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Se il vuoto non e’ vuoto

12 Ago

Come nell’articolo precedente, anche in questo caso vorrei parlarvi di un argomento suggerito nella sezione:

Hai domande o dubbi?

Piccola premessa iniziale, il fatto di scrivere articoli “su commissione” e’ qualcosa che mi rende veramente fiero di questo spazio creato sul web. Avere cosi’ tante richieste, significa che le persone sono coinvolte nella discussione, si informano e poi chiedono di poter approfondire gli argomenti insieme sul blog. Questo non puo’ che rendermi felice!

Detto questo, passiamo invece all’argomento della discussione. Come potete leggere, la richiesta e’ apparentemente molto semplice, si chiede di analizzare il discorso circa l’energia di punto zero.

Che significa energia di punto zero?

Ve la metto in modo molto semplice, immaginiamo uno spazio vuoto. Per vuoto non intendo un qualcosa creato con una pompa con la quale portare fuori le particelle del mezzo, ma qualcosa di completamente vuoto. Bene, questo spazio completamente vuoto e senza particelle ha un’energia. Per dirla nella forma “scienza e spettacolo”: il vuoto non e’ vuoto.

Cosa significa?

Mi metto nei panni di un non addetto ai lavori che prova a cercare una spiegazione. Vi faccio questo breve excursus perche’ girando su internet si trovano cose alcquanto curiose. Se andate su wikipedia, ormai punto di riferimento per tante persone curiose che vogliono capire le cose, trovate scritto:

Dal principio di indeterminazione di Heisenberg deriva che il vuoto è permeato da un mare di fluttuazioni quantistiche che creano coppie di particelle e anti-particelle virtuali che si annichiliscono in un tempo inversamente proporzionale alla propria energia. Il contributo complessivo all’energia del vuoto risulta così mediamente diverso da zero e pari a

 \epsilon = \frac{h\nu}{2}

dove h è la costante di Planck e  \nu è la frequenza di un generico modo di vibrazione associabile alla lunghezza d’onda materiale delle particelle virtuali.

Che dire, mi sembra chiarissimo. Ovviamente, la mia e’ un’affermazione sarcastica. Quanto trovate non mi sembra assolutamente in una forma divulgativa comprensibile ai piu’.

Cerchiamo dunque di fare un po’ di chiarezza e di capire cosa significa la frase: il vuoto non e’ vuoto.

Come anticipato, immaginiamo di poter disporre di un vuoto, cioe’ di uno spazio in cui sono state eliminate tutte le particelle. Ovviamente, uno spazio di questo tipo e’ impossibile da creare. Se anche ci mettessimo nello spazio, ci sarebbe comunque una certa densita’ di particelle che “sporcherebbero” il nostro vuoto, non rendendolo piu’ tale.

Rimaniamo pero’ nell’ambito dell’immaginazione e costruiamo il nostro esperimento mentale.

In fisica, per poter trattare il vuoto, e’ necessario tenere conto di alcune leggi molto importanti che ci vengono date dalla quantistica. Tra queste c’e’ ovviamente il principio di indeterminazione di Heisenberg che molti conoscono. Detto in modo molto divulgativo, e’ impossibile conoscere con precisione assoluta la posizione e la velocita’ di una particella. In realta’, questo principio e’ scritto in forma di disuguaglianza, cioe’ all’aumentare della precisione nella determinazione di una grandezza, aumenta l’incertezza sulla misura dell’altra variabile.

Premesso questo, osservando il vuoto ad una scala molto grande, vedremmo qualcosa di stabile e fermo nel tempo. Andando pero’ a scale sempre piu’ piccole,dove se vogliamo la fisica quantistica detta le regole, vedremmo una situazione molto caotica con coppie di particelle e antiparticelle che vengono create e distrutte in continuazione. Piu’ l’energia delle particelle e’ alta, minore e’ il tempo in cui vivono.

Per farvi capire, immaginate di osservare il mare da un aereo a quota molto alta. Da questa posizione, vedreste il mare immobile sotto di voi, come se fosse dipinto su una tela. Se ora vi avvicinate verso il basso, man mano che scendete, comincereste ad osservare le onde, i movimenti dell’acqua, ecc. Arrivati ad una distanza molto piccola, potreste anche accorgervi che quella situazione cosi’ stabile vista dall’alto, nascondeva in realta’ un mare in tempesta.

