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Come l’universo crea materia dal nulla

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Chi ha detto: “Non puoi ottenere qualcosa dal nulla” non deve mai aver imparato la fisica quantistica. Finché hai spazio vuoto – il massimo del nulla fisico – semplicemente manipolandolo nel modo giusto emergerà qualcosa. Provoca in collisione tra due particelle nell’abisso dello spazio vuoto e talvolta emergono ulteriori coppie particella-antiparticella. Prendi un mesone e prova a strappare il quark dall’antiquark, e un nuovo set di coppie particella-antiparticella verrà estratto dallo spazio vuoto tra di loro. E in teoria, un campo elettromagnetico sufficientemente forte può strappare particelle e antiparticelle dal vuoto stesso, anche senza particelle o antiparticelle iniziali.

In precedenza, si pensava che per produrre questi effetti sarebbero state necessarie le più alte energie delle particelle: del tipo ottenibile solo con esperimenti di fisica delle particelle ad alta energia o in ambienti astrofisici estremi. Ma all’inizio del 2022, campi elettrici sufficientemente forti sono stati creati in una semplice configurazione di laboratorio sfruttando le proprietà uniche del grafene, consentendo la creazione spontanea di coppie particella-antiparticella dal nulla. La previsione che questo fosse possibile ha 70 anni: risale a uno dei fondatori della teoria quantistica dei campi, Julian Schwinger. L’effetto Schwinger è ora verificato e ci insegna come l’Universo crea davvero qualcosa dal nulla.

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Nell’Universo in cui abitiamo, è davvero impossibile creare “nulla” in alcun modo soddisfacente. Tutto ciò che esiste, fino a un livello fondamentale, può essere scomposto in entità individuali — quanti — che non possono essere ulteriormente scomposte. Queste particelle elementari includono quark, elettroni, i cugini più pesanti dell’elettrone (muoni e taus), neutrini, così come tutte le loro controparti di antimateria, oltre a fotoni, gluoni e bosoni pesanti: il W+, W-, Z 0 e l’Higgs. Se li porti via tutti, tuttavia, lo “spazio vuoto” che rimane non è del tutto vuoto in molti sensi fisici.

Infatti, anche in assenza di particelle, i campi quantistici rimangono. Proprio come non possiamo togliere le leggi della fisica dall’Universo, non possiamo sottrarre i campi quantistici che permeano l’Universo.

Inoltre, non importa quanto lontano spostiamo qualsiasi fonte di materia, ci sono due forze a lungo raggio i cui effetti rimarranno ancora: l’elettromagnetismo e la gravitazione. Mentre possiamo creare configurazioni intelligenti che assicurino che l’intensità del campo elettromagnetico in una regione sia zero, non possiamo farlo per la gravitazione; lo spazio non può essere “svuotato del tutto” in alcun senso reale a questo riguardo.

Ma anche per la forza elettromagnetica, anche se azzeri completamente i campi elettrici e magnetici all’interno di una regione dello spazio, c’è un esperimento che puoi eseguire per dimostrare che lo spazio vuoto non è veramente vuoto. Anche se si crea un vuoto perfetto, privo di particelle e antiparticelle di ogni tipo, in cui i campi elettrico e magnetico sono zero, c’è chiaramente qualcosa che è presente in questa regione di ciò che un fisico potrebbe chiamare, da una prospettiva fisica, “il massimo nulla.”

Tutto quello che devi fare è posizionare una serie di piastre conduttrici parallele in questa regione di spazio. Mentre potresti aspettarti che l’unica forza che sperimenterebbero tra di loro sarebbe la gravità, determinata dalla loro reciproca attrazione gravitazionale, ciò che in realtà finisce per accadere è che le placche si attraggono di una quantità molto maggiore di quanto previsto dalla gravità.

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Questo fenomeno fisico è noto come effetto Casimir, ed è stato dimostrato vero da Steve Lamoreaux nel 1996: 48 anni dopo essere stato calcolato e proposto da Hendrik Casimir.

