L'effetto Casimir

Parole chiave: effetto casimir, meccanica quantistica, fisica, energia non conservativa, piastra, energia del vuoto, energia del punto zero.

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L'effetto Casimir si manifesta sotto forma di una forza attrattiva molto debole tra due piastre metalliche parallele immerse in una cavità risonante (scatola metallica ermeticamente sigillata) in assenza di un campo elettromagnetico.

Secondo la teoria classica dell'elettromagnetismo e della meccanica classica, le due placche dovrebbero rimanere immobili poiché regnano nella cavità un vuoto assoluto di qualsiasi campo. Per essere in grado di muoversi, le placche metalliche hanno bisogno di energia che non possono disegnare da nessuna parte.

L'effetto Casimir è un puro risultato della teoria dei campi quantistici. È stato immaginato e calcolato da il fisico olandese Hendrick Casimir in 1948.

secondo teoria dei campi quantistici, il campo elettromagnetico (e questo vale anche per tutti i campi quantistici) ha stati energetici differenti. Lo stato di energia più basso - lo stato fondamentale - corrisponde all'assenza di quanti di energia (fotoni nel caso del campo elettromagnetico) o in altre parole al vuoto. Il primo stato "eccitato" è quello di un quanto di energia o uno stato di fotone. Il secondo stato eccitato è lo stato a due fotoni e così via.

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Tuttavia, la rappresentazione data dalla teoria del campo quantistico del vuoto è almeno paradossale. Questo vuoto è infatti pieno di energia che non è "materializzata" sotto forma di particelle. Tuttavia, per brevi periodi, questa energia può materializzarsi in particelle o quanti la cui vita è molto breve. Sono chiamate particelle virtuali. Sebbene qualificato come virtuale, gli effetti di questi quanti (i fotoni nel nostro caso) sono reali

Nella cavità, i quanti virtuali (i fotoni virtuali) "emergeranno" spontaneamente dal vuoto. Lo spettro di lunghezza d'onda di questi fotoni è continuo ma poiché la cavità è chiusa, la maggior parte delle frequenze sarà distruttiva e alla fine solo alcune frequenze particolari (chiamate modalità di risonanza) rimarrà nella cavità. Questo è il classico fenomeno della risonanza in a cavità risonante. Le modalità di risonanza sono caratterizzate dal fatto che la lunghezza d'onda della modalità è un intero sottomultiplo della distanza che separa le facce della cavità. Il numero di modi autorizzati è quindi proporzionale alla distanza che separa le facce della cavità.

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Nella configurazione che ci interessa, le risonanze sono stabilite tra le facce della cavità e le piastre e tra le piastre stesse. Se la distanza tra le piastre è inferiore alla loro distanza dalle facce della cavità, allora ci saranno più modalità di risonanza tra le facce della cavità e le piastre, che tra le piastre stesse. La pressione della radiazione esercitata sulle facce "interne" delle piastre è quindi inferiore a quella che si applica alle loro facce "esterne". Ciò si traduce in una forza molto debole che avvicina le piastre l'una all'altra.

Sebbene previsto dal 1948, questo effetto è stato osservato solo sperimentalmente per la prima volta nel 1997.

Per essere rigorosi, sarebbe necessario coinvolgere i quanti di tutti i campi quantistici esistenti. Ma questi campi richiedono molta energia per materializzarsi dal vuoto che si traduce in una bassa probabilità di materializzazione dei quanti associati rispetto al campo elettromagnetico. Pertanto, il loro contributo all'effetto Casimir è in gran parte trascurabile.

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L'effetto Casimir lo dimostracon il vuoto, è possibile generare movimento. In questo costituisce una grave violazione del principio classico di conservazione dell'energia e può misurare come la fisica quantistica possa confondere!

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