0176. Che cos'è il potenziale scalare?

espertomini

Sono un appassionato di scienze, anche se la mia conoscenza si ferma agli anni del liceo e a qualche buona lettura successiva. Nelle mie reminiscenze scolastiche trovo il "potenziale scalare" ... in corrispondenza del potenziale vettore. Leggendo dei testi divulgativi mi è parso di capire che quando si parla di potenziale scalare non ci si riferisce alla mera formula matematica. Inoltre vorrei sapere cosa sia la così detta energia di punto zero e quali eventuali implicazioni ha eventualmente con questi potenziali scalari. Spero che mi possiate aiutare a capire un poco meglio, tenendo presente il fatto che io non sono assolutamente un esperto! (Mario Natalucci) (2039)


sem_esperto_verdeIl potenziale scalare compare nelle equazioni di Maxwell icona_biografia come originato da una generica distribuzione di cariche elettriche. La sua variazione nello spazio o gradiente icona_glossario definisce a sua volta una grandezza vettoriale che è il campo elettrico generato dalla stessa distribuzione di cariche data.

L'energia di punto zero appare in fisica all'inizio del secolo scorso con la formulazione di Planck icona_biografia dello spettro di radiazione del corpo nero. Se l'ipotesi di Planck dei quanti icona_glossario di energia permette di descrivere per la prima volta in modo corretto, lo spettro di radiazione del corpo icona_glossario nero icona_linkesterno e segna l'inizio della descrizione quantistica dei fenomeni, l'energia di punto zero, che compare successivamente al conseguente nuovo impianto concettuale, permette di dare una nuova formulazione dei fenomeni relativi al campo elettromagnetico alla materia e alla loro interazione.

La materia e i campi elettromagnetici interagiscono tra di loro. In questa interazione la materia è rappresentabile con atomi e molecole nelle quali le cariche elettriche oscillano con frequenze icona_glossario caratteristiche.

Anche i campi elettromagnetici sono caratterizzati da onde con ampiezze e frequenze. Un oscillatore armonico quantistico (immaginate un pendolo che sia atomo o molecola ) tuttavia, continua ad oscillare e non raggiunge mai uno stato ad energia nulla: il suo minimo di energia è un'energia caratteristica dell'oscillatore che è l'energia di punto zero. Lo stesso avviene per un campo elettromagnetico che è presente sempre, anche se lo spazio è privo di cariche e cioé è vuoto: il campo elettromagnetico del vuoto appunto. Il campo elettromagnetico del vuoto esiste in modi e frequenze diverse e riempie uniformemente lo spazio.

In assenza di materia le energie corrispondenti ai modi del campo elettromagnetico del vuoto sono anch'esse energie di punto zero (un campo elettromagnetico del vuoto è, tra l'altro, descrivibile in termini di un insieme di oscillatori armonici ) e questo significa che esiste un campo elettromagnetico anche nel vuoto che non smette mai di esistere e che possiede modi e frequenze caratteristiche.

Indipendentemente dalle frequenze di vibrazione, se si sommassero tutti i modi e le direzioni di un campo elettromagnetico del vuoto distribuito su tutto lo spazio o in modo equivalente le energie di punto zero di un insieme corrispondente di oscillatori ne risulterebbe un'energia in ogni caso molto grande. Questa energia è comunque presente e, apparentemente, non misurabile poiché l'energia si misura solo per differenza e bisognerebbe poter annullare il campo elettromagnetico del vuoto per poterla evidenziare, la qual cosa non è naturalmente possibile.

Tuttavia l'esistenza del campo elettromagnetico del vuoto può, in particolari situazioni, manifestarsi. Queste situazioni sono quelle in cui l'uniformità del campo elettromagnetico viene modificata anche di poco. L'effetto è quello di causare effetti fisici che sono molto piccoli rispetto ai fenomeni elettromagnetici analoghi. Tuttavia con apparati e misure adeguate e in opportune condizioni, anche questi effetti molto piccoli sono osservabili. Questi sono per esempio: una piccola perturbazione delle linee spettrali visibili nelle transizioni tra livelli atomici conosciuta come Lamb-shift (dal nome del suo scopritore Willis Lamb icona_biografia ), oppure una leggera forza attrattiva tra due lamine piane conduttrici conosciuto come effetto Casimir icona_esperto (anch'esso dal nome del suo scopritore Hendrick Casimir icona_biografia) .

Molte misure estremamente accurate con esperimenti di grande raffinatezza (*) hanno, anche recentemente, confermato l'esistenza di un campo elettromagnetico del vuoto e della sua energia di punto zero cioè di quanto previsto dalla elettrodinamica quantistica icona_glossario.

Luca Trentadue – Fisico

(*) G. Bressi (INFN, Pavia), G. Carugno (INFN, Padua), R. Onofrio, G. Ruoso (INFN, Padua & Padua U.),MEASUREMENT OF THE CASIMIR FORCE BETWEEN PARALLEL METALLIC SURFACES.Published in Phys.Rev.Lett.88:041804,2002


 

 

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