L’effetto Casimir, qui illustrato per due piastre conduttrici parallele, esclude certi modi elettromagnetici dall’interno delle piastre conduttrici pur consentendole al di fuori delle piastre. Di conseguenza, le lastre si attraggono, come previsto da Casimir negli anni ’40 e verificato sperimentalmente da Lamoreaux negli anni ’90. ( Credito : Emok/Wikimedia Commons)

Allo stesso modo, nel 1951 Julian Schwinger, già co-fondatore della teoria quantistica dei campi che descrive gli elettroni e la forza elettromagnetica, diede una descrizione teorica completa di come la materia possa essere creata dal nulla: semplicemente applicando un forte campo elettrico. Sebbene altri avessero proposto l’idea negli anni ’30, tra cui Fritz Sauter, Werner Heisenberg e Hans Euler, lo stesso Schwinger ha fatto il lavoro pesante per quantificare con precisione in quali condizioni questo effetto emerga, ed è conosciuto come l’effetto Schwinger.

Normalmente, ci aspettiamo che ci siano fluttuazioni quantistiche nello spazio vuoto: eccitazioni di tutti i campi quantistici che possono essere presenti. Il principio di indeterminazione di Heisenberg impone che determinate quantità non possono essere conosciute in tandem con precisione arbitraria, e ciò include cose come:

  • energia e tempo,
  • posizione e slancio,
  • orientamento e momento angolare,
  • voltaggio e carica elettrica,
  • così come il campo elettrico e la densità di polarizzazione elettrica.

Mentre normalmente esprimiamo il principio di indeterminazione nei termini delle prime due entità, da sole le altre applicazioni possono avere conseguenze altrettanto profonde.

meccanica quantistica
Questo diagramma illustra la relazione di incertezza intrinseca tra posizione e quantità di moto. Quando uno è conosciuto in modo più accurato, l’altro è intrinsecamente meno in grado di essere conosciuto accuratamente. Ogni volta che ne misuri uno con precisione, assicuri una maggiore incertezza nella corrispondente quantità complementare. ( Credito : Maschen/Wikimedia Commons)

Ricordiamo che, per qualsiasi forza esistente, possiamo descrivere quella forza in termini di campo: dove la forza sperimentata da una particella è la sua carica moltiplicata per qualche proprietà del campo. Se una particella passa attraverso una regione dello spazio in cui il campo è diverso da zero, può sperimentare una forza, a seconda della sua carica e (a volte) del suo movimento. Più forte è il campo, maggiore è la forza e più forte è il campo, maggiore è la quantità di “energia di campo” esistente in quella particolare regione dello spazio.

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Anche in uno spazio puramente vuoto, e anche in assenza di campi esterni, ci sarà comunque una quantità diversa da zero di energia di campo che esiste in una tale regione dello spazio. Se ci sono campi quantistici ovunque, semplicemente per il principio di indeterminazione di Heisenberg, per qualsiasi periodo di tempo su cui scegliamo di misurare questa regione, ci sarà una quantità di energia intrinsecamente incerta presente all’interno di quella regione durante quel periodo di tempo.

Più breve è il periodo di tempo che stiamo osservando, maggiore è l’incertezza nella quantità di energia in quella regione. Applicando questo a tutti gli stati quantistici consentiti, possiamo iniziare a visualizzare i campi fluttuanti, così come le coppie fluttuanti particella-antiparticella, che entrano ed escono dall’esistenza a causa di tutte le forze quantistiche dell’Universo.

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Ora, immaginiamo di aumentare il campo elettrico. Alza il volume, sempre più in alto, e cosa accadrà?

