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Velocità della luce, è possibile superarla? E rallentarla?

La velocità della luce nel vuoto (299.792 km/s) è un limite scritto nella fisica del nostro cosmo. Nulla può andare più forte. Se ci pensate, è proprio assurdo. Se a un corpo viene applicata una forza, infatti, la sua velocità non potrà che aumentare. O almeno così sembra, considerando le nostre esperienze di tutti i giorni. Oltre un secolo fa, però, Albert Einstein ha dimostrato che l’energia E di un corpo qualsiasi è legata alla sua massa m secondo la famosa equazione E=mc2, dove “c ” è la velocità della luce (299.792,458 km/s).

Se ci pensate, è proprio assurdo. Se a un corpo viene applicata una forza, infatti, la sua velocità non potrà che aumentare. O almeno così sembra, considerando le nostre esperienze di tutti i giorni. Oltre un secolo fa, però, Albert Einstein ha dimostrato che l’energia E di un corpo qualsiasi è legata alla sua massa m secondo la famosa equazione E=mc2, dove “c ” è la velocità della luce (299.792,458 km/s).

Questa relazione dice, tra l’altro, che energia e massa sono due entità equivalenti, che possono trasformarsi l’una nell’altra. E questo è esattamente ciò che accade quando acceleriamo un oggetto (anche se noi non ce ne accorgiamo): l’energia che gli imprimiamo va in piccolissima parte ad aumentare la sua massa.

A mano a mano che la velocità aumenta, però, occorre sempre più energia per aumentarne ulteriormente la velocità, e questo accade perché sempre più energia si trasforma in massa. In pratica, quanto più ci si avvicina alla velocità della luce, tanto più l’oggetto diventa massiccio e inamovibile. Al 99,9% della velocità della luce, per esempio, un uomo di 80 kg avrebbe una massa di circa 2 tonnellate.

Cercare di “spingerlo” per fargli superare la “barriera” della luce avrebbe come unico risultato quello di aumentare la sua massa di tantissimo, lasciandone la velocità praticamente inalterata. Ecco perché la velocità “c” non può essere mai raggiunta.

Secondo alcuni studi teorici, esisterebbero particelle chiamate tachioni che avrebbero la proprietà di viaggiare a velocità superiori a “c”… ma, se anche esistessero davvero, non potrebbero mai rallentare.

Qui sotto un infografica dello spettro elettromagnetico, cioè l’insieme di tutte le radiazioni elettromagnetiche. Va dalle onde radio, che hanno lunghezza maggiore e frequenza minore, fino ai raggi gamma. La luce visibile è solo una minima parte di esso.

Effetti “superluminali”

Allo stato attuale della conoscenza scientifica, c0 è la velocità massima nell’universo. Un particolare fenomeno fisico, l’effetto Cherenkov, è dovuto a particelle che si trovano a viaggiare al di sotto di c0 ma al di sopra della c del mezzo in cui si muovono, e “frenano” emettendo radiazione. Il limite imposto dalla relatività ristretta per la velocità quindi non è un limite sulla velocità di propagazione di oggetti e segnali ma è un limite sulla velocità a cui si può propagare l’informazione.

spettro onde elettromagnetiche
Secondo alcuni studi teorici, esisterebbero particelle chiamate tachioni che avrebbero la proprietà di viaggiare a velocità superiori a “c”… ma, se anche esistessero davvero, non potrebbero mai rallentare.
Qui sotto un infografica dello spettro elettromagnetico, cioè l’insieme di tutte le radiazioni elettromagnetiche. Va dalle onde radio, che hanno lunghezza maggiore e frequenza minore, fino ai raggi gamma. La luce visibile è solo una minima parte di esso.

Sebbene queste due cose coincidano quasi sempre questa sottile distinzione permette, in alcuni casi particolari, di ottenere effetti cosiddetti superluminali. In questi casi, si possono vedere brevi impulsi di luce che superano degli ostacoli con una velocità apparentemente maggiore di c0 . Eccedere la velocità di gruppo della luce in questo modo è paragonabile a eccedere la velocità del suono sistemando una fila di persone opportunamente distanziate, e facendogli urlare “Sono qui!”, una dopo l’altra a brevi intervalli temporizzati da un orologio, in modo che non debbano sentire la voce della persona precedente prima di poter urlare. In questo tipo di fenomeni, tuttavia, la velocità di fase di un pacchetto (più frequenze) è minore di quella della luce.

