Fisica…MENTE #07
Per una volta avevamo trovato qualcosa che non faceva niente: il vuoto.
Niente atomi. Niente molecole. Niente gente che manda vocali di sette minuti. Finalmente pace.
Poi è arrivata la fisica quantistica e, con la delicatezza di uno che entra in casa alle tre di notte accendendo tutte le luci, ci ha spiegato che no: anche il vuoto può mettersi a fare cose.
Prima precisazione: no, lo spazio non diventa davvero un pezzo di vetro
La storia parte dalla birifrangenza del vuoto, una previsione dell’elettrodinamica quantistica, la QED. In condizioni normali il vuoto ci sembra, appunto, vuoto. Ma quando viene attraversato da un campo magnetico estremamente intenso, la teoria prevede che possa influenzare la propagazione della luce.
In pratica, diverse polarizzazioni della luce possono “sentire” indici di rifrazione leggermente diversi. È un comportamento che ricorda quello di certi cristalli birifrangenti. La differenza, abbastanza importante, è che qui non c’è nessun cristallo.
C’è il vuoto.
Che, evidentemente, aveva hobby che non ci aveva mai raccontato.
Per osservare il fenomeno serviva qualcosa di leggermente esagerato
Il problema è che i campi magnetici necessari sono immensamente più forti di quelli che possiamo produrre facilmente sulla Terra. E allora, come spesso accade quando il laboratorio non basta, gli astronomi hanno usato l’Universo come laboratorio.
La protagonista è 1E 1547.0−5408, una magnetar: una stella di neutroni con un campo magnetico superficiale superiore a 1014 gauss. Per confronto, il campo magnetico terrestre è così più debole che metterli nella stessa frase sembra quasi scortese.
Un gruppo di ricercatori ha combinato osservazioni nei raggi X e radio effettuate con IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), NICER e il radiotelescopio Parkes/Murriyang. Il risultato pubblicato su Nature mostra livelli di polarizzazione dei raggi X molto elevati: circa il 65% a 2 keV in media e, in alcune fasi della rotazione della magnetar, quasi l’80% nella banda 2–3 keV.
I normali modelli di emissione dalla superficie della stella faticano a spiegare da soli un segnale del genere. La propagazione dominata dalla birifrangenza del vuoto, invece, riesce a farlo in modo naturale.
Quindi abbiamo dimostrato che il vuoto è materia?
No. Ed è proprio qui che bisogna evitare il salto mortale carpiato da titolo sensazionalistico.
Il risultato non dice che il vuoto “diventa materia” e nemmeno che improvvisamente si riempie di sostanza. Dice qualcosa di più sottile e, secondo me, ancora più affascinante: nel quadro della teoria quantistica dei campi, il vuoto non è un semplice nulla passivo.
I campi quantistici esistono anche nello stato di minima energia. In presenza di campi magnetici estremi, le interazioni quantistiche previste dalla QED possono modificare il modo in cui la luce si propaga attraverso quello che, a livello classico, chiameremmo spazio vuoto.
Una previsione vecchia di novant’anni
La cosa ancora più bella è che l’idea non è nata ieri. Le fondamenta teoriche risalgono al 1936, con il lavoro di Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler sull’elettrodinamica quantistica in campi intensi.
Novant’anni dopo, una stella morta che ruota una volta ogni circa due secondi potrebbe averci offerto uno degli indizi osservativi più forti mai ottenuti di quel comportamento.
È anche per questo che gli autori dello studio usano un linguaggio prudente: parlano di un importante passo avanti nello studio della birifrangenza del vuoto, non di una sentenza definitiva e irrevocabile.
E quindi, alla fine, cos’è il vuoto?
La risposta breve sarebbe: complicato.
La risposta lunga è una delle ragioni per cui esiste questa rubrica.
Perché più proviamo a togliere cose dall’Universo, più scopriamo che anche quando pensavamo di essere arrivati al nulla… il nulla aveva ancora qualcosa da dire.
Morale: se un giorno qualcuno vi dice che non sta facendo niente, non fidatevi. Potrebbe essere un vuoto quantistico.
Fonti
- Nature — Vacuum birefringence and the polarized X-ray emission from a radio magnetar
- NASA Science — IXPE May Have Proven 90-Year-Old Theory
- Nature News & Views — Can empty space interact with light — and even change its properties?
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