Il vuoto è vuoto? No, più vuoto di così non si può!

Fig. 1

Guericke’s experiment with vacuum Rare Books Keywords: Physics; Otto von Guericke

Proviamo ad immaginare di tenere sopra la nostra testa un contenitore cubico di lato 1 m. Diciamo che questo contenitore è vuoto. Ma non è proprio vuoto, perché contiene aria con una massa di poco più di 1 kg.

Una massa brulicante di molecole che si agitano nello spazio con velocità dell’ordine di qualche centinaio di metri al secondo!

A livello del mare il numero di molecole contenute nel contenitore è enorme, circa 2,4×10²⁵, 24 milioni di milioni di milioni di milioni di molecole d’aria.

Se trasportassimo il contenitore a qualche centinaio di km di altitudine, scopriremmo che il numero di molecole al suo interno è diminuito, perché l’aria è più rarefatta ed ha una densità minore.

Domanda: quanto possiamo rendere vuoto il nostro contenitore?

Fino a che punto possiamo arrivare a “fare il vuoto”?

Con il termine “vuoto” si intende la situazione fisica che si verifica in un ambiente in cui la pressione esercitata dai gas è minore di quella atmosferica standard. A seconda di quanto la pressione dei gas si discosta dal valore standard i fenomeni osservabili possono risultare assai diversi.

Solitamente i vari tipi di vuoto si distinguono per il valore della pressione del gas.

Fig. 2

Dove è il “vuoto”?

Il “vuoto” può esistere in natura e può essere prodotto per scopi scientifici o tecnici. Attenzione alle virgolette!

Nello spazio extraterrestre siamo in condizioni di vuoto; ad esempio la debolissima atmosfera lunare è essenzialmente costituita da gas del tipo H₂, He, Ne, Ar ad una pressione totale intorno a 10^–6 Pa.

Nello spazio interstellare e intergalattico la pressione diventa ancora più piccola, tanto che si preferisce parlare in termini di densità delle particelle gassose (cioè numero di atomi o molecole contenute nell’unità di volume) anziché di pressione. Tra le stelle si ha una densità di particelle gassose, principalmente di idrogeno, dell’ordine di 1 atomo al cm³, mentre nello spazio intergalattico la densità scende ulteriormente e, secondo le migliori stime, corrisponde a 1 atomo di idrogeno in 1 m³!

Ma allora dove è il vuoto veramente vuoto?

Non si può mai arrivare al vuoto completo…perché la condizione di vuoto perfetto non è né ottenibile in laboratorio e né è mai stata osservata in natura.

Anche se nello spazio intergalattico non ci fossero fisicamente molecole, sarebbero comunque presenti campi gravitazionali, elettromagnetici… e quindi non si potrebbe parlare di vuoto perfetto!

Tecnicamente qual è il record di “vuoto” raggiunto in laboratorio?

Attualmente gli scienziati sono arrivati a una pressione di circa 10^-13 Pa, corrispondente a poche centinaia di milioni di particelle in 1 m³.

Cosa dice la Meccanica Quantistica?

Lo sviluppo della meccanica quantistica, nel corso del XX secolo, ha fornito una descrizione della realtà che spesso esula da ogni logica e previsione classica, stravolgendo anche il concetto di vuoto, che non è più un sistema statico da cui sia stato rimosso tutto il rimovibile, ma un mezzo dinamico, per nulla in quiete.

Nello spazio “vuoto”, come previsto da Dirac e dal Principio di Indeterminazione di Heisenberg, coppie di particelle e antiparticelle compaiono spontaneamente e svaniscono in un istante.

Il “vuoto” fluttua, è come un pentolone in cui la presenza delle fluttuazioni quanto-meccaniche produce un ribollire di coppie di particelle virtuali che nascono e si annichilano in continuazione.

Sappiamo, infatti, che secondo Heisenberg energia e tempo, posizione e velocità, non possono essere misurate con un’accuratezza infinita.

Se lo spazio “vuoto” non avesse alcuna forma di energia, una particella potrebbe avere velocità ed energia entrambe nulle, con un errore pari a zero che violerebbe il principio di Heisenberg, ecco perché è necessario ammettere l’esistenza di fluttuazioni quantistiche.

