Di David Harris
Non fermarmi ora
(Immagine: Ellinor Hall / Johner / Corbis)
Una PALLA che gira nel vuoto non dovrebbe mai rallentare, poiché non vi agiscono forze esterne. Almeno questo è quello che avrebbe detto Newton. Ma cosa succede se il vuoto stesso crea un tipo di attrito che mette i freni sugli oggetti rotanti? L’effetto, che potrebbe essere presto rilevabile, potrebbe agire sui grani di polvere interstellare.
Nella meccanica quantistica, il principio di indeterminazione dice che non possiamo mai essere sicuri che un vuoto apparente sia veramente vuoto. Invece, lo spazio è frizzante con fotoni che sono costantemente saltando dentro e fuori dall’esistenza prima che possano essere misurati direttamente. Anche se appaiono solo fugacemente, questi fotoni “virtuali” esercitano le stesse forze elettromagnetiche sugli oggetti che incontrano come fanno i fotoni normali.
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Ora, Alejandro Manjavacas e F. Javier García de Abajo dell’Istituto di Ottica presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche spagnolo a Madrid dicono che queste forze dovrebbero rallentare la rotazione degli oggetti. Proprio come una collisione frontale racchiude un pugno più grande di un rubinetto tra due auto una dietro l’altra, un fotone virtuale che colpisce un oggetto nella direzione opposta alla sua rotazione si scontra con una forza maggiore che se colpisce nella stessa direzione.
Quindi nel tempo, un oggetto rotante rallenterà gradualmente, anche se un numero uguale di fotoni virtuali lo bombardano da tutti i lati. L’energia rotazionale che perde viene quindi emessa come fotoni reali e rilevabili (Physical Review A, DOI: 10.1103/PhysRevA.82.063827).
La forza dell’effetto dipende dal trucco e dalle dimensioni dell’oggetto. Oggetti le cui proprietà elettroniche impediscono loro di assorbire facilmente le onde elettromagnetiche, come l’oro, possono rallentare poco o per niente. Ma piccole particelle a bassa densità, che hanno meno quantità di moto rotazionale, rallentano drasticamente.
Il tasso di decelerazione dipende anche dalla temperatura, poiché più è caldo, più i fotoni virtuali entrano e escono dall’esistenza, producendo l’attrito. A temperatura ambiente, un granello di grafite largo 100 nanometri, il tipo che è abbondante nella polvere interstellare, impiegherebbe circa 10 anni per rallentare a circa un terzo della sua velocità iniziale. A 700 °C, una temperatura media per le aree calde dell’universo, quella stessa diminuzione della velocità richiederebbe solo 90 giorni. Nel freddo dello spazio interstellare, ci vorrebbero 2,7 milioni di anni.
Questo effetto potrebbe essere testato in laboratorio? Manjavacas dice che l’esperimento richiederebbe un vuoto ultra-alto e laser ad alta precisione per intrappolare le nanoparticelle, condizioni che sono “impegnative ma raggiungibili nel prossimo futuro”.
John Pendry dell’Imperial College di Londra definisce l’analisi un “bel pezzo di lavoro” e dice che potrebbe fornire informazioni sul fatto che l’informazione quantistica venga mai distrutta, ad esempio, quando cade in un buco nero. Dice che i fotoni reali emessi durante il processo di decelerazione dovrebbero contenere informazioni sullo stato quantico della particella rotante, tanto quanto i fotoni pensavano di sfuggire ai buchi neri come le radiazioni di Hawking si pensa che codifichino le informazioni sui fori.
“Questo è uno dei pochi processi elementari che converte quella che sembra essere energia meccanica puramente classica in uno stato quantico altamente correlato”, afferma Pendry.
Come galleggiare sopra un vuoto
Houdini sarebbe orgoglioso. Sembra che ci sia un modo per far levitare un oggetto nel vuoto semplicemente incanalando le fluttuazioni quantistiche.
Il trucco coinvolge l’effetto Casimir, in cui oggetti molto vicini l’uno all’altro vengono uniti grazie alle fluttuazioni quantistiche nel vuoto tra e intorno a loro. Quando due piastre vengono avvicinate sempre più, ad esempio, possono verificarsi meno fluttuazioni nello spazio tra di loro. Le fluttuazioni sui loro lati esterni, tuttavia, continuano normalmente. Questa differenza di pressione su entrambi i lati delle piastre li costringe a stare insieme.
Negli ultimi anni, i fisici hanno cercato di sviluppare modi per invertire l’effetto Casimir e respingere gli oggetti vicini, facendoli levitare. I suggerimenti precedenti hanno incluso l’inserimento di vari materiali tra gli oggetti da respingere – come i metamateriali esotici, che piegano le onde elettromagnetiche in modo opposto a quello previsto, invertendo l’effetto Casimir.
Ora, Stanislav Maslovski e Mário Silveirinha dell’Università di Coimbra in Portogallo delineano un modo per respingere oggetti senza materiale di riempimento. La loro configurazione, descritta in un documento per apparire in Physical Review A, utilizza barre d’argento larghe 40 nanometri bloccate in un substrato come candele su una torta.
Le “candele” metalliche incanalavano le fluttuazioni tra di loro, spingendo via qualsiasi cosa posta lì. Quindi, se una barra di metallo perforata è stata abbassata sopra le candele, con una candela che colpisce attraverso ogni foro, la barra dovrebbe galleggiare, respinta in tutte le direzioni dalle candele tra e intorno a ciascun foro.
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