Gli spazi vuoti nel buio sembrano completamente privi di tutto, ma è solo un’illusione. Anche lo spazio intergalattico (se si escludono polveri e particelle) contiene comunque qualche atomo di idrogeno per metro cubo. Ora, alcune simulazioni che sembrano uscite da un film di fantascienza hanno mostrato che la luce, almeno nel regno della fisica quantistica, potrebbe emergere praticamente dal “nulla”.
Ma come può un fascio di luce materializzarsi dal nulla assoluto, senza nemmeno la minima particella di polvere? La risposta arriva dalla teoria dei campi quantistici, secondo cui anche nelle regioni di spazio completamente “vuote” non esiste un vero silenzio energetico: si tratta piuttosto di un ribollire continuo di fluttuazioni elettromagnetiche, particelle e onde che appaiono e scompaiono in frazioni di secondo. Attraverso una serie di simulazioni 3D realizzate con un software chiamato OSIRIS, un gruppo di fisici dell’Università di Oxford guidato da Zixin Zhang ha osservato come raggi laser estremamente intensi possano perturbare queste fluttuazioni e riorganizzarle in nuovi schemi di luce.
Zhang e il suo team sono riusciti a riprodurre virtualmente un fenomeno previsto dalla fisica quantistica noto come four-wave mixing nel vuoto. In pratica, quando due o tre lunghezze d’onda interagiscono in condizioni estreme, possono generare una o due nuove lunghezze d’onda senza che venga aggiunto “materiale” dall’esterno. Studi precedenti avevano ipotizzato che campi energetici sufficientemente intensi potessero polarizzare, o addirittura “rompere”, il vuoto stesso. Nelle simulazioni, tre impulsi laser potentissimi hanno generato coppie elettrone-positrone virtuali nel vuoto, entità che si comportano allo stesso tempo come particelle e come onde. La polarizzazione, in questo contesto, indica la direzione delle oscillazioni dell’onda rispetto alla sua propagazione.
«Il vuoto quantistico è attraversato da fluttuazioni energetiche da cui emergono coppie virtuali elettrone-positrone», ha spiegato Zhang in uno studio pubblicato su Physics Communications. «La presenza di queste particelle virtuali introduce non linearità nel vuoto, che interagiscono con impulsi laser ad altissima potenza modificandone le proprietà».
Un altro fenomeno osservato è la birifrangenza. Quando la luce attraversa campi elettromagnetici molto intensi, può subire una variazione nella polarizzazione, come se si “sdoppiasse” seguendo due traiettorie differenti. Nei materiali reali, la birifrangenza è utilizzata, ad esempio, nei prismi polarizzatori, fondamentali in microscopia e fotografia. Nella simulazione, questo effetto è apparso nel vuoto stesso, perché la polarizzazione delle coppie elettrone-positrone veniva alterata dal passaggio dei laser.
E non si trattava di laser qualsiasi: parliamo di laser petawatt. Strumenti multi-petawatt come l’Extreme Light Infrastructure (ELI) in Romania possono generare impulsi doppi da 10 petawatt ciascuno. Un petawatt equivale a 10¹⁵ watt, cioè circa 10.000.000.000.000 lampadine accese contemporaneamente.
Anche se gli elettroni e i positroni coinvolti nelle simulazioni sarebbero normalmente impossibili da osservare direttamente, questi risultati suggeriscono che, in futuro, l’uso di laser di questo tipo potrebbe renderli “visibili” indirettamente. Si aprirebbe così una finestra su una fisica estremamente esotica, al momento confinata al mondo digitale, ma potenzialmente verificabile in laboratorio.
Soprattutto con la nuova generazione di laser petawatt in arrivo. Il prossimo impianto del Central Laser Facility nel Regno Unito avrà un fascio principale da circa 20 petawatt, supportato da altri otto fasci secondari meno potenti. Anche l’Università di Rochester, nello stato di New York, sta lavorando al progetto EP-OPAL, che punta a due fasci da 25 petawatt e prevede tra i primi esperimenti proprio uno studio del four-wave mixing per la diffusione dei fotoni.
«Guardando avanti, il nostro solver potrebbe essere utilizzato per studiare interazioni con forme d’impulso innovative […] e fasci fortemente focalizzati», hanno spiegato i ricercatori di Oxford. «I risultati delle simulazioni possono integrare la teoria esistente e fornire punti di riferimento per futuri esperimenti con laser ad altissima potenza».