Tornado al nostro vuoto quantistico, questa continua creazione di particelle impica dunque che il vuoto non e’ assolutamente vuoto. L’energia associata a questo stato, e’ proprio quella dovuta a queste particelle, o meglio alle onde a loro associate.

Possibile che questo continuo creare particelle non provochi effetti?

In realta’, gli effetti li provoca e come, e anche sotto diversi aspetti. Prima di tutto, se non esistesse l’energia di punto zero, il principio di indeterminazione potrebbe essere violato ponendo una singola particella nello spazio.

Per vedere invece un caso comprensibile a tutti, immaginate il nostro universo. Come sapete, il nostro universo e’ oggi in espansione come venne dimostrato per la prima volta da Hubble. Successivamente pero’, ci siamo accorti non solo che il nostro universo e’ in espansione, ma che sta anche accelerando rispetto al passato.

Come possiamo spiegare questo? Se il tutto dipendesse dal Big Bang, cioe’ il motore dell’espansione fosse il botto iniziale, ci si aspetterebbe un universo, forse anche in espansione, ma che pero’ sta diminuendo sempre di piu’ la sua spinta iniziale. In questa formulazione, sarebbe impossibile vedere un unverso che ad un certo punto accelera.

Questa apparente incongruenza viene appunto spiegata chiamando in causa l’energia del vuoto. Le particelle virtuali create nel vuoto, sono in relazione con l’energia oscura che provoca l’accelerazione che abbiamo misurato nell’espansione. Come sapete, dal punto di vista fisico, stiamo entrando in un terreno poco conosciuto. Parlare di energia oscura e’, allo stato attuale, ammettere grosse lacune nella nostra comprensione dei meccanismo dell’universo.

Esistono altre prove dell’esistenza dell’energia del vuoto?

Ovviamente si! La prova piu’ immediata a sostegno dell’esistenza dell’energia del vuoto e’ stata la dimostrazione dell’effetto Casimir.

Cerchiamo di spiegare in modo semplice di cosa si tratta.

Effetto Casimir: a causa delle fluttuazioni del vuoto si crea una forza di attrazione tra le lastre

Effetto Casimir: a causa delle fluttuazioni del vuoto si crea una forza di attrazione tra le lastre

Immaginate di porre due lastre metalliche piane e parallele ad una distanza molto piccola tra loro, dell’ordine dei micron o meno. Questo sistema viene posizionato in una regione di spazio in cui e’ stato creato il vuoto assoluto. Ora, come visto, in questa condizione si creeranno comunque tantissime coppie particella-antiparticella generate nel vuoto. Come anticipato, esiste pero’ il dualismo particella-onda, per cui ad ogni particella possiamo attribuire uno stato ondulatorio. Detto in altri termini, per ciascuna particella, ci sono casi in cui si comportera’ come una particella, altri come un’onda.

Benissimo. Guardate la figura a lato. Le coppie di particelle si produrranno ovunque, nella zona esterna, cosi’ come tra le lastre. Ora pero’, in virtu’ del dualismo particella onda, nello spazio interno avremmo a disposizione solo pochi micron di spazio. Questo significa che tra le lastre potremmo avere solo particelle con lunghezza d’onda molto piccola. Dal momento che l’energia di una particella e’ direttamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda, l’energia generata tra le lastre e’ inferiore a quella sviluppata all’esterno. Effetto netto di questo squilibrio sara’ una forza che tende ad avvicinare tra loro le piastre.

Fantastico. E’ mai stato dimostrato questo effetto? Assolutamente si. La prima prova venne tentata nei laboratori Philips nel 1958 ma i risultati, anche se non escludevano la presenza dell’effetto Casimir, erano inficiati da errori sperimentali troppo grandi. Per una verifica diretta di questo effetto, si dovette aspettare fino al 1997 quando nell’universita’ di Washington venne dimostrato l’effetto Casimir utilizzando superfici sferiche in luogo di quelle piane. Questa soluzione venne adottata per eliminare i problemi di allineamento tra le piastre.

