La luce è la cosa che si muove più velocemente nell’universo. Quindi cosa accadrebbe se la velocità della luce fosse molto, molto più lenta?
Nel vuoto, la velocità della luce è di circa 300.000 chilometri al secondo. Se fosse un ordine di grandezza più lenta, gli umani se ne accorgerebbero immediatamente.
Qualsiasi giocatore può sperimentare questo ipotetico scenario in un gioco per computer creato da Gerd Kortemeyer, direttore dello sviluppo educativo e della tecnologia presso l’ETH di Zurigo, un’università di scienze, tecnologia, ingegneria e matematica in Svizzera, e i suoi colleghi. Nel gioco, puoi vedere i bizzarri effetti del cambiamento di colori e luminosità, e persino alterazioni nella lunghezza percepita degli oggetti, che deriverebbero da una velocità della luce molto più lenta.
Le lente velocità umane
Anche alle nostre velocità più elevate, gli esseri umani sono lenti rispetto alla luce.
“Il più veloce che un essere umano abbia viaggiato è circa lo 0,0037% della velocità della luce e devi essere in una sorta di veicolo spaziale per raggiungere quelle velocità”, ha affermato Philip Tan, ricercatore presso il MIT Game Lab.
Ma facendo esperimenti mentali, i fisici hanno determinato che potrebbero accadere cose insolite se gli esseri umani potessero viaggiare alla velocità della luce, ha detto Kortemeyer, che è anche professore associato di fisica presso la Michigan State University. Secondo la teoria della relatività speciale di Albert Einstein – che spiega come la velocità influisce su massa, tempo e spazio – il tempo rallenterebbe, quindi misureremmo gli oggetti come più corti mentre sfrecciamo davanti a loro e l’effetto Doppler diventerebbe visibile per la luce, tra gli altri cambiamenti.
Gli stessi cambiamenti si verificherebbero se, invece di accelerare l’uomo, la luce rallentasse. In entrambi i casi, ci muoveremmo quasi alla velocità della luce.
Una velocità della luce più lenta
Mentre Kortemeyer lavorava come visiting professor al MIT, lui, Tan e i colleghi del MIT Game Lab hanno creato un gioco per computer per illustrare come sarebbe il mondo se la velocità della luce fosse abbastanza lenta da rendere evidente la relatività speciale nella vita di tutti i giorni. Nel gioco, pubblicato nel 2012 e chiamato “A Slower Speed of Light“, il giocatore controlla un personaggio che colleziona sfere simili a palloni da spiaggia. Ogni volta che il personaggio raccoglie una delle 100 sfere, la velocità della luce rallenta.
In realtà, la velocità della luce non rallenterebbe come nel gioco. La velocità della luce nel vuoto non cambia mai ed è costante per ogni osservatore. Tuttavia, la velocità della luce cambia a seconda dei materiali che attraversa, ma ciò non cambia gli effetti della relatività speciale, o come li percepiamo, ha detto Kortemeyer.
Se potessimo assistere alla relatività ristretta, tuttavia, noteremmo cambiamenti nei colori, nel tempo, nella distanza e nella luminosità, e il team ha incorporato questi effetti nel gioco.
Cambiamenti di colore
Quando la velocità del movimento umano si avvicina alla velocità della luce, diventa percepibile qualcosa chiamato effetto Doppler relativistico. Per capirlo, ricorda che la luce agisca sia come particella che come onda. In quanto onda, è caratterizzata dalla sua lunghezza d’onda, ovvero la distanza da cresta a cresta, che ne determina il colore, e la sua frequenza, ovvero quante creste passano in un dato momento.
Simile al modo in cui, secondo l’effetto Doppler, avvicinarsi a una sorgente sonora fa sembrare la sua frequenza, o altezza, aumentare man mano che le creste d’onda raggiungono l’orecchio sempre più velocemente, avvicinarsi a una sorgente luminosa fa sembrare la sua lunghezza d’onda più corta, spostando il colore apparente della luce verso l’estremità blu e viola dello spettro dei colori, sostiene Kortemeyer. Allontanandosi da un oggetto, d’altra parte, sposta il suo colore apparente verso l’estremità rossa dello spettro. In sintesi, “la cosa che viene verso di te sembra più blu, o la cosa che si allontana da te sembra più rossa”, ha detto Kortemeyer.
