ZPE: ZERO POINT ENERGY
TESTI E ARTICOLI SULLA ZPE
FLUTTUAZIONI DEL VUOTO QUANTISTICO: UNA NUOVA “STELE DI ROSETTA” DELLA FISICA ?
Dr. H. E. Puthoff
Institute for Advanced Studies
1301 Capital Of Texas Highway S., Suite B 121
Austin, Texas 78746
(512) 328-5751
In un articolo apparso tempo addietro sulla stampa popolare (The Economist, January 7, 1989, pp. 71-74) è stato notato come molte delle nuove tecnologie di questo secolo dipendano dalla fisica da Alice-nel-Paese-delle-Meraviglie della meccanica quantistica, con tutte le sue apparenti assurdità.
Per dirne una, si potrebbe iniziare con l'osservazione che ciò che la fisica classica ci dice sugli atomi – cioè che possono essere paragonati a sistemi solari in miniatura, con gli elettroni/pianeti che ruotano attorno ad un nucleo/sole – non sta in piedi: gli elettroni in movimento dovrebbero irradiare la loro energia, quasi fossero delle microscopiche antenne, e dovrebbero [perdendo la loro energia, ndr] precipitare nel nucleo. Ma gli atomi esistono, come esistono una moltitudine di altri fenomeni che non obbediscono alle regole che conosciamo.
Per risolvere questa “dissonanza cognitiva” i fisici hanno introdotto
il concetto di meccanica quantistica, che fondamentalmente altro non è
se non un insieme di regole matematiche che descrivono ciò che davvero
accade.
Ma quando rifacciamo la domanda “Perché gli elettroni non disperdono
la loro energia?” la risposta, sostanzialmente, è: “Bene…
nella fisica quantistica non lo fanno”.
È a questo punto che non solo il profano, ma anche qualche fisico comincia
ad avere l'impressione che qualcuno non stia giocando pulito.
Ho detto “qualche fisico”, e non tutti, perché la maggior
parte dei fisici che fanno ricerca è più che contento di utilizzare
un insieme di regole matematiche che funzionano, che descrivono (anche se
solo in maniera statistica) cosa accade ad un certo esperimento sottoposte
a determinate condizioni.
Queste persone sono quelle che chiamo “positivisti logici” e che
sono, in senso filosofico, come quei cronisti il cui solo interesse è
di finire un articolo.
Non di meno, esistono qui e là individui che vogliono sapere perché
gli elettroni non irradiano, perché le equazioni di Einstein hanno
questa forma e non un'altra, da dove diavolo arriva l'onnipresente
energia di punto-zero che permea anche il vuoto dello spazio, perché
funziona la teoria quantistica e, forse la più grande domanda di tutte:
“Come accidenti ha fatto l'universo a iniziare?”
Abbastanza sorprendentemente, ci possono essere delle risposte a queste domande,
apparentemente senza senso, di meta-livello. Cosa forse ancor più sorprendente,
queste risposte sembrano emergere da – per dirla con il titolo di un
libro di recente pubblicazione – “Qualcosa chiamato Nulla”
o, a voler essere un pochino più precisi, dallo spazio vuoto; beh,
“dal vuoto” o “dal nulla” vanno bene.
Ora, per capire il senso della frase di prima, dobbiamo fare una piccola deviazione
nel fenomeno delle fluttuazioni, di cui abbonda la teoria quantistica, incluse
le fluttuazioni dello spazio vuoto stesso.
Prima dell'avvento della Teoria Quantistica, la fisica ci insegnava
che un semplice oscillatore, per esempio un pendolo, quando “eccitato”
si sarebbe comunque fermato se non sottoposto ad una nuova carica fornita
da una forza esterna, per esempio una molla. Questo a causa delle perdite
di energia nel sistema causate dalla frizione.
Dopo aver riconosciuto che la teoria quantistica forniva una rappresentazione
migliore della realtà, una delle conseguenze cui ci si è trovati
di fronte è che un oscillatore non si sarebbe mai davvero fermato,
continuando piuttosto a oscillare casualmente avanti e indietro rispetto al
suo punto di riposo, conservando sempre una piccola quantità di energia,
la cosiddetta “Energia di Punto-Zero (ZPE, Zero-Point Energy)”.
