Autore: Stefan Heusler, Annette Lorke
E-mail: [email protected]
Video: QED – Materia, luce e vuoto
Clip dal video: Capitolo 5, Parte artistica
Regia: Stefan Heusler
Produzione: Sciencemotion, www.sciencemotion.de
Advanced level – Spiegazione per ragazzi 14-18 anni
Alla famosa conferenza di Shelter Island del 1947 i più importanti fisici americani
dell’epoca si riunirono per discutere lo stato dell’elettrodinamica quantistica. Durante
la Seconda Guerra Mondiale, Willis Lamb e Robert Retherford avevano migliorato la
tecnologia radar per usi militari. Alla fine della guerra, quando la ricerca di base poté
di nuovo concentrarsi su questioni non belliche, tali migliorie si rivelarono molto utili
per gli esperimenti sull’atomo di idrogeno. Prima della conferenza Lamb e Retherford
avevano raccolto dati sufficienti a dimostrare che la teoria di Paul Dirac sull’atomo di
idrogeno non era del tutto corretta. I loro risultati presentavano infatti un minuscolo
scostamento rispetto alle previsioni di Dirac. Alla conferenza di Shelter Island quello fu
uno degli argomenti più dibattuti.
La teoria di Dirac parte dal presupposto che l’elettrone sia una particella puntiforme
che avverte la forza di Coulomb nel potenziale creato dal nucleo atomico. Un elettrone
e il suo nucleo interagiscono, scambiandosi fotoni virtuali. Tuttavia, nella sua teoria
Dirac aveva dimenticato il potenziale creato dall’elettrone stesso; in altre parole, aveva
trascurato l’interazione dell’elettrone con sé stesso. Questa auto-interazione può
essere considerata anche come un fotone virtuale, emesso e riassorbito dall’elettrone.
Per questo motivo, non esistono elettroni liberi: ogni elettrone è circondato da una
nuvola di particelle virtuali che interagiscono costantemente con esso. In tal modo
l’elettrone interagisce con il vuoto quantistico, pur essendo l’unica particella “reale”.
Le particelle virtuali possono avere qualunque quantità di energia, ma per creare ad
esempio un fotone virtuale con energia ΔE = h*ν serve quantomeno il tempo Δt =
h/ΔE. Deve quindi essere soddisfatto il rapporto di incertezza energia-tempo.
Enormi quantità di energia possono essere create nel vuoto quantistico per periodi
brevissimi. Le particelle virtuali non sono osservabili direttamente, ma possono
esserlo indirettamente, tramite la loro interazione con quelle reali.
Nel linguaggio dell’elettromagnetismo classico, l’interazione dell’elettrone con se
stesso richiede la correzione del termine 1/r nel potenziale di Coulomb (nell’atomo di
idrogeno, r è la distanza fra l’elettrone e il nucleo). Includendo questo termine nella
teoria, i dati sperimentali si spiegano perfettamente.
L’interazione permanente con il vuoto quantistico fa sì che a un elettrone libero si
sovrappongano fotoni virtuali e coppie elettrone/positrone. Rispetto allo stato di
particella singola, lo stato caratterizzato da particelle virtuali viene modificato dal
fattore α ≈ 1/137 ≈ 0,0073 (la ‘costante di struttura fine’), che è un numero molto
piccolo. Poiché l’interazione con il vuoto quantistico è piccola, la correzione della
teoria di Dirac (che prende in esame solo lo stato dell’elettrone singolo) porta a una
variazione minima dei livelli energetici dell’atomo di idrogeno.
Siti sulla conferenza di Shelter Island e lo spostamento di Lamb:
http://en.wikipedia.org/wiki/Shelter_Island_Conference
http://en.wikipedia.org/wiki/Lamb_shift
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