A questo punto volendo dare una definizione precisa di “vuoto” dovremmo pensare ad uno stato in cui vi è un equilibrio dinamico di particelle di materia e di antimateria, in continua creazione e annichilazione; un “vuoto” pieno di sorprese che potrebbe non essere così indifferenziato come pensava Aristotele.

Il “vuoto” come assenza di tutto non esiste, ha un’energia, può polarizzarsi e creare materia.

Casimir, che strano effetto!

Uno degli effetti macroscopici della meccanica quantistica verificato sperimentalmente è l’effetto Casimir, postulato nel 1948 dal fisico olandese Henrick Casimir.

La fenomenologia dell’effetto è semplice: fra due piastre conduttrici NON elettricamente cariche (che per semplicità considereremo piane), affacciate e poste nel vuoto, si esercitano forze attrattive.

Fig. 3

Incredibile dal vuoto nascono forze!

Queste forze di Casimir sono forze di natura elettromagnetica, tra oggetti elettricamente neutri posti nel “vuoto” e sono causate dalla natura quantistica del campo di radiazione elettromagnetica.

Sono una manifestazione dell’esistenza delle fluttuazioni di punto zero e sono effetti puramente quantistici, senza un analogo in campo classico.

Nella formulazione originaria dello studio, Casimir calcolò l’effetto attrattivo per due lastre metalliche piane parallele, distanti tra loro pochi micron e neutre.

La teoria sviluppata prevede che solo le particelle virtuali, con lunghezza d’onda sottomultiplo intero della distanza tra le due lastre, contribuiscano all’energia del vuoto interagendo con le pareti dell’apparato con una forza inferiore a quella esercitata dalle particelle virtuali poste nello spazio esterno alle due lastre.

Il risultato è una forza netta che tende a spingere le lastre una contro l’altra e che può essere misurata.

Qual è l’ordine di grandezza di questa forza?

Per una distanza tra le due lastre dell’ordine di 1 𝝁m si ha 

L’espressione della forza, dipendente dall’area A delle lastre e dalla loro distanza a, è

La prima verifica sperimentale dell’effetto Casimir fu quella condotta nel 1958 da Sparnaay che cercò di misurare l’attrazione tra due piastre parallele. I risultati ottenuti, seppur viziati da consistenti errori sperimentali, non contraddicevano la teoria di Casimir.

Da allora le misure si fecero più accurate: nel 1997 l’effetto fu dimostrato da Lamoreaux presso l’Università del Washington a Seattle e nello stesso anno Umar Mohideen e Anushree Roy, dell’Università della California, condussero un analogo esperimento.

La prima misura con la configurazione originaria delle due piastre parallele proposta da Casimir fu condotta solo nel 2002 da un gruppo di ricercatori dell’Università di Padova che ottennero un allineamento delle piastre con precisione submicrometrica tramite l’ausilio di microrisonatori.

Perché questo effetto è così importante?

Lo studio delle forze di Casimir ha un interesse sia di carattere fondamentale, in vari ambiti della fisica teorica, sia applicativo, ad esempio nelle nanotecnologie.

Recentemente i ricercatori stanno provando a spiegare l’espansione accelerata dell’universo utilizzando il concetto di energia del vuoto. Alcuni gruppi di scienziati si stanno, infatti, occupando dello studio dell’effetto Casimir dinamico, con cui si ha la creazione di fotoni dal vuoto perturbato opportunamente.

I processi di interazione fra la radiazione elettromagnetica e la materia potrebbero condurre alla prima osservazione sperimentale degli assioni cosmologici, particelle di massa molto piccola considerate i possibili costituenti della materia oscura, che, secondo rilevazioni del 2013, rappresenta ben il 26,8% della massa-energia dell’universo.

A proposito…la materia ordinaria, quella di cui anche noi siamo composti, rappresenta solo il 4,9 % della massa-energia dell’universo!

E il resto?

Un enorme mistero da sondare, da scoprire e su cui la Scienza in futuro saprà fornire delle spiegazioni.