Ora, anche se non potete osservarne gli effetti sulla pendola del nonno, a causa della scala in cui opera, non di meno l'effetto è reale, e in molti sistemi fisici ha conseguenze di rilievo. Un esempio di questo è la presenza di una certa quantità di “rumore” in un ricevitore di micro-onde di cui non ci si può mai sbarazzare, non importa quanto perfetta sia la tecnologia. Questo esempio dimostra che non solo i dispositivi fisici, come un pendolo, godono di questa proprietà di incessante oscillazione, ma anche i campi, come quelli elettromagnetici (onde radio, micro-onde, luce, raggi X, eccetera).
Come si è scoperto, anche se la ZPE in un particolare modo del campo elettromagnetico è minuscola, ci sono così tanto modi (direzioni, frequenze) di propagazione nello spazio aperto che la somma della ZPE di tutti i possibili modi è enorme; maggiore, in effetti, della densità dell'energia nucleare.
E questo in tutto il cosiddetto “spazio vuoto” che ci circonda.
Concentriamoci ora sugli effetti delle fluttuazioni elettromagnetiche di
punto-zero.
Con tali valori in gioco, potrebbe sembrare che gli effetti della ZPE elettromagnetica
debbano essere ovvi, ma così non è a causa della densità
assolutamente uniforme. Proprio come un vaso in una stanza non cade spontaneamente,
allo stesso modo un vaso che venga bombardato contemporaneamente da tutti
i lati da milioni di palline da ping pong non cadrà, a causa del bilanciamento
prodotto dall'uniformità del bombardamento.
La sola prova di un simile fuoco di fila dovrebbe essere un minuscolo ondeggiare
del vaso… e simili meccanismi si pensa siano coinvolti nell'oscillazione
quantistica associata al moto di punto-zero.
Comunque, ci sono certe condizioni nelle quali l'uniformità della
ZPE elettromagnetica di fondo è lievemente disturbata, e questo disturbo
produce effetti fisici.
Uno di questi effetti è la lieve perturbazione delle linee associate
alla transizione fra stati atomici, conosciuta come Spostamento di Lamb, dal
nome del suo scopritore Willis Lamb. Un altro, anche questo noto con il nome
del suo scopritore, è l'Effetto
Casimir , una forza di attrazione quantistica unica fra piastre di metallo
poste a minima distanza una dall'altra. Una elegante analisi effettuata
da Milonni e da altri nel National Laboratory di Los Angeles mostra come la
forza di Casimir sia dovuta alla pressione della radiazione derivante dalla
ZPE elettromagnetica di fondo che, a causa della presenza delle due piastre,
diviene sbilanciata, avendo come risultato che le due piastre vengono spinte
una contro l'altra.
Da questo effetto sembrerebbe quindi possibile estrarre energia elettrica
dal vuoto, e invero la possibilità di farlo è stata dimostrata
(quanto meno in via teorica) in un articolo di Robert Forward degli Hughes
Research Laboratories a Malibu, California.
Ma questo cosa ha a che fare con la nostre domande?
Cominciamo con la prima, e cioè come mai l'elettrone di un semplice
atomo di idrogeno non irradi la propria energia mentre ruota attorno al protone
nella propria comoda, stabile, orbita atomica. Questo argomento è stato
affrontato di nuovo in un recente lavoro dell'autore [Dr. H. E. Puthoff
, ndr], questa volta tenendo in considerazione quel che era stato appreso
nel corso degli ultimi anni sull'argomento ZPE.
Si è quindi visto che l'elettrone in effetti irradia continuamente
energia, come previsto dalla teoria classica, ma contemporaneamente assorbe
un uguale ammontare di energia dall'onnipresente oceano di ZPE in cui
l'atomo è immerso, e l'equilibrio fra questi due processi
simultanei conduce ai valori corretti dei parametri noti per le orbite atomiche.
Quindi, l'orbita stabile di un elettrone è definita dall'equilibrio
dinamico nel quale il collasso dell'orbita stessa è evitato grazie
alla presenza della ZPE. L'importanza di questa osservazione risiede
nel fatto che la stabilità della materia stessa sembra dipendere dalla
presenza di un sottostante oceano di ZPE.