Secondo le teorie relatività ristretta e generale non è possibile che l’informazione venga trasmessa più velocemente di c0 in uno spaziotempo uniforme. L’esistenza di wormhole, cioè fenomeni che permettano il trasferimento di materia o di energia da un punto all’altro dell’universo, non è supportata da prove sperimentali.

Oggetti astrofisici (stelle e galassie) superluminali vengono comunemente osservati. Per questo tipo di oggetti il trucco risiede nel moto di avvicinamento di questi oggetti in direzione della terra. La velocità di un oggetto può essere misurata, banalmente, come la distanza tra due punti attraversati dall’oggetto divisa per il tempo necessario per questo tragitto.

Per oggetti astrofisici l’informazione spaziale e temporale sui punti di inizio e fine tragitto è trasmessa all’osservatore tramite la luce. Se il punto di fine tragitto è più vicino all’osservatore del punto di inizio, la luce del punto di inizio tragitto risulta ritardata e quella del punto di fine anticipata nel suo arrivo sulla Terra. Il tragitto risulta, così, iniziato dopo e finito prima, cioè minore. Ne può risultare, dunque, anche una velocità apparente maggiore di quella della luce.

Inflazione cosmica e velocità della luce

Alcuni ricercatori sostengono che il valore della velocità della luce sarebbe stato molto più elevato durante le primissime fasi della storia cosmica. Uno studio guidato da João Magueijo dell’Imperial College di Londra, in collaborazione col collega Niayesh Afshordi del Perimeter Institute in Canada, presenta ora una possibile predizione sulla veridicità di questa ipotesi che potrebbe essere verificata sperimentalmente. Lo studio è stato pubblicato questo mese su Physical Review D.

velocità della luce
João Magueijo e Niayesh Afshordi sostengono che la velocità della luce non sarebbe costante, così come suggerito dalla relatività di Einstein. La loro teoria permetterebbe di fare delle predizioni per verificare sperimentalmente la veridicità di questa ipotesi

Nella teoria della relatività speciale, Einstein aveva introdotto il postulato sulla costanza della velocità della luce, implicando che lo spazio e il tempo possono modificarsi nell’ambito di situazioni differenti. Il fatto che la velocità della luce sia una costante della natura sta alla base di diverse teorie fisiche, come la relatività generale.

In particolare, essa gioca un ruolo importante nei modelli che tentano di descrivere gli istanti iniziali della storia dell’Universo. Infatti, secondo la cosmologia standard, le strutture cosmiche, come le galassie, si sarebbero formate dalle primissime fluttuazioni primordiali, cioè da quelle minuscole variazioni della densità di materia presenti nelle diverse regioni dello spazio, che dominavano l’Universo subito dopo il Big Bang. Le tracce di queste fluttuazioni primordiali sarebbero oggi impresse nella radiazione cosmica di fondo e i cosmologi le descrivono mediante un parametro noto come “indice spettrale”.

Partendo dall’ipotesi che queste fluttuazioni primordiali siano state influenzate dalla varianza della velocità della luce, Magueijo e Afshordi hanno utilizzato un modello per produrre un valore più accurato dell’indice spettrale. I cosmologi stanno ora cercando di capire se è possibile verificare sperimentalmente alcune predizioni che avvalorino o meno il loro modello.

Il valore dell’indice spettrale ottenuto dagli autori viene mostrato fino alla quinta cifra dopo la virgola: stiamo parlando di 0,96478, molto vicino a quello derivato dalle osservazioni della radiazione cosmica di fondo il cui valore, entro i margini d’errore, risulta 0,969 (vedi, per esempio, “Planck 2015 results. XX. Constraints on inflation“, p. 20). «La teoria, proposta inizialmente verso la fine degli anni ’90, ha raggiunto oggi una certa maturità perché permette di fare delle predizioni che possono essere verificate sperimentalmente», spiega Magueijo.

