Esistono i tachioni? E, se esistessero, come cambierebbero le leggi della fisica?
Einstein nella teoria della relatività speciale dimostra che nulla può accelerare oltre la velocità della luce. Cosa succederebbe, però, se esistesse qualcosa che già all’origine si muovesse più veloce della luce?
Il tipo di particella che potrebbe consentire una circostanza così strana ha già un nome: il tachione, e, se se ne dimostrasse l’esistenza, non solo cambierebbe radicalmente la nostra comprensione della fisica, ma anche la nostra concezione dellqa realtà come la conosciamo.
Le regole per viaggiare più veloci della luce
Perché la velocità della luce è un limiteinsuperabile? Man mano che gli oggetti si muovono più velocemente, guadagnano più energia. Ma la relatività ci dice che massa ed energia sono la stessa cosa (ricordiamo la famosa formula E = mc 2). Quindi, man mano che gli oggetti si muovono più velocemente, diventano anche più massicci. Questo non è realmente evidente finché non ci si avvicina alla velocità della luce, quando energia e massa vanno fuori controllo. Un oggetto che si avvicina alla velocità della luce raccoglie una quantità infinita di massa, che richiede una quantità altrettanto infinita di energia per spingerla: pertanto, tutti gli oggetti massicci sono necessariamente limitati a velocità inferiori a quella della luce. Le uniche cose che possono andare alla velocità della luce sono le particelle prive di massa, come i fotoni, i portatori di luce.
La famosa equazione di Einstein afferma che l’energia ( E ) è uguale alla massa ( m ) moltiplicata per la velocità della luce al quadrato ( c 2 ); la velocità della luce ( c ) è una costante fisica universale esattamente pari a 299.792.458 metri al secondo. La formula E = mc2 ci dice che energia e massa hanno un rapporto speciale, chiamato “equivalenza massa-energia”.
La relatività, però, ci dice anche che esiste una strana immagine speculare in queste leggi familiari. Se un tipo speciale di particella dovesse apparire sulla scena, già viaggiando più velocemente della luce, allora sarebbe costretta a muoversi sempre più veloce della luce, per sempre. Anche rallentare una particella del genere richiederebbe una quantità infinita di energia.
Tutte le particelle conosciute nell’universo viaggiano alla velocità della luce o al di sotto di essa. Tuttavia, l’ipotetica particella tachionica potrebbe battere la velocità della luce. Un problema: la sua esistenza riscriverebbe un aspetto del nostro universo fisico in un modo così fondamentale che di solito non ci pensiamo nemmeno.
I tachioni non seguono la logica di causa-effetto…
La questione di fondo qui è la causalità. In parole povere, la causalità è il principio secondo cui ogni cosa ha una causa, che ogni causa porta a un effetto e che ogni effetto deriva da una causa. La causalità è alla base di tutto ciò che sperimentiamo nella nostra vita quotidiana. Ad esempio, se voglio mettere il caffè nella tazza (un effetto), devo versare il caffè dalla caffettiera nella tazza (una causa). Se vedo una finestra rotta, non presumo che sia apparsa magicamente in quel modo; invece, comincio a cercare la palla o il sasso che qualcuno ha lanciato per romperla.
La causalità fornisce l’ordine logico per tutti gli eventi della nostra vita. È così che diamo un senso allo scorrere del tempo. Le cause portano agli effetti, che a loro volta diventano nuove cause che portano a nuovi effetti, e così via, dal passato al futuro. Il passato contiene tutte le cause che hanno portato alla realtà attuale e il futuro è pieno di molti possibili effetti basati sulle cause presenti. Questa catena ininterrotta di cause ed effetti costituisce la struttura fondamentale dell’esperienza.
Eppure, i tachioni, se esistessero, potrebbero spezzare la catena.
… O la velocità della luce
La relatività speciale non ci parla solo dei limiti di velocità nell’universo. Ci parla anche della relazione tra causa ed effetto nell’universo. Poiché la velocità della luce è il limite massimo di velocità nel cosmo, è anche il modo più veloce possibile affinché una causa porti a un effetto, perché è il modo più veloce con cui qualsiasi cosa può muoversi.
Se voglio darti un colpetto sulla spalla, devo avvicinarmi a te e tendere la mano. La massima velocità a cui posso farlo è alla velocità della luce. Se sei nelle vicinanze, posso toccarti la spalla in tempi relativamente brevi. Se sei lontano, devo prima venire da te. In altre parole, la velocità della luce limita gli effetti che posso avere nell’universo; più gli altri oggetti sono lontani, più tempo mi occorrerà per ottenere un effetto.
