Il Vuoto dei FisiciEffetto Casimir e Fluttuazioni Quantistiche

Raffaele SommeseLiceo Scientifico C.Colombo

Workshop Finale- Piano Lauree Scientifiche per la FisicaUniversità di Napoli Federico II-Complesso Monte S. Angelo

Napoli-23/05/2013

Something, Something Something, Dark Side

In Fisica Classica, il vuoto è definito come semplice assenza di materia in una determinata porzione di spazio.

Il Vuoto Parziale viene espresso attraverso l’uso dell’unità di pressione

Sono definiti diversi gradi di vuoto a diverse scale di pressioni (da 10^5 Pa a 10^-9 Pa)

Nello spazio interstellare il grado di vuoto è classificato come Ultra High Vacuum con una pressione di circa 1,3*10^-8 Pa

Cos’è il vuoto?

E a 0 Pascal?

La teoria quantistica dei campi ci svela che neanche un vuoto ideale con una pressione di 0 Pascal è veramente vuoto.

Uno dei motivi è che le pareti della camera a vuoto emetteranno fotoni sottoforma di radiazione di corpo nero. Ciò porterà il vuoto ad avere una temperatura caratteristica a causa dell’energia dei fotoni.

Ma il motivo principale dell’ assenza di vuoto sono le fluttuazioni quanto-meccaniche.

Vuoto?……A chi?

Le fluttuazioni quanto-meccaniche rendono il nostro vuoto, infatti, un continuo ribollire di particelle virtuali che a coppia si creano e annichilano.

Il principio di indeterminazione di Heisenberg ci dice che è impossibile determinare con precisione contemporaneamente posizione e quantità di moto di una particella.

….il ribollir dei tini…

Il principio di indeterminazione ha anche un ulteriore formulazione : Il Prodotto dell’incertezza sull’energia per quella sul tempo è uguale a ħ/2

Ciò porta ad un risultato sconvolgente: per intervalli di tempo molto brevi, il principio di conservazione dell’energia può essere violato.

L’energia non si conserva (per d(t) brevissimi )

Ma massa e energia in fondo sono la “stessa cosa” E=mc2

Dal nostro vuoto quindi possono crearsi particelle delle fluttuazioni quantistiche del vuoto, a condizione che scompaiano rapidamente.

Dato che queste particelle che violano alcuni principi della fisica e esistono per tempi limitati, vengono chiamate virtuali.

Ci sono e non ci sono

Possiamo considerare dunque il vuoto come un passaggio da uno stato di assenza totale di particelle ad uno di presenza e poi di nuovo ad uno di assenza.

Proviamo a spiegarlo con il diagramma di Feynman

Nel nostro caso vediamo nascere dal nulla una coppia muone-antimuone che si annichilano quasi istantaneamente.

Analizziamo il fenomeno

Le particelle create in un tempo t hanno rubato l’energia necessaria alla loro creazione e l’anno restituita poco dopo dalla fluttuazione del vuoto.

Nulla prima …. nulla dopo. Il principio di conservazione dell’energia è salvo.

La transizione di creazione e annichilazione dura solo al massimo 33*10-23 secondi.

Quanto dura quest’istante?

Il nostro percorso finora può apparire come una semplice speculazione matematica bella e funzionante,che abbia ben poche corrispondenze con il mondo reale.

Questa supposizione è però sbagliata,l’esistenza “reale” delle particelle “virtuali” è stata riscontrata attraverso diversi effetti ed esperimenti.

Uno tra questi è: L’EFFETTO CASIMIR

Sono solo speculazioni teoriche?

Immaginiamo di effettuare il seguente esperimento: Prendiamo due specchi e mettiamoli di fronte nel vuoto. Cosa accade?

I due specchi sono attratti entrambi da una forza causata dalla sola presenza del vuoto.

Un Fisico teorico olandese, Hendrik Casimir ,nel 1948 mentre lavorava sulle forze agenti in soluzioni colloidali presso i Philips Research Laboratories, predisse questo effetto,che fu’ successivamente chiamato Effetto Casimir.

L’Effetto Casimir: Una forza dal nulla

Tutti i campi elettro-magnetici hanno uno spettro caratteristico che contiene differenti frequenze.

Nel vuoto tutte le lunghezze d’onda possono esistere e “agire” ,ma nella cavità la situazione è diversa.

Infatti il campo è amplificato,se e solo se un multiplo esatto di mezza lunghezza d’onda può entrare nella cavità (n*λ/2=d).