«Se le osservazioni di prossima generazione saranno in grado di derivare questo parametro in maniera più accurata, allora si potrebbe introdurre qualche modifica nella teoria di Einstein. Quando venne proposta inizialmente, l’idea sulla non costanza della velocità della luce era alquanto radicale. Tuttavia, se ora abbiamo una predizione numerica, allora i fisici hanno in mano qualcosa che possono finalmente testare. In altre parole, se ciò risulterà vero, dovremo ammettere che anche le leggi della natura non dovevano essere esattamente le stesse così come sono oggi».

Esiste, però, un’altra teoria rivale: stiamo parlando dell’inflazione cosmica. Secondo questa teoria, l’Universo subì, subito dopo il Big Bang, una fase di rapida espansione esponenziale con un ritmo ancora più elevato rispetto all’attuale espansione cosmica. Perché sarebbe necessaria l’inflazione? Essa permette di superare il cosiddetto problema dell’orizzonte. L’Universo che osserviamo oggi appare mediamente uguale in tutte le direzioni e mostra una distribuzione di densità della materia relativamente omogenea. Ciò potrebbe essere vero solo se tutte le regioni dell’Universo furono in grado, in qualche modo, di influenzarsi a vicenda.

Ma se assumiamo che il valore della velocità della luce sia rimasto sempre costante, allora non deve essere trascorso abbastanza tempo per far sì che la luce si sia propagata fino a raggiungere l’altra estremità dell’Universo. Ad esempio, per riscaldare una stanza in maniera omogenea, l’aria calda emessa dai radiatori deve propagarsi in tutta la stanza e rimescolarsi completamente. Nel caso dell’Universo, il problema è che la parte dello spazio osservabile, che assume il ruolo della “stanza”, appare molto più grande per permettere che ciò sia accaduto in un intervallo di tempo dal momento in cui si è formato.

L’idea che sostiene la non costanza della velocità della luce suggerisce che i fotoni dovevano propagarsi molto più velocemente nell’Universo primordiale, un valore pari ad almeno 60 ordini di grandezza superiore, permettendo così alle parti più distanti dello spazio di connettersi man mano che l’Universo si espandeva. Il valore della velocità della luce si sarebbe, quindi, “ridotto” in un modo prevedibile mentre cambiava la densità della materia. Ed è proprio su questo punto che si è basato il lavoro dei due autori.

L’inflazione tenta di risolvere questo problema assumendo invece che l’Universo primordiale divenne omogeneo mentre era ancora incredibilmente piccolo, per poi espandersi immediatamente dopo mostrando la sua attuale uniformità spaziale.

«Anche se il meccanismo inflazionario implica da un lato che la velocità della luce e le leggi della fisica, così come noi le conosciamo, rimangono preservate, dall’altro si richiede l’introduzione di un campo scalare, cioè un insieme di condizioni iniziali che dovevano esistere solamente durante le primissime fasi iniziali della storia cosmica», conclude Magueijo.

4 fenomeni più veloci della luce

Ci sono però alcuni fenomeni che sembrano non rispettare la regola: possiamo farci ispirare per viaggiare tra le stelle?

Laser. Immaginate di accendere un potente puntatore laser rivolto verso la Luna. La luce, viaggiando a circa 300’000 km/s, raggiunge il nostro satellite (lontano quasi 400’000 km) in poco più di un secondo. Perciò, muovendo il puntatore, il bollino rosso del laser si sposterà sulla superficie della Luna con un secondo abbondante di ritardo. Se però inclinate rapidamente il puntatore, il bollino rosso si sposterà da una parte all’altra della Luna nello stesso intervallo di tempo, perciò, in definitiva, più veloce della luce.

Questo è possibile perché il bollino rosso non trasporta alcuna informazione con sé. La vera informazione, ovvero la luce del puntatore, non si muove sulla superficie lunare, ma viaggia dalla Terra alla Luna. Quindi, anche se il bollino si muove oltre i 299.792,458 km/s della luce, questo fenomeno non può trasportare nulla di utile, men che meno noi.

