La relatività speciale ci dice una cosa: esiste una velocità costante, che chiamiamo “velocità della luce” (nel vuoto) e che è la stessa per tutti gli osservatori.
Questa affermazione ha le seguenti rigide conseguenze matematiche:
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- Non è possibile accelerare dolcemente un oggetto materiale fino a, o oltre, la velocità della luce. A parte il fatto che richiederebbe una quantità infinita di energia, è anche un’impossibilità topologica: la natura dello spaziotempo è tale che “l’interno del cono di luce” (traiettorie più lente della luce) e “l’esterno del cono di luce “(traiettorie più veloci della luce) non sono intercambiabili.
- Non c’è una cornice di riferimento dell’osservatore in movimento alla velocità della luce. L’esistenza stessa di un tale osservatore, sarebbe una contraddizione. Un osservatore è sempre a riposo rispetto a se stesso. Ma secondo il postulato di base della teoria, la sua stessa velocità, la velocità della luce, sarebbe la stessa per tutti gli osservatori, incluso se stesso. Così si vedrebbe contemporaneamente riposare e muoversi alla velocità della luce. Non ci sono fotogrammi di riferimento dell’osservatore più veloci della luce, per ragioni simili. Ciò che è più veloce della luce per un osservatore è più veloce della luce per tutti gli osservatori. Quindi un osservatore più veloce della luce si vedrebbe simultaneamente a riposo e si muove più velocemente della luce, che è una contraddizione.
Tuttavia, la teoria non vieta l’esistenza di particelle elementari più veloci della luce. Tali particelle ipotetiche hanno persino un nome: tachioni.
Il problema con i tachioni è duplice. Innanzitutto, se esistessero i tachioni, una disposizione intelligente di teoriche ricetrasmittenti tachioniche consentirebbe violazioni della causalità, cioè l’invio di messaggi al passato.
In secondo luogo, l’esistenza dei tachioni condurrebbe ad un universo instabile, poiché i tachioni possono perdere quantità arbitrarie di energia accelerando a velocità infinita. A titolo di esempio, il cosiddetto campo doublet di Higgs, che esisteva prima della rottura della simmetria, era di natura tachionica e anche instabile. Questa instabilità ha portato alla rottura della simmetria: rispetto alla risultante, nuova configurazione del vuoto e dei campi, non esistono più tachioni.
Detto questo, anche in assenza di tachioni, ci sono “cose” che possono muoversi più velocemente della luce. Sfortunatamente, queste cose non portano energia né slancio, né alcuna informazione. Come esempio banale, immaginiamo un puntatore laser molto potente che miri alla Luna. Supponiamo che sia abbastanza potente da poter vedere la sua luce, e il suo raggio sia abbastanza stretto in modo da vedere una macchia rossa ben definita sulla superficie della Luna. Ora inizia a dimenare quel puntatore laser avanti e indietro diverse centinaia di volte al secondo. Pochi secondi dopo, sembrerà che anche il punto rosso inizi a muoversi avanti e indietro… Nel momento in cui verrà misurata la sua velocità, risulterà muoversi più velocemente della luce sulla superficie lunare.
Insomma, i tachioni non esistono anche se, forse, un tempo esistevano.
In realtà, queste particelle più veloci della luce probabilmente sono proprio impossibili, secondo un recente studio teorico. Se questa è una conclusione corretta, l’implicazione diretta è che il tempo, apparentemente uno degli aspetti più fondamentali della natura, non sia altro che un miraggio.
Sebbene si creda comunemente che la teoria della relatività di Einstein sostenga che nulla può andare più veloce della luce, questo non è del tutto vero. La relatività proibisce alla materia ordinaria di raggiungere la velocità della luce, perché richiederebbe energia infinita.
Ma la teoria non esclude l’esistenza di un regno di particelle in grado di viaggiare più velocemente della luce. Qui torniamo ai famosi “tachioni” così chiamati dai fisici negli anni ’60, questi speedster subatomici che avrebbero effettivamente bisogno di una quantità infinita di energia per rallentare fino alla della velocità della luce.
