Superluminale! Sei fenomeni fisici più veloci della luce

La teoria della Relatività di Einstein ha mostrato come non sia possibile portare un oggetto dotato di massa a velocità superluminali, ossia maggiori di quelle della luce (c=300,000 km/s). A questa velocità possono, e devono, viaggiare le sole particelle prive di massa.

Nonostante questo limite invalicabile, e nonostante non vi sia al momento nessuna teoria o evidenza sperimentale che ci permetta di aggirare questo limite per spostarsi o trasmettere informazione a velocità più grandi di c, vi sono alcuni fenomeni che sono, o sembrano superluminali, ossia più veloci della luce.

L'espansione dell’universo. La Relatività speciale sancisce che nello spazio-tempo nulla si muove più veloce della luce, ma non pone alcun limite all'espansione dello spazio-tempo, descritta dalla Relatività Generale. Infatti, nei primi istanti dopo il Big Bang, l’Universo, raffreddandosi, nella fase dell’inflazione, si è espanso molto più velocemente della luce. Le cause di questa repentina espansione non sono ancora note e sono dovute a fenomeni di fisica ancora sconosciuti. Secondo alcune teorie essa è legata alla produzione di materia oscura, ma sino a che questa particella non sarà identificata direttamente non è ancora possibile avere una risposta definitiva. L’universo a noi causalmente connesso, a noi visibile, ha dunque un ‘raggio’ di circa 46.5 miliardi di anni luce, mentre la sua età è ‘solo’ di 15 miliardi di anni. Le regioni più distanti resteranno per sempre a noi ignote e  inesplorabili. Infatti, per la legge di Hubble, la velocità di allontanamento delle galassie V  è proporzionale alla loro distanza D, per cui le galassie più distanti si stanno allontanando ad una velocità superiore a quella della luce.  Un altro fondamentale problema ancora irrisolto è se le leggi e le costanti della fisica siano diverse dalle nostre in quelle regioni. Infatti ciascuna regione dell’universo è come una delle isole delle Galapagos su scala cosmica, sconnessa dalle altre e dunque in grado di evolversi indipendentemente. Se è così, dovrebbe essere possibile trovare traccia di queste altre ‘isole’ sotto forma di difetti topologici, punti e superfici che cercano di raccordare le diverse regioni dello spazio.

La meccanica Quantistica, in particolare il collasso della funzione d’onda.  Nel momento in cui effettuo una misura, la funzione di probabilità della particella microscopica ‘collassa’ nello stato che vado a misurare. Se ho un sistema di due particelle, la misura di una particella fa collassare istantaneamente anche la funzione d’onda della seconda particella, anche se si trova all'altro capo della galassia. Questo fenomeno è stato misurato più volte in laboratorio. Non è possibile utilizzarlo per trasmettere informazione, ma potrebbe essere sfruttato in future reti di computer quantistici (qui un articolo sul teletrasporto quantistico  e qui una misura recente al riguardo).

Luce Cherenkov in un reattore nucleare (da wiki)

L’effetto Cherenkov. La luce (e tutte le onde elettromagnetiche) viaggia a c=300,000 km/s nel vuoto. Se si propaga in un mezzo, l’interazione con gli elettroni atomici del materiale che attraversa, la fa rallentare e muovere a velocità v=c/n, dove n è l’indice di rifrazione del mezzo. L’acqua ha n=1.33 e dunque la luce viaggia ‘solo’ a 200,000 km/s. È quindi possibile avere particelle elementari che viaggiano più veloci della luce (rendendo blu l'acqua dei reattori nucleari). Se sono cariche, come elettroni e positroni, esse creano un’onda d’urto elettromagnetica, analoga a quella degli aerei supersonica nell’aria. (qui è spiegato per esteso).   Molti rivelatori di particelle e telescopi sfruttano questo principio.

La velocità di fase delle onde elettromagnetiche. La cresta di un’onda elettromagnetica in certi materiali si può propagare a velocità superiori a quella della luce. Anche in questo caso non vi è trasmissione di segnale, come quella che avviene con le onde radio, dove quella che conta è la velocità di gruppo (ossia della modulazione) delle onde.

Schema e dimensioni degli effetti luminosi nell'alta atmosfera

Gli effetti Transienti Luminosi o TLE (Transient Luminous Effects). Questi rari fenomeni hanno nomi esotici come Sprites ed  Elves. Di questi, gli Elves sono un fenomeno globulare che si espande sino a 100 km dove forma un’onda d’urto circolare. Se considerata lungo la circonferenza, l’espansione dell’onda d’urto appare superluminale, ma è solo un effetto ottico. I vari punti della circonferenza che si espande non sono causalmente connessi tra loro, ossia non si possono influenzare a vicenda, dato che l’onda è in realtà quella che si propaga, ad una velocità inferiore a quella della luce, dal centro della sfera in basso.

