Una delle caratteristiche più particolari della meccanica quantistica è che secondo questa teoria il vuoto non sia realmente tale. Secondo la fisica moderna, infatti, in realtà questa condizione è piena di corpuscoli che appaiono e scompaiono molto velocemente, tanto da essere definiti “particelle virtuali“. Fino a oggi della loro esistenza si avevano solo prove indirette, derivanti dagli effetti che talvolta hanno su elettroni o atomi con i quali possono interagire. Grazie a un team di ricercatori della Chalmers University of Technology di Göteborg oggi invece abbiamo prove più dirette di questo “ribollire” di materia nel vuoto. In uno studio pubblicato su Nature, i fisici svedesi sono infatti riusciti a far uscire alcuni di questi fotoni dalla loro condizione di virtualità, facendoli diventare reali. Ovvero, trasformandoli in luce.
Il primo ad aver teorizzato la possibilità di estrarre particelle virtuali dal vuoto fu il fisico Gerald Moore, che nel 1970 ebbe un’intuizione particolare. Secondo lo scienziato, se i corpuscoli avessero colpito uno specchio dal moto oscillatorio abbastanza rapido – ovvero con una velocità vicina, o almeno paragonabile, a quella della luce – la materia avrebbe potuto usare l’energia (cinetica) dissipata nel movimento per uscire dalla condizione di fluttuazione tra esistente e non esistente, diventando finalmente misurabile. Questo processo si chiama effetto Casimir dinamico e il suo problema sperimentale è che portare uno specchio a oscillare avanti e indietro con una velocità prossima a quella della luce è molto complicato.
Per superare questa difficoltà, gli scienziati di Göteborg hanno messo a punto un metodo ingegnoso. “Poiché non potevamo pensare di portare uno specchio a muoversi con così tanta rapidità, abbiamo pensato di riprodurre la condizione necessaria all’esperimento in un altro modo”, ha spiegato Per Delsing, docente di fisica sperimentale alla Chalmers che ha preso parte alla ricerca. “Invece di alterare la posizione fisica di uno specchio, abbiamo riprodotto lo spostamento tramite la variazione del campo elettromagnetico in un cortocircuito, un circuito chiuso che ha resistenza nulla e che si comporta come uno specchio, ma solo per le microonde”.
A dispetto del nome poco intuitivo dello strumento usato, Superconductive quantum interference device (Squid), il principio fisico che è alla base dell’esperimento è piuttosto semplice. A simulare il movimento dello specchio ci pensa infatti questo apparecchio particolarmente sensibile alle variazioni del campo magnetico: cambiando la direzione del campo che passa attraverso il circuito è infatti possibile riprodurre l’effetto di uno specchio che si muove. Con questa tecnica uno Squid può vibrare milioni di volte al secondo, poiché non ci sono elementi meccanici (e quindi massa) a spostarsi, ma è solo il campo a cambiare direzione.
I ricercatori sono così riusciti a far “muovere lo specchio” a una velocità molto alta, circa un quarto della velocità della luce. “Il risultato – ha continuato Delsing – è stato che dei fotoni sono effettivamente comparsi dal nulla, o meglio dal vuoto. La radiazione emessa sotto forma di microonde da queste particelle era misurabile, e quindi abbiamo potuto verificare che avesse tutte le proprietà predette dalla meccanica quantistica”. Lo spettro di radiazione, per esempio, doveva corrispondere a quello teorico e le frequenze dei fotoni che compaiono a coppie, se sommate, dovevano coincidere con la frequenza di oscillazione dello Squid, in modo che non si infrangessero le leggi di conservazione dell’energia.
Un risultato in accordo con le previsioni della meccanica quantistica, dunque, ma possibile solo perché i fotoni non hanno massa. “È per questo motivo che basta poca energia per tirare fuori le particelle dalla loro condizione di virtualità. In linea di principio si potrebbe ricreare qualsiasi particella a partire dal vuoto, anche elettroni o protoni, solo che questo procedimento necessiterebbe di una quantità di energia molto maggiore”, ha concluso Delsing.
Sebbene, secondo gli scienziati, il risultato sia importante soprattutto per le sue implicazioni teoriche – che potrebbero avere a che fare anche con l’energia oscura, uno dei più grandi misteri della fisica moderna – il risultato potrebbe essere in futuro utilizzato anche nel campo dell’informazione quantistica. Per esempio per lo sviluppo di computer quantistici.
Riferimento: Nature doi: 10.1038/nature10561
Considerando la configurazione di minima energia del sistema in questione (ovvero lo stato di vuoto ricreato in laboratorio), chiaramente occorrerebbe utilizzare una certa quantità di energia, per estrapolare dal vuoto una particella reale dotata di massa. E’per questo motivo che in genere lo stato di vuoto non contiene particelle reali. Nel momento in cui dal vuoto si generasse spontaneamente una particella in quiete con massa non nulla, l’energia del sistema si ritroverebbe aumentata. Ma grazie al principio di conservazione dell’energia, tale particella risulterebbe essere virtuale per cui alla fine tenderebbe a scomparire nuovamente nel vuoto. Le cose cambiano pero’ se immaginiamo che siano due le particelle in quiete ad emergere dal vuoto. Nel caso in cui esistesse una forza attrattiva tra tali particelle, la loro energia totale risulterebbe minore della somma delle loro masse (una regola che vale per tutti i sistemi legati). Infine dunque, nel caso avessimo un equilibrio perfetto (quantità minima e rapporto reciproco) nella produzione di tali particelle in quiete, si potrebbe addirittura ipotizzare che la loro reciproca forza d’attrazione, sia in grado di accrescere il contributo di energia in modo tale da superare o addirittura cancellare il contributo delle loro masse. In tal caso il sistema potrebbe dunque arricchirsi di particelle condensate (con quantità di moto zero) ed apparire leggermente diverso dal classico vuoto quantistico definito esclusivamente da particelle virtuali. Tutte queste implicazioni ovviamente cadono, o meglio perdono la loro influenza, nel momento in cui sono delle particelle prive di massa (ossia dei fotoni virtuali), a dover essere estrapolate-condensate dal vuoto quantistico. In tal caso, come giustamente fa notare Delsing, occorre una quantità di energia estremamente ridotta per far scattare il processo di condensazione.
Fausto Intilla – http://www.oloscience.com