Effetto Casimir: un vuoto pieno di energia infinita

L’idea alla base di un esperimento che fece Hendrik Casimir era semplice: avvicinare due oggetti metallici molto vicini e aspettare. Ci si aspettava che, spontaneamente, come per magia, gli oggetti si sarebbero avvicinati tra loro. Nessuna forza esterna, nessuna spinta o trazione, nessuna azione di gravità, tensione o magnetismo. Gli oggetti semplicemente si avvicinano. La ragione? Una fonte illimitata di vibrazione situata nel vuoto dello spaziotempo.

Questo esperimento fondamentale, ideato per la prima volta da Casimir subito dopo la seconda guerra mondiale e realizzato solo 25 anni fa, ha aperto la strada agli scienziati per assistere alle manifestazioni della teoria quantistica in modo reale e pratico.

Effetto Casimir: un vuoto pieno di energia infinita

I campi quantistici e le loro vibrazioni alimentano la nostra moderna comprensione della fisica, dalle interazioni subatomiche all’evoluzione dell’intero universo. E quello che abbiamo imparato, grazie al lavoro di Casimir, è che l’energia infinita permea il vuoto dello spazio.

Ci sono molte idee nell’universo della fantascienza che propongono di utilizzare l’energia del vuoto per alimentare un’astronave o un altro tipo avanzato di propulsione, come un motore a curvatura. Anche se queste idee sono ancora sogni, resta il fatto che un semplice esperimento, ideato nel 1948, ha dato fuoco alla nostra immaginazione e alla nostra comprensione dell’universo.

Casimir, un fisico olandese, aveva trascorso gli anni della laurea con il suo relatore, Niels Bohr, uno dei padrini della fisica quantistica, e aveva iniziato ad apprezzare questa nuova, straordinaria teoria del cosmo. Ma man mano che la teoria quantistica si è evoluta, ha iniziato a fare affermazioni estremamente strane sull’universo. Il mondo quantistico è strano e la sua stranezza fondamentale ci è normalmente invisibile, poiché opera su scale ben al di sotto della nostra normale percezione o sperimentazione umana.

Casimir iniziò a chiedersi come avremmo potuto testare quelle idee. Per questo motivo, iniziò a studiare un modo intelligente per misurare gli effetti dei campi quantistici infiniti sempre presenti semplicemente utilizzando pezzi di metallo tenuti estremamente vicini tra loro. Il suo lavoro ha dimostrato che il comportamento quantistico può manifestarsi in modi sorprendenti che possiamo misurare. Ha anche dimostrato che la stranezza del comportamento quantistico è reale e non può essere ignorata, e che ciò che dice la meccanica quantistica sul funzionamento dell’universo, non importa quanto bizzarro, è vero.

I campi quantistici sono ultraterreni, ma molto reali

Una delle lezioni del mondo quantistico è che le particelle, come elettroni, fotoni, neutrini e quant’altro, non sono ciò che sembrano. Invece, ciascuna delle particelle che vediamo in natura è in realtà solo un pezzo di un’entità molto più grande e grandiosa. Queste entità più grandi sono conosciute come campi quantistici, e i campi impregnano ogni parte dello spazio e del tempo, in tutto l’universo, nello stesso modo in cui l’olio e l’aceto impregnano un pezzo di pane.

Esiste un campo quantistico per ogni tipo di particella: un campo per gli elettroni, uno per i fotoni e così via. Questi campi sono invisibili per noi, ma costituiscono gli elementi fondamentali dell’esistenza. Vibrano e ronzano costantemente. Quando i campi vibrano con sufficiente energia, appaiono le particelle. Quando i campi si estinguono, le particelle scompaiono. Un altro modo di vedere la cosa è dire che ciò che chiamiamo “particella” è in realtà una vibrazione localizzata di un campo quantistico. Quando due particelle interagiscono, in realtà sono solo due parti di campi quantistici che interagiscono tra loro.

Non esiste un vero vuoto; ovunque tu vada, ci sono sempre campi quantistici vibranti.

