Effetto Casimir: la forza che il vuoto crea dal nulla

Avvicinate due lastre metalliche perfettamente lisce fino a una distanza di pochi milionesimi di millimetro, nel buio più assoluto e senza alcuna carica elettrica: scoprirete che qualcosa le spinge l'una verso l'altra. Quel "qualcosa" è il vuoto. L'effetto Casimir è la prova più elegante che lo spazio vuoto della fisica quantistica non è affatto vuoto, ma ribolle di energia. Predetto nel 1948 e misurato con precisione solo nel 1997, è uno dei fenomeni che meglio mostrano quanto la nostra intuizione del "nulla" sia sbagliata.

Una previsione nata da una conversazione con Bohr

Nel 1948 il fisico olandese Hendrik Casimir lavorava ai laboratori Philips di Eindhoven, studiando le forze fra le molecole nelle soluzioni colloidali. I conti non tornavano, finché un confronto con Niels Bohr non gli suggerì che tutto poteva derivare dall'energia di punto zero del campo elettromagnetico. Casimir riformulò il problema nel modo più semplice possibile: due piastre conduttrici, parallele, scariche, nel vuoto. La sua conclusione, pubblicata in poche pagine per l'Accademia reale olandese delle scienze, fu sorprendente: fra le due piastre doveva esistere una piccolissima forza attrattiva. Il calcolo completo è riassunto oggi nella voce enciclopedica Casimir effect ed è considerato un classico della fisica teorica.

Poco prima, insieme al collega Dirk Polder, Casimir aveva già studiato una forza imparentata, quella fra un atomo e una parete, oggi nota come forza di Casimir-Polder. In entrambi i casi il punto di partenza è lo stesso fenomeno che spiega le ordinarie forze di van der Waals fra le molecole: l'effetto Casimir può essere visto come la versione "macroscopica" e a lungo raggio di quelle attrazioni, in cui non contano più le singole molecole ma la geometria delle superfici e la velocità finita della luce.

Perché il vuoto spinge

La meccanica quantistica afferma che nessun campo può mai essere perfettamente a zero: anche nello spazio vuoto il campo elettromagnetico fluttua di continuo, popolando l'ambiente di cosiddetti fotoni virtuali di ogni lunghezza d'onda. Quando si inseriscono due piastre molto vicine, però, fra di esse possono "stare" solo le onde la cui lunghezza è compatibile con la distanza: come le note di una corda di chitarra, sono ammesse solo certe frequenze. All'esterno, invece, sono permesse tutte. Il risultato è che fuori dalle piastre la pressione del vuoto è leggermente maggiore che all'interno, e questa differenza le schiaccia l'una contro l'altra. La rivista Physics World l'ha definita con efficacia "una forza dal nulla".

La forza è debolissima e cresce in modo rapidissimo man mano che la distanza diminuisce: è proporzionale all'inverso della quarta potenza della separazione. A un micrometro di distanza è quasi trascurabile; a pochi nanometri diventa equivalente a una pressione di diverse atmosfere, abbastanza da dominare il comportamento dei microscopici ingranaggi dei sistemi micro-elettromeccanici.

Dalla teoria alla bilancia: la misura del 1997

Per quasi mezzo secolo l'effetto Casimir rimase una curiosità teorica: misurare una forza così minuscola sembrava impossibile. La svolta arrivò nel 1997, quando Steven Lamoreaux, allora all'Università di Washington, riuscì a quantificarla usando un pendolo a torsione sospeso in vuoto, con una lente sferica e una piastra ricoperte d'oro. I suoi risultati, pubblicati su Physical Review Letters nel gennaio 1997, concordavano con la previsione di Casimir entro circa il 5%. L'anno successivo Umar Mohideen e Anushree Roy migliorarono ulteriormente la precisione con un microscopio a forza atomica, chiudendo ogni dubbio sull'esistenza del fenomeno.

La difficoltà di queste misure è enorme: bisogna mantenere le superfici parallele e pulite a livello atomico, schermare ogni residua carica elettrica e separare il debole contributo del vuoto da tutti gli altri effetti spuri. È anche per questo che la teoria, formulata in poche righe nel 1948, ha dovuto attendere così a lungo una conferma diretta. Da allora gli esperimenti si sono moltiplicati, usando sfere, cilindri e perfino superfici nanostrutturate per studiare come la geometria modifichi l'intensità e perfino il segno della forza.

Una forza che si può perfino invertire

L'effetto Casimir non è solo un esercizio accademico. Nei dispositivi nanotecnologici può causare lo "stiction", cioè l'incollaggio indesiderato di componenti microscopici, ed è quindi un problema concreto per chi progetta microchip e sensori. Ma può anche essere addomesticato: nel 2009 un gruppo guidato da Federico Capasso ad Harvard dimostrò, in uno studio pubblicato su Nature, che scegliendo opportunamente i materiali immersi in un liquido la forza di Casimir può diventare repulsiva, aprendo alla possibilità di micro-ingranaggi quasi privi di attrito. C'è perfino chi specula, in modo molto più ipotetico, su un legame fra l'energia del vuoto e l'enigma dell'energia oscura cosmica. Il quadro teorico più generale, dovuto al fisico sovietico Evgenij Lifšic, mostra che l'attrazione dipende in modo sottile dalle proprietà ottiche dei materiali e dal mezzo che li separa: cambiando questi ingredienti si può, almeno in linea di principio, progettare la forza desiderata.

Il "nulla" che pesa

La lezione più profonda dell'effetto Casimir è filosofica oltre che fisica: ciò che chiamiamo vuoto è in realtà lo stato di minima energia di campi che non smettono mai di vibrare. Non è assenza, ma fondo brulicante della realtà. Due semplici piastre metalliche, avvicinate nel silenzio di una camera a vuoto, bastano a rendere quel ribollio misurabile con una bilancia. È uno dei rari casi in cui la fisica quantistica esce dalle equazioni e diventa una spinta che si può, letteralmente, pesare.