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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.

Possiamo scegliere tra era glaciale o desertificazione

28 Mag

Diversi lettori mi hanno chiesto di fare un aggiornamento sull’attuale ciclo solare, di cui molto si sta discutendo in rete. Come sappiamo, stiamo attualmente attraversando il massimo del 24mo ciclo, un picco che pero’, almeno attualmente, si sta rivelando molto meno intenso di quanto ci si aspettava.

Fate attenzione, proprio la frase “meno intenso di quanto ci si aspettava” e’ il nucleo della discussione che dobbiamo fare e su cui ho letto davvero di tutto e di piu’, un po’ per ignoranza, molto spesso solo per il gusto di voler speculare su argomenti scientifici poco noti.

Di cili solari abbiamo parlato, ad esempio, in questi post:

Evidenze dal Sole?

Le macchie solari AR1504

Gli effetti di AR1504

Sole: quanta confusione!

Come visto, il nostro Sole ha un comportamento che non e’ costante nel tempo ma che oscilla tra massimi e minimi. La durata “media” di questi cicli solari e’ di 11 anni e, in concomitanza, si registra, come visto in questo post:

Inversione dei poli terrestri

un’inversione del campo magnetico solare che dunque ritorna alla condizione originale ogni 22 anni, cioe’ ogni 2 cicli. Detto in altri termini, partite da una condizione, dopo 11 anni invertite i poli, per tornare alla condizione iniziale servono altri 11 anni e quindi un’altra inversione dei poli.

Come sottolineato diverse volte, si tratta di meccanismi statisticametne noti ma che, in quanto tali, sono parametrizzabili da numeri medi. Il nostro Sole e’ una stella “viva”, passatemi questo termine, condizione per cui riusciamo a parametrizzarlo mediante modelli veri sempre “in media”.

Detto questo, quando parliamo di ciclo di 11 anni, non ci deve affatto sorprendere se gli anni sono 10 o 12.

Inoltre, massimi e minimi solari non sono tutti uguali tra loro, ma possono avere intensita’ variabili nel tempo. Detto questo, ci possono essere massimi piu’ o meno intensi, cosi’ come minimi piu’ o meno deboli.

Bene, alla luce di quanto detto, passiamo ad analizzare il ciclo attuale.

Prima affermazione che trovate in rete, il massimo era previsto per la fine del 2012, secondo alcuni proprio il 21 Dicembre 2012, e dunque c’e’ un “forte” ritardo da parte del Sole. Queste affermazioni sono del tutto false. Come visto in questo articolo:

Nuova minaccia il 22 Settembre?

non e’ assolutamente vero che il massimo era atteso per la fine del 2012, ne’ tantomeno per il 21 Dicembre. Questa affermazione nasce da una simulazione condotta diversi anni fa dalla NASA mirata a valutare gli effetti di un eventuale massimo di alta intensita’ sulla nostra attuale societa’, fortemente legata alla trasmissione dei segnali a lunga distanza.

Quando e’ atteso il massimo?

Dalle simulazioni fatte, il massimo sarebbe atteso per la fine del 2013. Di questo abbiamo parlato in questo post:

Come seguire il ciclo solare

In particolare, in questo articolo abbiamo fornito anche tutti i link per poter seguire il ciclo solare e valutare giorno per giorno i diversi parametri che consentono di valutare la reale attivita’ del Sole insieme anche a modelli previsionali.

Se invece della fine del 2013, fosse maggio 2013 o maggio 2014, la cosa ci sorprenderebbe? Alla luce di quanto detto circa la modellizzazione dei fenomeni, assolutamente no.

Perche’ si parla ora di massimo solare?

A partire dai primi di maggio, dopo un periodo relativamente calmo, il nostro sole ha iniziato a riprendere vigore con diverse emissioni di classe X. Per chi non lo avesse letto, delle diverse classi di emissioni abbiamo parlato sempre nel post:

Le macchie solari AR1504

E’ giusto dire che e’ iniziato il massimo vero e proprio? In linea di principio no. Se volete e’ come il detto “una rondine non fa primavera”. Con questo intendo dire che per capire l’andamento del ciclo solare, si dovranno attendere, se ci saranno, nuove emissioni per poter affermare che il Sole sta attraversado il punto piu’ alto del suo massimo.

