Velocità della luce, c’è solo un modo per superarla

C'è un modo per battere la velocità della luce: attraversare qualsiasi mezzo diverso da un vuoto perfetto. Ecco la fisica di come funziona

Nel nostro universo ci sono alcune regole a cui tutto deve obbedire. Energia, quantità di moto e momento angolare vengono sempre conservati ogni volta che due quanti interagiscono. 

La fisica di qualsiasi sistema di particelle che si muove in avanti nel tempo è identica alla fisica di quello stesso sistema riflesso in uno specchio, con antiparticelle al posto delle particelle, dove la direzione del tempo è invertita. 

E c’è un limite di velocità cosmico definitivo che si applica a ogni oggetto: niente potrà mai superare la velocità della luce, e niente che sia dotato di massa potrà mai raggiungere quella velocità.

Negli anni, sono stati sviluppati schemi molto intelligenti per cercare di aggirare quest’ultimo limite. Teoricamente, sono stati introdotti i tachioni, particelle ipotetiche che potrebbero superare la velocità della luce, ma i tachioni devono avere masse immaginarie e non esistono fisicamente. 

All’interno della Relatività Generale, uno spazio sufficientemente deformato potrebbe creare percorsi alternativi e accorciati su ciò che la luce deve attraversare, ma, per ora, non conosciamo nessun wormhole nel nostro universo. E mentre l’entanglement quantistico può creare un’azione “spettrale” a distanza, nessuna informazione viene mai trasmessa più velocemente della luce.

Ma c’è un modo per battere la velocità della luce: attraversare qualsiasi mezzo diverso da un vuoto perfetto. Ecco la fisica di come funziona.

La luce è un’onda elettromagnetica. Certo, si comporta anche come una particella, ma quando parliamo della sua velocità di propagazione, è molto più utile pensarla non solo come un’onda, ma come un’onda di campi elettrici e magnetici oscillanti in fase. Quando viaggia attraverso il vuoto dello spazio, non c’è nulla che impedisca a quei campi di viaggiare con l’ampiezza che sceglierebbero naturalmente, definita dall’energia, dalla frequenza e dalla lunghezza d’onda dell’onda (Che sono tutti correlati).

Ma quando la luce viaggia attraverso un mezzo, cioè qualsiasi regione in cui sono presenti cariche elettriche (e possibilmente correnti elettriche), quei campi elettrici e magnetici incontrano un certo livello di resistenza alla loro libera propagazione. Di tutte le cose che sono libere di cambiare o rimanere le stesse, la proprietà della luce che rimane costante è la sua frequenza mentre si sposta dal vuoto al mezzo, da un mezzo al vuoto, o da un mezzo all’altro.

Se la frequenza rimane la stessa, tuttavia, significa che la lunghezza d’onda deve cambiare, e poiché la frequenza moltiplicata per la lunghezza d’onda è uguale alla velocità, significa che la velocità della luce deve cambiare come il mezzo attraverso cui si sta propagando.

Superare la velocità della luce: animazione schematica di un raggio di luce continuo disperso da un prisma.
Animazione schematica di un raggio di luce continuo disperso da un prisma. – LUCASVB, UTENTE DI WIKIMEDIA COMMONS

Una dimostrazione spettacolare di ciò è la rifrazione della luce mentre passa attraverso un prisma. La luce bianca, come la luce solare, è costituita da una luce di un’ampia varietà continua di lunghezze d’onda. Lunghezze d’onda più lunghe, come la luce rossa, possiedono frequenze più piccole, mentre lunghezze d’onda più corte, come la luce blu, possiedono frequenze più grandi. 

Nel vuoto, tutte le lunghezze d’onda viaggiano alla stessa velocità: la frequenza moltiplicata per la lunghezza d’onda è uguale alla velocità della luce. Le lunghezze d’onda più blu hanno più energia, quindi i loro campi elettrici e magnetici sono più forti della luce di lunghezza d’onda più rossa.

Quando si fa passare questa luce attraverso un mezzo dispersivo come un prisma, tutte le diverse lunghezze d’onda rispondono in modo leggermente diverso. Più energia hai nei tuoi campi elettrici e magnetici, maggiore è l’effetto che sperimentano passando attraverso un mezzo. La frequenza di tutta la luce rimane invariata, ma la lunghezza d’onda della luce ad energia più alta si accorcia di una quantità maggiore rispetto alla luce a bassa energia.

Di conseguenza, anche se tutta la luce viaggia più lentamente attraverso un mezzo rispetto al vuoto, la luce rossa rallenta di una quantità leggermente inferiore rispetto alla luce blu, portando a molti fenomeni ottici affascinanti, come l’esistenza di arcobaleni quando la luce solare si rompe in diverse lunghezze d’onda mentre passa attraverso gocce d’acqua e goccioline.