Quest’onda è definita come onda di risonanza della cavità, solo quest’onda respinge le onde-particelle circostanti che tendono a schiacciare le due lastre.

Comprendiamo la forza di Casimir

E’ evidente che le onde prodotte dalle fluttuazioni quantistiche saranno molto più spesso diverse da quelle di risonanza.

Questo porterà al nascere di una forza causata da queste onde-particelle che tenderanno a scontrarsi contro la parete esterna dei due specchi facendoli dunque avvicinare.

Comprendiamo la forza di Casimir

La forza di Casimir è troppo piccola per essere osservata tra due specchi posti a distanze di alcuni metri. Ad esempio due specchi posti alla distanza di 1 μm con un area di 1 cm2 subiscono una forza attrattiva di 10–7 N

La forza di Casimir inizia ad assumere importanze ragguardevoli per distanze nell’ordine di 10 nm, per le quali l’effetto Casimir produce l’equivalente di 1 Atm di pressione.

Quanto è grande la forza di Casimir?

1958: Marcus Spamaay presso i Philips Natuurkundig Laboratorium cerco di misurare l’attrazione tra due specchi metallici,ma i suoi risultati erano viziati da consistenti errori sperimentali.

1997: Steven Lamoreaux presso l’ Università di Washington a Seattle misurò la forza di attrazione tra una sfera di 4 cm di diametro e una piastra. (I risultati furono in accordo con un errore del 5% con la teoria di Casimir)

2001:Un gruppo di ricercatori dell’Università di Padova realizzo l’esperimento nella configurazione proposta da Casimir (due specchi paralleli)

Esperimenti di misura dell’effetto Casimir

Nelle soluzioni reali la formulazione teorica dell’effetto Casimir incontra qualche problema:

Gli specchi tendono ad essere trasparenti alle altre frequenze.

Le frequenze spesso non vengono riflesse allo stesso modo.

Gli esperimenti vengono effettuati in vuoti con “temperature” caratteristiche.

Difficoltà di allineamento degli specchi a causa della loro composizione.

Problemi dell’effetto Casimir nell’applicazione pratica

I problemi descritti portano spesso ad un aumento della forza di Casimir teorizzata che è espressa dalla formula:

Dove: h è la costante di Plank a è la distanza tra le 2

piastre c è la velocità della luce A è l’area delle

piastre Il valore negativo della forza ci indica la sua natura

attrattiva.

Problemi dell’effetto Casimir nell’applicazione pratica. Cosa comportano?

L’importanza dell’effetto CasimirL’effetto Casimir come abbiamo visto gioca un

ruolo importante su scale microscopiche. La verifica delle leggi di Gravitazione Universale su scala microscopica dovranno senz’altro tener conto di questo fenomeno quantistico.

Senza dubbio dunque l’effetto Casimir è destinato ad essere un tassello fondamentale nell’unificazione delle forze fondamentale su tutte le scale di misura.

Nonostante gli sforzi in questo campo da parte di numerosi ricercatori, ci sono ancora alcuni problemi irrisolti.

Come si comporta la forza di Casimir in una sfera cava?

Siamo davvero sicuri che la forza sia attrattiva?

Hendrik Casimir indagò su questi problemi sin dal 1953 mentre lavorava ad un modello stabile per gli elettroni. Mezzo secolo dopo il mistero della forza di Casimir è ancora aperto e rischia di tenerci impegnati per molti anni avvenire.

C’è ancora qualche tassello mancante!

L’effetto Casimir ha anche dato adito a molte e forti speculazioni riportate in articoli quali:

L’ Effetto Casimir e antigravità di M. Nardelli L’ingegneria del wormhole di John Gribbin 

Speculazioni Teoriche sull’effetto Casimir

In conclusione, se due piastre vengono avvicinate sufficientemente si manifesta una forza che viene attribuita alle fluttuazioni quantistiche di energia, e che grazie al principio di indeterminazione di Heisenberg,non può non essere nulla.

Questo è uno dei pochissimi effetti macroscopici della meccanica quantistica ed ha una fondamentale importanza in applicazioni tecnologiche e ingegneristiche.

Nemmeno nel vuoto si può stare tranquilli!!

Conclusioni

Fonti:Astronomia.comPhysics World (September 2002) Wikipedia.org Si Ringraziano:Giuseppe Bimonte, Ph.D.Prof. Giovanni Chiefari

Biografia:

Buongiorno :)

Sperando di non avervi annoiato