Una luce che nasce dal nulla: è l’effetto Casimir dinamico

Una luce che nasce dal nulla: è l’effetto Casimir dinamico

16 febbraio 2013

Particelle virtuali che ribollono nel vuoto possono diventare fotoni reali, ma solo in opportune
condizioni. È un fenomeno previsto tanto tempo fa dal fisico olandese Hendrik Casimir ed ora
verificato sperimentalmente da ricercatori finlandesi. Questo risultato potrebbe migliorare la
nostra conoscenza dell’universo dei primordi, in particolare della fase dell’inflazione cosmica, e
fornire informazioni utili allo sviluppo dei computer quantistici

di Charles Q. Quoi – lescienze.it

Il vuoto è spesso pensato come uno spazio senza alcun oggetto, ma i fisici ora hanno scoperto un
nuovo modo per ottenere qualcosa da questo nulla apparente: un lampo di luce. E si tratta di una
scoperta importante, perché potrebbe contribuire a costruire computer quantistici incredibilmente
potenti o a chiarire i primi istanti della storia dell’universo.

La meccanica quantistica spiega che c’è un limite alla precisione con cui è possibile conoscere le
proprietà delle unità più elementari della materia: per esempio, non è possibile conoscere con
assoluta sicurezza e contemporaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella. Una
bizzarra conseguenza di questa incertezza è che il vuoto non è mai completamente vuoto, poiché
“ribolle” di particelle virtuali che compaiono e scompaiono incessantemente.

Queste particelle virtuali spesso appaiono in coppie che si annichilano a vicenda quasi
istantaneamente. Tuttavia, prima di svanire possono avere un’influenza reale sull’ambiente
circostante. Per esempio, i fotoni – i quanti di luce – possono saltare dentro e fuori un vuoto.
Quando due specchi sono posti l’uno di fronte all’altro in un vuoto, all’esterno degli specchi
possono esistere più fotoni virtuali di quanti ce ne sono nello spazio che li separa, generando una
forza apparentemente misteriosa che tende ad avvicinare gli specchi.

Questo fenomeno, previsto nel 1948 dal fisico olandese Hendrik Casimir e da allora chiamato con il
suo nome, fu osservato per la prima volta con specchi mantenuti in uno stato di quiete. I
ricercatori però hanno previsto anche un effetto Casimir dinamico, che si osserva quando gli specchi
sono in moto o quando gli oggetti subiscono qualche tipo di cambiamento. Ora il fisico Pasi
Lähteenmäki dell’Università di Aalto, in Finlandia, e colleghi, hanno dimostrato che variando la
velocità con cui viaggia la luce è possibile farla apparire dal nulla.

Secondo la teoria della relatività di Einstein, la velocità della luce nel vuoto è costante, mentre
la sua velocità in un mezzo dipende da una precisa proprietà del mezzo stesso, ovvero dall’indice di
rifrazione. Gli scienziati possono influire sulla velocità dei fotoni in un mezzo variandone
l’indice di rifrazione, indipendentemente dal fatto che siano fotoni reali o virtuali. Lähteenmäki
sostiene che questo sistema può essere pensato come uno specchio. Se lo spessore di questo specchio
cambia abbastanza rapidamente, i fotoni virtuali che vengono riflessi possono ricevere abbastanza
energia da trasformarsi in fotoni reali durante il rimbalzo. “Immaginiamo di trovarci in una stanza
molto buia e che all’improvviso l’indice di rifrazione della stanza cambi”, spiega Lähteenmäki. “La
stanza inizierebbe a brillare”.

All’inizio del loro esperimento, Lähteenmäki e colleghi hanno messo in frigorifero una schiera di
250 dispositivi superconduttori a interferenza quantistica (SQUID), circuiti estremamente sensibili
ai campi magnetici. Applicando dei campi magnetici, i ricercatori hanno variato di pochi punti
percentuali la velocità di fotoni con frequenza nelle microonde che attraversavano la schiera.
Successivamente, hanno portato la temperatura del sistema a 50 millesimi di gradi Celsius sopra lo
zero assoluto. In queste condizioni di “superfreddo” il sistema non dovrebbe emettere alcuna
radiazione, comportandosi praticamente come il vuoto. “Volevamo semplicemente studiare questi
circuiti per sviluppare un amplificatore”, racconta Sorin Paraoanu, fisico teorico dell’Università
di Aalto. “Ma ci siamo chiesti: che cosa succederebbe se non ci fosse nulla da amplificare? Che cosa
succede se il segnale è il vuoto?”.

Come illustrato in dettaglio sui “Proceedings of the National Academy of Sciences”, i ricercatori
hanno rilevato i fotoni che era in accordo con le previsioni dell’effetto Casimir dinamico. Per
esempio, questi fotoni dovrebbero mostrare la strana proprietà dell’entanglement: misurando le
proprietà di un fotone, gli scienziati potrebbero conoscere esattamente anche le proprietà della sua
controparte, ovunque sia nell’universo, un fenomeno che Einstein indicava come “inquietante azione a
distanza”.

“Questo e altri studi recenti dimostrano che il vuoto non è realmente vuoto ma pieno di fotoni
virtuali”, ha spiegato Steven Girvin fisico teorico della Yale University, che non ha preso parte
allo studio di Aalto.

Due 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 cinque
per cento della velocità della luce. “È bello sapere che c’è stata un’ulteriore conferma di questo
effetto e vedere come si sviluppi quest’area di ricerca”, spiega Wilson, ora all’Università di
Waterloo, in Ontario, che non ha partecipato allo studio di Aalto. “Solo di recente lo sviluppo
della tecnologia ci ha permesso di effettuare nuovi esperimenti in cui possiamo iniziare a studiare
variazioni molto rapide che hanno effetti enormi sui campi elettromagnetici”.

I ricercatori avvertono che questi esperimenti non permetteranno di estrarre da un sistema più
energia di quanta ne sia stata immessa. Non porteranno a una bacchetta magica. Per esempio, c’è
bisogno di energia per cambiare l’indice di rifrazione di un materiale.

Invece, questo tipo di ricerche potrebbe aiutare a saperne di più sui misteri dell’entanglement, che
costituisce il cuore dei computer quantistici, macchine avanzate che in un istante potrebbero
effettuare un numero di calcoli più grande del numero degli atomi dell’universo. 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”, sottolinea Girvin. “È un nuovo indirizzo di ricerca ”.

Wilson aggiunge che questi sistemi “potrebbero essere usati per simulare alcuni scenari
interessanti. Per esempio, alcune teorie prevedono che durante la fase dell’inflazione cosmica, i
confini dell’universo primordiale si espandevano a una velocità vicina a quella della luce o
addirittura superiore. Potremmo prevedere l’esistenza di una qualche radiazione da Casimir dinamico
prodotta a quell’epoca, e potremmo cercare di simularla in laboratorio”.

Così l’effetto Casimir statico coinvolge specchi in stato di quiete, mentre l’effetto Casimir
dinamico coinvolge specchi in movimento.

www.pnas.org/content/early/2013/02/11/1212705110.abstract

La versione originale di questo articolo è stata pubblicata su scientificamerican.com il 12 febbraio
2013. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.

www.scientificamerican.com/article.cfm?id=something-from-nothing-vacuum-can-yield-flashes-of-
light