Lo spostamento dei jet di galassie. Anche in questo caso si tratta di un effetto apparente simile a quello precedente. Il jet è emesso a velocità relativistica ma inferiore a quella della luce.  

BONUS: 4 cose che NON vanno più veloci della luce (anche se ci provano)

Copertina di Mort, di Terry Pratchett

1. 1. Superman. Dato che a quanto pare non gli bastano i superpoteri che ha, deve andare in giro a dicendo che va ‘più veloce della luce’. L’agiografia del  primo film millanta che sia riuscito anche a viaggiare indietro nel tempo. (Se invece del Daily Planet avesse lavorato in uno dei quotidiani romani sarebbe stato definito un “coatto”).
2. I tachioni. Ipotetiche ma inosservate e inesistenti particelle che guarda caso  sono…. più veloci della luce. In questa ipotesi da fantascienza (non sono previste da nessuna delle teorie di fisica esistenti o ipotizzate), i tachioni sono costretti a muoversi più velocemente della luce e ‘dunque’ si muovono indietro nel tempo.
3. I neutrini di Opera. Si è trattato di un errore di misura ed è stato dimostrato che si muovono meno velocemente della luce,  ma si è trattata di una misura importantissima da verificare, dato che una delle ipotesi avanzate fosse che solo i neutrini si muovessero alla velocità massima ammessa dalla Relatività speciale, mentre i fotoni fossero rallentati in qualche modo dalle interazioni con il vuoto quantistico.  (qui un post info sulle scoperte vere di Opera).
4. La monarchia. Secondo Terry Pratchett (Mort, quarto volume di Discworld): “l’unica cosa che si può muovere più veloce della luce è la monarchia, Secondo il filosofo Ly Tin Wheedle. Il suo ragionamento si basa sul fatto che non si può evere più di un re per volta, e la tradizione richiede che non c’è soluzione di continuità tra i re. Perciò quando un re muore, la successione passa istantaneamente all’erede. Presumibilmente, disse il filosofo, ci deve essere un qualche tipo di particelle elementari, ‘Reoni’, o anche ‘Reginoni’ che veicolano questa informazione. Ovviamente la successione può interrompersi se – nel loro volo – queste particelle colpiscono le loro antiparticelle, i ‘Repubbliconi’. Il suo piano ambizioso per utilizzare questa scoperta per mandare messaggi, basata su un'accurata tortura di un re per modulare il segnale, non fu mai portata a termine perché a un certo punto il bar chiuse.

apparso originariamente su scientificast.it

Cosa sono le onde gravitazionali

La grande onda (non gravitazionale)
di Kanagawa di Katsushita Hokusai.

Con il lancio di LISA-pathfinder la ricerca di onde gravitazionali muove i primi passi nello spazio.

Le onde gravitazionali sono l’ultimo  baluardo della forza di gravità, che resiste ancora ad ogni tentativo di rivelazione (qui il podcast sulle onde gravitazionali in cui Giuliana intervista il prof. Calloni dell’Università di Napoli)

Fu Newton a intuire per primo le caratteristiche della forza di gravità. Il filosofo del XVII secolo si rese conto che la forza che vincola la luna a orbitare attorno alla terra è la stessa che ci tiene ancorati al nostro pianeta. Tutti i corpi dotati di massa si attraggono tra loro, ipotizzò Newton, ma la forza di gravità è così debole che nell’esperienza quotidiana possiamo percepire solo l’attrazione terrestre.

La legge di gravitazione universale formulata da Newton nel 1687 è più che sufficiente a descrivere il moto dei pianeti nel sistema solare e rese possibile la scoperta del pianeta Nettuno – circa due secoli dopo (1846) – proprio a partire dalle perturbazioni causate da questo corpo celeste nell’orbita di Urano. Non è mai riuscita, però, a chiarire le anomalie dell’orbita di Mercurio, che è troppo vicino al Sole affinché la trattazione classica della gravità sia sufficiente a darne una spiegazione esauriente. (#stacce1)

Buchi neri tra scienza e fantascienza: il campo di battaglia tra Relatività e Meccanica Quantistica

Un buco nero, dal manga 2001 nights.

I buchi neri hanno sempre esercitato un notevole fascino per le loro estreme caratteristiche fisiche ed astronomiche.  Questo oggetto – talmente denso che neanche la luce  può fuoriuscirne –   fu per la prima volta postulato nel 1931 dall’ indiano  Subrahmanyan Chandrasekhar  utilizzando le equazioni della Relatività Generale di Einstein.

Qualunque cosa la cui massa è concentrata al di sotto di un certo raggio dà origine ad  un buco nero. Questo raggio – detto anche raggio di  Schwarzschild  o orizzonte degli eventi  dipende dalla massa, ma le dimensioni sono estremamente piccole : nel caso del Sole (che ha 700,000 km di raggio) questo  è poco meno di tre chilometri.

