Luce

Oscillazioni di Punto Zero:

Provare ad immaginare il vuoto è di per sé difficile. Tipicamente, se ci proviamo quasi certamente lo immaginiamo anche buio. La fisica sembra dare fondamento a questa intuizione: se si parla di luce in termini di particelle, svuotare un certo volume di qualsiasi cosa sicuramente significa svuotarlo anche dei fotoni che lo illuminano.

In meccanica quantistica ogni sistema ha un’energia minima. In termini di particelle, alcuni fotoni nascono e muoiono anche nel vuoto, piccole vibrazioni incontrollabili che esistono e cessano di esistere istante per istante. Per quanto piccolo il volume che prendiamo, ci scontreremo con il fatto che la natura ci impedisce di spegnerlo, di averlo buio.

La presenza di questa energia minima e di questo eterno balletto di generazione-distruzione di fotoni nel buio trova spiegazione in uno dei cardini della meccanica quantistica: il principio di indeterminazione. Rendere un campo immobile significa avere una certezza assoluta sulla sua energia, violando questo principio. Il campo dovrà necessariamente vibrare, fotoni dovranno essere generati e distrutti con il risultato di avere il buio pieno di luce.

Questo concetto così lontano dall’esperienza giornaliera del mondo che ci circonda, è in realtà di importanza fondamentale nelle moderne teorie che descrivono l’universo e dà spiegazione a numerosi fenomeni fisici: dalla misura della carica dell'elettrone alla bizzarra attrazione che si instaura fra due lastre metalliche.

Interferenza di Fotoni

Quando ci ritroviamo al buio vogliamo accendere la luce per orientarci. La luce rimbalza sugli oggetti che ci circondano, viene catturata dal nostro occhio e così siamo in grado di ricostruire il mondo che ci circonda. Come le torce e fiaccole sono da sempre usate degli esploratori, gli scienziati usano la luce per studiare e analizzare il mondo nel suo stato più fondamentale. Ma se la luce viene utilizzata per illuminare e studiare la materia, è possibile usarla anche per studiare se stessa?

Nella sua interpretazione più antica, quella di onda, la luce si propaga nello spazio allo stesso modo in cui i cerchi che osserviamo quando lanciamo dei sassolini in uno stagno si intrecciano e si amalgamano. In questo caso, le creste delle onde si mescolano e si sommano dando vita a zone di luce (massimo + massimo) e zone di buio (massimo + minimo). L’interferenza di onde crea un pattern caratteristico e particolare, e tipi di luce e onde diverse danno vita a figure diverse, restituendo una sorta di impronta digitale della luce. Nella descrizione più contemporanea, quella corpuscolare di fotoni, uno specchio semitrasparente che divide un segnale in ingresso in parti uguali su due cammini diversi, che ci aspettiamo divida ugualmente un fascio su due traiettorie, curiosamente se attraversato da una coppia di fotoni li indirizza entrambi univocamente verso uno dei due canali d’uscita in base a caratteristiche decisamente meno intuitive: la loro indistinguibilità. Anche in questo caso, un fenomeno fisico che ha le radici da considerazioni molto astratte di simmetria, attraverso un gioco di luce (coincidenza di fotoni) e buio (assenza di fotoni) ci restituisce ancora una volta l’impronta caratteristica della luce ci permette di studiarne le proprietà. Lo studio della luce attraverso se stessa sembra essere una costante storica nella comprensione degli innumerevoli fenomeni che governano il suo funzionamento: dalla frequenza, alla intensità, alla forma, all’impulso, fino allo strambo concetto di…riconoscere o no due particelle identiche fra loro.

Sincrotroni

I sincrotroni sono una delle strutture cardine della fisica sperimentale contemporanea. La prima cosa che salta all’occhio è la forma di questi laboratori: a differenza dei tipici locali sotterranei e nascosti, i pochi sincrotroni al mondo sono enormi anelli ben visibili persino dagli aerei. All’interno di queste enormi strutture toroidali, fasci di elettroni sono accelerati alla (quasi) velocità della luce e confinati in una traiettoria ad anello. Il loro scopo è produrre fasci di luce estremamente intensa e pura, utilizzati per innumerevoli esperimenti che spaziano dalla fisica dei solidi, alla biologia, alla medicina. La luce emessa dagli elettroni in moto è sempre tangente alla loro traiettoria, e quindi i molti laboratori che la raccolgono si accalcano come raggi dal disco centrale: la forma, in questo caso, non può scendere ad alcun compromesso con la funzione. Ma è sbagliato immaginare un sincrotrone come una fonte di luce che “si accende e si spegne”, al pari di un interruttore. Mantenere gli elettroni in moto, il cosiddetto “fascio”, è così ingegneristicamente complesso ed energivoro da essere al limite del possibile. La traiettoria degli elettroni varia, nel loro tragitto di centinaia di metri, di meno dello spessore di un capello: per dare un’idea, se l’anello avesse le dimensioni dell’orbita terrestre, il fascio sarebbe stabile entro 50 metri. Così incalcolabili sono le variabili che ne regolano l’equilibrio che spesso, come si dice in gergo, il fascio improvvisamente cade, e si ferma. Tra gli scienziati, nei lunghi corridoi adornati di cavi e camere d’acciaio, si instaura una certa riverenza. I momenti in cui la luce è generata con continuità e costanza sono apprezzati con silenzioso e quasi religioso rispetto. La macchina, il fascio, incominciano ad avere dei ritmi propri. Dopo lunghi periodi di manutenzione ci si chiede all’accensione come si comporterà il fascio, che gli operatori possono parzialmente controllare, ma mai governare del tutto. Ci darà tregua? Si spegnerà? Forse fa troppo caldo?...In ogni istante si utilizza con parsimonia fino all’ultimo fotone, prima che l’intero anello sprofondi nuovamente, inaspettatamente, nel buio.

Limite di Schwinger

La nostra esperienza quotidiana ci suggerisce che due raggi di luce, quando si incontrano, sono essenzialmente indifferenti l’uno dall’altro. Nel caso siano laser possiamo assistere a curiosi effetti di interferenza, ma appena prendono due direzioni differenti è come se non si fossero mai incontrati. Queste osservazioni si riscontrano nella teoria classica dell’elettromagnetismo, alla base della descrizione fisica dei fenomeni luminosi, dove le equazioni sono, in gergo, lineari. Ovvero, possiamo trattare ogni campo come indipendente, e sommare singolarmente gli effetti derivanti dalla loro presenza.

Questa teoria però non tiene conto degli effetti quantistici, che, come spesso accade, sono rilevanti solo in regimi “estremi”. Ma quali sono questi regimi estremi?

Da un lato c’è quello più noto, dove i fasci di luce sono molto deboli in energia, e dove è quindi possibile descriverli in termini di pacchetti di luce chiamati fotoni. Dall’altro ce n’è uno altrettanto interessante, chiamato limite di Schwinger. Se un campo elettrico è abbastanza forte, si possono strappare un elettrone ed un positrone dal vuoto.

Particelle, materia, letteralmente create dal nulla grazie alla sola luce.

L’energia necessaria può essere stimata partendo dalla celebre equazione $E = mc^2$, mettendo al posto di m le masse dell’elettrone e del positrone, ed avere un campo elettrico abbastanza forte da poter applicare la stessa quantità di lavoro su una porzione di spazio minuscola… la scala in gioco è enorme, ma non abbastanza da fermare numerosi esperimenti per provarlo.