Prendiamo prima un caso più semplice e immaginiamo che sia già presente un tipo specifico di particella: un mesone. Un mesone è formato da un quark e un antiquark, collegati tra loro attraverso la forza forte e lo scambio di gluoni. I quark sono disponibili in sei diversi gusti: up, down, strange, charm, bottom e top, mentre gli anti-quark sono semplicemente anti-versioni di ciascuno di essi, con cariche elettriche opposte.

Le coppie quark-antiquark all’interno di un mesone a volte hanno cariche opposte l’una all’altra: +⅔ e -⅔ (per up, charm e top) o +⅓ e -⅓ (per down, strange e bottom). Se si applica un campo elettrico a un tale mesone, l’estremità caricata positivamente e l’estremità caricata negativamente verranno tirate in direzioni opposte. Se l’intensità del campo è sufficientemente grande, è possibile allontanare sufficientemente il quark e l’antiquark l’uno dall’altro in modo che nuove coppie particella-antiparticella vengano strappate dallo spazio vuoto tra di loro. Quando ciò accade, finiamo con due mesoni invece di uno, con l’energia necessaria per creare la massa extra (via E = mc²) proveniente dall’energia del campo elettrico che ha lacerato il mesone.

Quando un mesone, come una particella charm-anticharm mostrata qui, ha le sue due particelle costituenti separate da una quantità eccessiva, diventa energeticamente favorevole strappare dal vuoto una nuova coppia (leggera) quark/antiquark e creare due mesoni dove ce n’era uno prima. Un campo elettrico sufficientemente forte, per mesoni sufficientemente longevi, può causare ciò, con l’energia necessaria per creare particelle più massicce provenienti dal campo elettrico sottostante. ( Credito : The Particle Adventure/LBNL/Particle Data Group)

Ora, con tutto questo come sfondo nelle nostre menti, immaginiamo di avere un campo elettrico molto, molto forte: più forte di qualsiasi cosa potremmo mai sperare di creare sulla Terra. Qualcosa di così forte che sarebbe come prendere un Coulomb pieno di carica – circa ~1019 elettroni e protoni – e condensare ciascuno di essi in una minuscola pallina, una di carica puramente positiva e una di carica puramente negativa, e separarli solo per un metro. Il vuoto quantistico, in questa regione dello spazio, sarà estremamente polarizzato.

Una forte polarizzazione significa una forte separazione tra cariche positive e negative. Se il tuo campo elettrico in una regione dello spazio è abbastanza forte, quando crei una coppia virtuale particella-antiparticella della particella carica più leggera di tutte (elettroni e positroni), hai una probabilità finita che quelle coppie siano separate da quantità sufficientemente grandi a causa della forza del campo che non possono più annientarsi a vicenda. Invece, diventano vere e proprie particelle, rubando energia dal campo elettrico sottostante al fine di mantenere l’energia conservata.

Di conseguenza, nascono nuove coppie particella-antiparticella e l’energia richiesta per realizzarle, da E = mc², riduce l’intensità del campo elettrico esterno della quantità appropriata.

Come illustrato qui, le coppie particella-antiparticella normalmente escono dal vuoto quantistico come conseguenza dell’indeterminazione di Heisenberg. In presenza di un campo elettrico sufficientemente forte, tuttavia, queste coppie possono essere lacerate in direzioni opposte, impedendo loro di reannichilarsi e costringendole a diventare reali: a scapito dell’energia del campo elettrico sottostante. ( Credito : Derek B. Leinweber)

Ecco cos’è l’effetto Schwinger e, ovviamente, non è mai stato osservato in un ambiente di laboratorio. In effetti, gli unici luoghi in cui è stato teorizzato che si verificasse erano nelle regioni astrofisiche a più alta energia esistenti nell’Universo: negli ambienti circostanti (o addirittura interni) ai buchi neri e alle stelle di neutroni. Ma alle grandi distanze cosmiche che ci separano anche dai buchi neri e dalle stelle di neutroni più vicini, anche questa rimane una congettura. I campi elettrici più potenti che abbiamo creato sulla Terra si trovano nelle strutture laser e, anche con i laser più potenti e intensi con i tempi di impulso più brevi, non siamo nemmeno vicini.

