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Titolo: Effetto Casimir nella ricerca sperimentale

Ho letto una tesi sperimentale di un dottorato di ricerca
sull'effetto
Casimir ... 220 pagine fra teoria, tecnologia e risultato a sorpresa.
Vedi:
http://www.roma1.infn.it/people/puppo/Tesi_dot.pdf
La sorpresa sta alla fine del lavoro (seguito da un'equipe di
professori ed esperti) dove si legge a pag. 202, fra l'altro:
"... Tuttavia, è stata rilevata la presenza di una forza repulsiva la
cui ampiezza è 2 ordini di grandezza (cioè 100 volte!) maggiore della
forza di Casimir attesa ..."
Mi chiedo se le difficoltà tecnologiche, innegabili, possano portare a
conclusioni così lontane da quelli ufficiali e quanto siano
attendibili i risultati sperimentali riportati sui libri di fisica.
Gianni


Ho letto tutto l'articolo riguardante l'esperimento sull'effetto
Casimir che mi ha impressionato per l'enorme complessità dell'apparato
tecnico necessario. Oltre al tuo giusto commento riguardo le enormi
differenze tra il risultato ottenuto e quello atteso, ho rilevato
anche qualcosa che è decisamente opposta a quanto avevo capito io.
Ecco il mio dubbio: nell'esperimento di Casimir le due piastre
subiscono una forza che le attira l'una verso l'altra, come avevo
sempre creduto, oppure le respinge con una forza di tipo
antigravitazionale?
Se è la seconda che ho detto, allora non avevo capito proprio niente.

 Se è la seconda che ho detto, allora non avevo capito proprio niente.
L'effetto Casimir e' molto dipendente dalla geometria,
dalla natura delle piastre e dalle proprieta' del materiale
interposto. Puo' essere sia repulsivo che attrattivo. Per
piastre parallele, con vuoto interposto,
il caso statico e' attrattivo come dici.
Il caso dinamico e' poi differente dall'effetto Casimir
statico. Comunque il caso in oggetto nella tesi che
e' del 1997 non e' forse una misura di effetto
Casimir che riguarda mezzi dielettrici?
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Inviato via 
http://arianna.libero.it/usenet/

 il caso statico e' attrattivo come dici.
Grazie della risposta.
Mi sapresti anche dare qualche ragguaglio? Nel caso delle piastre
parallele, ho letto che il numero di particelle virtuali presenti
all'esterno, è maggiore rispetto a quelle presento all'interno, quindi
esiste una qualche spiegazione che giustifica la forza che sospinge le
due piastre l'una verso l'altra.
Nel caso della forza repulsiva, si conoscono le cause del fenomeno?

fortuna...@gmail.com
 ha scritto:

Ciao,
dobbiamo considerare che la forza di Casimir dipende dalle condizioni al 
contorno, dalla geometria e dalla topologia del sistema in esame, dalle 
caratteristiche e dalla temperatura dei materiali. Casimir prese in 
esame due specchi metallici piani, posti ad una temperatura di 0 K, 
perfettamente riflettenti ed esattamente paralleli, posti a distanza L 
tale che l'area di uno specchio fosse molto maggiore di L^2; in questo 
caso la forza prevista è sempre attrattiva, e le conferme sperimentali 
sono ormai numerosissime ed in buon accordo (nei limiti di incertezza 
della misura: ovviamente le condizioni ideali di Casimir non esistono) 
con le predizioni teoriche.
Bisogna tenere presente anche che sia le condizioni al contorno, sia la 
configurazione del sistema, influiscono non solo sull'ordine di 
grandezza della forza di Casimir, ma anche sul suo segno (ecco delle 
caratteristiche per le quali ti dicevo che l'analogia con la forza di 
gravità mi sembra fuori luogo).
Se considerassimo la forza di Casimir fra due piastre parallele di 
materiale dielettrico o conduttore come l'evidenza macroscopica 
dell'attrazione molecolare di Casimir-Polder e delle forze di Van der 
Waals, otterremmo un risultato generalmente attrattivo, ed in accordo 
con le evidenze sperimentali (purché trascuriamo, ma prendi questa mia 
affermazione con beneficio di inventario, certi dielettrici per i quali, 
credo, la somma delle forze di Van der Waals e di Casimir-Polder 
potrebbe dare risultati sbagliati anche nel segno).
Se però andiamo a considerare la forza di Casimir fra una piastra che 
sia un conduttore perfetto ed una superficie infinitamente permeabile, 
con condizioni al contorno ibride (Neumann *e* Dirichlet), ci attendiamo 
una forza o attrattiva o repulsiva sotto diverse condizioni. Questi 
calcoli sono ben noti dal 1974 grazie a Boyer che considerò proprio 
questo caso su invito di Casimir; anche in seguito si è affermato che il 
segno della forza all'interno di cavità rettangolari dipenda dal 
rapporto delle superfici coinvolte. E qui, come disse il bardo, sorge il 
problema. Prima di tutto si tratta di un'approssimazione che non tiene 
conto del contributo della regione esterna al sistema. In secondo luogo, 
c'è un termine divergente associato alle condizioni di cui sopra che 
viene ignorato: è lecito, fisicamente, farlo?
Diventa indispensabile una verifica sperimentale. Ideando esperimenti 
*equivalenti* (che sfruttino per esempio alcuni, particolari pistoni di 
Casimir) che eliminino i problemi prima esposti, e dove si abbiano 
condizioni al contorno ibride Neumann-Dirichlet, potremmo mettere alla 
prova le predizioni teoriche nei limiti delle approssimazioni di misura; 
numerosi ricercatori hanno calcolato che in questi casi le forze di 
Casimir sono sempre repulsive al di sotto di certe distanze, e sono 
stati proposti esperimenti difficili ma non impossibili da realizzare in 
pratica nel prossimo futuro. Per difficoltà tecniche per ora una 
verifica sperimentale ancora manca, per quanto ne sappia io.
 > Nel caso della forza repulsiva, si conoscono le cause del fenomeno?
Certo, il fenomeno è già previsto e verrebbe correttamente inquadrato in 
caso di conferma sperimentale. In caso di smentita... saremmo in 
presenza di una anomalia in senso kuhniano (non popperiano, per Popper 
sarebbe una falsificazione :-)).
In entrambi i casi, comunque, avremmo risultati importanti per 
affrettare ricadute tecnologiche di grandissima rilevanza (MEMS e NEMS 
per esempio).
Ciao,
Paolo