Ora, come fatto nell’articolo precedentemente citato, vi riporto anche il grafico aggiornato dello stato del nostro Sole:

Il numero di macchie solari osservate sul sole nel corso degli anni

Il numero di macchie solari osservate sul sole nel corso degli anni

Come spiegato in passato, in questo grafico viene riportato il numero di macchie solari contate sulla superficie del sole e che rappresentano un parametro direttamente legato all’attivita’ solare.

Notiamo prima di tutto una cosa molto importante: la linea rossa indica l’attivita’ solare prevista dalle simulazioni. Come potete vedere, il numero di macchie finora osservate e’ sensibilmente piu’ basso rispetto al valore atteso. E’ sconvolgente questo? Neanche per idea. Come visto, si tratta dei modelli, per cui sempre affetti da fluttuazioni statistiche e da incertezze.

Attenzione pero’, su questo punto molto si sta parlando in rete. Secondo molte fonti, questa differenza tra aspettato e osservato, come visto assolutamente non sconvolgente, indicherebbe niente poco di meno che “una nuova era glaciale”! Perche’ si parla di questo? Come visto in questo post:

Curiosita’ sui cicli solari

e come e’ facilmente immaginabile, l’attivita’ del nostro Sole influisce sulle condizioni ambientali della Terra, e non potrebbe essere diversamente. Ora, sempre per la solita rondine che non fa primavera, e’ assurdo parlare di era glaciale perche’ c’e’ un massimo meno intenso del previsto. Come visto nell’articolo riportato, nel caso del Maunder Minimum, si registro’ una totale assenza di macchie solari per un periodo compreso tra il 1645 e il 1700, macchie che poi inizarono lentamente a ricomparire fino a tornare alla normalita’ solo nel 1715. Alcune fonti parlano di diversi massimi poco intensi e dunque di un andamento che punterebbe ad una mini era glaciale. Anche in questo caso, si tratta di una esagerazione speculativa, atta solo a cercare di insinuare evidenze dove queste non ci sono.

Inoltre, facciamo una considerazione aggiuntiva molto importante. Come detto in precedenza, i famosi 11 anni di ciclo solare, non vanno visti come un dictat inviolabile, ma come una stima media della durata del ciclo. Perche’ dico questo? Come avvenuto in diverse occasioni, e anche nel precedente massimo, e’ possibile che il sole presenti due picchi all’interno dello stesso massimo. Riguardiamo per un attimo il grafico di prima, e concentriamoci sul massimo precedente. Come potete vedere, ci sono due picchi facilmente distinguibili, uno a meta’ el 2000 e l’altro alla fine del 2002. Anche questo comportamento rientra nelle normali fluttuazioni che il nostro Sole puo’ avere nel corso degli anni.

Perche’ abbiamo fatto questa considerazione?

Alla luce di questa, e’ lecito pensare che, anche in questo caso, quello che stiamo attraversando sia solo un primo picco di intensita’, seguito poi, anche a distanza di uno o due anni, da un secondo massimo piu’ intenso. Non ci sarebbe assolutamente nulla di sconvolgente in un comportamento del genere e soprattutto, non e’ preventivabile ne’ facilmente modellizzabile.

Riassumendo, stiamo sicuramente attraversando il massimo atteso del 24mo ciclo solare. Non e’ facilmente comprensibile capire se stiamo andando verso il picco, lo abbiamo gia’ passato e se ci sara’ un ulteriore picco a distanza di qualche mese. Quello che e’ evidente dai dati riportati e’ che, fino ad oggi, l’intensita’ di questo massimo e’ relativamente bassa e inferiore alle stime fatte. Questo pero’ rientra nelle normali fluttuazioni statistiche della fisica del sistema, non facilmente prevedibili ne’ tantomeno modellizzabili. E’ assolutamente fuori luogo parlare dell’inizio di una prossima era glaciale, soprattutto se citata da quelle fonti che fino a ieri parlavano di desertificazione a causa di un misterioso e incompreso riscaldamento globale.

 

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