Entanglement. Secondo la comprovata teoria dei quanti, quando due elettroni appaiono nello stesso istante, possono vibrare all’unisono. Fra i due nasce una correlazione che rimane anche se li separiamo. Einstein era convinto che la meccanica quantistica fosse sbagliata, perché questo fenomeno implica che gli elettroni “conoscano” lo stato del compagno istantaneamente, più velocemente della luce.

È come se due gemelli mettessero ogni giorno, casualmente, uno le mutande rosse e l’altro le mutande blu. Sbirciando le mutande di uno dei due potrei istantaneamente dedurre che l’altro gemello sta portando le mutande dell’altro colore, anche se si trovasse su un altro pianeta. Ma per quanto questa correlazione sia interessante, non ci permette di cambiare le mutande di uno per mandare un messaggio istantaneo all’altro.

Inflazione. A differenza dei bollini rossi e delle mutande blu, gli oggetti hanno un grosso vincolo che impedisce loro di superare la velocità della luce: se la materia viene accelerata fino al limite di velocità, la sua massa diventa infinita e quindi non può essere accelerata oltre. Ma alcune galassie, fatte ovviamente di materia, si stanno allontanando da noi a velocità superiori a quelle della luce! Ma non fatevi prendere dall’entusiasmo: c’è il trucco, si lasciano trasportare.

Immaginate di essere su una barca a motore che va al massimo a 50 km/h. Rispetto alla terraferma potrete però muovervi anche più velocemente, sfruttando le correnti marine o navigando su un fiume. Allo stesso modo, non sono le galassie a muoversi nello Spazio a velocità superluminali, ma è lo spazio-tempo stesso che, espandendosi, trascina con sé le galassie. Secondo la relatività, nulla viaggia più veloce della luce nello spazio: detto ciò, nulla impedisce allo Spazio di espandersi alla velocità che più gli piace.

Warp Drive. Usando il principio del non-muoversi nello Spazio, ma muovere lo Spazio attorno a noi, sono stati immaginati dispositivi in grado di comprimere lo spazio di fronte a noi (attirandoci) e di espandere lo spazio dietro di noi (spingendoci). Un fiume di spazio-tempo da surfare.

Tuttavia, se comprimere lo spazio è possibile grazie alla materia ordinaria, per espanderlo abbiamo bisogno di materia con massa negativa, e nessuno sa se tale materia possa realmente esistere.

Eccoci dunque alla triste ma inevitabile conclusione: finché queste e altre questioni non avranno risposta, il viaggio interstellare rimarrà nel regno del futuro.

La lentezza della velocità della luce

Uno scienziato della Nasa ha realizzato queste animazioni per farci vedere come deve cambiare la percezione della dimensione umana guardando alle dimensioni del Cosmo, e senza neppure andare troppo lontano: mostrando in quanto tempo un raggio di luce percorre la circonferenza della Terra, la distanza Terra-Luna e la distanza Terra-Marte. Ecco i tempi di percorrenza viaggiando a 299.792 km al secondo, ovvero la velocità massima possibile.

Attorno alla Terra: Viaggiare a velocità-luce sulla Terra sarebbe forse troppo: in un secondo la luce fa il giro dell’equatore 7 volte e mezzo, neppure il tempo di pensare a dove andare che siete già arrivati. Altro che gli 80 giorni di Giulio Verne, mentre i moderni aerei supersonici impiegano diverse ore per fare un giro attorno al pianeta. Anche lo Space Shuttle, fuori dall’atmosfera, impiegava più di un’ora.

Dalla Terra alla Luna: Per raggiungere la Luna la luce impiega poco più di un secondo (1,3 secondi luce). Un viaggio più comodo rispetto a quello delle missioni Apollo, che durava ben tre giorni. Dalla Luna, gli astronauti in contatto con la Terra dovevano aspettare più di due secondi per ricevere risposta: in un secondo la loro voce (convertita in segnale radio) arrivava sulla Terra, e poi, ammesso che ci fosse qualcuno pronto a dare una risposta rapida, un altro secondo prima di ricevere la risposta.

