuvola” di atomi di sodio raffreddata fin quasi allo zero assoluto (che è il momento in cui gli effetti quantistici entrano prepotentemente in gioco, come descritto ad esempio qui e qui) e inserita in un campo magnetico.

Gli atomi hanno una proprietà detta spin (che per semplicità può essere vista come verso di rotazione), tendente naturalmente ad allinearsi con quella degli altri atomi adiacenti; ma lo spin tende anche ad allinearsi col campo magnetico esterno e quindi si crea uno stato metastabile.

Ora, se si aumenta la forza del campo magnetico, lo spin degli atomi dovrebbe subire una transizione di fase e allinearsi con esso, con l’eccezione degli atomi più vicini ai bordi, dove la forza del campo è inferiore: è esattamente ciò che i ricercatori hanno osservato e che è possibile vedere in questo video, dove lo stato metastabile è in blu e quello stabile in rosso.

Il gruppo, che è riuscito anche a misurare la dipendenza della probabilità di decadimento in funzione dell’energia, punta ora a effettuare ulteriori esperimenti, nella speranza di avvicinarsi sempre più alla comprensione dell’origine dell’universo; il tutto a partire da una cosa minuscola come degli atomi ultra-freddi.