E’ davvero possibile viaggiare alla velocità della luce? Se sì, come? È pura fantascienza? La risposta a queste domande
Il 29 maggio 1919, durante un’eclissi totale di sole, le misurazioni della variazione della posizione apparente in cielo, a causa dell’effetto di lente gravitazionale ad opera del Sole, offrirono ad Einstein la prova del funzionamento della sua teoria della relatività generale. Ancor prima, in realtà, Einstein aveva sviluppato la teoria della relatività ristretta, che ha rivoluzionato il modo in cui comprendiamo la luce. Ad oggi, fornisce agli scienziati indicazioni su come le particelle si muovono nello spazio, un’area di ricerca fondamentale per proteggere i veicoli spaziali e gli astronauti dalle radiazioni e in generale per la conoscenza approfondita delle leggi fondamentali della natura. Ma si può viaggiare alla velocità della luce (o quasi)?
Cosa ci dice la teoria della relatività ristretta
La teoria della relatività ristretta, o relatività speciale, dimostra che partendo dal postulato secondo cui i fotoni, viaggiano nel vuoto ad una velocità costante (di circa 300.000 km/s), si hanno profonde conseguenze che hanno poi avuto totali conferme sperimentali, come la contrazione delle lunghezze e la dilatazione dei tempi. Ovviamente la velocità della luce e` immensamente difficile da raggiungere ed impossibile da superare. Eppure in tutto lo spazio, dai buchi neri ad alcuni luoghi anche vicini alla Terra, le particelle vengono accelerate a velocità incredibili, alcune raggiungono addirittura il 99,9% della velocità della luce. Uno dei compiti degli scienziati della NASA è quello di capire meglio come queste particelle vengono accelerate. Lo studio di queste particelle superveloci, o relativistiche, può aiutare a rendere più sicure le missioni che esplorano il sistema solare o dirette verso la Luna, e di certo fornisce nuove importanti informazioni sull’Universo. Ma veniamo a noi, è possibile viaggiare (quasi) alla velocità della luce? Diciamo di sì, ed esistono almeno tre modi diversi per farlo!
Campi elettromagnetici
La maggior parte dei processi che accelerano le particelle a velocità relativistiche funzionano con i campi elettromagnetici. Questo è costituito dalla combinazione di un forte campo elettrico generato dalla rapida variazione di campo magnetico (o viceversa!) e del campo magnetico stesso. Un esempio di dove cio` possa avvenire e` dato dalle pulsars, dove i protoni e gli elettroni vengono estratti dalla superficie della stella di neutroni dal forte campo elettrico indotto proprio dal fortissimo campo magnetico che ruota a grande velocita` insieme alla stella. Oltre ai protoni, abbiamo poi anche elettroni e i positroni, i quali possono venire prodotti nella magnetosfera in coppie grazie alle alte energie in gioco (il tutto secondo la famosa relazione einsteniana tra energia e materia, E=mc2) per poi venire anch’essi accelerati fino a velocita` prossime a quelle della luce.
Esplosioni magnetiche e velocità della luce
I campi magnetici sono ovunque nello spazio. Pensiamo di nuovo al caso delle pulsars. L’intenso campo magnetico di una stella di neutroni, nel corso della sua rapidissima rotazione, puo` aggrovigliarsi. Quando la tensione diventa troppo grande, le linee si spezzano e si riallineano in modo “esplosivo” in un processo noto come riconnessione magnetica. Il rapido cambiamento del campo magnetico di una regione crea campi elettrici, che fanno sì che tutte le particelle cariche che lo accompagnano vengano scagliate via ad altissime velocità. Gli scienziati dunque sospettano che la riconnessione magnetica sia uno dei modi in cui le particelle vengono accelerate a velocità relativistiche, oltre che una delle possibili sorgenti dei raggi cosmici ad alta energia.
Interazioni onda-particella
Infine, le particelle possono essere accelerate dalle interazioni con le onde elettromagnetiche. E` cio` che accade ad esempio nei grandi acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra. In questo caso, abbiamo enormi magneti che piegano le traiettorie delle particelle in un anello. Inoltre, si usano delle onde radio per accelerare le particelle. Pensate a un forno a microonde. Si mette il caffè nel microonde, si preme un pulsante e l’energia delle microonde viene trasferita nel caffè. Nell’ LHC accade qualcosa di simile, ma si sintonizzano le onde radio e le particelle in modo che le onde radio spingano le particelle in una direzione e pompino quantità enormi di energia nella cavità. A differenza di un forno a microonde, in cui la radiazione a microonde fa muovere gli atomi in direzioni casuali, le onde radio di LHC agiscono piu` o meno come una persona che spinge un’altalena. Il pacchetto di protoni si muove in un anello e le onde radio sono sincronizzate modo che quando i protoni completano un giro spingano nella stessa direzione, accelerando i protoni a energie molto elevate, fino al 99.99999896% della velocita` della luce.
Fonti:
- nasa.gov
- Guépin et al. 2019; A&A 635, A138 (2020)