 Nel caso della forza repulsiva, si conoscono le cause del fenomeno?
L'effetto Casimir dovrebbe svilupparsi tra due lastre poste nel vuoto
a distanze micrometriche.
Solo le particelle virtuali la cui mezza lunghezza d'onda è pari alla
distanza tra le lastre (frequenza fondamentale) e  i sottomultipli
interi (frequenze armoniche) possono "risuonare" all'interno delle due
lamine.
La densità di energia dovrebbe decrescere all'avvicinarsi delle
lastre, mentre resta costante la densità di energia delle particelle
virtuali che si trovano all'esterno delle piastre.
Questo determinerebbe una forza esterna maggiore che tenderebbe a far
congiungere le due piastre.
La forza sarebbe proporzionale all'inverso della quarta potenza della
distanza delle piastre.
Il fenomeno è difficile da identificarsi per le piccole distanze in
gioco e per la contemporanea presenza di altre forze (Van der Walls,
London).
Gianni

 forza di Casimir attesa ..."
fatemi capire...per favore. Io non ho letto la tesi in quanto sicuramente
non alla mia portata. Avevo letto a suo tempo,capendoli,alcuni articoli
sull'effetto Casimir. Vorrei sapere: l'impianto teorico di Casimir e gli
esperimenti di fine anni '90 che sembravano provarlo sono forse inficiati
dai risultati della tesi riportata oppure no ? grazie !

 due piastre l'una verso l'altra.
Ciao di nuovo,
dove lo hai letto?
Vorrei farti notare che questo modello è in contrasto con la teoria 
quantistica. Semplificando al massimo, il concetto di "numero di 
particelle virtuali" che citi, non può essere applicato in generale come 
proponi, perché il suo operatore non commuta con l'hamiltoniana del 
sistema e la quantità di particelle virtuali non è un numero definito, 
nemmeno prendendo unità di volume e di tempo. Possiamo rappresentare 
tale quantità "solo" come una distribuzione di probabilità. A meno che 
chi ha scritto ciò che riporti (per questo ti chiedo dove lo hai letto) 
abbia considerato delle condizioni particolari per l'effetto Casimir che 
in questo momento non mi vengono in mente (posso capire considerazioni e 
calcoli sull'energia e sulla forza, proprio come fece Casimir, ma non 
sul numero di particelle virtuali).
D'altra parte, se ci pensi, se fosse possibile conoscere (anche 
teoricamente, nota bene) il numero di particelle virtuali in un dato 
volume ad un dato tempo, si potrebbe dimostrare la violazione del 
principio di indeterminazione di Robertson (che inoltre è quello stesso 
principio anche grazie al quale possiamo prevedere proprio le 
"fluttuazioni del vuoto" considerando una particella come autostato 
degli appropriati operatori).
Ciao,
Paolo

