Supponiamo di essere a uno spettacolo di magia e che un mago ci regali una scatola di metallo e un rilevatore di particelle per indagare all’interno. Apriamo la scatola e controlliamo con il nostro rilevatore che sia completamente priva di particelle. Fisicamente diremmo che la scatola è nel suo stato di minima energia o stato vuoto, poiché all’interno non c’è nulla… A quanto pare.
Ora il mago sigilla completamente la scatola e la inserisce in un dispositivo che fa oscillare le sue pareti con una frequenza molto elevata. Dopo qualche secondo ci restituisce nuovamente la scatola e quando la apriamo… sorpresa! il nostro rilevatore inizia a misurare la presenza di particelle all’interno. La scatola, inizialmente vuota e sigillata durante tutto il processo, non è più così vuota. Dov’è il trucco?
“Non esiste nessun trucco, è magia”, risponderà il mago.
La magia della meccanica quantistica
Infatti, la nostra intuizione ci dice che, se inizialmente non c’è nulla all’interno della scatola, nulla può essere prodotto spontaneamente dal vuoto, come per magia. “Ci deve essere qualche trucco”, penseremmo uscendo dallo spettacolo. Ebbene no, non c’è nessun trucco, e nemmeno magia: è meccanica quantistica.
La teoria quantistica, come al solito, rompe tutti i nostri schemi e mostra che la nostra intuizione è fortemente costruita sui principi della fisica classica.
Nella fisica quantistica, anche se un osservatore svuotasse l’interno di una scatola da tutto il contenuto materiale, in modo tale da non poter trovare una singola particella o fotone di luce all’interno, lo stato vuoto risultante del sistema non è veramente “vuoto”, anche se lo sembra sorprendente. La scatola è piena di quelli che conosciamo come “campi quantistici” e, infatti, detto osservatore può misurare al suo interno un’energia diversa da zero.
Un campo da gioco
Cos’è un campo quantistico?
Semplificando molto, un campo quantistico può essere inteso come una rete infinita di sfere virtuali che permeano tutto lo spazio-tempo. Queste sfere sono collegate tra loro da molle che permettono alla rete di vibrare con diverse modalità di oscillazione. In altre parole: un campo quantistico può essere inteso come un insieme infinito di oscillatori armonici accoppiati situati in ogni punto dello spazio-tempo.
Detto campo quantistico si può trovare in diversi stati, ognuno dei quali può essere caratterizzato dal valore della sua energia. Quando il campo è nel suo stato energetico più basso diciamo che è nel suo stato di vuoto. Ma questo vuoto non è lo stesso sia che il campo sia dentro o fuori dagli schemi.
Fuori dagli schemi
Se il campo fosse libero (senza i vincoli imposti dalle pareti della scatola magica o da qualsiasi altra interazione), le molle che collegano gli oscillatori armonici si troverebbero nel loro stato di equilibrio o rilassamento, con energia potenziale pari a zero.
Poiché ciascun oscillatore può avere un’energia potenziale diversa da zero, questo è lo stato di energia minima del campo libero, o stato vuoto, il cui valore energetico possiamo convenientemente porre a zero.
All’interno della scatola
Ora la situazione è diversa all’interno della scatola di metallo. In questo caso le pareti possono “mettere in tensione” le molle che accoppiano le infinite sfere (gli infiniti oscillatori armonici del campo quantistico) rispetto a quando il campo è libero.
Questa “tensione” fa sì che l’energia potenziale di ciascuno degli oscillatori sia diversa da zero. Di conseguenza, all’interno della scatola un osservatore può misurare valori energetici diversi da zero anche nello stato energetico più basso. Inoltre, misurerà più energia quanto più piccola sarà la scatola, poiché tanto più “tensionati” saranno gli oscillatori al suo interno.
Questo è ciò che è noto come effetto Casimir (statico). La scatola è ancora vuota nel senso classico, poiché non ci sono particelle al suo interno, ma lo stato vuoto del campo si dice “teso” o “polarizzato”, poiché il campo ha un’energia diversa rispetto a quando è libero.
Ad esempio, per una “scatola” ideale composta da due piastre metalliche parallele di estensione infinita, l’energia per unità di volume prevista dalla teoria quantistica dei campi è: -hc/L⁴ (Pi/1440). In questa espressione “c” indica la velocità della luce nel vuoto , “L” è la distanza tra le piastre e “h” è la costante di Planck. Come si vede, minore è la separazione tra le piastre, maggiore è l’energia del vuoto. La presenza della costante di Planck è ciò che indica che detta energia ha un’origine genuinamente quantistica. Nel limite classico, h = 0, l’energia del vuoto è zero.
Ma… come nascono le particelle?
Finora abbiamo parlato di energia. Ma il rilevatore ha trovato particelle all’interno della scatola! In che modo i campi quantistici spiegano l’esistenza delle particelle nella scatola del mago?
Se la rete virtuale di oscillatori armonici del campo quantistico (le infinite palline interconnesse) subisce un disturbo da parte di qualche agente esterno, nella rete si possono eccitare modi di vibrazione o oscillazione. Queste modalità si manifestano, fisicamente, sotto forma di onde o particelle che si propagano nello spazio-tempo.
Questo è esattamente ciò che accade con le oscillazioni della scatola prodotte dalla macchina del mago. Le pareti sono accoppiate alla rete di oscillatori e stimolano così queste vibrazioni sul campo stesso. In altre parole, le oscillazioni della scatola eccitano il campo, che passa dallo stato vuoto a stati di energia maggiore, detti stati eccitati o stati di particella.
In questo modo il trucco di magia non sarebbe altro che un trucco di fisica quantistica.
La creazione spontanea di particelle
Questo meccanismo dinamico di creazione spontanea di particelle dal vuoto quantistico è noto come effetto Casimir dinamico e ha profonde implicazioni fisiche. Ad esempio, come le oscillazioni delle pareti della scatola, anche l’espansione o la contrazione dello spaziotempo stesso è capace di eccitare coppie di particelle del vuoto.
Si ritiene che questo effetto quantistico sia responsabile della produzione, durante l’esplosione del big bang cosmologico, di tutta la materia che abbonda nel nostro universo. Ma questa è una bella storia per un altro articolo.
