Il vuoto quantistico è una sostanza. Questa frase che sembra un ossimoro è stata resa popolare dal fisico spagnolo Álvaro de Rújula (CERN) e riassume il risultato più rivoluzionario della meccanica quantistica relativistica (teoria quantistica dei campi).
I campi quantistici hanno due tipi di stati, vuoto e particelle. Il vuoto è uno stato del campo senza particelle che riempe tutto lo spazio; infatti il campo quantistico è un “campo” grazie al suo stato di vuoto. Le particelle (e antiparticelle) sono stati del campo attorno al vuoto che si comportano come onde localizzate che si propagano nello spazio. Un campo può avere diversi vuoti e diversi tipi di particelle in ciascuno di questi vuoti, diversi nelle loro masse e cariche. Per capirlo bisogna usare la matematica: il campo di una particella dotata di massa è descritto con un’equazione d’onda con termine di massa determinato dall’energia potenziale del campo. Gli stati di vuoto sono gli estremi (minimo o massimo) del potenziale. Ad ogni minimo abbiamo un vuoto stabile con stati di tipo particellare la cui massa dipende dalla curvatura del potenziale a detto minimo (che può essere diverso a minimi diversi) – al massimo il vuoto è instabile e non ci sono stati di tipo particellare , poiché sarebbero tachioni, particelle che si sposterebbero più velocemente della luce nel vuoto.
De Rújula rese popolare la sua frase durante i suoi discorsi sulla fisica del bosone di Higgs. Nel modello standard della fisica delle particelle tutti i campi hanno un unico vuoto, tranne il campo di Higgs che ha due vuoti. Ad alta energia ha un vuoto con energia zero e quattro particelle, il bosone di Higgs scalare H~0, un bosone di Higgs pseudoscalare h~0 e due bosoni di Higgs carichi H~+ e H~−. Questo vuoto esisteva quando l’universo aveva meno di un miliardesimo di secondo; ma dopo la transizione di fase elettrodebole il campo di Higgs è passato al suo secondo stato di vuoto, quello attuale, con un’energia di 246,22 GeV (che equivale alla massa di 262 protoni). In questo secondo vuoto, il campo di Higgs ha una sola particella, il bosone di Higgs H~0, con una massa di 125,3 GeV/c~2, la cui scoperta è stata annunciata nel 2012; Le altre tre componenti del campo di Higgs sono eccitate come componenti longitudinali dei bosoni vettori deboli W~+, W~− e Z~0, conferendo loro la massa.
Il bosone di Higgs si comporta come una qualsiasi delle altre particelle, come se al suo vuoto fosse stata assegnata energia zero. Tuttavia, il vuoto del campo di Higgs è della massima importanza nel Modello Standard, poiché i leptoni e i quark carichi acquisiscono la loro massa attraverso l’interazione con detto vuoto: l’origine della massa dei neutrini è sconosciuta, e potrebbe o meno essere correlata al bosone di Higgs. Prima della transizione di fase elettrodebole, tutte le particelle nel modello standard, compreso il quattro Higgs, si comportavano come se fossero prive di massa: nei collisori di particelle è stato osservato che la massa delle particelle cambia con l’energia e che a energie molto elevate la Z 0 il bosone si comporta come se non avesse massa.
Il vuoto quantistico non è vuoto, perché è ‘riempito’ dalle cosiddette fluttuazioni quantistiche del punto zero. Grazie ad essi il vuoto influenza le proprietà delle particelle, sia quelle del suo campo che quelle degli altri campi con cui è accoppiato. Ad esempio, il vuoto del campo elettronico influenza nel vuoto del campo elettromagnetico e, attraverso di esso, in tutte le particelle dotate di carica elettrica. Molti di questi effetti sono stati misurati sperimentalmente con grande precisione, e il loro buon accordo con le previsioni teoriche è la prova dell’esistenza del vuoto e del fatto che i campi quantistici, e non le particelle, sono gli oggetti fondamentali dell’universo. Un effetto molto rilevante nel modello standard è che le cariche e le masse delle particelle non hanno valori costanti, ma sono una funzione dell’energia, un cambiamento descritto dal metodo di rinormalizzazione. Di conseguenza, le costanti di accoppiamento delle interazioni fondamentali, erroneamente denominate, sono una funzione dell’energia, un fatto osservato negli esperimenti. Nello specifico, aumentano con l’energia per le interazioni elettromagnetiche e deboli, diminuiscono per le interazioni forti e, inoltre, quasi coincidono ad energie molto elevate. Questa coincidenza suggerisce che esiste un’unica teoria unificata al di sopra di detta scala energetica, che sarebbe descritta da una teoria di grande unificazione (GUT) non ancora osservata.
Le particelle virtuali
Le fluttuazioni quantistiche a energia zero sono come onde nel vuoto. Tuttavia, nella prima metà del XX secolo, si pensava che tutto fosse fatto di particelle, per questo si tentò di interpretare queste fluttuazioni utilizzando il concetto di particelle virtuali, come se fossero coppie di particella e antiparticella che sono creati nel vuoto, spontanei e che vengono annientati un istante dopo. L’idea sembra violare il principio di conservazione dell’energia, ma la meccanica quantistica lo evita utilizzando il principio di indeterminazione di Heisenberg ΔE Δt ≥ ħ/2, che mette in relazione una variazione di energia ΔE con la durata di detta variazione Δt; Questo principio fisico consente una fluttuazione dell’energia del vuoto con un’energia ΔE ≈ ħ/(2 Δt) maggiore del doppio della massa di una particella, capace di produrre una coppia particella-antiparticella, purché duri per un periodo di tempo tempo Δt molto breve. Queste particelle sono dette virtuali perché non sono osservabili, quindi non sono particelle reali.