La dimostrazione dell’effetto cosi’ come ipotizzato da Casimir, cioe’ con lastre piane e parallele, arrivo’ solo nel 2001 quando nell’universita’ di Padova si pote’ realizzare un allineamento submicrometrico con risonatori.

Concludendo, se andiamo a scale molto piccole, la meccanica quantistica ci predice uno stato di vuoto densamente popolato da coppie di particelle e antiparticelle che continuamente vengono create e distrutte. Il tempo in cui ciascuna particella vive e’ inversamente proporzionale alla sua energia. In questa condizione, le coppie prodotte contribuiscono ad un livello non nullo di energia del vuoto. Effetti indiretti dell’energia del vuoto arrivano, tra l’altro, dell’espansione accelerata dell’universo, riconducibile all’esistenza di un’energia oscura. Oltre a questo, una dimostrazione pratica dell’esistenza dell’energia del vuoto arriva dall’effetto Casimir. In questo caso, non solo si dimostra l’esistenza di coppie di particelle virtuali, ma si evidenzia anche come queste particelle possano dare effetti tangibili.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Autostrade nei cieli cinesi?

4 Ago

Alcuni utenti mi hanno contatto via mail per mostrarmi una foto scattata in Cina, precisamente nella cittadina di Boao nella provincia di Hainan. Prima di qualsiasi cosa, credo sia interessante mostrarvi la foto:

Immagine scattata a Boao in Cina

Immagine scattata a Boao in Cina

Quando questa immagine e’ stata pubblicata su internet, si sono scatenate moltissime voci per cercare di spiegare l’origine di questa strana conformazione. In alcuni casi, si e’ fatto riferimento a questo feomeno come le “autostrade del cielo” per indicare il solco netto piu’ scuro che si vede nella foto.

Ovviamente, non sono mancate le ipotesi catastrofiste e complottiste sul fenomeno. C’e’ chi ha parlato di segno lasciato dal passaggio di navi aliene, chi parla di fenomeni di geoingegneria legati alle scie chimiche e anche chi fa riferimento a misteriosi fenomeni ottici dovuti a qualche nuova forma di inquinamento.

Come usanza del caso, molti siti concordano sul fatto che il fenomeno e’ del tutto nuovo, mai osservato e, soprattutto, non esiste una spiegazione scientifica.

Chi frequenta il blog da tempo sa bene che questo e’ lo scenario classico in cui siamo abituati a discutere. Ogni qual volta c’e’ un fenomeno non usale, e questo non significa raro, le voci che si rincorrono sono sempre piu’ o meno le stesse.

Ora, data la premessa, avrete gia’ capito che lo strano fenomeno apparso in Cina e’: conosciuto, spiegato e gia’ accaduto innumerevoli altre volte.

Non mi dilunghero’ molto nella spiegazione, perche’ in realta’ di fenomeni del genere ne abbiamo gia’ parlato in un’altra occasione. Ecco il post:

Questo deve essere un segno premonitore!

In questo articolo, parlavamo di un fenomeno molto simile a questo ed, in particolare, mostravamo anche tante altre immagini prese dalla rete con cieli nella stessa conformazione.

Cosi’ come avvenuto in Brasile, anche per il caso cinese dobbiamo appellarci ai raggi crepuscolari. Per essere precisi, nell’articolo precedente eravano di fronte a raggi anticrepuscolari, questa volta invece sono crepuscolari. Come visto, questi fenomeni si possono evidenziare in particolari condizioni quando il Sole e’ basso all’orizzonte, appunto durante il tramonto.

Ora pero’, la differenza sostanziale e’ che nel caso di raggi crepuscolari, le striature che si vedono sono molto luminose. Nel caso cinese, vediamo invece nell’immagine dei segni molto netti ma piu’ scuri rispetto al resto. La cosa non e’ affatto sorprendente ed e’ dovuta alla particolare conformazione atmosferica al momento dello scatto.

Come riportato da molte fonti, la foto e’ stata scattata al tramonto, ma erano presenti nubi negli strati alti dell’atmosfera ad una quota compresa tra 8000 e 12000 metri. In questo caso, i raggi crepuscolari vanno ad illuminare queste formazioni che pero’ proiettano verso il basso la loro ombra. Bene, le strisce piu’ scure che si vedono nella foto sono proprio dovute alle ombre delle nubi filamentose negli strati alti.