Nel vuoto dello spazio, tuttavia, la luce non ha altra scelta – indipendentemente dalla sua lunghezza d’onda o frequenza – se non quella di viaggiare a una sola velocità: la velocità della luce nel vuoto. Questa è anche la velocità a cui deve viaggiare qualsiasi forma di radiazione pura, come la radiazione gravitazionale, e anche la velocità, secondo le leggi della relatività, a cui deve viaggiare qualsiasi particella priva di massa.

Ma la maggior parte delle particelle nell’Universo ha massa e, di conseguenza, devono seguire regole leggermente diverse. Se hai massa, la velocità della luce nel vuoto è ancora il tuo limite di velocità ultimo, ma invece di essere costretto a viaggiare a quella velocità, è invece un limite che non puoi mai raggiungere; puoi solo avvicinarlo.

Più energia metti nella tua particella dotata di massa, più può avvicinarsi alla velocità della luce, ma deve sempre viaggiare più lentamente della luce. Le particelle più energetiche mai create sulla Terra, che sono i protoni accelerati al Large Hadron Collider, possono viaggiare incredibilmente vicino alla velocità della luce nel vuoto: 299.792.455 metri al secondo, o 99,999999% la velocità della luce.

Non importa quanta energia immetteremo in quelle particelle, potremo solo aggiungere più “9” a destra di quella cifra decimale, comunque. Non potremo mai raggiungere la velocità della luce.

O, più precisamente, non potremo mai raggiungere la velocità della luce nel vuoto. Il limite massimo di velocità cosmica, di 299.792.458 m / s, è irraggiungibile per particelle massicce, e contemporaneamente è la velocità a cui devono viaggiare tutte le particelle prive di massa.

Ma cosa succede, se non viaggiamo attraverso il vuoto, ma attraverso un mezzo? 

A quanto pare, quando la luce viaggia attraverso un mezzo, i suoi campi elettrici e magnetici risentono degli effetti della materia attraverso cui passano. Questo ha l’effetto, quando la luce entra in un mezzo, di cambiare immediatamente la velocità con cui viaggia la luce. 

È il motivo per cui, quando guardi la luce entrare o uscire da un mezzo, o passare da un mezzo all’altro, sembra che si pieghi. La luce, sebbene libera di propagarsi senza restrizioni nel vuoto, la sua velocità di propagazione e la sua lunghezza d’onda dipende fortemente dalle proprietà del mezzo attraverso cui viaggia.

Luce che passa da un mezzo trascurabile attraverso un mezzo denso, esibendo rifrazione.
Luce che passa da un mezzo trascurabile attraverso un mezzo denso, esibendo rifrazione. – SPIGGET, UTENTE DI WIKIMEDIA COMMONS

Superare la velocità della luce: la radiazione Cerenkov

Tuttavia, le particelle subiscono un destino diverso. Se una particella ad alta energia che originariamente stava attraversando un vuoto si trova improvvisamente a viaggiare attraverso un mezzo, il suo comportamento sarà diverso da quello della luce.

Prima di tutto, non sperimenterà un cambiamento immediato di quantità di moto o energia, poiché le forze elettriche e magnetiche che agiscono su di esso – che cambiano la sua quantità di moto nel tempo – sono trascurabili rispetto alla quantità di moto che già possiede. Invece di piegarsi all’istante, come sembra fare la luce, i suoi cambiamenti di traiettoria possono procedere solo in modo graduale. 

Quando le particelle entrano per la prima volta in un mezzo, continuano a muoversi con più o meno le stesse proprietà, inclusa la stessa velocità, come prima di entrare.

In secondo luogo, i grandi eventi che possono cambiare la traiettoria di una particella in un mezzo sono quasi tutte interazioni dirette: collisioni con altre particelle

Questi eventi di scattering sono estremamente importanti negli esperimenti di fisica delle particelle, poiché i prodotti di queste collisioni ci consentono di ricostruire qualunque cosa si sia verificata nel punto di collisione. 

Quando una particella in rapido movimento si scontra con una serie di particelle stazionarie, chiamiamo questi esperimenti “target fisso” e vengono utilizzati in tutto, dalla creazione di fasci di neutrini alla creazione di particelle di antimateria che sono fondamentali per l’esplorazione di determinate proprietà della natura.

Ma il fatto più interessante è questo: le particelle che si muovono più lentamente della luce nel vuoto, ma più veloci della luce nel mezzo in cui entrano, stanno effettivamente superando la velocità della luce

Questo è l’unico modo reale e fisico in cui le particelle possono superare la velocità della luce. Non possono mai superare la velocità della luce nel vuoto, ma possono superarla in un mezzo. E quando lo fanno, accade qualcosa di affascinante: un tipo speciale di radiazione – la radiazione Cherenkov – viene emessa.

