Effetto Casimir, vuoto quantistico superluminare

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È stata davvero creata la prima “bolla di curvatura” al mondo? La scoperta accidentale sarebbe avvenuta nell’ambito di un progetto finanziato dal DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), dal team del Limitless Space Institute (LS) guidato dall’ex esperto di motori a curvatura della NASA, il dottor Harold G “Sonny” White.

Anche se la notizia è entusiasmante e c’è chi si immagina già di poter viaggiare tra le stelle, White avverte che ancora non siamo pronti per la costruzione di un motore a curvatura perfettamente funzionante.

Per essere chiari, la nostra scoperta non è un analogo della bolla di curvatura, è una vera, anche se umile e minuscola, bolla di curvatura“, ha detto in un intervista.

Un dispositivo di trasmissione della curvatura a forma di anello proposto per la prima volta dal fisico messicano Miguel Alcubierre. Crediti: Harold White
Un dispositivo di trasmissione della curvatura a forma di anello proposto per la prima volta dal fisico messicano Miguel Alcubierre. Crediti: Harold White

2021, anno della curvatura

L’idea del “motore a curvatura” è indiscutibilmente associata al mondo di “Star Trek“, nato negli anni ’60 del secolo scorso. È la tecnologia utilizzata dalle navi stellari per viaggiare più veloci della luce e funziona facendo scontrare materia e antimateria e convertendo l’energia esplosiva in propulsione. Anche se si tratta di una teoria alla base di una saga di fantascienza, gli scienziati hanno studiato e teorizzato per decenni viaggi nello spazio a velocità superluminali. Questo sarebbe in effetti il punto di svolta che potrebbe realmente trasformarci in una società interstellare.

La nostra attuale comprensione della velocità di curvatura risale al 1994, quando un fisico teorico di nome Miguel Alcubierre propose per la prima volta quello che da allora è stato chiamato Alcubierre drive.

L’Alcubierre drive è conforme alla teoria della relatività generale di Einstein per ottenere viaggi superluminali. “Con un’espansione puramente locale dello spaziotempo dietro l’astronave e una contrazione opposta davanti ad essa“, ha scritto Alcubierre nell’abstract del suo articolo, “è possibile un movimento più veloce della velocità della luce come visto da osservatori al di fuori della regione disturbata“. In sostanza, la bolla è la cornice di riferimento inerziale per qualsiasi oggetto che vi si trovi all’interno, ove gli effetti relativistici convenzionali come la dilatazione del tempo non si applicherebbero. Il corpo all’interno della bolla, infatti, non si muove ma cavalca l’onda, ossia viene trasportato con la bolla stessa in cui continuerebbero ad applicarsi e regole della fisica. Il problema è che per mettere in atto una teoria del genere servirebbe un enorme quantità di energia, probabilmente più di quella disponibile nell’intero Universo e di materia esotica (in questo caso energia negativa).

Tuttavia, altri scienziati e persino la NASA hanno studiato l’argomento per anni.
Anche se non sono mai stati raggiunti risultati concreti ed eclatanti, a marzo 2021, gli scienziati dell’Advanced Propulsion Laboratory (APL) di Applied Physics hanno pubblicato un primo documento interessante su modello di motore a curvatura fisico che non richiede energia negativa. Il nuovo concetto utilizza bolle galleggianti dello spaziotempo piuttosto che navi galleggianti nello spaziotempo. Ovviamente anche in questo caso siamo lungi dalla pratica ma “il lavoro suggerisce un metodo per costruire tali oggetti basato su leggi della fisica pienamente comprese“, dicono i ricercatori. D’altra parte l’energia negativa nel modello di Alcubierre è solo l’elemento necessario per imprimere una curvatura opposta allo spazio, rispetto a quella generata dalla massa e dall’energia normale ma lo stesso risultato potrebbe essere ottenuto in altri modi.

