Tre modi per viaggiare più veloci della luce

Nelle puntate precedenti della rubrica Time Travellers abbiamo discusso il limite invalicabile della velocità della luce nel vuoto, la più alta con cui un oggetto si può muovere nell’universo:

299 792 458 m / s.

Abbiamo scoperto come mai non possano esistere astronavi in grado di raggiungere questo limite e cosa renda la radiazione luminosa così speciale.

Oggi, cari viaggiatori, vorrei proporre una puntata speciale pre-natalizia tentando di rispondere ad una domanda piuttosto curiosa: esiste un modo per “gabbare” i vincoli imposti dalla fisica della relatività? O meglio, possiamo trovare dei trucchi, degli espedienti che permettano un movimento, come si dice in gergo tecnico, a velocità superluminale?

L’effetto Cerenkov

Innanzi tutto, occorre precisare un concetto decisamente fondamentale: la velocità della luce, in alcune condizioni fisiche molto particolari PUO’ effettivamente essere superata. Quando si muovono all’interno di un materiale, i fotoni che costituiscono la radiazione luminosa interagiscono con le particelle presenti nel mezzo; in una visione molto semplicistica, potremmo immaginarci il percorso dei raggi di luce come quello di tante biglie che “sbattono” contro gli atomi del materiale –  ogni volta che qualcuno associa ai fotoni palline che colpiscono cose, un fisico perde 10 anni di vita… ma ahimè l’esempio aiuta molto a chiarire il concetto.

L’interazione tra radiazione e atomi produce nel complesso un rallentamento della luce che attraversa il mezzo e modifica il percorso dei raggi luminosi. Nel campo di studio dell’ottica questi effetti vengono espressi attraverso una grandezza fisica chiamata indice di rifrazione che dipende dalle proprietà del materiale e dall’energia della luce. In particolare, si osserva che tanto maggiore è l’indice di rifrazione tanto più “lenti” risultano i fotoni nel materiale.

Può capitare in certi casi che particelle di piccola massa, in grado di muoversi a velocità prossime a quelle della luce nel vuoto – come per esempio elettroni o neutrini – viaggino più rapide della radiazione luminosa all’interno del materiale; questo avviene perché magari la particella in questione interagisce meno della luce con gli atomi del mezzo e quindi non viene rallentata.

Una specie di rivincita delle particelle leggere contro gli imbattibili fotoni, campioni assoluti nella propagazione nel vuoto…

Se la particella furbetta è un elettrone, che possiede carica elettrica, essa stessa può emettere fotoni. Per quanto appena detto, questi ultimi si muoveranno con velocità minore rispetto all’elettrone mentre entrambi viaggiano nel materiale. Si viene a creare una condizione molto simile a quella degli aerei quando diventano supersonici e generano un cono d’onde (sonore, in tal caso) che inseguono il velivolo senza mai raggiungerlo.

Quando l’effetto riguarda la luce, si parla di radiazione Cherenkov, in onore del fisico russo Pavel Alekseevič Čerenkov che lo scoprì per la prima volta ottenendo il premio Nobel nel 1958. Essa si verifica all’interno dei reattori nucleari e produce una luce azzurrina diffusa piuttosto suggestiva (per quanto sia sconsigliabile immergersi nel nocciolo di una centrale nucleare per godersi lo spettacolo).  

Devo però ammettere che una “scorciatoia” del genere per superare la radiazione luminosa nei materiali non mi soddisfi granché. Sarà forse per il fatto che non è di nessuna utilità al fine ultimo della costruzione della macchina del tempo – nonostante sia estremamente importante in diversi studi di fisica delle particelle – o forse perché la vera “sfida” è il limite della velocità della luce nel vuoto. Proviamo allora a considerare altri due casi in cui sia quest’ultima, inviolabile quantità ad essere apparentemente oltrepassata.

Spoiler alert: trip mentali in arrivo.

Il bollino superluminale

Immaginiamo di prendere uno di quei laser usati dagli astronomi per indicare gli oggetti del cielo notturno; a differenza dei nostri giocattolini però, questo laser ideale è talmente collimato che il suo fascio rimane sempre puntiforme, senza mai disperdersi.

