La luce, mentre attraversa lo spazio vuoto, percorre ogni secondo 299.792.458 metri. Tutto ciò cambia quando l’onda elettromagnetica è costretta ad interagire con i campi elettromagnetici che circondano i frammenti di materia. Passando attraverso questo pantano, la velocità della luce può rallentare notevolmente.
Vediamo la prova di questo fenomeno nella deflessione mentre la luce attraversa un bicchiere d’acqua, o nel fenomeno dell’arcobaleno.
Anche se i fisici possono descrivere questo ritardo utilizzando
le equazioni del 19° secolo sulla luce e sull’elettromagnetismo, devono ancora catturare adeguatamente il brusco cambiamento di velocità della luce tra i diversi mezzi nelle misure delle onde fisiche.
Tre fisici dell’Università di Tampere ha trovato una potenziale soluzione a questo problema, ma non prima di aver riconsiderato alcuni principi fondamentali sul progresso di un’onda luminosa nel tempo e in un’unica dimensione dello spazio.
“
Fondamentalmente, ho trovato un modo molto accurato per derivare l’equazione d’onda standard in 1+1 dimensioni“,
afferma il primo autore dello studio,
Matias Koivurova, ora presso l’Università della Finlandia orientale.
“L’unico presupposto di cui avevo bisogno era che la velocità dell’onda fosse costante. Poi ho pensato tra me e me: e se non fosse sempre costante? Questa si è rivelata davvero un’ottima domanda“.
La velocità della luce – o c per usare la sua abbreviazione – è un limite universale per le informazioni che si muovono nel vuoto. Sebbene la materia possa effettivamente rallentare il viaggio complessivo di una particella, la teoria della relatività speciale afferma che questa proprietà fondamentale non può veramente cambiare.
Eppure a volte la fisica richiede qualche volo occasionale di fantasia per esplorare nuovi territori. Così Koivurova, insieme ai colleghi Charles Robson e Marco Ornigotti, ha messo da parte questa scomoda verità per considerare le conseguenze di un’equazione d’onda standard in cui un’onda luminosa arbitraria può accelerare.
Inizialmente, la loro soluzione non aveva molto senso. È stato solo quando hanno aggiunto una velocità costante come sistema di riferimento che i pezzi si sono incastrati insieme.
Se inviassimo un’astronave a velocità relativiste (una qualche percentuale avvertibile della velocità della luce) nelle profondità dello spazio, i suoi passeggeri vivrebbero il tempo e la distanza in modo diverso rispetto ad eventuali osservatori che assistessero al loro viaggio da lontano. Questo contrasto deriva dalla
relatività, una teoria che è stata testata con successo più e più volte su tutti i tipi di scale.
Inquadrando un’onda in accelerazione rispetto a una velocità della luce costante, gli strani effetti della nuova soluzione dell’equipe all’equazione delle onde standard sembrano proprio quelli imposti dalla relatività. La loro realizzazione ha avuto profonde implicazioni per il dibattito sull’aumento o la diminuzione della quantità di moto di un’onda luminosa quando attraversa un nuovo mezzo.
“Quello che abbiamo dimostrato è che dal punto di vista dell’onda non succede nulla alla sua quantità di moto. In altre parole, la quantità di moto dell’onda si conserva“, afferma Koivurova.
Non importa quale sia l’onda, che si trovi in un campo elettromagnetico, un’increspatura in uno stagno o una vibrazione lungo una corda, le misure della relatività e la conservazione della quantità di moto devono essere prese in considerazione nell’equazione man mano che aumentano di velocità. Questa generalizzazione avrebbe un’altra conseguenza piuttosto notevole, anche se leggermente deludente.
Che si tratti dei nostri intrepidi viaggiatori spaziali che sfrecciano verso Alpha Centauri a una frazione della velocità della luce, o della loro famiglia che invecchia lentamente sulla Terra, ciascuno dei rispettivi orologi scandisce quello che è considerato il tempo giusto. I due tempi potrebbero non essere d’accordo sulla durata di un secondo, ma ciascuno è una misura affidabile dello scorrere degli anni all’interno della propria cornice.
Se tutte le onde sperimentano anche un’adeguata gestione temporale della relatività, sostengono i tre fisici, qualsiasi fisica governata dalle onde dovrebbe avere una rigorosa direzione temporale, una direzione che, semplicemente, non può essere invertita in nessun caso.
Finora, queste equazioni sono state risolte solo per una singola dimensione dello spazio (e del tempo). Sarebbe dunque necessario condurre esperimenti per verificare se questa prospettiva delle onde è vera. Se fosse effettivamente così, il nostro viaggio attraverso l’Universo sarebbe davvero una strada a senso unico.
Questa ricerca è stata pubblicata su Optica.