Questi campi quantistici vibrano sempre, anche quando le vibrazioni non sono abbastanza forti da produrre una particella. Se prendi una scatola e la svuoti tutta – tutti gli elettroni, tutti i fotoni, tutti i neutrini, tutto il resto – la scatola è ancora piena di questi campi quantistici. Poiché questi campi vibrano anche isolatamente, ciò significa che la scatola è piena dell’invisibile energia del vuoto, nota anche come energia del punto zero, l’energia di queste vibrazioni fondamentali.

Infatti, puoi calcolare quante vibrazioni ci sono in ciascuno di questi campi quantistici… e la risposta è infinito! Ce ne sono di piccoli, di medi, di grandi e di giganteschi, tutti fluttuanti uno sopra l’altro continuamente, come se lo spaziotempo stesso stesse ribollendo a livello subatomico. Ciò significa che il vuoto dell’universo è davvero fatto di qualcosa. Non esiste un vero vuoto; ovunque tu vada, ci sono sempre campi quantistici vibranti.

L’esperimento di Casimir coinvolge più infiniti

È qui che entra in gioco l’esperimento di Casimir: se prendi due piastre di metallo e le metti molto, molto vicine tra loro, i campi quantistici tra quelle piastre devono comportarsi in un certo modo: le lunghezze d’onda delle loro vibrazioni devono adattarsi perfettamente tra le piastre, proprio come le vibrazioni su una corda di chitarra devono adattare la loro lunghezza d’onda alla lunghezza della corda. Nel caso quantistico, c’è ancora un numero infinito di vibrazioni tra le piastre, ma – e questo è cruciale – non ci sono così tante vibrazioni infinite tra le piastre quante ce ne sono all’esterno delle piastre.

Come può aver senso questo? In matematica, non tutti gli infiniti sono uguali e abbiamo sviluppato strumenti intelligenti per poterli confrontare. Ad esempio, considera un tipo di infinito in cui aggiungi numeri successivi l’uno all’altro. Inizi con 1, poi aggiungi 2, poi aggiungi 3, poi aggiungi 4 e così via. Se continui a fare questa aggiunta per sempre, raggiungerai l’infinito. Consideriamo ora un altro tipo di addizione, questa che coinvolge le potenze di 10. Inizi con 101, poi aggiungi 102, poi 103, poi 104 e vai avanti.

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Diagramma di due piastre metalliche vicine tra loro a causa delle fluttuazioni quantistiche – Wikimedia Commons
L’esperimento di Casimir avvicina due oggetti metallici estremamente vicini tra loro. Gli oggetti verranno attirati insieme a causa delle vibrazioni nel campo quantistico e di nessun’altra forza.

Ancora una volta, se continui questa serie per sempre, raggiungerai l’infinito. Ma in un certo senso “arriverai” all’infinito più velocemente. Quindi, sottraendo attentamente queste due sequenze, puoi ottenere una misura della loro differenza anche se entrambe vanno all’infinito.

Usando questo esempio di matematica, possiamo sottrarre i due tipi di infiniti – quelli tra le piastre di metallo e quelli all’esterno – e arrivare a un numero finito. Ciò significa che ci sono realmente più vibrazioni quantistiche all’esterno delle due piastre che all’interno delle piastre. Questo fenomeno porta alla conclusione che i campi quantistici esterni alle piastre spingono le due piastre insieme, qualcosa chiamato effetto Casimir in onore di Hendrik.

L’effetto è incredibilmente piccolo, circa 10-12 Newton, e richiede che le piastre metalliche si trovino a meno di un micrometro l’una dall’altra (un Newton è la forza che accelera un oggetto di 1 chilogrammo per 1 metro al secondo quadrato). Quindi, anche se Casimir poteva prevedere l’esistenza di questo effetto quantistico, è stato solo nel 1997 che siamo stati finalmente in grado di misurarlo, grazie agli sforzi del fisico di Yale Steve Lamoreaux.

