Una spiegazione brillante

Mi trovo qui, in camera mia, in accappatoio (mi sono appena fatto la doccia) che cerco su internet una degna spiegazione del Lamb-shift. Ho trovato questo sito che mi ha chiarito un po' le idee, ma i calcoli restano tabù - non che non li sappia fare, ma non ho avuto tempo per prepararli bene, quindi in pratica è come se non li sapessi. Comunque, da quanto ho capito, le cose stanno così. Tutti sanno che gli atomi sono formati dal nucleo più gli elettroni. Le orbite degli elettroni sono quantizzate, ovvero sono caratterizzate da particolari valori dell'energia. Per esempio, per rimuovere l'elettrone in un atomo di idrogeno (H) allo stato fondamentale sono necessari circa 13.6 eV. Questa energia è negativa quando l'elettrone è vincolato all'atomo, perché è dovuta, tra le altre cose, all'attrazione elettrostatica del protone (questa cosa, noi A&A, la chiamiamo buca di potenziale). Però c'è anche lo stato eccitato dell'atomo di H, ovvero quando l'elettrone va ad occupare un livello energetico superiore, e quindi meno legato al protone. Ogni orbitale è caratterizzato da una serie di numeri quantici, tra i quali cito quello principale n e quello di momento angolare orbitale l. Ad esempio, lo stato fondamentale è il 1s, dove il numero rappresenta n e la lettera rappresenta l. Dopo viene il 2s, poi il 2p e così via. Ebbene, vi aspettereste, secondo quanto ho detto, che dopo lo stato 1s venga il 2s e poi il 2p. E invece, nel caso dell'H non è così. Si trova che il 2p è più basso in energia del 2s e questo comporta uno spostamento delle righe spettrali di circa 1040 MHz. La spiegazione di questo fatto risiede, ancora una volta, nella QED (elettrodinamica quantistica): secondo la QED - che è una teoria quantistica di campo - il campo elettromagnetico ha energia di punto zero (energia minima) che è diversa da zero. Questo implica che posso venire generati, grazie ad oscillazioni repentine, fotoni virtuali e coppie elettrone-positrone (che annichilendosi danno luogo ad altri fotoni). Quindi, l'elettrone (che, come avevo detto alcuni post fa, genera il campo elettromagnetico) è soggetto a queste oscillazioni e può essere che venga emesso un fotone virtuale e subito ri-assorbito dal campo. Questo provoca una sorta di sparpagliamento della carica, una sua delocalizzazione insomma, e l'effetto netto è che l'elettrone risente di una attrazione più debole, per cui l'autointerazione (è così che si chiama il processo di creazione-distruzione di un fotone virtuale, detto anche loop) fa sì che sia un po' meno strettamente legato di un elettrone in 2p, ovvero più alto in energia.
Insomma, sono partito da questo per illustrarvi la grande potenza della teoria quantistica dei campi. Anche se non so le formule, spero di avere compreso il fenomeno abbastanza bene da poterlo spiegare al prof domani, nel caso in cui me lo chieda.

In foto: un diagramma di Feynman per l'auto interazione di una particella. Lasciate stare le lettere: ciò che importa è che i fotoni virtuali sono le "ondine", mentre l'elettrone è quello indicato dalle lettere p ed r. Notate che in questa interazione l'elettrone (p) se ne va bello tranquillo in giro, poi ad un tratto, spunta fuori un fotone (q) ma che viene riassorbito immediatamente dopo (r). In sostanza, stiamo parlando di rinormalizzazione.