Luce dal Nulla: la scoperta di Oxford che sembra fantascienza. Gli scienziati ci sono riusciti: ecco come hanno creato un raggio di luce dal vuoto assoluto.

Un team di scienziati dell’Università di Oxford ha compiuto un passo straordinario nel campo della fisica quantistica, simulando un fenomeno che sembra tratto dalla fantascienza: la creazione di luce, apparentemente dal nulla. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature.

Questo studio, che sfrutta potenti simulazioni al computer, si basa su una delle previsioni più sorprendenti della fisica quantistica: il vuoto non è davvero vuoto. Per i lettori di Scenari Economici, questa scoperta non è solo un affascinante progresso scientifico, ma potrebbe avere implicazioni rivoluzionarie per la tecnologia, l’energia e la nostra comprensione dell’universo.

Rappresentazione teorica dell’esperimento

Di cosa si tratta: luce dal vuoto quantistico

In fisica classica, un vuoto è semplicemente uno spazio privo di materia, luce o particelle. Tuttavia, la meccanica quantistica ci dice che anche il vuoto più assoluto è tutt’altro che “vuoto”. È un ribollire di particelle virtuali – in particolare coppie di elettroni e positroni – che appaiono e scompaiono in frazioni di secondo, secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg. Queste fluttuazioni energetiche, normalmente invisibili, possono essere influenzate da condizioni estreme, come l’interazione con laser ad altissima potenza.

Gli scienziati di Oxford hanno utilizzato un programma avanzato chiamato OSIRIS per eseguire simulazioni 3D estremamente dettagliate, ricreando un fenomeno teorico noto come mixing a quattro onde nel vuoto (vacuum four-wave mixing).

In parole semplici, quando tre potenti raggi laser si intrecciano in un vuoto, le particelle virtuali presenti in quello spazio possono essere “polarizzate” dall’energia dei laser. Questo processo permette ai raggi di mescolarsi e generare nuova luce, senza che sia necessaria alcuna materia fisica, come atomi o polvere. È come se la luce nascesse direttamente dal vuoto. 

Praticamente questi raggi laser

•  Creano un Campo di Forza Estremo: I laser usati in queste simulazioni sono tra i più potenti che si possano immaginare. Non sono come i comuni puntatori laser. Un impulso di questi laser crea un campo elettrico di un’intensità spaventosa, miliardi di miliardi di volte più forte di quello che puoi trovare in una presa di corrente.
• “Afferrano” le Particelle Virtuali: Quando questo campo di forza attraversa il vuoto, è così potente da “disturbare” le coppie di particelle virtuali. Invece di lasciarle scomparire subito, il campo elettrico le “afferra”: tira la particella negativa da una parte e quella positiva dall’altra.
• Polarizzano il Vuoto: Questa azione di separazione delle cariche è chiamata “polarizzazione del vuoto”. È il cuore della scoperta. È come se il vuoto, che dovrebbe essere neutro e uniforme, acquisisse una struttura, un “sopra” e un “sotto” (un polo positivo e uno negativo). Il nulla, di fatto, inizia a comportarsi come un materiale fisico, come un cristallo o un fluido.

Un altro effetto sorprendente emerso dalla simulazione è la birifrangenza del vuoto. In ottica tradizionale, la birifrangenza si verifica quando la luce si divide o cambia direzione passando attraverso un cristallo. In questo caso, però, il “cristallo” è il vuoto stesso, distorto dall’energia dei laser. Le particelle virtuali, sotto l’influenza di campi elettrici intensi, si allineano e modificano la polarizzazione della luce, creando un effetto ottico mai osservato prima, nemmeno in simulazioni.

Come è stato fatto: la potenza dei laser petawatt

Le simulazioni hanno coinvolto laser di livello petawatt, ovvero con una potenza di un milione di miliardi di watt – paragonabile all’energia di dieci trilioni di lampadine. Questi laser non esistono ancora in laboratorio con la precisione necessaria per testare il fenomeno, per questo gli scienziati sono stati costretti  a simularne gli effetti.

Queste simulazioni di Oxford hanno dimostrato che, in teoria, possono alterare il vuoto quantistico, cambiando la direzione dei raggi laser e generando nuova luce. Questo risultato rappresenta una prova concettuale di fenomeni previsti decenni fa, ma mai verificati sperimentalmente.

Perché è importante

Questa scoperta apre nuove prospettive in diversi campi:

• Fisica delle alte energie: Manipolare il vuoto quantistico potrebbe aiutarci a esplorare fenomeni oltre il Modello Standard, come la natura dell’energia oscura o la struttura dello spaziotempo.
• Tecnologie avanzate: La possibilità di controllare la luce con precisione estrema potrebbe portare a innovazioni nei sistemi laser, nelle comunicazioni o persino in nuove fonti di energia.
• Comprensione dell’universo: Capire come luce e materia interagiscono a livelli estremi potrebbe rispondere a domande fondamentali su cosa sia davvero la realtà.

Osservare questi fenomeni in laboratorio è estremamente complesso. I laser necessari sono così potenti da poter vaporizzare la maggior parte dei materiali, e gli effetti quantistici sono delicati e facilmente disturbati. Le simulazioni, però, sono uno strumento cruciale: permettono di definire le condizioni esatte per futuri esperimenti, riducendo i costi e i rischi di test fisici.

Il team di Oxford sta ora lavorando per esplorare configurazioni più complesse, come forme d’onda laser esotiche o schemi di raggi diversi. Queste simulazioni fungono da “mappa” per guidare esperimenti futuri, che potrebbero un giorno permetterci di trasformare il “nulla” del vuoto in qualcosa di tangibile, a partire da un raggio di luce.