ZPE: ZERO POINT ENERGY

TESTI E ARTICOLI SULLA ZPE

  1. Energia di Punto Zero e Campo di Punto Zero
  2. Energia di punto zero
  3. Fluttuazioni del vuoto quantistico: una nuova "stele di Rosetta" della fisica?

ENERGIA DI PUNTO ZERO E CAMPO DI PUNTO ZERO

Introduzione

La fisica quantistica afferma l’esistenza di un oceano di Energia di Punto Zero (Zero Point Energy, ZPE) sottostante il tessuto stesso dello spazio, in ogni suo punto.
Questa energia è una cosa differente rispetto alla radiazione cosmica di fondo e ci si riferisce ad essa anche come al “vuoto elettromagnetico quantistico”, poiché si tratta dello stato energetico più basso di uno spazio totalmente vuoto.
La quantità di questa energia è talmente elevata che molti fisici ritengono che, sebbene la sua esistenza sia una ineludibile conseguenza della teoria quantistica, essa non possa essere davvero reale; perciò, di norma, la sottraggono dalle equazioni.

Una minoranza di fisici, al contrario, ne accetta l’esistenza come reale, sostenendo che non possiamo misurare questa forma di energia dal momento che è la stessa ovunque, anche nei nostri corpi e negli strumenti di misurazione.
Da questo punto di vista, il mondo “ordinario” di materia ed energia non è altro che una schiuma che si forma sul mare di vuoto quantistico.
Ad una nave non interessa quanto sia profondo l’oceano sotto di essa, ma solo che esista e la sostenga; se l’oceano di ZPE è reale, allora esiste la possibilità che ad esso si possa attingere come fonte di energia, o possa essere utilizzato per generare una forma di propulsione adatta ai viaggi spaziali.


La propulsione e il movimento

Il motore, a elica o a reazione, di un aeromobile spinge indietro l’aria per far muovere il velivolo in avanti; l’elica di una barca fa lo stesso con l’acqua.
Sulla Terra esistono sempre l’aria o l’acqua da spingere per avanzare. Ma un razzo nello spazio non ha nulla a cui appoggiarsi, così deve portare con sé il proprio propellente da espellere per proiettarsi in avanti.
Il problema di base col propellente è che un veicolo spaziale che voglia inoltrarsi nello spazio profondo dovrà partire portando con sé tutto il carburante di cui potrà avere bisogno: questo comporta la necessità di imbarcarne sempre di più… allo scopo di poter portare altro carburante!
L’obiettivo da raggiungere per rendere praticabile l’esplorazione dello spazio profondo è il completo superamento della necessità di portare con sé il carburante.
Ma come è possibile generare una spinta senza bisogno di trasportare ed espellere carburante ?


L'effetto Casimir

Esiste una forza associata al vuoto quantistico elettromagnetico: il c.d. Effetto Casimir.
Questo effetto consiste in una attrazione fra due piastre metalliche, parallele fra loro, poste nel vuoto; questo effetto, di cui sono state eseguite accurate misurazioni, può essere attribuito a minuscoli sbilanciamenti nella ZPE nello spazio fra le piastre, rispetto allo spazio esterno alle piastre stesse.
Poiché questo effetto agisce simmetricamente su ambedue le piastre, non può essere utilizzato per la propulsione di un veicolo spaziale. Tuttavia, se dovesse essere identificata una variazione asimmetrica dell’Effetto Casimir e questo potesse venire sfruttato, un veicolo spaziale potrebbe in effetti viaggiare sospinto da questa forza.


Il procedimento Forward

Un esperimento, pubblicato dal fisico Robert Forward nel 1984, ha dimostrato come l’Effetto Casimir possa, in teoria, venir utilizzato per estrarre energia dal vuoto quantistico
Studi teorici nei primi anni ’90 hanno confermato che questo non è in contraddizione con le Leggi della Termodinamica (dal momento che la ZPE è differente da ogni forma di riserva termica).
Sfortunatamente, il “procedimento Forward” non può essere utilizzato per fornire un ciclo continuo di estrazione di energia: un “motore Casimir”, infatti, potrebbe operare una sola estrazione prima di diventare inutilizzabile.


Origine dell'energia di Punto Zero

La base teorica della ZPE risiede nel Principio di Indeterminazione di Heisenberg, una delle leggi fondamentali nella fisica quantistica.

La minore indeterminazione possibile nella misurazione di un momento temporale è specificata dalla Costante di Planck (che indicheremo con la lettera h). Una parallela indeterminazione esiste nelle misurazioni che coinvolgono l’energia.
Questa indeterminatezza non è dovuta ad alcun errore che sia possibile correggere nelle misurazioni, ma è piuttosto una proprietà intrinseca della natura stessa dell’energia e della materia.

Un utile strumento di verifica nella fisica è l’oscillatore armonico ideale: una massa ipotetica che si muove avanti e indietro su una molla ideale. Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg stabilisce che un simile oscillatore armonico – uno piccolo abbastanza da essere soggetto alla meccanica quantistica – non potrà mai giungere ad uno stato di quiete completa, perché in questo caso si troverebbe fermo (posizione nota) in uno stato esattamente zero di energia… il che è in contrasto con il principio stesso.
In questa situazione di quiete, l’energia minima media è metà di h per la frequenza di oscillazione f :

hf/2

Le onde radio, la luce, i raggi X e i raggi gamma sono tutte forme di radiazione elettromagnetica. In maniera classica, la radiazione elettromagnetica può essere rappresentata come un insieme di onde che attraversano lo spazio alla velocità della luce.
Queste onde non sono affatto “onde” di una qualche sostanza, quanto piuttosto increspature nello stato di un campo.
Queste onde trasportano energia, e ogni onda ha una sua specifica direzione, frequenza e stato di polarità.
Questo è chiamato “modo di propagazione del campo elettromagnetico”.