 Paolo
Ti rispondo ben volentieri.
Ti indico: 
http://www.webalice.it/angelo.petralia/casimir.html
e la risposta n. 26 dell'esperto della "Scienza per tutti"  al cui
sito puoi arrivare tramite Google->Altro->Directory->Scienza->Fisica.
Ma ne ho visti altri che potrò indicarti, a richiesta, se questi non
sono sufficienti.
Ciao.
Luigi

fortuna...@gmail.com
 ha scritto:

Salve,
ho letto quanto mi hai segnalato e mi pare che siano articoli che non 
possano essere considerati nemmeno divulgativi (comunque il primo non 
propone affatto il modello da citato)... soprattutto il secondo modello 
è, a mio avviso, inadeguato, fuorviante, contraddittorio, con le 
particelle virtuali rappresentate come bolle di sapone rigide di 
diametro variabile che urtano le pareti delle piastre, e ritengo che sia 
meglio non prenderlo in considerazione (però ha un gran merito: fa 
ridere di gusto). Non avevo capito che ti basassi su articoli del genere 
per indagare sull'effetto Casimir. Secondo me è meglio che riparti da 
zero e riguardi quali sono i modelli considerati adeguati secondo le 
cognizioni scientifiche di oggi. Tuttavia prima di procedere verso 
l'effetto Casimir, sempre secondo me, per non buttare tempo, è d'obbligo 
avere delle basi di meccanica quantistica.
Ciao,
Paolo

 Paolo


 Paolo
Scusa, ma cosa c'entrano le basi teoriche di meccanica quantistica a
fronte di dati sperimentali che danno risultati sballati di "2 ordini
di grandezza maggiore della forza di Casimir attesa"?
Anche io mi associo alla domanda di Carmelinux!
Nat

 Anche io mi associo alla domanda di Carmelinux!
Se non ricordo male quella si riferisce ad una tesi di dottorato di 
ricerca; se avrò tempo la leggerò con piacere. Oppure vi riferite a 
qualcos'altro?
Ciao,
Paolo

 bordo della statistica del corpo nero.
Individuavo in alcuni pistoni di Casimir buone condizioni per evitare 
difficoltà di rinormalizzazione e per gettare le basi di esperimenti 
tecnicamente possibili che possano rafforzare o confutare l'attesa 
teorica di una forza repulsiva.
Ciao,
Paolo

 Paolo
La richiesta era semplice.
Una tesi di dottorato, che in pratica è una ricerca abbastanza seria,
porta a risultati lontanissimi da quelli previsti dalla teoria,
costruiti con la QED.
Allora quale affidamento danno le "previsioni teoriche dell'effetto
Casimir" quando la ricerca sperimentale non le soddisfa lontanamente?
ciao
Nat

 teorica di una forza repulsiva.
Ciao,
ho lavorato attivamente sui Casimir Pistons e confermo che che puo'
esserci una forza Casimir repulsiva. Tuttavia vorrei precisare che
questo non dipende solo dalle condizioni al bordo per  i campi ma
anche dalla geometria dello spazio in cui vivono. Cioe' fissata una
certa classe di condizioni (Neumann o Dirichlet o Robin o altro) sul
bordo la natura repulsiva/attrattiva della forza puo' cambiare
deformando lo spazio cioe' la forma del bordo stesso.
Inoltre in aggiunta al contributo Casimir puo' esserci un contributo
termico alla densita' di energia, tipicamente un pezzo alla Stefan-
Boltzmann proporzionale alla temperatura alla 4^ potenza, che pero'
non da' origine forze attrattive o repulsive.
Saluti.

 non da' origine forze attrattive o repulsive.
Per semplificare (o anche per mia superficialità, mancanza di tempo 
ecc.) lo avevo completamente trascurato. Quandi dici che il contributo 
termico non dà origine a forze, intendi che il suo contributo alla 
densità di energia è trascurabile in tutti i casi nonostante la 
proporzionalità che citi?
Ciao,
Paolo

