C’è un limite di velocità nell’universo, la velocità della luce nel vuoto. Ecco come si può superare.

Nel nostro universo ci sono alcune regole che vanno rispettate. Energia, quantità di moto e momento angolare si conservano ogni volta che due quanti qualsiasi interagiscono. C’è un limite massimo di velocità cosmica che si applica a ogni oggetto. Niente può mai superare la velocità della luce e niente con massa potrebbe mai raggiungere quella velocità, 299.792.458 m/s.

Negli ultimi decenni, però, gli scienziati hanno sviluppato teorie interessanti per cercare di aggirare questo limite. Alcuni hanno messo in mezzo i tachioni, particelle ipotetiche che potrebbero addirittura superare la velocità della luce: i tachioni, però, devono avere masse immaginarie e non esistono fisicamente. La relatività generale, poi, dice che una spazio sufficientemente deformato potrebbe creare una sorta di cunicolo spazio-temporale creando un percorso più breve da attraversare. Solo che non abbiamo mai visto un wormhole. C’è però un modo per battere la velocità della luce: passando attraverso un “mezzo”.

Un cristallo di calcite colpito da un laser a 445 nanometri. Credit: Jan Pavelka/European Science Photo Competition 2015

Il limite della velocità della luce

Partiamo dal presupposto che la luce è un’onda elettromagnetica. Certo, si comporta anche come una particella. 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. Nel vuoto, non c’è nulla che impedisce a quei campi di viaggiare con l’ampiezza che sceglierebbero naturalmente, definita dall’energia, dalla frequenza e dalla lunghezza d’onda.

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. 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 cambia in base al mezzo in cui si propaga.

Perché diciamo che non si può superare la velocità della luce nel vuoto? Perché nel vuoto dello spazio la luce non ha altra scelta, se non quella di viaggiare a una velocità soltanto: 299.792.458 m/s. È anche la velocità con cui viaggia qualsiasi forma di radiazione pura (come quella gravitazionale) e anche la velocità con cui deve viaggiare qualsiasi particella priva di massa. Solo che la maggior parte delle particelle, nell’universo, una massa ce l’ha. Di conseguenza la velocità della luce nel vuoto è un limite a cui puoi solo avvicinarti senza mai raggiungere.

Cosa succede se la luce attraversa un mezzo

Prendiamo un prisma e proviamo a immaginare la luce che ci passa attraverso. Quando la luce viaggia attraverso un mezzo, i suoi campi elettrici e magnetici risentono degli effetti della materia che attraversano. Questo meccanismo ha l’effetto di cambiare la velocità con cui la luce viaggia. È anche il motivo per cui, quando guardiamo la luce entrare o uscire da un mezzo, o passare da un mezzo all’altro, sembra piegarsi. Sebbene sia libera di propagarsi, la luce ha una sua velocità di propagazione e la sua lunghezza d’onda dipende fortemente dalle proprietà del mezzo attraverso cui viaggia.

Il destino delle particelle

Tuttavia, le particelle subiscono un diverso destino. Se una particella ad alta energia che stava attraversando il vuoto si ritrova improvvisamente ad attraversare un mezzo, il suo comportamento sarà diverso rispetto a quello della luce. Le particelle, infatti, si muovono più lentamente della luce nel vuoto, ma più veloci della luce rispetto al mezzo in cui entrano. Questo è l’unico modo fisico in cui le particelle possono superare la velocità della luce. Quando lo fanno, viene emesso un particolare tipo di radiazione, la radiazione Cherenkov.

Quando una particella carica attraversa un mezzo, può sia collidere con altre particelle, che avere un effetto diretto sul mezzo attraverso il quale viaggia. In quest’ultimo caso provoca la polarizzazione delle particelle nel mezzo. Cariche simili si respingono e cariche opposte si attraggono, in risposta alla particella carica che sta attraversando il mezzo. Una volta che la particella carica è “fuori mano”, tuttavia, quegli elettroni tornano al loro stato fondamentale e quelle transizioni causano l’emissione di luce. È ciò che succede nei serbatoi d’acqua che circondano i reattori nucleari.

L’effetto Cherenkov è uno di quegli effetti fisici che fu notato ancor prima di essere scoperto. Mentre Cherenkov studiava campioni radioattivi in acqua, alcuni di essi emettevano una debole luce di colore blu e lo scienziato concluse subito che non si trattava di un fenomeno fluorescente, ma del comportamento delle particelle nell’acqua (il mezzo). Poiché queste particelle viaggiano più velocemente della luce in questo mezzo, emettono radiazioni per rilasciare energia, cosa che continueranno a fare finché non scenderanno al di sotto della velocità della luce. Credit: Centro Atomico Bariloche/Pieck Dario

Riferimenti: Big Think

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