Rappresentazione di una Alcubierre drive Crediti: AllenMcC/Creative Commons
Rappresentazione di una Alcubierre drive Crediti: AllenMcC/Creative Commons

Poco dopo, l’astrofisico Erik Lentz dell’Università di Göttingen ha proposto un progetto teorico di un motore a curvatura effettivamente basato sulla fisica convenzionale. La teoria di Lentz supera la necessità di una fonte di materia esotica nei progetti precedenti reinventando la forma dello spazio deformato. L’idea di Lentz è basata sui solitoni iperveloci.

Le onde solitarie o solitoni, in matematica e fisica, sono soluzioni, costituite da impulsi viaggianti senza alterazione di forma e senza smorzamento, di certe equazioni delle onde non lineari (in natura, un esempio sono gli tsunami). In questo contesto, il solitone, anche chiamato informalmente “bolla di curvatura”, è un’onda compatta che mantiene la sua forma e si muove a velocità costante (come una singola increspatura che si muove costantemente attraverso un lago calmo). Lentz ha ricavato le equazioni di Einstein per diverse configurazioni di solitoni finché non ne ha trovata una che funzionasse con fonti di energia convenzionali e senza la necessità di alcuna materia esotica.

Questo lavoro ha spostato il problema dei viaggi più veloci della luce a un passo dalla ricerca teorica nella fisica fondamentale e più vicino all’ingegneria“, ha affermato Lentz in una nota. Ma la bolla di curvatura di Lentz non supera ancora uno dei più grandi ostacoli del viaggio superluminale: l’immensa quantità di energia necessaria per deformare lo spaziotempo. La creazione di una bolla di curvatura per un veicolo spaziale largo 200 metri che viaggia alla velocità della luce richiede circa 100 volte l’energia contenuta nella massa di Giove, ha affermato Lentz. Si tratta di circa 30 ordini di grandezza in più rispetto alla potenza dei moderni reattori nucleari.

Il dottor Harold G “Sonny” White

Oltre un decennio dopo la teoria di Alcubierre, il dottor White, allora impiegato dalla NASA in propulsione a curvatura e fondatore del rispettato laboratorio Eagleworks, ha rielaborato la metrica originale di Alcubierre in forma canonica. Un cambiamento che ha ridotto drasticamente i materiali esotici e i requisiti energetici del concetto originale, fornendo apparentemente ai ricercatori e agli appassionati di fantascienza almeno un barlume di speranza che un motore a curvatura possa un giorno diventare realtà.

White ha apportato miglioramenti al modello originale e nel 2003 e nel 2011 sono stati fatti passi da gigante nella teoria, apparentemente rendendo l’impossibile un po’ più possibile. Oggi il modello leader per i viaggi più veloci della luce è soprannominato Alcubierre/White Warp Drive.

Nel decennio successivo, il dottor White ha lavorato con la NASA, il DARPA e persino la Lockheed Martin Skunkworks, continuando a perfezionare il suo concetto di warp drive.

Nel 2018, White ha lasciato la NASA e ha portato con sé il suo lavoro sulla propulsione avanzata. Si è unito al nascente Limitless Space Institute, un gruppo di scienziati e ingegneri guidati dall’obiettivo del viaggio nello spazio profondo.

Quando White ha iniziato la sua ultima ricerca finanziata dalla DARPA sulle cavità personalizzate Casimir (una struttura unica su microscala con molte applicazioni promettenti), non si aspettava di imbattersi nuovamente nel concetto di curvatura. E la scoperta è stata del tutto accidentale perché le cavità di Casimir e le allettanti forze su scala quantistica spesso osservate in queste strutture insolite non sono in alcun modo correlate alla teoria o alla meccanica del viaggio superluminale. Possiamo dire che è stata davvero una fortuna che proprio il dottor White, uno dei “massimi esperti di curvatura” del pianeta Terra si trovasse nel posto giusto nel momento giusto per riconoscere un’osservazione che, altrimenti, sarebbe potuta passare inosservata.

Cosa è stato scoperto

White e il suo team stavano conducendo studi teorici per il DARPA, studiando la geometria una cavità Casimir standard a piastre parallele e in diverse configurazioni, dotata di pilastri disposti lungo il piano mediano della cavità. L’obiettivo era tentare di misurare la presenza di una struttura nella densità di energia negativa del vuoto all’interno di una cavità Casimir personalizzata.