Prende il nome dal suo scopritore, Pavel Cherenkov, ed è uno di quegli effetti fisici che è stato notato per la prima volta sperimentalmente, prima che fosse mai previsto. 

Cherenkov stava studiando campioni radioattivi che erano stati preparati e alcuni di essi venivano conservati nell’acqua. I preparati radioattivi sembravano emettere una debole luce di colore bluastro, e anche se Cherenkov stava studiando la luminescenza – dove i raggi gamma eccitavano queste soluzioni che poi emettevano luce visibile quando si diseccitavano – fu rapidamente in grado di concludere che questa luce aveva una direzione preferita. Non era un fenomeno fluorescente, ma qualcosa di completamente diverso.

Oggi, lo stesso bagliore blu può essere visto nei serbatoi d’acqua che circondano i reattori nucleari: la radiazione Cherenkov.

Reattore nucleare sperimentale RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, con bagliore Cherenkov.
Reattore nucleare sperimentale RA-6 (Republica Argentina 6). – CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO

Da dove viene questa radiazione?

Quando si ha una particella molto veloce che viaggia attraverso un mezzo, quella particella sarà generalmente carica e il mezzo stesso è costituito da cariche positive (nuclei atomici) e negative (elettroni). La particella carica, mentre viaggia attraverso questo mezzo, ha la possibilità di entrare in collisione con una delle particelle al suo interno, ma poiché gli atomi sono per lo più spazio vuoto, le probabilità di una collisione sono relativamente basse su brevi distanze.

Invece, la particella ha un effetto sul mezzo attraverso il quale viaggia: fa polarizzare le particelle nel mezzo – dove le cariche simili si respingono e le cariche opposte si attraggono – in risposta alla particella carica che lo sta attraversando. Una volta che la particella carica si allontana, tuttavia, quegli elettroni tornano al loro stato fondamentale e quelle transizioni causano l’emissione di luce. 

In particolare, provocano l’emissione di luce blu in una forma conica, dove la geometria del cono dipende dalla velocità della particella e dalla velocità della luce in quel particolare mezzo.

Questa è una proprietà enormemente importante nella fisica delle particelle, poiché è proprio questo processo che ci consente di rilevare gli sfuggenti neutrini. 

I neutrini non interagiscono quasi mai con la materia. Tuttavia, nelle rare occasioni in cui lo fanno, trasmettono la loro energia solo a un’altra particella.

Quello che possiamo fare, quindi, è costruire un enorme serbatoio di liquido purissimo: liquido che non si decompone radioattivamente né emette altre particelle ad alta energia. Possiamo proteggerlo molto bene dai raggi cosmici, dalla radioattività naturale e da ogni sorta di altre fonti contaminanti. E poi, possiamo rivestire l’esterno di questo serbatoio con i cosiddetti tubi fotomoltiplicatori: tubi in grado di rilevare un singolo fotone, innescando una cascata di reazioni elettroniche che ci consentono di sapere da dove proviene, quando e in quale direzione si dirige un fotone.

Con rilevatori abbastanza grandi, possiamo determinare molte proprietà su ogni neutrino che interagisce con una particella in questi serbatoi. La radiazione Cherenkov che ne risulta, prodotta fintanto che la particella “spinta” dal neutrino supera la velocità della luce in quel liquido, è uno strumento incredibilmente utile per misurare le proprietà di queste particelle cosmiche spettrali.

La scoperta e la comprensione della radiazione Cherenkov fu rivoluzionaria in molti modi, ma portò anche a un’applicazione spaventosa nei primi giorni degli esperimenti di fisica delle particelle di laboratorio. 

Un raggio di particelle energetiche non lascia segni ottici mentre viaggia attraverso l’aria, ma causerà l’emissione di questa luce blu se passa attraverso un mezzo dove viaggia più velocemente della luce in quel mezzo. 

I fisici erano soliti chiudere un occhio e infilare la testa nel percorso del raggio; se il raggio era acceso, vedevano un “lampo” di luce dovuto alla radiazione Cherenkov generato nei loro occhi, a conferma che il raggio era acceso (inutile dire che questo metodo è stato interrotto con l’avvento della formazione sulla sicurezza dalle radiazioni).

Tuttavia, nonostante tutti i progressi compiuti in fisica nel corso delle generazioni successive, l’unico modo che conosciamo per battere la velocità della luce è trovare un mezzo che rallenti quella luce. 

Possiamo superare quella velocità solo in un mezzo e, se lo facciamo, questo bagliore blu rivelatore – che fornisce un’enorme quantità di informazioni sull’interazione che l’ha generato – è la nostra ricompensa ricca di dati. Fino a quando la trasmissione a curvatura o i tachioni non diventeranno realtà, il bagliore di Cherenkov resta l’unica strada.

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