Data questa spiegazione, non c’e’ assolutamente nulla di straordinario nel fenomeno, se non l’impatto visivo. Come visto, si tratta d un fenomeno gia’ affrontato sul blog e la cui spiegazione scientifica e’ molto ben conosciuta e documentata. Se vogliamo, unica differenza rispetto al solito e’ la presenza di nubi negli strati alti che proiettano la loro ombra veso il basso. In questo caso, invece di avere strisce luminose abbiamo zone piu’ scure in cielo. Cosi’ come avviene per la zone cangianti in presenza di raggi crepuscolari, anche in questo caso, le strisce appaiono con contorni ben delimitati e proettive verso l’esterno.

Concludendo, non  c’e’ assolutamente nulla di sorprendente nel fenomeno apparso a Boao. La spiegazione e’ da ricercarsi nel fenomeno dei raggi crepuscolari, molto ben documentati e perfettamente compresi a livello scientifico.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

 

Questo deve essere un segno premonitore!

29 Dic

Tante volte ci siamo trovati a discutere, o meglio a spiegare, alcuni fenomeni atmosferici apparentemente strani e che in rete venivano pubblicizzati come segni premonitori di qualcosa che stava cambiando. Esempi di questo tipo sono stati i suoni dell’apocalisse, le strane nubi apparse in varie parti del mondo o, per ultimo, l’apparente mistero dei pilastri di luce:

I misteriosi suoni dell’Apocalisse

Di nuovo i suoni dell’apocalisse

Una nuvola che fa pensare alla fine del mondo

Altra strana nube, questa volta in Giappone

Altra strana nube a Tulsa

Strano arcobaleno a Conca della Campania

Scoperta nuova nuvola?

Misteriosi pilastri di luce?

In questi ultimi giorni pero’, la rete e’ stata invasa dalle immagini di un nuovo fenomeno apparso questa volta in Brasile, per la precisione nella citta’ di Palotina, confermato da diversi testimoni, e che vedrebbe la formazione di un misterioso fascio di luce, molto intenso, proveniente dall’orizzonte.

Ecco una foto di quanto accaduto:

Il fascio di luce apparso a Palotina in Brasile

Il fascio di luce apparso a Palotina in Brasile

In rete esiste anche un video girato nella zona e che riprende per diversi minuti il fascio di luce:

Veramente un fenomeno straordinario. Come potete facilmente immaginare, in rete trovate la notizia corredata da frasi del tipo: “la scienza non ha spiegazione”, “mistero a Palotina”, “gli esperti si interrogano senza far trapelare nulla”. Ormai siamo abituati a sparate di questo tipo.

Prima di vedere se veramente la scienza non ha una spiegazione per questo fenomeno, vorrei analizzare il video insieme a voi. In rete trovate qualche timida spiegazione dell’accaduto, fatta utilizzando come tesi il fatto che il video non sia reale. Ho personalmente guardato tutto il filmato e dal mio punto di vista le immagini sono reali. Come faccio a dire questo? Semplice, prima di tutto vedete che il fascio di luce e’ reale perche’, come mostrato nelle immagini, illumina in modo naturale le nuvole. Se il fascio fosse aggiunto con un programma di grafica, si troverebbe sopra o sotto l’immagine principale. In questo caso invece, le nuvole vengono illuminate in modo giusto e non uniforme dal fascio di luce. Questo ci fa capire che le immagini sono, molto probabilmente, reali.

Notiamo anche un altro punto importante e che ha tratto in inganno molti che hanno cercato di smascherare il trucco. Siamo al tramonto, come detto anche dalla voce di sottofondo, e il Sole si trova nella parte diametralmente opposta a quella di provenienza del fascio. Proprio la presunta non correlazione tra il Sole e il fascio ha fatto si che si siano create spiegazioni fantasiose in rete. Dunque, ricordate bene questi particolari: siamo al tramonto, il Sole si trova dalla parte opposta.

Ora possiamo provare a dare una spiegazione scientifica? Ancora no. In questo caso vorrei procedere in modo diverso a quello a cui siamo abituati. Per fare questo, vi voglio mostrare delle foto di bellissimi paesaggi. State tranquilli, non sono impazzito. Guardate e giudicate da voi:

Paesaggi con raggi anticrepuscolari

Paesaggi con raggi anticrepuscolari

Notato niente di strano? Come vedete sono tutti paesaggi in cui si vedono all’orizzonte dei fasci luminosi molto simili a quelli avvistati nella citta’ di Palotina.