Normalmente, ogni volta che hai un materiale conduttore, sono solo gli “elettroni di valenza” che sono liberi di muoversi, contribuendo alla conduzione. Se potessi ottenere campi elettrici sufficientemente grandi, tuttavia, potresti far sì che tutti gli elettroni si uniscano al flusso. Nel gennaio del 2022, i ricercatori dell’Università di Manchester sono stati in grado di sfruttare una configurazione intricata e intelligente che coinvolge il grafene – un materiale incredibilmente forte che consiste di atomi di carbonio legati insieme in stati geometricamente ottimali – per ottenere questa proprietà con magneti relativamente piccoli e sperimentalmente accessibili. In tal modo, sono anche testimoni dell’effetto Schwinger in azione: produrre l’analogo delle coppie elettrone-positrone in questo sistema quantistico.

Il grafene è un materiale strano in molti modi, e uno di questi è che i suoi fogli si comportano efficacemente come una struttura bidimensionale. Riducendo il numero di dimensioni (effettive), vengono rimossi molti gradi di libertà presenti nei materiali tridimensionali, lasciando molte meno opzioni per le particelle quantistiche all’interno, oltre a ridurre l’insieme di stati quantistici che possono occupare.

Sfruttando una struttura a base di grafene nota come superreticolo – in cui più strati di materiali creano strutture periodiche – gli autori di questo studio hanno applicato un campo elettrico e hanno indotto il comportamento stesso descritto sopra: dove gli elettroni non solo dal più alto stato di energia parzialmente occupato fluiscono come parte della conduzione del materiale, ma dove anche gli elettroni delle bande inferiori e completamente riempite si uniscono al flusso.

Una volta che ciò accade, in questo materiale sorgono molti comportamenti esotici, ma uno è stato visto per la prima volta in assoluto: l’effetto Schwinger. Invece di produrre elettroni e positroni, ha prodotto elettroni e l’analogo di materia condensata dei positroni: buchi, dove un elettrone “mancante” in un reticolo scorre nelle direzioni opposte al flusso degli elettroni. L’unico modo per spiegare le correnti osservate era con questo processo aggiuntivo di produzione spontanea di elettroni e “buchi” e i dettagli del processo concordavano con le previsioni di Schwinger risalenti al 1951.

Ci sono molti modi di studiare l’Universo, e i sistemi quantistici analogici – dove la stessa matematica che descrive un regime fisico altrimenti inaccessibile si applica a un sistema che può essere creato e studiato in un laboratorio – sono alcune delle sonde più potenti che abbiamo di fisica esotica. È molto difficile prevedere come l’effetto Schwinger possa essere testato nella sua forma pura, ma grazie alle proprietà estreme del grafene, inclusa la sua capacità di resistere a campi elettrici e correnti spettacolari, è sorto per la prima volta in qualsiasi forma: in questo particolare sistema quantistico. Come ha affermato il coautore Dr. Roshan Krishna Kumar:

Quando abbiamo visto per la prima volta le caratteristiche spettacolari dei nostri dispositivi superlattice, abbiamo pensato ‘wow… potrebbe essere una sorta di nuova superconduttività’. Sebbene la risposta assomigli da vicino a quelle osservate di routine nei superconduttori, abbiamo presto scoperto che il comportamento sconcertante non era la superconduttività, ma piuttosto qualcosa nel dominio dell’astrofisica e della fisica delle particelle. È curioso vedere simili paralleli tra discipline lontane”.

Elettroni e positroni (o “buchi”) creati letteralmente dal nulla, appena strappati dal vuoto quantistico dagli stessi campi elettrici, sono un altro modo in cui l’Universo dimostra l’apparentemente impossibile: possiamo davvero creare qualcosa dal nulla!

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