Le particelle virtuali non sono particelle. Le particelle sono onde situate nel campo quantistico che rispettano la famosa equazione di Einstein E = m c^2, quando sono a riposo, e con la sua versione generale E^2 = (m c^2)^2 + (p c)^2 , quando sono in movimento (in queste formule E è l’energia cinetica, m è la massa, c è la velocità della luce nel vuoto e p = m v è la quantità di moto lineare, prodotto della massa per la velocità v); Le particelle prive di massa, come il fotone, soddisfano che E = p c. Noi fisici diciamo che le particelle sono eccitazioni sul guscio (‘conformi’) e le particelle virtuali sono eccitazioni fuori guscio (‘non conformi’), perché non rispettano detta equazione. Tuttavia, sono legati perché il vuoto può produrre spontaneamente particelle trasformando una particella virtuale in una particella grazie a processi fisici che convertono la “non conformità” in “conformità”. Esistono diversi meccanismi fisici che lo consentono, come un laser la cui intensità supera il cosiddetto limite di Schwinger, o la famosa radiazione di Hawking dei buchi neri, in cui una particella virtuale vicino all’orizzonte degli eventi riesce a scappare mentre la sua compagna scompare all’interno dell’atmosfera.
Ora possiamo visualizzare le fluttuazioni del punto zero del vuoto quantistico grazie alle animazioni computerizzate della teoria quantistica dei campi nel reticolo simulato utilizzando i supercomputer. Vi consiglio i video di Derek Leinweber, dell’Università di Adelaide, Australia, che rappresentano il vuoto “colorato” dei campi di quark e gluoni; In un volume di spazio molto più piccolo di un protone si osservano bolle colorate con una carica colorata all’interno (rosso, verde o blu) e una carica anticolore all’esterno (celeste, viola e giallo), o viceversa. Queste bolle appaiono, si espandono e poi si contraggono fino a scomparire, in modo iterativo. In alcuni di questi video il campo dei gluoni viene mostrato anche rappresentato da frecce colorate. Il gluone è una particella di spin 1 e massa nulla come il fotone, quindi il campo gluodinamico può essere scomposto in campi cromoelettrico e cromomagnetico, come si fa con i campi elettrico e magnetico dell’elettromagnetismo. Nei video questi due campi sono rappresentati tramite frecce bicolore. Godere del vuoto “colorato” in questi video è quasi ipnotico.
L’effetto Casimir
Il vuoto è stato esplorato attraverso esperimenti grazie a molti dei suoi effetti. Tra questi spicca l’effetto Casimir (il fenomeno prende il nome dal fisico olandese Hendrik Casimir), che oggi ha rilevanza tecnologica nella progettazione di micro e nanomeccanismi. In una regione confinata tra due pareti metalliche conduttrici, le fluttuazioni quantistiche del punto zero del vuoto del campo elettromagnetico si comportano come onde stazionarie la cui lunghezza d’onda deve essere inferiore alla metà della distanza tra le due pareti (o, a parità di condizioni, la sua frequenza ha essere maggiore di un certo valore minimo). Se lo spazio è libero sull’altro lato di entrambe le piastre non c’è limite a quella lunghezza d’onda (o frequenza). Casimir osservò che in questo caso tra le due piastre metalliche si crea una forza attrattiva.
La spiegazione dell’effetto Casimir è che il vuoto tra le piastre ha un volume minore del vuoto esterno, quindi se assegniamo energia zero al vuoto esterno più grande (perché è più vuoto) dobbiamo attribuire un’energia negativa al vuoto più piccolo tra le piastre, che porta alla comparsa della forza attrattiva. Il calcolo matematico originale si basava sulla somma dell’energia delle infinite fluttuazioni del vuoto sia tra le piastre che all’esterno e sulla sottrazione di entrambe le somme infinite. Poiché nel vuoto esterno si adattano più onde che in quello interno, la sottrazione offre un valore diverso da zero, che corrisponde alla differenza di energia tra i due vuoti. Questo calcolo del 1947 non fu accettato da molti fisici finché l’effetto Casimir non fu osservato in un esperimento nel 1972. Da allora è diventata una risorsa tecnologica. Molti dispositivi sono stati proposti in metrologia quantistica basati su questo effetto per la misura, ad esempio, di piccoli campi magnetici, che hanno applicazioni in magnetocardiografia e magnetoencefalografia. Inoltre, nella progettazione ottimale di micro e nanomeccanismi, come quelli utilizzati negli accelerometri dei telefoni cellulari, è necessario tenere conto dell’effetto Casimir. È sconvolgente pensare che nel nostro cellulare abbiamo un piccolo dispositivo micromeccanico la cui progettazione ha tenuto conto della natura quantistica del vuoto.