Effetto Casimir

Illustrazione dell'effetto Casimir tra due piastre parallele.

In fisica, l'effetto Casimir è la forza che si esercita fra due corpi estesi situati nel vuoto e dovuta non all'azione di un campo gravitazionale o elettromagnetico, ma alla presenza - nello spazio circostante i corpi - di un campo quantistico, detto di punto zero.
A causa del principio di indeterminazione di Heisenberg, l'energia di questo campo quantistico (energia del vuoto) è soggetta a fluttuazioni - descritte in termini di particelle virtuali - che si manifestano, a livello macroscopico, nell'interazione tra i due corpi per effetto di una forza.

Il fenomeno prende il nome dal fisico olandese Hendrik Casimir, che lo teorizzò, nel 1948, in base a considerazioni di meccanica quantistica, nel corso delle sue ricerche sull'origine delle forze viscose nelle soluzioni colloidali.

Formulazione matematica

Nella formulazione originaria, Casimir calcolò l'effetto per due lastre metalliche piane parallele, distanti tra loro pochi micron, tra le quali era stato creato il vuoto e che non erano soggette ad alcun campo elettromagnetico. La teoria prevedeva che solo le particelle virtuali la cui lunghezza d'onda fosse un sottomultiplo intero della distanza tra le lastre contribuissero all'energia del vuoto; in altre parole, potendo esistere tra le piastre solo queste particelle, l'interazione con le pareti interne dell'apparato provoca una 'spinta' verso l'esterno non più esattamente bilanciata da quelle che si trovano al di fuori. Il risultato è una forza netta non nulla che tende a sospingere le lastre l'una contro l'altra e che può essere misurata.

La forza di Casimir per unità di superficie ($F_c / A$), nel caso ideale di piastre metalliche perfettamente conduttive tra cui è stato creato il vuoto, è calcolata come:

${F_c \over A} = - \frac{d}{da} \frac{\langle E \rangle}{A} = -\frac {\hbar c \pi^2} {240 a^4} = -\frac {h c \pi}{480 a^4}$

dove:

$\hbar = \frac{h}{2\pi}$ è la costante ridotta di Planck,

$h$ è la costante di Planck,

$c$ è la velocità della luce,

$a$ è la distanza tra le due piastre,

$A$ è l'area delle piastre.

Il valore della forza è negativo e indica che la sua natura è attrattiva: la densità di energia decresce, infatti, avvicinando le lastre.

Per esempio, nel caso di lastre poste alla distanza di 1 micron (µm), la forza per unità di superficie risultante è di 0,0013 N/m². La presenza di $\hbar$ mostra quanto piccola sia $F_c / A$ e testimonia l'origine quanto-meccanica della forza.

Verifica sperimentale

Una delle prime verifiche fu quella condotta da Marcus Sparnaay presso il Philips Natuurkundig Laboratorium della Philips ad Eindhoven, nel 1958, dove cercò di misurare l'attrazione tra due piastre parallele. I risultati ottenuti non contraddicevano la teoria di Casimir, ma erano viziati da consistenti errori sperimentali.

L'effetto Casimir fu dimostrato sperimentalmente nel 1997 da Steven Lamoreaux presso l'Università di Washington a Seattle, che misurò la forza di attrazione tra una sfera ed una piastra separate da distanze comprese tra 0,6 μm e 6 μm.. Nello stesso anno, sulla scorta del successo ottenuto da Lamoreaux, Umar Mohideen e Anushree Roy dell'Università della California condussero un analogo esperimento su distanze comprese tra 0,1 e 0,9 µm..

Piuttosto che due piastre parallele - che richiedevano un allineamento estremamente preciso e non facile da ottenere per assicurare il parallelismo - gli sperimentatori statunitensi avevano utilizzato una piastra piana e una piastra sferica di raggio molto ampio. La prima misura con la configurazione originariamente proposta da Casimir (due piastre piane parallele) fu condotta solamente nel 2001, da un gruppo di ricercatori dell'Università di Padova (Giacomo Bressi, Gianni Carugno, Roberto Onofrio, e Giuseppe Ruoso) che ottennero un allineamento delle piastre con precisione submicrometrica tramite l'ausilio di microrisonatori.

Voci correlate

• Energia oscura
• Velocità superluminale

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Collegamenti esterni

• Effetto Casimir in ScienzaPerTutti
• (EN) Ruolo dell'E.C. nella deformazione delle membrane nei sistemi elettronici miniaturizzati

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