Avete mai visto un cristallo birifrangente?
È una cosa capace di dividere la luce in due, sdoppiando l’immagine che vi vedete attraverso. Come fa questo cristallo di calcite:
Un cristallo di calcite birifrangente (da Wikipedia)
Questo perchè? Perchè le onde elettromagnetiche che costituiscono la luce hanno una caratteristica detta polarizzazione. Ovvero, in parole molto povere, le onde luminose oscillano in direzioni diverse. Tale direzione si chiama polarizzazione. Così:
La luce che arriva da una sorgente normale (non polarizzata) vibra lungo angoli diversi anche se va nella stessa direzione (vedete le varie onde inclinate l'una rispetto all'altra). Un filtro polarizzatore seleziona solo le onde che oscillano in una direzione.
Chi si occupa di fotografia per esempio avrà quasi certamente usato un filtro polarizzatore, ovvero un filtro che non fa passare la luce che ha una certa polarizzazione rispetto ad esso. Un materiale birifrangente fa una cosa leggermente diversa: invia onde polarizzate diversamente lungo due direzioni leggermente diverse. In pratica divide il vostro fascio di luce in due.
Birifrangenza: luce polarizzata diversamente è inviata in due direzioni diverse dal cristallo.
Che questo lo facciano alcuni cristalli è noto dal 1669, quando lo scoprì il danese Rasmus Bartholin. Ben più recente -e ben più sorprendente- è la predizione che il semplice spazio vuoto possa essere birifrangente, in presenza di un campo magnetico. Questo effetto venne previsto da Werner Heisenberg (quello del principio di indeterminazione) e da un altro fisico tedesco, Hans Heinrich Euler (niente a che vedere col matematico Eulero!). In pratica, il modo in cui la luce passa nel vuoto è diverso a seconda che sia polarizzata parallelamente o meno rispetto al campo magnetico. Le onde elettromagnetiche parallele al campo saranno rallentate rispetto a quelle perpendicolari, e i due tipi di raggi si propagheranno in direzioni diverse.
A livello pratico, per i campi magnetici che possiamo creare qui da noi, l’effetto è assolutamente minuscolo (come forse avrete notato, mettervi un magnete davanti agli occhi non vi fa vedere doppio!) ma è quello che i fisici dell’esperimento PVLAS, condotto tra Ferrara e Padova e guidato da Guido Zavattini, stanno cercando di osservare da numerosi anni (Nel 2005 sembrava che avessero ottenuto dei risultati, ma ahinoi si trattava di un artefatto sperimentale). Recentemente hanno pubblicato su arXiv il loro ultimo rapporto sullo status dell’esperimento, dove annunciano di aver trovato il miglior limite mai misurato alla potenza di tale effetto -ovvero, non l’hanno osservato, e quindi sanno, data la sensibilità dello strumento, quanto può essere forte al massimo.
Perchè questo è importante? PVLAS è importante non solo per confermare le esotiche proprietà del vuoto quantistico sottoposto a immensi campi magnetici (quali possono esistere in natura per esempio vicino a stelle enormemente magnetiche note -non a caso- come magnetar). La birifrangenza del vuoto è strettamente correlata infatti alla presenza o meno di certi tipi teorici di materia oscura -e uno degli obiettivi di PVLAS è capire se esistono certe particelle di materia oscura come ad esempio gli assioni. L’esistenza di queste particelle renderebbe più forte l’effetto di birifrangenza del vuoto, permettendo di conoscerle indirettamente. Per ora PVLAS ci dice soltanto che tale effetto non è ancora abbastanza forte da essere osservato (il che è già qualcosa, in quanto permette di escludere alcune teorie a favore di altre, per esempio). Ma aspettiamo e vediamo: nel frattempo è bello sapere che la fisica italiana fa ottime cose anche al di fuori di LHC.
Preprint:
Guido Zavattini, Ugo Gastaldi, Ruggero Pengo, Giuseppe Ruoso, Federico Della Valle, Edoardo Milotti. Measuring the magnetic birefringence of vacuum: the PVLAS experiment , arXiv:1201.2309v1 [hep-ex], (Submitted on 11 Jan 2012)