Mentre si conduceva un’analisi relativa a un progetto finanziato dalla DARPA per valutare la possibile struttura della densità di energia presente in una cavità di Casimir come previsto dal modello del vuoto dinamico“, si legge nel documento, “è stata scoperta una struttura su micro/nanoscala che prevede una distribuzione delle densità di energia negativa che corrisponde strettamente ai requisiti per la metrica di Alcubierre“.

Il cosiddetto effetto Casimir venne teorizzato negli anni ’40 del secolo scorso e prevede che, in determinate condizioni, si può sviluppare una forza attrattiva tra due corpi nel vuoto (le piastre dell’esperimento) a causa di una differenza di energia nei campi quantistici tra l’esterno e l’interno della cavità.

Il modello del vuoto dinamico suggerisce che lo stato della densità di energia negativa del vuoto nella cavità non è un valore isotropo che è costante in tutta la geometria che lo racchiude ma ha una variazione spaziale e può manifestare una struttura complessa.

Il team ha quindi valutato numericamente la risposta del vuoto alla cavità di Casimir utilizzando una tecnica analitica specifica chiamata “numeri worldline“. Durante tale analisi i ricercatori hanno scoperto che “questi risultati erano qualitativamente abbastanza simili a una rappresentazione bidimensionale dei requisiti di densità di energia per la metrica di distorsione di Alcubierre“.

Si dà il caso che la struttura del campo attorno al pilastro nel grafico bidimensionale sia qualitativamente molto simile a un grafico della densità di energia del vuoto negativa necessaria per la metrica di curvatura di Alcubierre”, scrive il team.

Successivamente hanno testato (sempre teoricamente) un modello minuscolo utilizzando una sfera di 1 micron di diametro al centro di un cilindro di 4 micron di diametro per mostrare che una densità di energia Casimir tridimensionale corrisponde ai criteri della metrica di distorsione di Alcubierre.

Per quanto ne so, questo è il primo documento nella letteratura sottoposta a revisione paritaria che propone una nanostruttura realizzabile che si prevede manifesti una reale, sebbene umile, bolla di curvatura“, ha dichiarato White (anche se forse il termine “blocca di curvatura” è un po’ troppo ottimista).

Confronto della densità di energia per la valutazione numerica della cavità Casimir personalizzata (a sinistra) e del requisito di densità di energia del modello Alcubierre (a destra)
Confronto della densità di energia per la valutazione numerica della cavità Casimir personalizzata (a sinistra) e del requisito di densità di energia del modello Alcubierre (a destra)

Questa scoperta fortuita, ha detto, non solo conferma la prevista struttura “toroidale” e gli aspetti energetici negativi di una bolla di curvatura ma ha anche indicato i potenziali percorsi che i ricercatori potranno seguire quando cercheranno di progettare, e un giorno costruire, una vera astronave a curvatura.

Il team ha anche proposto un secondo esperimento testabile che prevede di mettere un certo numero di queste pseudo bolle di curvatura Casimir in serie, in una configurazione a catena. Tale progetto, ha affermato White, consentirebbe agli scienziati di comprendere meglio la fisica della struttura della bolla di curvatura già creata, nonché il modo in cui un giorno un’imbarcazione potrebbe attraversare lo spazio reale all’interno di tale bolla di curvatura.
Aggregandone un gran numero di seguito, possiamo aumentare l’entità dell’effetto in modo da poterlo vedere (e studiarlo)“, ha affermato.

Però, “al momento non c’è alcun piano per farlo“, ha spiegato White, poiché “siamo concentrati sulle cavità personalizzate Casimir“.

Dato che il DARPA sta pagando il laboratorio LSI Eagleworks per esplorare le cavità di Casimir e non la scoperta accidentale di una bolla di curvatura, indipendentemente dalle sue implicazioni potenzialmente sconcertanti, non sorprende che White e il suo team rimangano focalizzati sul lavoro da svolgere. Speriamo che presto arrivino aggiornamenti.

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