Di per Forbes
Nell’universo c’è un limite alla velocità che è possibile raggiungere: la velocità della luce nel vuoto, “c”. Se non hai massa, che tu sia un’onda luminosa (un fotone), un gluone o persino un’onda gravitazionale, questa è la velocità a cui devi muoverti quando attraversi il vuoto, mentre se hai massa, puoi muoverti solo più lentamente di c.
Eppure, un recente studio sostiene che i getti di raggi gamma, in cui i raggi gamma stessi sono una forma di luce ad alta energia, possono viaggiare più velocemente della luce.
Quindi? È davvero possibile che i raggi gamma superino la velocità della luce e quindi sia possibile osservare il fenomeno della “reversibilità temporale”? L’inversione del tempo è solo un’affermazione teorica che consente a queste ipotetiche particelle che si muovono a velocità superiori a quella della luce di conformarsi alla relatività o ci sono prove empiriche di questo fenomeno?
Cominciamo guardando la fisica di base che governa l’Universo.
La luce si manifesta in un’ampia varietà di lunghezze d’onda, frequenze ed energie. Sebbene l’energia inerente alla luce sia quantizzata in pacchetti di energia discreti (ovvero fotoni), ci sono alcune proprietà condivise da tutte le forme di luce.
- L’energia inerente di un fotone è direttamente proporzionale alla frequenza: la luce a frequenza più alta / lunghezza d’onda più corta è la più energeticamente carica, mentre la luce a frequenza più bassa / lunghezza d’onda più lunga è quella con minor carica energetica.
Non appena lascia il vuoto, tuttavia, la luce si comporta in modo molto diverso sulla base delle diverse lunghezze d’onda.
La luce è un’onda elettromagnetica. Quando parliamo della lunghezza d’onda della luce, stiamo parlando della distanza tra ogni due “nodi” nel modello ondulato che i suoi campi elettrici e magnetici oscillanti in fase creano.
Quando si fa passare la luce attraverso un mezzo, tuttavia, all’improvviso ci sono particelle cariche posizionate in ogni direzione: particelle che creano i propri campi elettrici (e possibilmente magnetici). Quando la luce li attraversa, i suoi campi elettrici e magnetici interagiscono con le particelle nel mezzo e la luce è costretta a muoversi a una velocità più bassa: la velocità della luce in quel particolare mezzo.
Ciò che realmente accade, tuttavia, è che la luce rallenta in funzione della sua lunghezza d’onda.
Perché succede?
Perché i fotoni a lunghezza d’onda più lunga (più rossi) si piegano meno (e quindi viaggiano più velocemente) quando viaggiano attraverso un mezzo rispetto ai fotoni a lunghezza d’onda più corta (più blu), che si piegano di quantità maggiori e quindi viaggiano più lentamente?
Qualsiasi mezzo è composto da atomi, che a loro volta sono costituiti da nuclei ed elettroni. Quando si applica un campo elettrico o magnetico a un mezzo, quel mezzo stesso risponderà al campo: il mezzo si polarizza. Questo accade per tutte le lunghezze d’onda della luce. Per lunghezze d’onda più lunghe, tuttavia, i cambiamenti nel mezzo sono più lenti; ci sono meno cicli al secondo dell’onda elettromagnetica. Poiché l’elettromagnetismo resiste sempre alle variazioni dei campi elettrici e magnetici, la luce resisterà meglio ai campi che cambiano più velocemente (corrispondenti a fotoni con lunghezze d’onda più brevi, frequenze più alte e energie maggiori).
Questo è l’unico “trucco” che conosciamo per far muovere la luce a una velocità più lenta della velocità della luce nel vuoto: farla passare attraverso un mezzo. Quando lo facciamo, la luce a lunghezza d’onda più corta – che è la più energica – rallenta di una quantità maggiore rispetto alla luce a lunghezza d’onda più lunga, a energia più bassa. Se mandiamo un raggio di luce di qualsiasi frequenza a nostra scelta attraverso qualsiasi mezzo, i raggi gamma, se ve ne sono generati, dovrebbero viaggiare più lentamente di tutte le diverse forme di luce.
Ecco perché questo titolo è così sconcertante: come possono i getti di raggi gamma muoversi più velocemente della luce? Se diamo un’occhiata al documento scientifico stesso (prestampa gratuita disponibile qui), possiamo vedere che c’è un altro componente che aiuta a chiarire la storia: questa radiazione non si muove più velocemente di “c“, la velocità della luce nel vuoto, ma “v“, la velocità della luce nel mezzo pieno di particelle che circonda la fonte di questi raggi gamma.
Quando una particella si muove attraverso il vuoto dello spazio, deve sempre muoversi ad una velocità più lenta di c, la velocità della luce nel vuoto. Tuttavia, se quella particella entra in un mezzo in cui la velocità della luce è ora v, che è inferiore a c, è possibile che la velocità della particella diventerà improvvisamente maggiore della velocità della luce in quel mezzo.