Viaggio al pianeta rosso: La distanza Terra-Marte varia in base alla posizione dei due pianeti sulle rispettive orbite. In questa animazione viene raffigurato lo scenario migliore: il momento in cui Marte è più vicino alla Terra, a soli 54,6 milioni di km. Il nostro raggio di luce viaggia sempre alla sua velocità, dall’inizio alla fine, ma la distanza comincia a farsi sentire: gli ci vogliono più di 3 minuti per arrivare a destinazione.

Questo significa che, dopo aver inviato da Terra un comando ai rover che abbiamo sul Pianeta Rosso, dobbiamo aspettare almeno 6 minuti per vedere se e come il comando è stato eseguito.

Le animazioni di James O’Donoghue, il fisico della Nasa autore di questo lavoro, non vanno oltre. Facciamolo noi, un passo in più alla velocità della luce (tempo permettendo): dal Sole, un raggio di luce arriva sulla Terra in 8,317 minuti (in media, perché essendo la nostra orbita leggermente ellittica, la distanza cambia a seconda del periodo dell’anno). Ai lettori più poetici non sarà sfuggita l’implicazione di tutto ciò: il primo raggio di Sole del mattino, in realtà, è già vecchio.

Proseguiamo il viaggio: per arrivare a Nettuno (il pianeta più esterno del Sistema Solare, dopo l’espulsione di Plutone dalla famiglia dei pianeti) la luce impiega più di 4 ore, mentre un segnale che partisse dalla Voyager 1 impiegherebbe oltre 20 ore-luce per arrivare fino a noi.

Uscendo dal Sistema Solare, le ore diventano anni: Proxima Centauri, la stella più vicina, si trova a 4 anni luce da noi, mentre un raggio di luce che arrivasse a noi oggi dal centro della Via Lattea sarebbe partito circa 27 mila anni fa. Un po’ più lontano c’è la più vicina galassia simile alla nostra, Andromeda, a 2 milioni e mezzo di anni luce.

Fin qui, la matematica di tutti i giorni è sufficiente: basta conoscere la distanza tra A e B e la velocità che possiamo tenere, e il gioco è fatto. Il passo successivo è più complesso e controintuitivo: possiamo osservare il confine dell’Universo? A quale distanza (tempo-luce) si trova? Se l’Universo non fosse in espansione, il confine visibile sarebbe a (circa) 13,7 miliardi di anni luce da noi. Un raggio di luce proveniente da quel punto, ci metterebbe quel tempo: è l’età dell’Universo, la sua origine, ed è ovvio che non si potrebbe vedere nulla di più vecchio. Ma non è così: l’Universo si espande, e sempre più velocemente, affermano gli scienziati, che stimano che quel raggio di luce arrivato fino a noi dopo un viaggio di 13 miliardi di anni, corrisponda a qualcosa che ora si trova a 47 miliardi di anni luce da noi. E questo sarebbe, adesso e circa, il raggio dell’Universo osservabile da qualunque punto della Terra.

Come fermare la luce per un minuto

Rendendo temporaneamente trasparenti particolari cristalli normalmente opachi, è possibile intrappolarvi i fotoni di un fascio laser. Nei cristalli i fotoni determinano la formazione di “onde di spin” che si conservano per un tempo relativamente lungo, fino a un minuto, ma che tornano a convertirsi in fotoni se il sistema cristallo-trappola viene nuovamente reso trasparente. Conservare i fotoni e l’informazione che possono trasportare è essenziale per poter realizzare i futuri computer quantistici.

Fermare un raggio di luce, conservarlo intatto per un minuto e poi lasciarlo andare per la sua strada. Il risultato – ottenuto da un gruppo di ricerca del Politecnico di Darmstadt, in Germania – costituisce un passo importante per la creazione di memorie e ripetitori di segnali quantistici, componenti indispensabili per la realizzazione dei futuri computer quantistici.

La conservazione delle informazioni quantizzate rappresenta uno dei più complessi problemi di questa frontiera della ricerca, perché le interazioni del vettore dell’informazione con l’ambiente provocano effetti di interferenza (decoerenza), che solitamente distruggono l’informazione in un arco di tempo brevissimo.

