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Specchi in movimento: la nascita dei fotoni dal vuoto

Scritto da Annalisa Arci il 27.02.2013

FINLANDIA- È possibile creare qualcosa dal vuoto? Gli scienziati dicono di sì: date certe condizioni iniziali, un insieme di particelle virtuali che fluttuano nel vuoto si possono “trasformare” in fotoni. La scoperta, qualora fosse confermata da ulteriori evidenze sperimentali, potrebbe essere utile per la costruzione di computer quantistici e potrebbe gettare luce su una fase ancora abbastanza oscura della storia dell’Universo: la veloce inflazione a seguito del Big Bang.

Che il vuoto sia un nulla apparente particolarmente fecondo non è una novità per i fisici. Già nel 1948 il fisico olandese Hendrik Casimir, grazie a una serie di ricerche sull’origine delle forze viscose nelle soluzioni colloidali, aveva ipotizzato che il vuoto avesse una peculiare forza o energia.

L’esperimento originario è abbastanza semplice: se si prendono due lastre metalliche parallele non elettricamente cariche, si esercita una forza attrattiva che non può essere spiegata mediante gli strumenti della fisica classica. Per quale motivo? La risposta è racchiusa nel concetto di vuoto.

L’effetto Casimir. In fisica classica una regione vuota è definita come una porzione di spazio in cui non sono presenti particelle o campi. In fisica quantistica, invece, a causa del principio di Indeterminazione di Heisemberg, il vuoto non è propriamente “vuoto”. In qualunque regione di spazio è impossibile garantire l’assenza completa di particelle e/o campi: il vuoto non può essere considerato uno stato a zero energia poiché le fluttuazioni quantistiche sono correlate alla creazione e all’annichilimento di particelle virtuali.

L’effetto Casimir consiste proprio in questo: quando due lastre sono poste l’una di fronte all’altra, nello spazio che le circonda può esserci un numero maggiore di fotoni virtuali di quanti ce ne sono nello spazio vuoto che le separa, generando un’energia che tende ad avvicinare le lastre. Queste particelle virtuali sovente compaiono in coppie che, nella frazione di un attimo, si annichilano a vicenda. Ma prima di scomparire sono in grado di esercitare alcuni effetti sul campo che le circonda.

Un paio d’anni fa, un esperimento del fisico Christopher Wilson aveva dimostrato l’effetto Casimir dinamico in un sistema che riproduceva uno specchio che si muoveva con una velocità pari al 5% della velocità della luce. Lo studio, pubblicato nella rivista “Proceedings of the National Academy of Sciences”, va in questa direzione, prevedendo un effetto Casimir dinamico che si osserva quando, ad esempio, due lastre sono in movimento.

Il team di ricerca, guidato dal fisico Pasi Lähteenmäki dell’Università finlandese di Aalto, ha dimostrato che è possibile far nascere dal nulla i fotoni variando la velocità a cui viaggiano. Dal momento che solo nel vuoto la velocità della luce è costante, variando l’indice di rifrazione è possibile variarne la velocità.

Pasi Lähteenmäki sostiene che questo sistema può essere pensato come uno specchio: se il suo spessore cambia abbastanza rapidamente, i fotoni virtuali che vengono riflessi possono incamerare energia sufficiente per trasformarsi in fotoni reali durante il rimbalzo. Pasi Lähteenmäki ha reso l’esperimento in questi termini:  “immaginiamo di trovarci in una stanza molto buia e che all’improvviso l’indice di rifrazione della stanza cambi. La stanza inizierebbe a brillare”.

Un esperimento “al gelo”. Il team di fisici ha messo in frigorifero all’incirca 250 dispositivi superconduttori a interferenza quantistica (SQUID). Si tratta di circuiti estremamente sensibili ai campi magnetici che, connessi con dei campi magnetici, hanno consentito ai ricercatori di variare di pochi punti percentuali la velocità dei fotoni con la frequenza nelle microonde che attraversavano la schiera.

In un secondo tempo, i ricercatori hanno portato la temperatura del sistema a 50 millesimi di gradi Celsius sopra lo zero assoluto. In queste condizioni di freddo estremo il sistema non dovrebbe emettere alcuna radiazione, comportandosi praticamente come il vuoto: in accordo con le previsioni dell’effetto Casimir dinamico, i ricercatori hanno vi hanno rilevato proprio i fotoni.

“Volevamo semplicemente studiare questi circuiti per sviluppare un amplificatore. Ma ci siamo chiesti: che cosa succederebbe se non ci fosse nulla da amplificare? Che cosa succede se il segnale è il vuoto?”, ha commentato Sorin Paraoanu, fisico teorico dell’Università di Aalto. Dobbiamo concludere che il vuoto è pieno di fotoni virtuali.

Dall’entanglement all’inflazione dell’Universo. Questo non significa che sia possibile estrarre da un sistema più energia di quanta ne sarebbe stata immessa. Significa invece che, con il supporto di una serie di tecnologie già esistenti, l’effetto Casimir dinamico ci aiuterà a capire meglio i misteri dell’entanglement. Questi fotoni dovrebbero infatti mostrare questa caratteristica: misurando le proprietà di un fotone, gli scienziati potrebbero conoscere esattamente anche le proprietà della sua controparte, ovunque si possa trovare nell’universo, un fenomeno che Einstein indicava come “un’inquietante azione a distanza”.

I fotoni entangled generati dall’apparato sperimentale dei ricercatori finlandesi possono essere usati come base per una nuova forma di calcolo quantistico, noto come elaborazione dell’informazione quantistica a variabile continua. Non solo. L’effetto Casimir potrebbe aiutare gli studiosi a simulare alcuni scenari possibili in merito alla nascita e allo sviluppo dell’Universo.

Dal momento che alcune teorie prevedono che durante la fase dell’inflazione cosmica i confini dell’universo primordiale si sono espansi a una velocità vicina a quella della luce (o, secondo alcuni, superiore), non è detto che sia impossibile prevedere l’esistenza di una qualche radiazione “da Casimir dinamico” prodotta in quello stadio primordiale. La sfida è tentare di simularla in laboratorio.

 

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