Riguardo all'attrazione gravitazionale così ben descritta dalla
teoria di Einstein, la sua natura fondamentale ancora non è ben compresa.
Se osservata semplicemente secondo la Legge di Newton, o seguendo rigorosamente
i termini della Relatività Generale, la teoria gravitazionale è
fondamentalmente di natura descrittiva, ma non rivela nulla delle dinamiche
che soggiacciono a questa descrizione.
Come risultato, i tentativi di unificare la gravità e le altre forze
(elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole) o di sviluppare una teoria
quantistica della gravità si sono scontrate ripetutamente con difficoltà
che possono essere ascritte ad una mancanza di comprensione ad un livello
fondamentale. Per ovviare a queste difficoltà, i fisici teorici sono
di volta in volta ricorsi a livelli sempre maggiori di sofisticazione ed astrazione
matematica, come nel caso delle recenti teorie sulla “supergravità”
o sulle “superstringhe”.
Seguendo una strada completamente diversa nell'affrontare questi problemi,
negli anni '60 il famoso fisico russo Andrei Sakharov ha avanzato l'ipotesi
– per certi versi radicale – che la gravità non sia affatto
una interazione fondamentale quanto piuttosto un effetto secondario oppure
residuo associato ad altri campi, non gravitazionali.
Nello specifico, Sakharov ha suggerito che la gravità possa essere
un effetto indotto da cambiamenti della ZPE nel vuoto, causato dalla presenza
di materia. Se l'ipotesi fosse corretta, allora la gravità potrebbe
essere interpretata come una variante dell'Effetto Casimir, della quale
sarebbe responsabile la pressione nella ZPE di fondo.
Anche se Sakharov non ha ulteriormente sviluppato il concetto, ha delineato
però i criteri che una simile teoria dovrebbe soddisfare, così
come ha calcolato il valore che la costante gravitazionale G dovrebbe avere
in termini di ZPE.
L'approccio alla gravità esposto da Sakharov è stato di
recente affrontato in dettaglio, e con risultati positivi, dall'autore
[Dr. H. E. Puthoff , ndr]. L'interazione gravitazionale – si è
visto – inizia quando una particella, annegata nell'oceano di fluttuazioni
elettromagnetiche della ZPE, sviluppa un movimento “agitato”, o ZITTERBEWEGUNG come è chiamato. In presenza di due o più particelle, queste sono influenzate non solo dalla fluttuazione del campo di fondo, ma
anche dai campi generati dalla altre particelle “agitate”, tutte
sottoposte allo stesso ZITTERBEWEGUNG, e l'interazione fra questi campi
produce una forza gravitazionale attrattiva.
La gravità può così essere spiegata come una specie
di forza di Casimir a lungo raggio. A causa della propria natura elettromagnetica,
la teoria gravitazionale in questa forma costituisce ciò che nella
letteratura scientifica è conosciuta come la Teoria “Già
Unificata”.
Il maggior pregio di questo nuovo approccio è che fornisce una base
per comprendere le varie caratteristiche dell'interazione gravitazionale
fino ad ora non spiegate. Questo include la relativa debolezza della forza
gravitazionale in circostanze ordinarie (che sembra dovuta al fatto che il
valore della costante G dipende in maniera inversamente proporzionale dalle
alte frequenze dello spettro della fluttuazione di punto-zero); l'esistenza
di una massa positiva ma non di una negativa (collegata al fatto che la base
dei parametri di massa deriva dall'energia cinetica, che è solo
positiva); e il fatto che la gravità non possa essere schermata (una
conseguenza del fatto che il “rumore” delle fluttuazioni di punto-zero
non può, in generale, venir schermato, un fattore che in altri contesti
stabilisce il valore minimo al di sotto del quale un segnale elettromagnetico
non è più udibile).
In quanto alla domanda “Da dove proviene l'onnipresente ZPE elettromagnetica?”,
storicamente esistono due scuole di pensiero: esistenza come semplice condizione
dell'universo, oppure generazione dovuta al movimento (fluttuazione quantistica)
delle particelle cariche che costituiscono la materia.