Forse la cosa più strana è che la creatura con il legame più profondo con la natura quantistica fondamentale dell’universo è il geco. I gechi hanno la capacità di camminare sui muri e persino a testa in giù sui soffitti. Per compiere questa impresa, gli arti di un geco sono ricoperti da innumerevoli fibre microscopiche simili a peli. Queste fibre si avvicinano abbastanza alle molecole della superficie su cui vogliono arrampicarsi affinché l’effetto Casimir entri in azione. Crea una forza attrattiva tra i peli e la superficie. Ogni singolo pelo fornisce solo una quantità estremamente piccola di forza, ma tutti i peli messi insieme sono sufficienti per sostenere il geco.

In questa configurazione sperimentale, le piastre non si uniscono magicamente. Invece sono gli infiniti campi quantistici vibranti dello spaziotempo che li uniscono dall’esterno.

Normalmente non vediamo, non percepiamo o sperimentiamo l’effetto Casimir ma quando vogliamo progettare macchine su scala micro e nano, dobbiamo tenere conto di queste forze aggiuntive. Ad esempio, i ricercatori hanno progettato sensori su microscala in grado di monitorare il flusso di sostanze chimiche molecola per molecola, ma l’effetto Casimir potrebbe interrompere il funzionamento di questo sensore se non venisse compensato.

Gli scienziati stanno esplorando il potenziale dell’energia del vuoto

Da diversi anni i ricercatori studiano la possibilità che sia davvero possibile estrarre l’energia del vuoto e utilizzarla. Nel 2002 è stato assegnato un brevetto per un dispositivo che cattura la carica elettrica dalle due piastre metalliche dell’impianto sperimentale Casimir, caricando una batteria di accumulo. Il dispositivo può essere utilizzato come generatore. “Per generare energia in modo continuo, una pluralità di piastre metalliche vengono fissate attorno a un nucleo e ruotate come una girobussola“, secondo il brevetto.

La DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha donato ai ricercatori 10 milioni di dollari nel 2009 per perseguire una migliore comprensione della forza Casimir. Sebbene i progressi nell’uso effettivo dell’energia del vuoto continuino ad essere incrementali, questa linea di ricerca energetica potrebbe dare origine a innovazioni nel campo delle nanotecnologie, come la costruzione di un dispositivo in grado di levitare, dissero all’epoca i ricercatori.

Presso l’Università del Colorado, a Boulder, il gruppo di ricerca di Garret Moddel ha sviluppato dispositivi che producono energia “che sembra derivare da fluttuazioni quantistiche di energia di punto zero“, secondo il sito web del gruppo. Il loro dispositivo ricrea essenzialmente l’esperimento di Casimir, generando una corrente elettrica tra i due strati metallici che i ricercatori hanno potuto misurare, nonostante non applicassero tensione elettrica.

Quanto allo stesso Casimir, immerso nella rivoluzione quantistica in corso all’Università di Leida, aveva la tendenza a minimizzare l’importanza del proprio lavoro. Nella sua autobiografia, Haphazard Reality, Casimir ha detto: “La storia della mia vita non è di particolare interesse“. E il suo monumentale articolo del 1948 in cui progetta il suo esperimento si conclude con la semplice affermazione: “Sebbene l’effetto sia piccolo, una conferma sperimentale non sembra fattibile ma potrebbe essere di un certo interesse”.

In effetti, la sua intuizione iniziale non ebbe grande successo nella comunità scientifica, né ci furono resoconti entusiastici del suo esperimento da parte della stampa popolare. Parte del motivo era la modestia di Casimir, e un’altra è che presto abbandonò la ricerca accademica per intraprendere una carriera nell’industria. Ma nonostante questi umili inizi, il suo lavoro non può essere sottovalutato.

Oggi continuiamo a perfezionare l’impostazione sperimentale originale di Casimir, cercando eventuali crepe nelle nostre teorie, e la usiamo come base per esplorare sempre più profondamente la natura fondamentale del cosmo.

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