In questo caso, la particella, dalle sue interazioni con il mezzo, produrrà un tipo speciale di radiazione: la luce blu / ultravioletta conosciuta come radiazione di Čerenkov. Alle particelle è proibito di viaggiare più velocemente della velocità della luce nel vuoto in tutte le condizioni, ma nulla impedisce loro di viaggiare più velocemente della luce in un mezzo.
Ciò a cui si riferisce il nuovo studio è il fatto che abbiamo molti diversi tipi di fenomeni astrofisici ad alta energia che sembrano avere tutti la stessa configurazione generale: fotoni ad alta energia emessi da un evento violento nello spazio in un ambiente particolare. Questo vale anche per i lampi di raggi gamma lunghi / intermedi, per i lampi di raggi gamma di breve periodo e per i raggi X.
Ciò che i ricercatori hanno fatto è stato introdurre un nuovo modello semplice che spiegherebbe le bizzarre proprietà osservate nei lampi di raggi gamma. Modellano le emissioni di raggi gamma come originate da un getto di particelle in rapido movimento, il che è coerente con ciò che sappiamo, ma poi introducono un’onda di impatto in rapido movimento che scorre in questo getto in espansione e, man mano che la densità (e altre proprietà) del mezzo cambia, quell’onda accelera dal movimento più lento della luce a quello più veloce della luce in quel mezzo.
Il fatto è che quando le particelle si muovono attraverso un mezzo, più veloci della luce o più lente della luce, emetteranno radiazioni in entrambi i modi. Se ti muovi più velocemente della luce, produci sia radiazioni di Čerenkov che collisioni. Se ti muovi più lentamente della luce, produci radiazioni Compton (diffusione di elettroni / fotoni) o radiazioni di sincrotrone.
Se fai entrambe le cose, il che significa che ti muovi più lentamente della luce attraverso il mezzo per una parte del viaggio e più veloce della luce attraverso il mezzo per un’altra parte del viaggio, dovresti vedere due serie di caratteristiche della curva della luce per i raggi gamma che arrivano sulla Terra.
- La radiazione più lenta della luce dovrebbe mostrare un segnale di time forward: dove gli eventi che accadono prima arrivano prima e quelli che accadono dopo. La radiazione viaggia più velocemente del segnale.
- Ma la radiazione più veloce della luce dovrebbe produrre un segnale invertito nel tempo: dove gli eventi che accadono più tardi arrivano prima e quelli che accadono prima arrivano più tardi. Il segnale viaggia più veloce della radiazione.
Guarda l’animazione qui sotto per vedere perché.
Qui puoi vedere una particella che si muove più velocemente della luce in un mezzo. La particella interagisce con il mezzo, producendo segnali luminosi in ogni punto, che si propagano sfericamente verso l’esterno da qualsiasi punto la particella si trovi in quell’istante. Ma anche se la luce si muove alla velocità della luce, la particella può muoversi più velocemente perché siamo in un mezzo. La luce che rilevi, lungo i fronti d’onda mostrati nella cornice finale, è sempre dietro la particella.
Ciò significa che i segnali che arrivano per primi saranno gli ultimi ad essere emessi e quelli che arrivano per ultimi sono stati i primi emessi: esattamente l’opposto di ciò che ci dice la nostra esperienza convenzionale.
Se fosse un pugno in faccia invece di una particella, prima sentiresti l’impatto, e poi vedresti il pugno proprio di fronte a te. Questo è possibile solo in un mezzo. Nel vuoto, la velocità della luce vince sempre ogni gara.
I lampi di raggi gamma sono composti da più impulsi e appaiono come picchi che si alzano rapidamente e poi cadono un po’ più lentamente. Questi impulsi sono uniti da segnali più piccoli, noti come residui, e mostrano molta complessità. Tuttavia, un esame dettagliato mostra che i residui di impulso non sono indipendenti, ma sono collegati tra loro: alcuni hanno residui che sono i residui invertiti nel tempo di altri impulsi.
Questo è il grande fenomeno che il nuovo modello proposto da Jon Hakkila e Robert Nemiroff sta tentando di spiegare. Il grosso problema non è che qualcosa sta andando più veloce della luce nel vuoto; non lo fa. Il grosso problema è che questo fenomeno osservato, altrimenti inspiegabile, potrebbe avere una semplice causa astrofisica: un getto più lento della luce (in un mezzo) che diventa superluminale (in quel mezzo).
Gli impulsi originati da queste due fasi hanno tempi di arrivo sovrapposti, e questo è il modo in cui possiamo vedere questo comportamento simile al riflesso nel segnale. Potrebbe non essere la risposta finale, ma è la migliore spiegazione per questo fenomeno altrimenti inspiegabile che l’umanità ha elaborato finora.