E-school  di  Arrigo Amadori

Miscellanea

Effetto Casimir : la fantascienza diventa realtà ...

Il vuoto non è vuoto (vedi  IlVuotoNonEVuoto.htm ). Questo fatto, incomprensibile dal punti di vista

della fisica classica, è invece un dato di fatto per la fisica quantistica.

A causa del principio di indeterminazione di Heisenberg non può esistere la "quiete" assoluta  
e di conseguenza l'energia nulla. Se in un certo spazio togliamo ogni particella ed ogni campo, rimane 
sempre una ineliminabile energia di fondo, la cosiddetta energia (o fluttuazione) del vuoto ovvero, 
come si dice in inglese, la ZPE (zero point energy). 

Le conseguenze dell'esistenza di questa energia di punto zero sembrano essere di enorme importanza
anche per la vita di tutti noi. Questa energia ancora non è ben conosciuta,  ma sembra che essa giochi
un ruolo fondamentale a livello cosmico e non solo.

In che modo l'esistenza di questa energia può essere rilevata in laboratorio ? L'effetto Casimir è il primo
anello di una, speriamo lunga, catena (ancora solo all'inizio) di evidenze sperimentali di tale energia.

L'idea alla base dell'effetto Casimir non è recente (1948). Il fisico olandese Hendrik Casimir, studiando 
le cause della viscosità dei liquidi, ipotizzò per primo che l'energia di punto zero potesse dare luogo a 
fenomeni macroscopici. Egli previde che, in una particolare situazione, questa energia potrebbe produrre 
una forza misurabile (se pur piccola). In questo consiste l'effetto Casimir e la sua verifica sperimentale 
arrivò finalmente nel 1997. 

Vediamo ora di descrivere a grandi linee in cosa consiste questo effetto ed i principi fisici in esso 
coinvolti.

Prendiamo due lastre metalliche non elettricamente cariche e poniamole ad un certa piccola distanza. 
Fra le due lastre, secondo la fisica classica, dovrebbe esistere la sola forza gravitazionale che, anche
se molto debolmente, tenderebbe ad avvicinarle.

Quello che si verifica, invece, oltre alla forza gravitazionale, è la presenza di un'altra forza, spiegabile 
solo con la fisica quantistica, che tende ad attrarre le due lastre. Tutto qui. Questo è l'effetto Casimir
ed appare di una semplicità disarmante.

       

La spiegazione del fenomeno non è però altrettanto semplice. Vediamo di sintetizzarla in pochi 
concetti chiave (esposti in modo semplice e non rigoroso).

        - 1 -    Secondo la fisica quantistica una particella si comporta come un'onda (così come 
                   un'onda si comporta come una particella). Questo fatto è di estrema importanza e 
                   costituisce uno dei fondamenti della fisica quantistica che va sotto il nome di 
                   "dualismo onda-particella". Una particella dotata di quantità di moto (prodotto
                   della massa per la velocità)  p  è associata ad un'onda di lunghezza d'onda :

                               

                   dove    è appunto la lunghezza d'onda associata alla particella,  h  è la costante di Planck 
                   che vale  (essendo  J = Joule l'unità di misura dell'energia, s = secondo)
                   e   p  è la quantità di moto della particella.

                               

                   La lunghezza d'onda di una particella (si può proprio dire così !!!) dipende quindi dalla 
                   quantità di moto della stessa. Le due grandezze sono inversamente proporzionali. Maggiore 
                   è la quantità di moto e minore è la lunghezza d'onda. Minore è la quantità di moto, maggiore
                   è la lunghezza d'onda. 

                               

        - 2 -    L'energia della fluttuazione del vuoto è ovviamente quantizzata, ovvero è distribuita nel 
                   vuoto non in maniera continua, ma in quanti, pacchetti discreti. Questi quanti di energia
                   di punto zero hanno la possibilità di creare coppie di elettroni e positroni (le antiparticelle
                   degli elettroni, quindi di carica positiva) che, dopo avere "vissuto" per tempi brevi (maggiore 
                   energia minor tempo), si annichiliscono a vicenda riformando il quanto di energia che li aveva 
                   generati.

                               

                   Questa "creazione" di particelle da quanti di energia è un fenomeno prettamente 
                   quantistico e le particelle che si creano e distruggono a partire dall'energia di punto 
                   zero sono dette particelle virtuali. In un certo modo possiamo "visualizzare" il vuoto 
                   quantistico come un "mare" di quanti di energia da cui scaturiscono incessantemente 
                   coppie di particelle virtuali che, dopo breve vita, si annichiliscono andando a riformare 
                   il quanto che le aveva create.

        - 3 -    Consideriamo ora le due lastre dell'effetto Casimir e le tre regioni di spazio che esse 
                   delimitano (due esterne ed una interna). Le particelle virtuali continuamente generate dalla 
                   fluttuazione del vuoto urtano le lastre. Se il numero di particelle virtuali che urtano le lastre 
                   (e le loro quantità di moto) fosse lo stesso in tutte e tre le suddette regioni, l'azione di queste 
                   particelle sarebbe ininfluente poiché esse si controbilancerebbero. In realtà, la regione di 
                   spazio interna alle lastre non è fisicamente identica alle altre due. Le particelle virtuali  
                   che si creano fra le lastre possono essere solo tali da avere lunghezze d'onda sottomultiple 
                    intere della distanza fra le lastre.

                               

                   Fra le lastre non sono possibili creazioni di particelle con lunghezze d'onda diverse. 
                   All'esterno, invece, si creano particelle di lunghezza d'onda qualsiasi. Questo fatto 
                   costituisce una evidente differenza fra le tre regioni di spazio. All'esterno si crea un 
                   numero maggiore di particelle virtuali !!! Per questo motivo, in definitiva, si viene a 
                   creare una forza che tenda a fare avvicinare le lastre.

L'entità di questa forza (a conti fatti) è :

       

dove  h  è ancora la costante di Planck,  c  è la velocità della luce,  d  è la distanza fra le lastre ed  
S  la loro superficie. Si noti che minore è la distanza fra le lastre, maggiore è la forza dell'effetto
Casimir.

Questa forza è molto piccola a causa del fatto che la costante  h  è enormemente piccola. Per questo 
motivo solo nel 1997 è stato possibile rivelarla.

A questo punto sorgono spontanee due domande. Che importanza ha la fluttuazione quantistica del
vuoto ? Può questa energia essere sfruttata dall'uomo ?

Alla prima domanda già si sta rispondendo da tempo in quanto si suppone che questa energia di punto 
zero sia la causa dell'evaporazione dei buchi neri (vedi  IBuchiNeriSonoGrigi.htm ). Recentemente
si sta collegando questa energia all'espansione accelerata dell'universo che sembra sia causata da 
un tipo di energia sconosciuto, la cosiddetta energia oscura, che sarebbe quindi correlata con 
l'energia di punto zero.

Per quanto riguarda lo "sfruttamento" dell'energia di punto zero a nostro vantaggio, si nutrono grandi 
speranze, anche se, per il momento, solo fantascientifiche. Sono però iniziati studi pionieristici per l'utilizzo  
di questa energia per i viaggi spaziali e già si pensa di potere raggiungere Marte in dieci giorni !!! 

Per non parlare poi della possibilità di soddisfare le enormi esigenze energetiche qui, sul nostro pianeta ...

Fine. 

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