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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.

Caldo record? In Germania scoppiano le autostrade

23 Giu

Come volevasi dimostrare, dopo il freddo record, la primavera con temperature glaciali, il sole che sarebbe in procinto di impazzire, finalmente e’ arrivata l’estate. E di cosa si parla? Facile, di caldo record!

Tutti quei siti che fino a ieri parlavano di estate che non ci sarebbe stata e freddo che faceva presagire una nuova era glaciale, oggi parlano di caldo record e di anomalie ambientali.

Ormai, siamo abituati a questo genere di informazione, ma e’ comunque interessante vedere le motivazioni che spingono queste persone a parlare di temperature fuori dalla norma.

Tratto di autostrada in Germania con asfalto esploso

Tratto di autostrada in Germania con asfalto esploso

La notizia che sta facendo tanto discutere in rete in questi giorni, viene dalla Germania, dove, e la notizia e’ reale, per il caldo diversi tratti dell’autostrada stanno letteralmente scoppiando. Come anticipato, non si tratta di una burla. Improvvisamente e senza nessun segnale premonitore, l’asfalto di diversi tratti di autostrada, soprattutto nel sud della Germania, esplode sgretolandosi. Proprio a causa di questo problema, e’ morto anche un motociclista che e’ stato letteralmente sbalzato contro il guard-rail morendo sul colpo. Come riportato dai siti tedeschi, il problema sembra relativo a circa 3000 dei 13000 Km di autostrade tedesche e, come detto, non si e’ in grado di capire dove e quando lo scoppio potrebbe avvenire. Ad oggi, ci sono stati quasi 20 episodi di questo tipo.

Come vedete, si tratta di un problema serio e reale, soprattutto dopo la morte del motociclista. Cosa potete leggere in rete? Come potete immaginare, c’e’ chi parla di anomalie provenienti dal Sole che e’ in procinto di inviare flare estremamente potenti sulla Terra. In alternativa, c’e’ chi punta il dito contro eventi simici e geologici. Secondo queste ipotesi, la terra si muoverebbe respirando in diversi punti, come per presagire un forte terremoto in arrivo in quelle zone.

Ovviamente, come sempre, si tratta di ipotesi campate in aria e senza alcun fondamento scientifico. E’ interessante pero’ analizzare il fatto in se, per capire l’origine di questo curioso fenomeno.

Quello che avviene e’ una sempice e naturale conseguenza della dilatazione termica. Come sapete, i materiali, non tutti in realta’, quando vengono scaldati si dilatano. Proprio per questo motivo si parla di dilatazione termica. Ciascun materiale avra’ un coefficiente di dilatazione diverso, che dunque indica di quanto questo si dilata aumentando la temperatura. In base alla forma in esame, parliamo di dilatazione termica lineare, superficiale o volumica.

Come e’ fatto il manto autostradale?

Distanziatori utilizzati sui ponti

Distanziatori utilizzati sui ponti

Molto spesso, l’asfalto viene posto in opera utilizzando appositi lastroni lunghi 5 metri che vengono affiancati uno all’altro. Per contrastare la naturale dilatazione termica, tra una lastra e l’altra viene lasciato un piccolo spazio che serve appunto a consentire la dilatazione senza ostacoli. Lo stesso spazio viene lasciato anche qundo l’asfalto viene deposto direttamente in loco in forma semi fluida.

Un esempio noto a tutti di questa tecnica, e’ facilmente visibile sui ponti. Qui, poiche’ la dilatazione potrebbe essere ancora maggiore a causa dei volumi minori, ad intervalli regolari vengono lasciate apposite fughe che consentono di assorbire le dilatazioni. Ci si accorge facilmente di queste fughe quando, passando con la macchina sopra un viadotto, si sentono sobbalzi ad intervalli regolari.

Bene, anche per la stesa dell’asfalto viene utilizzata la stessa tecnica.

Cosa sta succedendo in Germania?

Il problema dell’asfalto che esplode, come anticipato, e’ relativo solo a circa 3000 Km di autostrade, cioe’ quelle costruite alla fine degli anni 80. In quegli anni, non veniva utilizzato materiale di riempimento sotto l’asfalto in grado di diminuire la dilatazione ma, soprattutto, i lastroni impiegati avevano uno spessore minore, 22 cm, rispetto a quelli utilizzati in seguito, 28 cm. Lo spessore minore permette una maggiore dilatazione termica che potrebbe, in casi eccezionali, essere maggiore delle fughe lasciate durante la posa in opera.

Perche’ il fenomeno si sta verificando ora?

Nei giorni scorsi, si sono registrate temperature molto alte in Germania, che hanno toccato anche 5-7 gradi sopra la media. Questo ovviamente ha portato una notevole dilatazione termica delle lastre. Inoltre, il problema principale della Germania e’ la grande escursione termica che si registra tra estate ed inverno. Se, da un lato, durante l’estate l’asfalto si dilata, durante l’inverno si avra’ un accorciamento dovuto all’abbassamento delle temperature. In particolare, gli asfalti tedeschi devono resistere a variazioni anche di 60 gradi nel corso dell’anno, da -30 a +30 gradi centigradi.

Cosa c’entra questo?

Come anticipato, nella posa dell’asfalto si devono lasciare vie di fuga tra le lastre. Questi spazi devono essere in grado di assorbire le dilatazioni estive, ma non devono lasciare uno spazio troppo ampio nei mesi freddi. In alternativa, si potrebbero avere danni ai veicoli a causa degli intervalli troppo ampi.

Bene, a causa delle elevate temperature e dell’invecchiamento dell’asfalto le vie di fuga sulle autostrade tedesche non sono state in grado di assorbire le dilatazioni. In questo modo, due lastre possono spingere una contro l’altro fino ad arrivare allo sbriciolamento dell’asfalto che viene sollevato quando la spinta e’ troppo eccessiva.

Purtroppo, fenomeni del genere non sono prevedibili, nel senso che le esplosioni potrebbero verificarsi da un momento all’altro in un punto qualsiasi di maggiore assolazione.

Per il momento, i tecnici tedeschi sono in stato di allerta, pronti ad intervenire ad ogni segnalazione. Si sta anche pensando, come soluzione limite, di imporre limiti di velocita’ molto stringenti nei tratti interessati fino ad arrivare anche alla chiusura dei tratti maggiormente problematici.

Concludendo, la notizia delle autostrade tedesche che esplodono in questi giorni e’ reale. Ad oggi, si sono verificati circa 20 episodi. Come visto, si tratta di un problema dovuto alla dilatazione termica delle lastre di asfalto utilizzate che non viene contenuta dalle vie di fuga lasciate nella messa in opera. Quelle che invece sono completamente false, sono le tante ipotesi catastrofiste che non potevano certo mancare su una notizia di questo tipo.

 

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