Ma non era un segno misterioso e mai osservato prima? Forse, al solito, su internet si parla un po’ a sproposito.

Ora, passiamo finalmente alla scienza. Cosa sono questi fasci di luce? Come vengono originati? Perche’?

Questo fenomeno e’ noto alla scienza e viene indicato con il nome di “raggi anticrepuscolari”, dall’inglese “anticrepuscolar rays”. Per essere precisi, esiste anche una controparte di questi raggi, nota appunto come “raggi crepuscolari”.

Cerchiamo di capire di cosa si tratta partendo proprio dai raggi crepuscolari.

Durante il tramonto, quando il Sole e’ basso all’orizzonte, i raggi luminosi attraversano uno spessore maggiore di atmosfera. Durante questo percorso, i raggi vengono deviati assumendo colorazioni molto particolari. Il punto focale dei fasci luminosi coincide ovviamente con la posizione del Sole. Molto suggestivi sono ad esempio i casi in cui i raggi solari incontrano cumulonembi durante il loro cammino. In questo caso, possono aversi zone molto luminose intervallate da altre buie che danno un effetto molto particolare e affascinante. Vista la dinamica della formazione, capite bene perche’ si parla di raggi “crepuscolari”, dal momento che possono formarsi solo al tramonto del Sole.

Fin qui ci siamo. Ora ricordate quanto detto sul video brasiliano: siamo al tramonto, il Sole e’ in direzione opposta. Esattamente dalla parte opposta a dove il Sole sta tramontando, possono formarsi dei raggi analoghi a quelli crepuscolari e detti, come anticipato, anticrepuscolari. L’effetto ottico e’ esattamente lo stesso, come abbiamo visto anche nelle altre immagini riportate prima.

Il principio di formazione di questi raggi e’ esattamente lo stesso di quelli crepuscolari. La sorgente luminosa che crea i fasci di luce e’ sempre ovviamente il Sole. Quando in cielo sono presenti strati di nubi, la diffusione della luce puo’ essere trasportata in direzione opposta a quella del tramonto ed arrivare anche in direzione opposta. In questo caso, il fatto di vedere un punto focale all’orizzonte e’ solo un’illusione ottica dovuta alla profondita’ dell’orizzonte stesso osservato. Capite bene che, per come sono formati, i raggi anticrepuscolari sono paralleli tra loro. Quello che sembrerebbe essere il punto di partenza dei raggi e’ in realta’ il punto di arrivo a cui convergono i fasci a causa del nostro orizzonte limitato. Questo crea appunto l’illusione ottica di vedere i raggi uscire dove il Sole non c’e’.

Torniamo un attimo a pensare al video. Come detto, e ripetuto, siamo al tramonto, il Sole e’ in direzione opposta e, come si vede dalle immagini, in cielo sono presenti nubi molto compatte proprio sopra il punto di osservazione. Queste considerazioni ci fanno capire che abbiamo tutte le condizioni necessarie alla formazione dei raggi anticrepuscolari. Le nubi compatte che si vedono impediscono molto probabilmente anche la visione dei raggi crepuscolari in direzione del Sole.

Per completezza scientifica, capite subito che, per come sono formati, i raggi crepuscolari sono in genere piu’ intensi di quelli anticrepuscolari e questi fenomeni possono formarsi sia al tramonto che al sorgere del Sole.

Visto il particolare effetto, questi fenomeni sono spesso indicati anche come: luci divine, raggi di Buddha, raggi di Dio, fasci di Gesu’ e cosi’ via. Il perche’ di questi nomi mi sembra evidente dalle immagini.

Concludendo, anche in questo caso siamo di fronte ad un fenomeno molto ben conosciuto dalla scienza e anche compreso a livello tecnico. Forse sarebbe il caso che molti giornalisti improvvisati sulla rete si documentassero prima di postare notizie di questo tipo o, eventualmente, che riprendessero in mano i libri di scuola per ripassare un po’ di semplice ottica geometrica.

 

 

 

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