L'autore [Dr. H. E. Puthoff , ndr] ha recentemente eseguito alcuni calcoli
basandosi sulla seconda ipotesi, e si è ipotizzato che i campi di punto-zero
guidino i movimenti delle particelle, e che di contro la somma dei movimenti
delle particelle nell'universo generi i campi di punto-zero, dando forma
a un ciclo cosmologico auto-rigenerante non dissimile da un cane che si morda
la coda.
Questo approccio auto-consistente ha spiegato la distribuzione nota dei campi
di punto-zero, indicando così l'esistenza di un processo di generazione
dinamica dei campi di punto-zero.
Ora veniamo alla domanda sul perché la teoria quantistica funziona.
Anche se la conoscenza dei campi di punto-zero è emersa dallo studio
della fisica quantistica mano a mano che abbiamo approfondito la nostra conoscenza,
il Professor Timothy Boyer del City College di New York ha un'idea differente.
Egli cominciò domandandosi, alla fine degli anni '60, cosa sarebbe
successo se avessimo preso la fisica classica così come la conosciamo
e vi avessimo introdotto un sottofondo di campi fluttuanti in maniera casuale
del tipo di distribuzione spettrale del punto-zero.
Potrebbe un simile modello, completamente classico, riprodurre completamente
la teoria quantistica, e potrebbe questa possibilità essere stata completamente
ignorata dai fondatori della teoria quantistica, che non erano assolutamente
a conoscenza dell'esistenza di questi campi fluttuanti di fondo?
Boyer cominciò in primo luogo con l'analizzare le domande che
avevano condotto all'introduzione della teoria quantistica, come la curva
di radiazione di un corpo oscuro e l'effetto fotoelettrico.
Uno ad uno i risultati noti della fisica quantistica vennero riprodotti da
questo approccio neoclassico, a cui ora generalmente ci si riferisce come
Elettrodinamica Stocastica (Stochastic Electrodynamics, SED), per distinguerla
dalla elettrodinamica quantistica (quantum electrodynamics, QED).
Invero, Milonni a Los Alamos ha fatto notare, rivedendo i lavori di Boyer,
che se i fisici del 1900 avessero pensato a questa strada, probabilmente si
sarebbero sentiti più a proprio agio con questo approccio classico
che con l'ipotesi quantistica di Planck… e possiamo solo immaginare
quale direzione avrebbe allora preso la fisica.
La lista di argomenti analizzati con successo dalla SED (che ha prodotto
risultati quantitativi perfettamente in linea con quanto previsto dalla QED)
è stata allargata fino ad includere l'oscillatore armonico, le
forze di Casimir e di Van der Waals e gli effetti termici dell'accelerazione
nel vuoto, giusto per dirne alcuni.
Da questo lavoro si capisce il perché dell'esistenza di fenomeni
come il Principio di Indeterminazione, il movimento senza fine delle particelle
in movimento, l'esistenza della forza di Van der Waals anche allo zero
assoluto, e così via: sono tutti dovuti all'influenza dell'incessante
attività casuale dei campi di fondo.
In verità, ci sono anche dei fallimenti plateali nella SED, come ad
esempio la trattazione delle derivate dell'Equazione di Schrodinger,
che si sono dimostrate un problema insormontabile.
Perciò, è improbabile che la teoria quantistica così
come la conosciamo ed abbiamo imparato ad apprezzare possa essere integralmente
sostituita dalla teoria neoclassica nell'immediato futuro. Non di meno,
i successi dimostrati fino ad oggi dalla SED, attraverso il suo evidenziare
il ruolo preminente delle fluttuazioni di punto-zero casuali di fondo, significano
che quando verrà scritto il capitolo finale della teoria quantistica
le fluttuazioni di campo nello spazio vuoto avranno una posizione d'onore.
E ora la domanda più importante di tutte: “Da dove viene l'Universo?”;
o, per usare una terminologia moderna: “Da cosa è stato originato
il Bag Bang?”.