Ciascun “modo” è soggetto al principio di Heisenberg.
Per capirne il significato, la teoria della radiazione elettromagnetica quantizzata tratta ogni modo come se fosse l’equivalente del proprio oscillatore armonico. Da questa analogia si ricava che ogni modo del campo elettromagnetico deve possedere hf/2 della propria energia media.
In sé questo è un minuscolo ammontare di energia, ma esiste un numero enorme di modi, e l’energia stessa cresce secondo il quadrato della frequenza.
Il prodotto di una piccola quantità di “energia per modo” per l’enorme densità spaziale dei modi produce una gigantesca quantità teorica di energia per centimetro cubo.

Secondo questa linea di ragionamento, la fisica quantistica prevede che tutto lo spazio sia pieno di fluttuazioni elettromagnetiche di punto zero (chiamate Campo di Punto Zero), che creano un mare universale di ZPE.
La densità dell’energia dipende in maniera diretta dalla frequenza in cui cessano le fluttuazioni di punto zero.
Siccome lo spazio stesso diviene una schiuma quantistica indifferenziata alla distanza nota come Scala di Planck (10-33cm), si pensa che le fluttuazioni di punto zero debbano cessare alla corrispondente frequenza di Planck (1043 Kh).
Se fosse questo il caso, la densità di ZPE sarebbe 110 volte maggiore dell’energia radiante del centro del Sole!


Collegamenti all'inerzia e alla gravità

Quando il passeggero di un aereo si sente spingere contro il sedile mentre l’aereo stesso rulla lungo la pista, o quando il guidatore di un’auto si sente spingere a sinistra mentre sterza verso destra, cosa provoca la sensazione di spinta ?

Sin dal tempo di Newton questo è stato attribuito ad una proprietà intrinseca della materia, chiamata “inerzia”.

Nel 1994 è stato scoperto un processo che sembrerebbe dimostrare il coinvolgimento delle fluttuazioni di punto zero nelle sensazioni che si provano durante un cambiamento di velocità o direzione, entrambe essendo forme di accelerazione.
La fluttuazione di punto zero potrebbe quindi essere la causa dell’inerzia. Se questo fosse il caso, quindi, noi potremmo percepire la ZPE ogni volta che ci muovessimo.

Il principio di equivalenza richiede una analoga connessione per la gravità.
La Teoria Generale della Relatività di Einstein spiega efficacemente il moto di oggetti liberi di cadere lungo una geodesica (la via più breve fra due punti nello spaziotempo curvo), ma non fornisce alcun meccanismo che spieghi come generare una forza gravitazionale quando questi oggetti siano costretti a deviare dalla linea geodesica.
Si è scoperto che un oggetto sottoposto ad accelerazione o tenuto fermo in posizione in un campo gravitazionale sperimenterà lo stesso tipo di schema asimmetrico che in un campo di energia zero darebbe luogo ad una tale reazione: il peso misurabile sarebbe allora dovuto alla ZPE.

La possibilità che la ZPE elettromagnetica possa quindi venire utilizzata per la produzione di forze gravitazionali e inerziali apre la possibilità che, un giorno, sia l’inerzia che la gravità possano essere controllate e manipolate, con un profondo impatto sulla propulsione e sui viaggi spaziali.



FONTI PRINCIPALI

Gravity and the Quantum Vacuum Inertia Hypothesis
Alfonso Rueda & Bernard Haisch, Annalen der Physik, in press (2005).

Analysis of Orbital Decay Time for the Classical Hydrogen Atom Interacting with Circularly Polarized Electromagnetic Radiation
Daniel C. Cole & Yi Zou, Physical Review E, 69, 016601, (2004).

Inertial mass and the quantum vacuum fields
Bernard Haisch, Alfonso Rueda & York Dobyns, Annalen der Physik, 10, 393-414 (2001).

Stochastic nonrelativistic approach to gravity as originating from vacuum zero-point field van der Waals forces
Daniel C. Cole, Alfonso Rueda, Konn Danley, Physical Review A, 63, 054101, (2001).

The Case for Inertia as a Vacuum Effect: a Reply to Woodward & Mahood
Y. Dobyns, A. Rueda & B.Haisch, Foundations of Physics, Vol. 30, No. 1, 59 (2000).

On the relation between a zero-point-field-induced inertial effect and the Einstein-de Broglie formula
B. Haisch & A. Rueda, Physics Letters A, 268, 224, (2000).

Contribution to inertial mass by reaction of the vacuum to accelerated motion
A. Rueda & B. Haisch, Foundations of Physics, Vol. 28, No. 7, pp. 1057-1108 (1998).

Inertial mass as reaction of the vacuum to accelerated motion
A. Rueda & B. Haisch, Physics Letters A, vol. 240, No. 3, pp. 115-126, (1998).

Reply to Michel's "Comment on Zero-Point Fluctuations and the Cosmological Constant"
B. Haisch & A. Rueda, Astrophysical Journal, 488, 563, (1997).

Quantum and classical statistics of the electromagnetic zero-point-field
M. Ibison & B. Haisch, Physical Review A, 54, pp. 2737-2744, (1996).

Vacuum Zero-Point Field Pressure Instability in Astrophysical Plasmas and the Formation of Cosmic Voids
A. Rueda, B. Haisch & D.C. Cole, Astrophysical Journal, Vol. 445, pp. 7-16 (1995).

Inertia as a zero-point-field Lorentz force
B. Haisch, A. Rueda & H.E. Puthoff, Physical Review A, Vol. 49, No. 2, pp. 678-694 (1994).



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