Darmstadt
TU Darmstadt

Una promettente possibilità di archiviazione temporanea dei dati si è aperta alla fine degli anni novanta, quando per la prima volta un gruppo di ricerca aveva rallentato la luce, che nel vuoto viaggia a circa 300 milioni di metri al secondo, ad appena 17 metri al secondo. Ulteriori progressi erano stati compiuti nel 2001, quando si riuscì a fermarla per una frazione di secondo, e pochi mesi fa, quando, sfruttando un gas ultrafreddo, un gruppo del Georgia Institute of Technology ha prolungato questo tempo fino a quasi 17 secondi.

Come spiega un articolo pubblicato sulle “Physical Review Letters” a prima firma Georg Heinze, per bloccare e recuperare impulsi di luce senza distruggerne la coerenza quantistica, lo stato di coerenza della luce deve essere convertito in uno stato di coerenza degli atomi che costituiscono la trappola in cui viene trattenuta la luce.

Per ottenere questo risultato Heinze e colleghi sono partiti da un cristallo di ittrio drogato, normalmente opaco, sul quale, dopo averlo portato a una temperatura molto bassa, hanno indirizzato un fascio laser di controllo che lo ha reso trasparente a un ristretto spettro di frequenze.

Come fermare la luce
Come fermare la luce per un intero minuto
Schema dell’apparto sperimentale usato nell’esperimento. (Cortesia G: Heinze et al./Physical Review Letter)

A questo punto hanno inviato un secondo impulso laser con frequenza compresa in quello spettro, che riusciva quindi a entrare nel cristallo, il quale però veniva contemporaneamente fatto tornare al suo stato di opacità per tutte le frequenze spegnendo il fascio laser di controllo. In queste condizioni, i fotoni del secondo fascio laser, rimasti intrappolati nel cristallo, determinano uno stato di eccitazione collettiva degli spin atomici – le cosiddette onde di spin – negli atomi del cristallo circostanti. Se in seguito il fascio di controllo viene nuovamente attivato, queste onde di spin tornano a essere convertite in fotoni, che ricominciano la loro corsa.

In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno constatato che alle temperature a cui si effettuava l’esperimento la conversione poteva essere ritardata senza danni fino a 60 secondi, ossia il tempo per cui si conservavano “intatte” le onde di spin all’interno del cristallo.

Ora l’obiettivo è ottenere risultati analoghi con altri tipi di cristallo, allo scopo di aumentare la temperatura operativa di questa tecnica di stoccaggio della luce.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Leggi su Phys. Rev. D l’articolo  “The critical geometry of a thermal big bang“, di Niayesh Afshordi e João Magueijo. Qui il preprint: su arXivhttps://arxiv.org/abs/1603.03312
  2. Sempre di João Magueijo, è disponibile in inglese il testo divulgativo “Faster Than the Speed of Light: The Story of a Scientific Speculation“, Heinemann, 2003
  3. Max Born e Emil Wolf, Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, Cambridge University Press.
  4. Corrado Mencuccini e Vittorio Silvestrini, Fisica II (Elettromagnetismo e Ottica), 3ª edizione, Napoli, Liguori Editore, settembre 1998, ISBN 978-88-207-1633-2.
  5. Albert Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Körper (PDF), in Annalen der Physik, vol. 17, 30 giugno 1905, pp. 891–921. 

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Alcuni personali mie interpretazioni: La prima; tutte le misirazioni effettuate sui corpi celesti sono deficitarie, è come se io cercassi di stimare la grandezza di un oggetto guardandolo attraverso un bicchier d’acqua. Lo vedrei capoverso, distorto ed ingigantito. Mi chiedo come possano stimare la velocità delle galassie se le si osserva dalla Terra con la problematica di rifrazione data dall’umidità e con la abbastanza ignota interferenza causata dalle fasce di radiazioni cosmiche che circondano la Terra in più strati. Vederle dallo spazio, impossibile, non perchè sia impossibile superare le famose fasce radioattive, ma perché facendolo (se è stato fatto) l’umidità… Leggi il resto »

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