La luce si stanca?

di Jarred Roberts per The Conversation

Il mio telescopio, installato per l’astrofotografia nel mio giardino di San Diego, inquinato dalla luce, era puntato verso una galassia incredibilmente lontana dalla Terra. Mia moglie Cristina si è avvicinata proprio mentre la prima foto spaziale appariva sul mio tablet. Brillava sullo schermo davanti a noi.

“Quella è la galassia Girandola “, dissi. Il nome deriva dalla sua forma, anche se questa girandola contiene circa un trilione di stelle.

La luce della Girandola ha viaggiato per 25 milioni di anni attraverso l’universo, ovvero circa 150 quintilioni di miglia, per arrivare al mio telescopio.

Mia moglie si chiedeva: “La luce non si stanca durante un viaggio così lungo?”

La sua curiosità ha dato vita a una stimolante conversazione sulla luce. In definitiva, perché la luce non si consuma e non perde energia nel tempo?

Parliamo di luce

Sono un astrofisico e una delle prime cose che ho imparato nei miei studi è che spesso la luce si comporta in modi che sfidano le nostre intuizioni.

La luce è una radiazione elettromagnetica: in pratica, un’onda elettrica e un’onda magnetica accoppiate che viaggiano nello spazio-tempo. Non ha massa. Questo punto è cruciale perché la massa di un oggetto, che sia un granello di polvere o un’astronave, limita la velocità massima che può raggiungere nello spazio.

Ma poiché la luce è priva di massa, è in grado di raggiungere il limite massimo di velocità nel vuoto: circa 300.000 chilometri al secondo, ovvero quasi 9,6 trilioni di chilometri all’anno. Nulla che viaggi nello spazio è più veloce. Per fare un paragone: nel tempo che impieghiamo per battere le palpebre, un fotone percorre la circonferenza della Terra più di due volte.

Per quanto incredibilmente veloce, lo spazio è incredibilmente esteso. La luce del sole, che dista circa 150 milioni di chilometri dalla Terra, impiega poco più di otto minuti per raggiungerci. In altre parole, la luce solare che vediamo ha otto minuti di vita.

Alfa Centauri, la stella più vicina a noi dopo il Sole, si trova a 26 trilioni di miglia di distanza (circa 41 trilioni di chilometri). Quindi, quando la vediamo nel cielo notturno, la sua luce ha poco più di quattro anni. O, come dicono gli astronomi, è lontana quattro anni luce.

Considerando queste enormi distanze, considerate la domanda di Cristina: come può la luce viaggiare attraverso l’universo senza perdere lentamente energia?

In realtà, parte della luce perde energia. Questo accade quando rimbalza su qualcosa, come la polvere interstellare, e viene dispersa ma la maggior parte della luce si muove senza scontrarsi con nulla. Questo accade quasi sempre perché lo spazio è per lo più vuoto, Quindi non c’è nulla che la ostacoli.

Quando un fotone viaggia senza ostacoli, non perde energia. Può mantenere quella velocità di 300.000 chilometri al secondo per sempre.

Era ora

Ecco un altro concetto: immagina di essere un astronauta a bordo della Stazione Spaziale Internazionale . Stai orbitando a 27.000 chilometri orari (circa 27.000 chilometri). Rispetto a qualcuno sulla Terra, il tuo orologio da polso ticchetterà 0,01 secondi più lentamente nell’arco di un anno.

Questo è un esempio di dilatazione del tempo: il tempo scorre a velocità diverse in condizioni diverse. Se ti muovi molto velocemente, o sei vicino a un ampio campo gravitazionale, il tuo orologio ticchetterà più lentamente di qualcuno che si muove più lentamente di te, o che è più lontano da un ampio campo gravitazionale. Per dirla in breve, il tempo è relativo.

Ora considera che la luce è indissolubilmente legata al tempo. Immagina di sederti su un fotone , una particella fondamentale della luce; in questo caso, sperimenteresti la massima dilatazione del tempo. Tutti sulla Terra ti cronometrano alla velocità della luce, ma dal tuo sistema di riferimento, il tempo si fermerebbe completamente.

Questo perché gli “orologi” che misurano il tempo si trovano in due posti diversi e viaggiano a velocità molto diverse: il fotone che si muove alla velocità della luce e la Terra che gira attorno al sole alla velocità relativamente lenta.

Inoltre, viaggiando alla velocità della luce o a una velocità prossima, la distanza tra dove ci si trova e dove si sta andando si accorcia. In altre parole, lo spazio stesso diventa più compatto nella direzione del moto: più si viaggia velocemente, più breve deve essere il viaggio. In altre parole, per il fotone, lo spazio si schiaccia .

Il che ci riporta alla mia immagine della galassia Girandola. Dal punto di vista del fotone, una stella all’interno della galassia l’ha emesso, e poi un singolo pixel della mia macchina fotografica in giardino l’ha assorbito, esattamente nello stesso istante. Poiché lo spazio è compresso, per il fotone il viaggio è stato infinitamente veloce e infinitamente breve, una minuscola frazione di secondo.

Ma dal nostro punto di vista sulla Terra, il fotone ha lasciato la galassia 25 milioni di anni fa e ha viaggiato per 25 milioni di anni luce nello spazio, fino ad atterrare sul mio tablet nel mio cortile.

E lì, in una fresca notte primaverile, la sua straordinaria immagine ispirò una piacevole conversazione tra uno scienziato nerd e la sua curiosa moglie.