0026. Cosa è l’effetto Casimir ?

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 Cos'è l'effetto Casimiro? Chi era costui? Cos'è l'energia zero-point? (Roy)


sem_esperto_verdeL'effetto Casimir fu postulato nel 1948 dal fisico olandese Hendrick Casimir icona_minibiografia ed a tutt'oggi può essere considerato uno dei pochi effetti macroscopici della meccanica quantistica. La fenomenologia dell'effetto è semplice: fra due piastre conduttrici NON elettricamente cariche (che per semplicità considereremo piane), affacciate, si esercita una forza attrattiva: tale forza non può essere spiegata con alcun fenomeno di tipo classico. La spiegazione del fenomeno è invece tutt'altro che semplice: ha a che vedere con il modo in cui si definisce il vuoto nella meccanica quantistica. Nella fisica classica una regione di spazio in cui non sono presenti particelle o campi è definita come vuota; in fisica quantica, a causa del principio di indeterminazione è impossibile garantire l'assenza completa di particelle e/o campi in una regione dello spazio: il vuoto non può essere considerato uno stato a zero energia a causa delle fluttuazioni quantiche che a loro volta comportano la creazione e distruzione di particelle virtuali che, per altro, vivono lassi di tempo brevi, ma finiti. Poiché non esistono fenomeni analoghi nella vita e nella esperienza di tutti i giorni possiamo provare a immaginare analogie che, per forza di cose, saranno non rigorose nella descrizione del fenomeno in questione. Immaginiamo che il vuoto quantistico sia uno stato in cui continuamente si formino e scompaiano delle palline; pensiamo per fissare le idee qualcosa come una bolla di sapone (che dovremo supporre rigida però) che nasce e dopo un certo tempo scoppia. Supponiamo inoltre che quanto più il raggio delle palline sia piccolo tanto più le palline siano pesanti. Se immaginiamo di avere una superficie solida in una qualsiasi regione di spazio (pieno di queste palline) ad ogni fissato istante di tempo un certo numero di palline urterà la superficie solida, provenendo da destra e un altro numero di palline la urterà provenendo da sinistra: per ragioni di simmetria i due numeri dovranno essere in media uguali e quindi nessuna forza verrà esercitata sulla piastra. Se adesso mettiamo due piastre affacciate l'una all'altra succederà che sulle due facce esterne delle superfici il fenomeno dell'urto delle palline sarà analogo a quanto abbiamo descritto prima; per quanto riguarda le facce interne adesso dobbiamo tenere conto che non possiamo avere palline che abbiano un diametro più grande della distanza a cui sono state posizionate le due lastre. In questo caso l'equilibrio tra gli urti sulle due facce delle lastre viene alterato: il numero di urti dalla parte esterna di TUTTE E DUE le piastre è maggiore del numero corrispondente di urti dalla parte interna. Le cose quindi vanno come se sulle due piastre agisse una forza che tende ad avvicinarle e l'effetto ci si aspetta essere tanto più grande quanto più piccola è la distanza fra le piastre in esame in quanto le palline piccole sono state supposte essere più pesanti. È bene sottolineare ancora che l'analogia presentata è ben lungi dall'essere rigorosa e deve essere vista come un modo di illustrare un fenomeno abbastanza complesso che non ha analoghi nel mondo macroscopico in cui viviamo.

sem_esperto_gialloCerchiamo ora di dare un valore quantitativo all'effetto. Il modulo della forza di attrazione tra le piastre dipende dalla superficie delle piastre e dalla loro distanza secondo la formula:

scienzapertutti_modulo_forza_casimir

dove h è la costante di Planck, c la velocità della luce, d la distanza fra le due piastre ed S la loro superficie. La forza, come specificato precedentemente, è di tipo attrattivo: le due piastre tendono ad avvicinarsi. L'effetto di cui sopra è estremamente piccolo: per avere una idea dell'ordine di grandezza si può valutare la forza con cui si attraggono due piatti di 1 cm2 di superficie posti a distanza di 1mm:

scienzapertutti_formula_effetto_casimir

 Ci sono voluti circa cinquanta anni prima che l'effetto Casimir fosse osservato sperimentalmente: Steven Lamoreaux nel 1996 ha pubblicato risultati sperimentali in accordo con la formula di cui sopra entro il 5%. Per i più esperti , in lingua inglese suggeriamo un sito di approfondimento: http://physicsweb.org/article/world/15/9/6#pw1509061

Marcello Piccolo - Fisico


 

 

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