Le fluttuazioni quantistiche nello spazio vuoto hanno qualcosa a che fare
con tutto ciò? Bene, il Professor Edward Tryon dell'Hunter College
della City University of New York ha pensato a qualcosa di simile quando nel
1973 ha proposto che il nostro Universo possa aver avuto origine da una fluttuazione
nel vuoto su larga scala, “una di quelle cose che, semplicemente, di
tanto in tanto capitano”.
Questa idea è stata successivamente ripresa e rifinita, nel contesto
della Cosmologia Inflazionaria, da Alexander Vilenkin della Tufts University,
il quale ha proposto che il nostro Universo sia stato creato da una fuoriuscita
quantistica dal nulla verso qualcosa che chiamiamo “il nostro Universo”.
Anche se è altamente speculativo, questo modello dimostra ancora una
volta che i fisici si trovano a dover rivolgersi al vuoto (e alle sue fluttuazioni)
se vogliono trovare delle risposte.
Per finire, quelli di voi che hanno una mente votata alle questioni pratiche
saranno rimasti con una domanda insoddisfatta: questa emergente Stele di Rosetta
della fisica può essere utilizzata per trasformare tutte queste speculazioni
in qualcosa di applicabile ? Gli ingegneri del futuro potranno specializzarsi
in “Ingegneria del Vuoto”? La crisi energetica potrà essere
risolta attingendo all'oceano di ZPE?
Dopo tutto, poiché la forma base della ZPE è di natura altamente
casuale e tendente all'autocancellazione, se trovassimo un modo di produrre
ordine dal caos allora, a causa della natura altamente energetica delle fluttuazioni
del vuoto, in linea di principio potremmo avere degli effetti positivi relativamente
grandi.
A questo punto, vista la nostra ignoranza sull'argomento, è meglio
condividere la affermazione fatta da Podolny che, ragionando sul medesimo
argomento, disse:
“Sarebbe presuntuoso negare la possibilità di ottenere applicazioni concrete, esattamente come sarebbe irresponsabile garantire che questa applicazioni siano possibili”.
Solo il futuro potrà rivelarci se l'Umanità sarà in grado di utilizzare quest'ultimo Fuoco degli Dei: la fluttuazione quantistica dello spazio vuoto.
↑FONTI PRINCIPALI
R. Podolny, "Something Called Nothing" (Mir Publ., Moscow,1986)
W. E. Lamb, Jr., and R. C. Retherford, "Fine Structure of the Hydrogen Atom by a Microwave Method," Phys. Rev. 72, 241 (1947)
P. W. Milonni, R. J. Cook and M. E. Goggin, "Radiation Pressure from the Vacuum : Physical Interpretation of the Casimir Force," Phys. Rev. A 38, 1621 (1988)
R. L. Forward, "Extracting Electrical Energy from the Vacuum by Cohesion of Charged Foliated Conductors," Phys. Rev. B 30, 1700 (1984)
H. E. Puthoff, "Ground State of Hydrogen as a Zero-Point Fluctuation-Determined State," Phys. Rev. D 35, 3266 (1987) See also science news article, "Why Atoms Don't Collapse," in New Scientist, p. 26 (9 July 1987)
A. D. Sakharov, "Vacuum Quantum Fluctuations in Curved Space and the Theory of Gravitation, Dokl. Akad. Nauk. SSSR (Sov. Phys. - Dokl. 12, 1040 (1968). See also discussion in C. W. Misner, K. S. Thorne and J. A. Wheeler, Gravitation (Freeman, San Francisco,1973), p. 426
H. E. Puthoff, "Gravity as a Zero-Point Fluctuation Force," Phys. Rev. A 39, 2333 (1989)
H. E. Puthoff, "Source of Vacuum Electromagnetic
Zero-Point Energy," subm. to Phys. Rev. A, (March 1989)
See review of SED by T. H. Boyer, "A Brief Survey of Stochastic Electrodynamics,"
in Foundations of Radiation Theory and Quantum Electrodynamics, edited by
A. O. Barut (Plenum, New York, 1980) See also the very readable account "The
Classical Vacuum," in Scientific American, p. 70 (August 1985)
E. P. Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?" Nature 246, 396 (1973)
A. Vilenkin, "Creation of Universes from Nothing," Phys. Lett. 117B, 25 (1982)