I tachioni emergono come possibilità in diverse teorie fisiche speculative, come alcune versioni della teoria delle stringhe. I fisici hanno cercato i segni della loro esistenza. Se fossero tra le particelle ad alta energia che colpiscono la Terra dallo spazio, i tachioni produrrebbero un segnale simile a quello dei raggi cosmici, a parte il fatto che raggiungerebbero i rivelatori a terra prima delle particelle secondarie che hanno creato nell’atmosfera.
Tuttavia, nessun tachione è mai stato rilevato e ora James Wheeler e Joseph Spencer, della Utah State University, pensano di sapere perché.
Spazio astratto
La loro linea di ragionamento è sottile. “Siamo stati impegnati in questo calcolo per un anno e mezzo“, afferma Wheeler. i due volevano capire come i modelli fisici sono correlati alle misure che realizziamo.
Hanno iniziato immaginando un universo che ha solo distanze, senza dimensione temporale. La misurazione più semplice in questo universo è quella di confrontare due distanze: e un bastone di un metro dovrebbe essere la metà della lunghezza di un bastone di due metri, indipendentemente dal punto di vista, indipendentemente dall’angolazione o da qualsiasi punto di osservazione diverso.
Tutti questi punti di vista formano uno spazio astratto più complesso, lo “spazio delle simmetrie di misura“.
Cono leggero
Matematicamente, questo risulta molto simile allo “spazio delle fasi” che è il cuore della meccanica quantistica e di altre teorie fisiche. Lo spazio di fase descrive non solo la posizione di un oggetto, ma anche la sua quantità di moto e la traiettoria dell’oggetto.
Nel loro modello, tutte le traiettorie vengono raggruppate in due coni in un punto. Sembra un insieme di traiettorie provenienti dal passato, che attraversano un punto nel presente e si dirigono verso il futuro. È emerso qualcosa di equivalente al tempo.
In effetti, questo fascio di traiettorie imita il “cono di luce” della relatività, tracciato dai percorsi nello spazio-tempo delle particelle che viaggiano fino alla velocità della luce. Il cono di luce divide anche il passato dal futuro.
In relatività, è possibile concepire i tachioni, viaggiando fuori dal cono della luce. Ma nel modello di Wheeler e Spencer, ciò è inconcepibile, poiché il cono è effettivamente definito dall’insieme di tutte le possibili traiettorie.
Tempo emergente
Perché il loro complicato spazio di simmetrie dovrebbe avere rilevanza per lo spazio e il tempo “reali” in cui viviamo? Il motivo è che collega lo spazio senza tempo a qualcosa di simile al nostro familiare spazio-tempo, il che significa che queste due descrizioni sono equivalenti. Qualsiasi evento che può essere descritto nell’immagine spazio-temporale può essere modellato altrettanto bene da una struttura in uno spazio senza tempo.
Le conseguenze potrebbero essere profonde. Lo spazio senza tempo non può cambiare e ciò potrebbe significare che il nostro universo è deterministico, con il futuro già stabilito e scritto.
Wheeler sospetta che il “tempo” che noi percepiamo corrisponda alla distanza da un punto speciale nello spazio senza tempo a quattro dimensioni che ha modellato. Se fosse così, quel punto potrebbe segnare l’apparente inizio del tempo al momento del big bang.
Il matematico Shahn Majid, della Queen Mary, Università di Londra, lavora anche lui sulla questione di come il tempo potrebbe emergere dall’eternità.
Majid ritiene che il risultato di Wheeler e Spencer sia limitato, perché dipende da un particolare approccio matematico. Ma lui non rifiuta il loro lavoro. “È suggestivo e dà la risposta giusta [quel tempo emerge]“, ha detto a New Scientist. “E ora ci sono diversi approcci a questa domanda, che potrebbero essere tutti collegati. Sembra emergere una teoria emergente dei tempi emergenti“.
Insomma, come abbiamo detto prima, i tachioni non esistono ma, se esistessero, dovremmo rivedere completamente il nostro concetto di tempo.
Fonti: http://arxiv.org/abs/0811.0112, New Scientist, Forbes