Modifiche al tempo e alla distanza
Forse uno degli effetti più famosi della relatività speciale è che per un essere umano che si muove vicino alla velocità della luce, il tempo rallenta. In questo scenario, una persona che si muove quasi alla velocità della luce invecchierebbe più lentamente. Questo effetto è chiamato dilatazione del tempo.
Nel gioco, “tecnicamente, stai sperimentando una dilatazione del tempo, ma senza avere qualcosa con cui confrontarlo, non significa davvero nulla”, ha detto Tan. La dilatazione del tempo potrebbe non essere evidente durante il gioco, ma alla fine, i giocatori vedono uno schermo che li informa che è passato meno tempo per loro rispetto a un orologio fermo, ha detto Tan. La dilatazione del tempo, come gli altri effetti della relatività ristretta, si verifica durante il gioco perché il personaggio del gioco si avvicina alla velocità della luce.
Un altro effetto della relatività speciale è che le lunghezze degli oggetti che si muovono vicino alla velocità della luce – o degli oggetti stazionari mentre sfrecciano davanti a loro a una velocità prossima alla luce – si accorciano. Questa è chiamata contrazione della lunghezza. Ma l’effetto è complicato, ha detto Kortemeyer. Gli oggetti che zoomano vicino alla velocità della luce potrebbero subire una contrazione della lunghezza e potrebbero essere più corti, secondo le misurazioni di un osservatore stazionario, ma in realtà apparirebbero più lunghi agli occhi di quella persona a causa di un altro effetto della relatività speciale chiamato effetto runtime, ha affermato Kortemeyer.
Ad esempio, supponiamo che una bicicletta stia venendo verso di te. La luce dalla parte anteriore della bici ha una distanza più breve da percorrere ai tuoi occhi rispetto alla luce dalla parte posteriore della bici. Di conseguenza, vedi la parte anteriore della moto come era più di recente e la parte posteriore della moto come era più lontana in passato, quando la moto era più lontana. “Questo nel complesso fa sembrare la bicicletta più lunga”, ha detto Kortemeyer. A volte, questo stesso effetto può far apparire deformati gli oggetti.
In altre parole, se la velocità della luce fosse molto più lenta, gli oggetti che si muovono vicino a quella velocità potrebbero apparire più lunghi e/o deformati agli osservatori fermi.
Modifiche alla luminosità
Quando cammini sotto la pioggia, potresti notare che ti bagni più davanti che dietro. Mentre cammini sotto la pioggia, incontri più gocce di pioggia di quante ne faresti stando fermo, ma la parte anteriore di te protegge la parte posteriore da quelle gocce di pioggia in più. Qualcosa di simile accadrebbe se ti muovessi vicino alla velocità della luce, ha detto Kortemeyer.
Questo perché la luce a volte si comporta come un insieme di particelle, chiamate fotoni, che sono come piccole goccioline di luce. Quando ti muovi verso un oggetto nel gioco per computer, questo appare più luminoso di quando sei fermo, perché stai camminando nei suoi fotoni. Questo è chiamato effetto proiettore.
Mr. Tompkins nel Paese delle Meraviglie
Kortemeyer e Tan non sono stati i primi a immaginare un mondo con una velocità della luce più lenta. Nel 1939, il fisico George Gamow pubblicò un libro illustrato, intitolato “Mr. Tompkins in Wonderland”, in cui il personaggio del titolo guida una bicicletta attraverso una città con una velocità della luce rallentata e sperimenta effetti relativistici. A Einstein “è piaciuto molto quel libretto”, ha detto Kortemeyer.
Cosa potrebbe pensare il grande fisico di “A Slower Speed of Light”? “La curiosità potrebbe averlo fatto giocare in primo luogo, poiché se si deve credere agli storici, già all’età di 16 anni ha chiesto cosa avresti visto se stessi cavalcando un raggio di luce – che, ovviamente, non puoi , ma nel gioco puoi raggiungere quasi la velocità della luce”, ha concluso Kortemeyer.