Il limite alla velocità degli oggetti in movimento impone anche un limite alla velocità della causalità. Se qualcosa è troppo lontano e non ho abbastanza tempo per raggiungerlo, non posso mai influenzarlo, perché la velocità della luce è un limite. Ad esempio, se tu fossi nella galassia di Andromeda, a 2,5 milioni luce anni di distanza dalla Terra e volessi toccarti la spalla, ma con solo un’ora e mezza per arrivarci, sono sfortunato. Non c’è modo in cui io possa darti un colpetto sulla spalla, in nessun modo la mia causa può portare a quell’effetto.
Con i tachioni, tuttavia, sarebbe possibile violare tali regole.
La particella che viaggia nel tempo
Poiché i tachioni se esistessero viaggerebbero più velocemente della luce, è possibile immaginare scenari in cui causa ed effetto non rispettano il loro normale e sensato ordine. Ad esempio, diciamo che io sono seduto sulla Terra e tu sei su un’astronave, da qualche parte molto lontano. Ognuno di noi ha un trasmettitore speciale in grado di inviare e ricevere tachioni più veloci della luce.
Ti mando un messaggio e ti raggiunge più velocemente della luce. Ciò significa che se hai un telescopio puntato verso di me, riceverai il messaggio prima di vedermi inviarlo, perché la mia luce che raggiunge il tuo telescopio è limitata alla velocità della luce! Quindi, puoi comporre un messaggio di risposta e inviarmelo; ancora una volta, riceverei il messaggio prima che tu mi veda inviare il messaggio originale, il che significa che stai effettivamente inviando la tua risposta indietro nel tempo, un trucco speciale possibile solo attraverso particelle tachioniche più veloci della luce.
Ciò è bizzarro, ma non rompe la causalità, per ora. Quindi, iniziamo a giocare con la realtà. All’interno di questa configurazione immaginaria, facciamo finta che il mio trasmettitore di tachioni abbia un meccanismo di autodistruzione, che si attiva solo se riceve un messaggio in codice segreto. Ti capita di conoscere questo messaggio segreto. Quando ricevi la mia trasmissione e rispondi, invii il segnale di autodistruzione al mio trasmettitore.
Poiché i tachioni possono viaggiare più veloci della luce, la tua risposta al mio messaggio iniziale potrebbe arrivare prima che io abbia inviato qualsiasi cosa. Ma la tua risposta ha dato istruzioni al mio trasmettitore di autodistruggersi, rendendomi impossibile inviare il mio messaggio. Ma l’unico modo per ricevere il segnale di autodistruzione è che io abbia inviato il mio messaggio… e che tu mi abbia risposto.
Quindi, cosa succede? Ho inviato il messaggio o il trasmettitore si è autodistrutto? È un paradosso causato dalla presenza di quei tachioni più veloci della luce, che rompono il normale ordine di causa ed effetto. Poiché i tachioni possono viaggiare nel passato, possono innescare effetti che si verificano prima delle loro cause, il che porta a ogni sorta di strani scenari paradossali.
Possono esistere i tachioni?
Non abbiamo prove che i tachioni non esistano. Non c’è nulla nella stessa teoria della relatività che ne escluda la possibilità. Ma se esistessero, manderebbero completamente in frantumi la nostra comprensione della realtà. La fisica crollerebbe, poiché la fisica è una storia di causa ed effetto a un livello fondamentale. Ma non succederebbe solo alla fisica. Tutta la nostra comprensione della realtà e dell’esistenza si basa sulla causalità, sulle relazioni di causa ed effetto. I tachioni distruggono quelle relazioni; con i tachioni nel quadro, gli effetti non potrebbero più essere ricondotti alle cause, e le cause potrebbero portare ad effetti sia nel futuro che nel passato. Il flusso logico del tempo diventerebbe un pasticcio intricato e senza senso.
Certo, la nostra comprensione fondamentale della realtà potrebbe essere sbagliata, e la possibilità dell’esistenza dei tachioni potrebbe essere il primo passo per riscrivere i nostri presupposti di base. O forse, solo forse, viviamo in un universo razionale e ordinato, e dovremo fare tutto a una velocità inferiore a quella della luce, che ci piaccia o no.