La teoria del geniale astrofisico indiano prevedeva la formazione di un buco nero  (BN) con la morte di una stella.  Quando le reazioni nucleari di un astro terminano perché esso  ha bruciato tutto il suo combustibile, tutto il suo materiale cade verso il centro. Il fato delle stella dipende dalla sua massa: il nostro sole diverrà una nana bianca, stelle sopra il 40% della sua massa delle stelle di neutroni, e sopra tre masse solari forma  un buco nero.   Una volta dentro l’orizzonte degli eventi  non vi è più alcuna speranza di uscirne: tutto viene compresso  sino alla singolarità centrale, infinitamente piccola e  probabilmente puntiforme, con tutti i problemi matematici e fisici che ciò comporta.

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Separati in casa! Meccanica quantistica contro Relatività generale

Un'altra inconsistenza tra le leggi della fisica valide per l'universo e quelle per il mondo microscopico riguarda l'impossibilità di conciliare la Meccanica quantistica con la Relatività generale in un'unica teoria.  

Per un breve cenno su uno dei più grandi misteri della fisica moderna, cedo la parola a due personaggi di Grikon, Adriano, studente di storia giapponese e Noriko, ricercatrice di fisica:

Schema della distorsione dello spazio tempo
secondo la Relatività generale. Da qui

Noriko sembrò colpita dalla sfida che l'amico gli aveva lanciato: “All’inizio del XX secolo la meccanica quantistica ha rivoluzionato la fisica, stravolgendola alle basi. Ha fatto crollare le certezze del meccanicismo ottocentesco, in cui ogni particella era immaginata come una pallina di cui si poteva conoscere ogni sua caratteristica. Dal determinismo della meccanica classica si è dovuti passare al comportamento casuale ed alle incertezze dettate dalle leggi delle probabilità. Ad esempio, l’elettrone non ruota intorno al nucleo atomico come un pianeta intorno al sole, ma se ne sta lì intorno circondando lo come una nuvola indistinta. Il passaggio dalla meccanica classica a quella quantistica fu imposto da una serie esperimenti che davano risultati altrimenti incomprensibili. Con il passare del tempo ci si abituò a questa descrizione della realtà per quanto assurda potesse sembrare. Anche i più scettici dovettero arrendersi all’evidenza che gli esperimenti mostravano un mondo microscopico saldamente attaccato alle leggi della meccanica quantistica”.

'Nuvole' di distribuzione della probabilità di un
elettrone dell'atomo di idrogeno. Da qui 

“Va bene… e quindi?”, le chiese Adriano, volendo mostrare di aver capito ma senza essere troppo sconvolto dall’idea che il caso governasse il mondo microscopico. “Tuttavia rimase una serie di stranezze”, riprese Noriko, “la più grande di queste è che siamo al momento incapaci di formulare una teoria che possa tener conto allo stesso tempo della Meccanica Quantistica e della Relatività Generale”.

“Ma è quella cosa che aveva detto Hikaru?”, chiese Adriano.

“Sì”, rispose brusca lei. Chiuse gli occhi, come per calmarsi, poi riprese la sua lezione: “Secondo la Relatività Generale la massa di ogni corpo distorce lo spazio tempo come una palla su un lenzuolo teso. Però secondo la meccanica quantistica il lenzuolo è fatto da una miriade di particelle che nascono e muoiono e che fluttua continuamente, per cui non puoi scrivere una teoria che ti descrive le minime spiegazzature del lenzuolo”.

“E quindi…”, disse Adriano.

“E quindi niente. La tecnologia e la scienza umana vanno avanti da anni ignorando questa gigantesca inconsistenza, che però rimane. Uno dei modi proposti per risolvere questo mistero è ipotizzare che le particelle non siano dei punti microscopici ma dei piccoli segmenti, dei pezzi di spago come dice White. In quel caso gli infiniti e le divergenze non ci sono più.”

“Tutto qui?”

“Beh, no, non è così semplice, la teoria è ancora estremamente primitiva, poco più di una elegante idea rivestita di tanta matematica.  Non sono in grado di prevedere nessun risultato sperimentale. Io non sono per niente convinta che sia giusta”.

In Grikon viene descritta una soluzione plausibile scientificamente ma non provata. Purtroppo nel mondo reale questi due capisaldi della fisica sono ancora 'separati in casa', costretti a condividere l'universo senza avere - almeno per quanto riguarda la nostra comprensione - nulla in comune. 

Questo post in due parti partecipa al carnevale della fisica 39, dal tema "Paradossi nella fisica".

Parte (1) Razzismo astrofisico: L'asimmetria materia-antimateria nell'universo. (chissà se e quale relazione c'è tra gli argomenti dei due post...)