Perché non possiamo costruire un’astronave che viaggi alla velocità della luce

I limiti sono scritti nella celebre equazione E=mc2 che impedisce che un’astronave con equipaggio a bordo possa muoversi alla velocità della luce, una barriera formidabile all’esplorazione spaziale umana.

Vediamo perché.

Come sappiamo, nello spazio le distanze, anche soltanto nella nostra galassia, sono immense e tra stella e stella c’è uno sterminato spazio quasi vuoto e desolato.

Queste distanze sono tra i problemi maggiori insiti nel desiderio di attuare un vero programma di esplorazione umana dello spazio. Soltanto per affrontare viaggi con distanze relativamente brevi avremmo bisogno di viaggiare alla velocità della luce o ad una velocità prossima al limite dei 300.000 km al secondo.

Questo, però, non è possibile per alcun oggetto realizzabile dalla nostra civiltà, vediamo perché.

La ragione affonda nella teoria della relatività speciale o ristretta di Einstein ed è compendiata nella famosa equazione E=mc2. Con questa equazione possiamo calcolare quanta energia verrebbe prodotta se, diciamo, una piccola quantità di materia fosse convertita in pura radiazione elettromagnetica. Dato che la velocità della luce è un numero molto grande, la risposta è: tantissima.

L’equazione ci dice anche che se l’energia di un oggetto aumenta, aumenta anche la sua massa, ossia la sua resistenza all’accelerazione (o variazione di velocità). L’energia cinetica è quella forma di energia necessaria per far muovere un oggetto. L’energia cinetica posseduta da un oggetto in movimento è pari all’energia che dovete impiegare per far sì che questo oggetto si muova. Pertanto, quanto più è alta la velocità di un corpo, tanto maggiore sarà l’energia cinetica che esso possiede.

Sulla base dell’equazione E=mc2 sappiamo che l’energia cinetica andrà ad aggiungersi alla massa dell’oggetto in movimento e di conseguenza, quanto più un oggetto si muove velocemente, tanto più la sua massa risulterà accresciuta e tanto più sarà difficile incrementare la sua velocità.

Questo effetto diventa rilevante soltanto con velocità prossime a quella della luce. Un oggetto che viaggi al 90% della velocità della luce vedrà la sua massa aumentare più del doppio. Purtroppo, apparentemente in modo paradossale, l’incremento diventa  esponenziale quando  ci apprestiamo a superare  il 99% della velocità  della  luce.

Man mano che un oggetto si avvicina alla velocità della luce, la sua massa cresce sempre più rapidamente, così che per aumentare ulteriormente la sua velocità occorre una quantità di energia via via maggiore.

Stando alla teoria della relatività, un oggetto non può quindi mai raggiungere la velocità della luce, poiché in tal caso la sua massa diventerebbe infinita e, pertanto, in forza dell’equivalenza tra massa ed energia, per fargli raggiungere tale velocità si dovrebbe impiegare una quantità infinita di energia.

La conseguenza è che qualunque corpo dotato di una massa è destinato a non poter raggiungere quella velocità che per gli spazi siderali sterminati del nostro universo rappresenterebbe comunque una tranquilla velocità di crociera.

Diversamente,  se scendiamo al  livello subatomico, e prendiamo ad esempio un  protone, la cui massa è pari  a circa 1,6726231 × 10−27 kg ovvero immensamente  minore  a quella  di un grammo  di polvere, grazie agli acceleratori di particelle, riusciamo ad accelerare questa particella a velocità  molto prossime a quella della luce. Già con 100  miliardesimi di joule, energia che non sarebbe sufficiente neppure a far sbattere  le ali di un moscerino, riusciamo a spingere un protone fino al 99,9999% della velocità della luce. 

Per spingere a questa velocità un grammo di materia che contiene un numero strabiliante di protoni e neutroni sarebbe necessaria, invece, una quantità di energia spaventosa, equivalente a quella generata dall’esplosione di 600 ordigni atomici.

Se questa è l’energia necessaria a far viaggiare alla velocità della luce un solo grammo di materia è facile comprendere come sia tecnicamente impossibile spingere  un’astronave di svariate  tonnellate a questa velocità che rappresenta il minimo sindacale per l’esplorazione spaziale  umana.

Ne deriva che finché non troveremo sistemi di propulsione alternativi a quelli oggi conosciuti, o almeno un trucco come, ad esempio, la cosiddetta velocità curvatura che permetterebbe di aggirare i limiti imposti dalla relatività Einsteiniana, anche solo l’esplorazione umana del sistema solare esterno sarà estremamente problematica.