 Casimir" quando la ricerca sperimentale non le soddisfa lontanamente?
Al momento posso citarti alcuni significativi casi di conferme 
sperimentali alle previsioni teoriche di forza attrattiva. Per le 
previsioni teoriche di forza repulsiva ti rimando ai post miei e di 
altri in questo stesso thread in quanto non ho al momento niente da 
aggiungere.
Tieni presente comunque che la lista che ti faccio è piccolissima, 
esistono altre dozzine e dozzine di esperimenti analoghi che confermano 
le previsioni teoriche. Nota anche che gli ultimi 4 che ti cito 
raggiungono un accordo fra dati sperimentali e previsioni di calcolo 
teoriche di buona accuratezza considerando le difficoltà tecniche di 
misura (sto parlando di differenze inferiori al 5%).
S.K. Lamoreaux, Phys. Rev. Lett. 78, 5 (1997) (questo è molto 
importante, perché risolve il problema tecnico del parallelismo perfetto 
ed è la prima vera conferma sperimentale quantitativa; l'esperimento di 
Sparnaay del 1958 mostrava che l'effetto è osservabile, ma era afflitto 
da enormi problemi di misura derivati da difficoltà tecniche per tenere 
delle piastre perfettamente parallele)
U. Mohideen e A. Roy, Phys. Rev. Lett. 81, 4549 (1998)
F. Chen, U. Mohideen, G.L. Klimchitskaya e V.M. Mostepanenko, Phys. Rev. 
A 69, 022117 (2002)
G. Bressi, G. Carugno, R. Onofrio e G. Ruoso, Phys. Rev. Lett.
88, 041804 (2002)
R.S.Decca, D. Lopez, E. Fischbach, G.L.Klimchitskaya, D.E. Krause e V.M. 
Mostepanenko, Annals Phys. (NY) 318, 37 (2005)
Ciao,
Paolo

 proporzionalità che citi?
No, e' dovuto al fatto che tipicamente(cioe' limitato ai casi che ho
incontrato) il termine termico non dipende dal punto e quindi il suo
gradiente e' zero.
E' interessante che la parte termica (cioe' che dipende dalla
temperatura) si separi completamente dalla parte che dipende dal
punto: non c'e' un contributo di forza Casimir che dipende dalla
temperatura. Se vuoi il bagno termico non sente la geometria e non da'
quindi effetti coerenti di spinta.
Ciao.

 Casimir" quando la ricerca sperimentale non le soddisfa lontanamente?
Guarda, io ho dato solo un'occhiata alle conclusioni (la tesi e' di
200 pagine...) e mi sono fatto la seguente impressione.
Una tesi di dottorato puo' benissimo essere una ricerca seria, ma puo'
al tempo stesso essere una ricerca non finita, o al limite anche
"fallita".
Voglio dire che se uno pensa di poter misurare una certa cosa, e poi
trova difficolta' impreviste, puo' scrivere alla fine della tesi
"purtroppo ci sono effetti sistematici di due ordini di grandezza
superiori a quello che volevamo misurare; stiamo indagando su quali
possano essere le cause".
A me pare che piu' o meno ci sia scritto proprio questo.
Se poi non riesce a eliminare le cause di disturbo, puo' anche
rinunciare: in questo senso parlavo di ricerca fallita.
(Pero' non so se questo sia il caso.)
Comunque e' tutt'altra cosa che dire "abbiamo trovato un risultato che
non torna per due ordini di grandezza con la teoria".
Se fosse stato cosi', l'avrebbero pubblicato e avrebbe fatto rumore...
E' strana l'idea che avete in tanti della ricerca: pensate che i
fisici passino il tempo a preoccuparsi di nascondere risultati
scomodi, quando invece e' vero l'esatto contrario.
Chi trova qualcosa d'inatteso e' ben felice, perche' questo gli dara'
notorieta' e al limite anche un Nobel :-)
 
-- 
Elio Fabri

 quindi effetti coerenti di spinta.
Si, interessante davvero. Probabilmente utile da sapere anche per le MEMS.
Ciao e grazie,
Paolo

 teorica di una forza repulsiva.
Se non fosse difficile trovare mezzi e sistemi con condizioni di
suscettivita'
e linearita' come il vuoto e le onde elettromagnetiche (ricordiamo
che la trascurabilita' degli effetti non lineari per la luce nel vuoto
sono testati da misure su scala cosmologica) sarebbe stato utile
impostare esperimenti concreti con altre onde ed altri mezzi.
E' una nota di costume interessante il fatto che in alcuni manuali
di navigazione si raccomandava di non avvicinare oltre una
certa soglia i vascelli in condizione di mare mosso perche' si
aveva esperienza di incotrollabili forze attrattive capaci di arrecare
grave danno alle imbarcazioni :-) anche quando le vele fossero state
ammainate. Ma sarebbe lecito chiedersi se per onde fortemente non lineari
come le onde alte del mare, con le relazioni di dispersione che derivano
dall'
altezza non si abbia piu' prossimita' ad una statistica di Fermi che non a
quella
di Bose. La domanda ha senso rigorosamente solo parlando di modi
solitonici. I vortici si comportano un poco come elettroni e lacune in un
semiconduttore, ma diversamente da quelli mostrano interazioni a corto range
in particolari condizioni di corrente possono dar luogo ad una condensazione
fra due scafi che le imbarcazioni sperimentano come un tratto di mare quieto
ed
avvallato.
