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

Niente viaggi interstellari, almeno per il momento

Il sogno di futuri viaggi interstellari si deve scontrare con l’impossibilità teorica – formalizzata dalla teoria della relatività – di poter viaggiare più veloci della luce.

Un rapporto interno della NASA del 2011 sembrerebbe descrivere la possibilità di aggirare questo ostacolo realizzando un “warp field” (secondo le parole degli autori), una distorsione spazio-temporale simile a quella su cui si basano i motori delle astronavi del mondo fantascientifico di Star Trek.

Per quanto gli autori appartengano ad un laboratorio di propulsione avanzato della NASA – con ll’obiettivo di sviluppare nuovi concetti e nuove metodologie per propulsione non convenzionale di razzi e capsule spaziali – i lavori di questo gruppo sembrano sconfinare troppo nella fantascienza.

Nello specifico, l’articolo e lavori simili (nessuno è pubblicato su riviste con referee, salvo uno teorico sulla relatività) trattano semplicemente della messa a punto di un preciso pendolo di torsione(1), ossia uno strumento in grado di misurare con precisione l’intensità delle forze cui essi è soggetto . Quello descritto è in fase di costruzione e sarà completato in un prossimo futuro.

Sempre nello stesso rapporto interno vengono introdotti due metodi di propulsione agli antipodi: uno basato sull’effetto Casimir e l’altro sul famigerato “campo di warp”.

(continua a leggere su scientificast.it)

Einstein, Galileo e le cospirazioni dei neutrini superluminari.

L'esperimento SuperKamiokande in Giappone. Le sfere di
vetro sono enormi fotomoltiplicatori per rivelare la luce
prodotta dalle interazioni dei neutrini con l'acqua
che riempie la cavità. 

A quanto pare i  neutrini non viaggiano più veloci della luce. Qui la dichiarazione ufficiale del CERN già anticipata   Nature   ed altri, secondo sono state identificate due concause che hanno cospirato per simulare l'apparente arrivo dei neutrini 60ns (60 miliardesimi di secondo) prima di quanto previsto dalla teoria della Relatività. 

Allora Einstein aveva ragione? 

Einstein sarebbe stato il primo a gioire dei neutrini superluminari e la formulazione una teoria più generale e ampia di quelle da lui formulate. Le modalità del progresso scientifico e l'investigazione della Natura proseguono infatti  in maniera diversa da come titolano i giornali. Una teoria scientifica può essere falsa o palesemente errata (la terra non è piatta). Non esistono però teorie vere sempre: sono di solito valide in un dato contesto. La teoria della Relatività speciale di Einstein (secondo cui nulla può viaggiare più veloce della luce) generalizza ed amplia quella di Galileo. Quest'ultima era ed è applicabile per basse velocità, ossia praticamente sempre ai fini pratici e difatti si usa per la maggior parte delle attività (difficile  pensare che i frecciarossa nostrani abbiano bisogno della teoria della Relatività speciale). 

Scopo della fisica è di scoprire (sperimentalmente) o formulare (teoricamente) teorie valide in contesti sempre più ampi. Se ci si riesce,  oltre ad  una comprensione più ampia e dettagliata dei meccanismi di funzionamento del nostro universo, si ha come "bonus" una serie di applicazioni tecnologiche come ad esempio il GPS, figlio delle due teorie della relatività. Se il neutrino fosse (o fosse stato) più veloce della luce sarebbe stato necessario sviluppare una teoria che tenga conto anche di questo fenomeno e avremmo potuto assistere ad una nuova rivoluzione della fisica.

Ma allora tutto il clamore era dovuto "solo" ad un cavo? 

Alzi la mano chi non ha mai avuto problemi con l'antenna. Se l'errore sarà realmente tracciabile ad una connessione o ad un cavo mal collegato va ricordato che questo è uno dei milioni di fili che collegano rivelatori, magneti, strumenti, computer in una ragnatela di enorme complessità.  La misura sperimentale ed i dati che essa produce richiedono un enorme lavoro di analisi e pulizia per evitare che questi  cospirino e si organizzino per fornire informazioni errate. L'analisi dei dati di esperimenti di questa complessità richiede una lunga  e certosina scrematura dell'informazione  che permetta di eliminare falsi dati ben più subdoli di qualunque virus del computer. Sono decenni se non secoli che le sirene dell'errore sistematico traggono in inganno generazioni di studenti e ricercatori con false scoperte.

Il fascio di neutrini generato a J-Parc (città di Tokai) (destra)
verso Superkamiokande, nella miniera di Kamioka (sinistra).
Il fascio di neutrini è stato recentemente ripristinato dopo
il terremoto dell'11 Marzo 2011

In ogni caso la conferma o smentita finale deve venire da altri esperimenti, come Minos  (che ha comunque visto un segnale simile) o T2K (da Tokaimura a  SuperKamiokande) e non è detto che queste nuove misure non ci riservino nuove sorprese. 

PS  in rete già circolano  teorie di un altro tipo di cospirazione, secondo cui i neutrini vadano effettivamente più veloci della luce e che questa scoperta sia stata messa a tacere per nascondere applicazioni industriali  e militari. In questa maniera si spiegherebbe il repentino ritrattare di tutti gli organi uffficiali del Cern e dell'INFN... ovviamente notizie di questo genere, per quanto divertenti, sono prive di ogni fondamento.