Fluttuazioni nel vuoto

Il vuoto non è davvero vuoto, almeno non secondo le leggi della fisica quantistica. Secondo la meccanica quantistica, il vuoto, che secondo i concetti classici è letteralmente "nulla", pullula delle cosiddette fluttuazioni del vuoto. Si tratta di piccole fluttuazioni in un campo elettromagnetico, per esempio, che hanno una media pari a zero nel tempo, ma che possono deviare da questo valore per un breve momento. Jérôme Faist, professore presso l'Istituto di Elettronica Quantistica dell'ETH di Zurigo, e i suoi collaboratori sono ora riusciti a caratterizzare direttamente queste fluttuazioni del vuoto per la prima volta.

"Le fluttuazioni del campo elettromagnetico nel vuoto hanno conseguenze chiaramente visibili e, tra le altre cose, causano l'emissione spontanea di luce da parte di un atomo", spiega Ileana-Cristina Benea-Chelmus, ora dottoranda nel laboratorio di Faist e prima autrice dell'articolo appena pubblicato sulla rivista Nature. "Tuttavia, misurarli direttamente sembra inizialmente impossibile. I rivelatori convenzionali di luce, come i fotodiodi, si basano sul fatto che le particelle di luce - e quindi l'energia - vengono assorbite dal rivelatore. Tuttavia, non è possibile estrarre altra energia dal vuoto, che rappresenta lo stato energetico più basso di un sistema fisico".

Rilevamento elettro-ottico

Faist e i suoi colleghi hanno quindi deciso di misurare direttamente il campo elettrico delle fluttuazioni. Per farlo, hanno utilizzato un rilevatore basato sul cosiddetto effetto elettro-ottico. Questo rivelatore consiste in un cristallo in cui la polarizzazione (cioè la direzione di oscillazione) delle onde luminose può essere ruotata da un campo elettrico, ad esempio dal campo elettrico delle fluttuazioni del vuoto. In questo modo, il campo elettrico lascia una traccia visibile sotto forma di cambiamento della direzione di polarizzazione delle onde luminose. Due impulsi laser molto brevi (una frazione di trilionesimo di secondo) vengono inviati attraverso due punti diversi del cristallo con un leggero ritardo temporale e le loro polarizzazioni vengono misurate. Queste misure possono essere utilizzate per calcolare le correlazioni temporali e spaziali tra i campi elettrici istantanei nel cristallo.

Segnali minuscoli

Per garantire che i campi elettrici misurati in questo modo provengano effettivamente da fluttuazioni nel vuoto e non da radiazioni termiche di corpo nero, i ricercatori hanno raffreddato l'intero apparato di misura a meno 269 gradi Celsius. A queste basse temperature, non ci sono praticamente più fotoni di radiazione termica nell'apparato, quindi le fluttuazioni rimanenti nel campo elettrico devono provenire dal vuoto. "Tuttavia, il segnale misurato è davvero minuscolo", ammette l'ETH Faist, "e abbiamo dovuto spingere al limite le nostre capacità sperimentali di misurare i campi più piccoli". Un'altra sfida è rappresentata dal fatto che le frequenze delle fluttuazioni elettromagnetiche misurate con l'aiuto del rivelatore elettro-ottico sono nel settore dei PF, ossia diversi trilioni di oscillazioni al secondo. Nel loro esperimento, gli scienziati dell'ETH sono comunque riusciti a misurare i campi quantistici con una risoluzione spaziale e temporale inferiore a un periodo di oscillazione della luce.

Misure di fluttuazioni esotiche del vuoto

I ricercatori sperano di poter utilizzare il loro metodo per studiare casi ancora più esotici di fluttuazione del vuoto in futuro. Nel caso di forti interazioni tra fotoni e materia, come quelle che si possono generare nei risonatori ottici, secondo i calcoli teorici il vuoto dovrebbe essere popolato da un gran numero di cosiddetti fotoni virtuali. Con il metodo sviluppato da Faist e dai suoi collaboratori, dovrebbe essere possibile verificare queste previsioni teoriche.