Nel Cinquecento, la discussione sul vuoto si spostò da un livello prevalentemente teologico e filosofico ai modi e ai linguaggi dell’indagine scientifica.

La storia del vuoto fino al Medioevo ha visto una sostanziale predominanza delle idee platoniche e aristoteliche sull’horror vacui, in cui la natura aborre il vuoto e, non appena cerca di formarsi, si industria per prendere il suo posto con della materia. Tale idea si impose attraverso tutta l’età ellenistica e greco-romana e l’autorità di Aristotele non fu messa seriamente in discussione dalle sporadiche contestazioni. 

Tuttavia nel Quattrocento avvenne la riscoperta dei testi di Lucrezio, che descrivevano tra le altre cose la scuola atomista di Democrito, e questo stimolò un dibattito rimasto sopito. Il filosofo Bernardino Telesio aveva notato la formazione di bolle vuote in una clessidra in cui gli orifizi erano chiusi in modo che l’aria non entrasse, e anche che in un recipiente riempito di liquido o vapori, e successivamente raffreddato, si formava uno spazio vuoto. Telesio definì uno spazio vuoto caratterizzato da una “attitudine a ricevere corpi”, e che non solo potesse contenere corpi, ma che fosse un’entità distinta da essi. Tuttavia non approfondì ulteriormente questi concetti. 

Invece secondo Tommaso Campanella e il suo principio dell’anima universale, il mondo naturale appare come permeato da una forza attrattiva che induce tutti i corpi a ricercare il contatto reciproco, in modo da riempire ogni porzione dello spazio eliminando il vuoto. In questa come in altre visioni filosofiche, il vuoto non è escluso a priori, ma è visto come uno stato transitorio destinato a essere riempito di materia in tempi brevissimi. 

Tuttavia, l’evento più rilevante nel mondo della filosofia naturale del Cinquecento fu la progressiva adozione di un’impostazione sperimentale: in altre parole, il vuoto da questione prettamente filosofica stava per diventare oggetto di indagini sul mondo fisico. Galileo fu tra i primi a occuparsi del vuoto in modo scientifico; in particolare, fu incuriosito da un fatto riportato dai fontanieri di Firenze.

I fontanieri avevano osservato che, nell’estrazione dell’acqua dai pozzi, l’altezza massima della colonna d’acqua nella pompa non poteva superare il limite massimo di 18 braccia (10,4 metri). Galileo ebbe l’intuizione che questo fenomeno fosse dovuto alla pressione dell’aria, ma alla fine ritenne che si trattasse di una “forza del vuoto”, non più assoluta e invincibile come l’horror vacui, bensì in grado di sollevare l’acqua solo fino a un’altezza massima. Ideò un congegno in grado, a suo dire, di misurare questa forza del vuoto.

L’apparato sperimentale ideato da Galileo per misurare il vuoto. Immagine tratta dall’opera Discorsi e dimostrazioni Matematiche Intorno a Due Nuove Scienze (1638), pag. 15.

Si trattava di un cilindro con pistone, in cui la camera interiore era riempita d’acqua; il pistone era poi dotato di un gancio al quale era fissato un recipiente che si poteva riempire di materiale pesante. A un certo punto, si sarebbe dovuta osservare la formazione di uno spazio vuoto all’interno della camera interiore; il peso del sistema costituito da pistone, uncino, recipiente e suo contenuto sarebbe dunque stato equivalente alla forza del vuoto. Tuttavia, dobbiamo supporre che questo esperimento non riuscì, dato che Galileo non ne parlò più.

Galileo ebbe comunque il merito di stabilire che l’aria ha un peso. Per fare questo, riempì un fiasco di vetro con aria “assaissimo condensata” tramite uno “schizzatoio” (un ditale con valvola); fatta poi uscire l’aria in eccesso, misurò che il recipiente pesava di meno. Con altri esperimenti riuscì anche a misurare la densità dell’aria che stimò essere 400 volte più leggera dell’acqua anziché 10 come diceva Aristotele; oggi sappiamo che il valore vero si attesta sulle 700 volte più dell’acqua. Galileo utilizzò anche il vuoto per moltissimi esperimenti mentali, come quello della caduta dei gravi: egli ipotizzò infatti che in assenza d’aria (e quindi della sua resistenza), una piuma e un masso fatti cadere dalla stessa altezza raggiungerebbero il terreno nel medesimo istante.

Fu Evangelista Torricelli, allievo di Galileo, il primo a realizzare artificialmente il vuoto. Anche se manca una trattazione esatta del suo primo esperimento del 1644, sappiamo dai resoconti successivi che si svolse così: egli riempì di mercurio un tubo chiuso a un’estremità (che oggi chiameremmo provetta) e lo capovolse in una vaschetta riempita anch’essa di mercurio. Notò dunque che all’estremità chiusa del tubo si formava una zona vuota, e che l’altezza della colonna di mercurio all’interno del tubo era di 760 millimetri, indipendentemente dalla sua forma e dalla sezione.

L’esperimento di Torricelli. La pressione dell’aria sulla superficie libera del mercurio mantiene la colonna liquida nel tubo a un’altezza di 760 millimetri. Immagine di pubblico dominio da Flickr.

Questo fenomeno era già stato descritto, nell’essenza, da Galileo, ma Torricelli intuì che il motivo per cui l’acqua restava sopraelevata a non più di 10,4 metri era da ricercarsi non in qualche forza del vuoto, o in qualche fenomeno che si verificava all’interno dei tubi e dei vasi, bensì nella pressione esercitata dall’aria intorno a noi, e che era bilanciata esattamente dalla pressione esercitata da una colonna d’acqua di 10,4 metri. 

Poiché tuttavia sarebbe stato poco pratico e molto costoso costruire tubi di queste altezze, ebbe l’idea di utilizzare il mercurio, che era la sostanza liquida più pesante nota all’epoca; per essere precisi, il mercurio è circa 13,6 volte più denso dell’aria. In questo modo, per controbilanciare la pressione dell’aria, sarebbe stata necessaria una colonna di altezza 13,6 volte inferiore rispetto a quella dell’acqua. E infatti 10,4 metri divisi per 13,6 corrisponde a 0,76 metri, ossia 760 millimetri. Torricelli aveva così costruito il primo barometro, lo strumento per misurare la pressione atmosferica.

Sull’esistenza e sulla natura del “vuoto torricelliano” si concentrò l’interesse delle sue lettere successive: quello che restava era davvero il vuoto? Si poteva far coincidere il vuoto con l’assenza d’aria? Oggi sappiamo che lo spazio “vuoto” in realtà contiene vapori di mercurio a bassissima pressione. Le reazioni all’esperimento furono diverse e non tutte concordi, ma di certo il vuoto, da argomento riservato a pochi dotti, divenne un argomento di moda, oggetto di esperimenti e dimostrazioni pubbliche. Purtroppo la scomparsa prematura di Torricelli gli impedì di dare alle stampe i suoi lavori, e di assistere alle importanti sperimentazioni che si sarebbero svolte negli anni successivi, ma ispirò altri scienziati a portare avanti le sperimentazioni sul vuoto.

(continua…)

Per saperne di più:

  • Bartocci, Martin, Tagliapietra, Zerologia, ed. Il Mulino (2016)

  • Alessandro Braccesi, Una storia della fisica classica: dalla leva al moto browniano, ed. Zanichelli (1992)

  • James O. Weatherall, La fisica del nulla, ed. Bollati Boringhieri (2017)

  • Spartaco Pupo, L’anima immortale in Telesio (1999)

Immagine di copertina dust via Crybe/Shutterstock