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

Fonte: Le Scienze

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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.
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.

Secondo l'effetto Casimir dinamico, nello spazio tra due specchi in movimento reciproco, i fotoni virtuali possono improvvisamente diventare reali, producendo un lampo di luce (Wikimedia Commons/Emok, MissMJ)

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”.

Intrepretazione artistica di effetto Casimir repulsivo e attrattivo (Cortesia Jay Penni e Federico Capasso).

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.

Interpretazione artistica di teletrasporto di particelle attraverso il fenomeno dell'entanglement (Cortesia Nature)

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.

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