Così quel vuoto cessa di essere vuoto
Il vuoto è un luogo dove, anche se non lo vedi, succedono molte cose. Tuttavia, per scoprire cosa richiede esattamente così tanta energia che fino a poco tempo sembrava impossibile per gli scienziati guardare nel mondo delle particelle virtuali. Quando alcune persone si fermano in una situazione del genere, è impossibile per altri incoraggiarle a provare.
Secondo la teoria quantistica, lo spazio vuoto è pieno di particelle virtuali che pulsano tra l'essere e il non essere. Sono anche completamente non rilevabili, a meno che non avessimo qualcosa di potente per trovarli.
"Di solito, quando le persone parlano di vuoto, intendono qualcosa che è completamente vuoto", ha affermato il fisico teorico Mattias Marklund della Chalmers University of Technology di Göteborg, in Svezia, nel numero di gennaio di NewScientist.
Si scopre che il laser può mostrare che non è affatto vuoto.
Elettrone in senso statistico
Le particelle virtuali sono un concetto matematico nelle teorie dei campi quantistici. Sono particelle fisiche che manifestano la loro presenza attraverso interazioni, ma violano il principio del guscio della massa.
Le particelle virtuali compaiono nelle opere di Richard Feynman. Secondo la sua teoria, ogni particella fisica è infatti un conglomerato di particelle virtuali. Un elettrone fisico è in realtà un elettrone virtuale che emette fotoni virtuali, che decadono in coppie virtuali di elettroni-positroni, che a loro volta interagiscono con i fotoni virtuali, e così via all'infinito. L'elettrone "fisico" è un processo continuo di interazione tra elettroni virtuali, positroni, fotoni e possibilmente altre particelle. La "realtà" di un elettrone è un concetto statistico. È impossibile dire quale parte di questo set sia davvero reale. Si sa solo che la somma delle cariche di tutte queste particelle determina la carica dell'elettrone (cioè, per dirla semplicemente, ci deve essere un elettrone virtuale in più rispetto ai positroni virtuali) e che la somma delle masse di tutte le particelle creano la massa dell'elettrone.
Le coppie elettrone-positrone si formano nel vuoto. Qualsiasi particella carica positivamente, ad esempio un protone, attirerà questi elettroni virtuali e respingerà i positroni (con l'aiuto di fotoni virtuali). Questo fenomeno è chiamato polarizzazione del vuoto. Coppie elettrone-positrone ruotate da un protone
formano piccoli dipoli che cambiano il campo del protone con il loro campo elettrico. La carica elettrica del protone che misuriamo non è quindi quella del protone stesso, ma dell'intero sistema, comprese le coppie virtuali.
Un laser nel vuoto
Il motivo per cui crediamo che esistano particelle virtuali risale ai fondamenti dell'elettrodinamica quantistica (QED), una branca della fisica che cerca di spiegare l'interazione dei fotoni con gli elettroni. Da quando questa teoria è stata sviluppata negli anni '30, i fisici si sono chiesti come affrontare il problema delle particelle che sono matematicamente necessarie ma che non possono essere viste, udite o percepite.
Il QED mostra che teoricamente, se creiamo un campo elettrico sufficientemente forte, gli elettroni virtuali di accompagnamento (o che costituiscono un conglomerato statistico chiamato elettrone) riveleranno la loro presenza e sarà possibile rilevarli. L'energia necessaria per questo deve raggiungere e superare il limite noto come limite di Schwinger, oltre il quale, come è espresso in senso figurato, il vuoto perde le sue proprietà classiche e cessa di essere "vuoto". Perché non è così semplice? Secondo le ipotesi, la quantità di energia richiesta deve essere pari all'energia totale prodotta da tutte le centrali elettriche del mondo, un altro miliardo di volte.
La cosa sembra fuori dalla nostra portata. A quanto pare, tuttavia, non necessariamente se si utilizza la tecnica laser di impulsi ottici ultracorti e ad alta intensità, sviluppata negli anni '80 dai vincitori del premio Nobel dello scorso anno, Gérard Mourou e Donna Strickland. Lo stesso Mourou ha affermato apertamente che i poteri di giga, tera e persino petawatt raggiunti in questi supershot laser creano un'opportunità per rompere il vuoto. I suoi concetti sono stati incarnati nel progetto Extreme Light Infrastructure (ELI), sostenuto da fondi europei e sviluppato in Romania. Ci sono due laser da 10 petawatt vicino a Bucarest che gli scienziati vogliono usare per superare il limite di Schwinger.
Tuttavia, anche se riusciamo a infrangere i limiti energetici, il risultato - e ciò che alla fine apparirà agli occhi dei fisici - rimane altamente incerto. Nel caso delle particelle virtuali, la metodologia di ricerca inizia a fallire e i calcoli non hanno più senso. Un semplice calcolo mostra anche che i due laser ELI generano troppa poca energia. Anche quattro pacchetti combinati sono ancora 10 volte meno del necessario. Tuttavia, gli scienziati non sono scoraggiati da questo, perché considerano questo limite magico non un forte limite una tantum, ma un'area di cambiamento graduale. Quindi sperano in alcuni effetti virtuali anche con piccole dosi di energia.
I ricercatori hanno varie idee su come rafforzare i raggi laser. Uno di questi è il concetto piuttosto esotico di specchi riflettenti e amplificatori che viaggiano alla velocità della luce. Altre idee includono l'amplificazione dei fasci facendo scontrare fasci di fotoni con fasci di elettroni, o la collisione di fasci laser, che gli scienziati del centro di ricerca cinese Station of Extreme Light di Shanghai vorrebbero realizzare. Un grande collisore di fotoni o elettroni è un concetto nuovo e interessante che vale la pena osservare.