Puntiamo lo strumento nella direzione di una stella che si trova a 10 anni luce di distanza e lo accendiamo. Qualche secondo più tardi spostiamo il laser in un’altra regione di cielo, senza mai spegnerlo, verso una nuova stella sempre lontana 10 anni di luce dal nostro pianeta.

I due corpi celesti scelti come bersaglio sono invece più distanti tra loro: assumiamo che si trovino a 25 anni luce l’uno dall’altro. Il fascio sembrerà attraversare tutta la volta celeste posizionandosi sul secondo astro; fin qui nulla di trascendentale.

Facciamo adesso un salto in avanti nello spazio e nel tempo raggiungendo la superficie della prima stella indicata dal nostro laser inquisitore. Esattamente 10 anni dopo la scenetta appena descritta, in un punto sulla fotosfera dell’astro comparirà un bollino di luce in più: il segnale che abbiamo inviato è finalmente arrivato! Ma dopo qualche secondo, succederebbe qualcosa di davvero molto, molto strano.

Il pallino di luce del laser sfreccerebbe via percorrendo in pochissimi secondi i 25 anni luce che separano la prima stella dalla seconda: il tempo che la nostra mano, 10 anni prima, aveva impiegato per spostare il fascio tra i due corpi celesti.

Ricordiamo infatti che il laser non è mai stato spento nel passaggio da un astro all’altro.  Abbiamo appena scoperto un fatto strabiliante: il bollino prodotto dal nostro poderoso strumento, nel raggiungere la seconda stella, compirà un movimento a velocità MILIARDI DI VOLTE MAGGIORE di quella della luce nel vuoto. Incredibile e totalmente in contrasto con ogni legge della fisica conosciuta. Dove sta l’inghippo?

La spiegazione del pallino superluminale in realtà è molto più semplice del previsto: quello che sembra essere lo stesso bollino che attraversa 25 anni luce in pochi secondi sono in realtà tantissimi fotoni diversi, prodotti 10 anni prima dal nostro laser, che arrivano in posizioni differenti del cielo.  È vero, il pallino compie un viaggio a velocità maggiori di quella della luce, ma non trasporta alcuna informazione fisica: i raggi di luce da cui è composto sono idealmente dissimili, sempre sconnessi l’uno dall’altro.

Per chiarire il concetto pensiamo di ripetere l’esperimento, questa volta spegnendo il laser dopo averlo direzionato verso la prima stella e riaccendendolo solo dopo averlo puntato sul secondo corpo celeste. I due fasci luminosi, viaggiando sempre in accordo con le leggi che regolano l’Universo, impiegheranno 10 anni ciascuno per raggiungere la propria stella. A nessuno verrebbe in mente di collegare i due segnali tra loro: sono eventi che avvengono quasi nello stesso momento ma che non hanno alcun legame reciproco.

In continua espansione!

Veniamo ora all’ultimo, intrigante fenomeno di questa breve carrellata dove la velocità della luce nel vuoto può essere realmente superata. Questa volta, però, non si tratta di una questione legata al nostro modo di interpretare, come nel caso del bollino laser; stiamo parlando di leggi fisiche vere e proprie, più in particolare quelle equazioni che regolano la formazione e l’evoluzione del nostro universo.

Il cosmo si trova in fatti in uno stato di perenne espansione che, stando alle nostre attuali osservazioni, continua a farsi sempre più rapida, istante dopo istante. Avevamo già parlato di questo argomento in un articolo dedicato. La cosa importante da chiarire è cosa si stia realmente espandendo: non sono le stelle o le galassie ad allontanarsi le une dalle altre, bensì è la struttura stessa del nostro universo che si dilata sempre di più.

Quando nelle prossime puntate entreremo nel vivo della Relatività Generale di Einstein, scopriremo che il legame tra spazio e tempo è molto più profondo di quanto finora mostrato. Essi costituiscono le vere fondamenta del cosmo, la base di quest’ultimo – le “ossa” se vogliamo; una trama unica dove sono interconnessi, miscelati in una singola entità chiamata spaziotempo. Possiamo immaginare questa trama come un enorme telo e il contenuto dell’universo come tante briciole distribuite su di esso.

Tutto ciò che si trova sullo spaziotempo, ovvero all’interno del cosmo, è vincolato a sottostare alle sue regole, come il fatto di non poter superare la velocità della luce. Tuttavia, nulla vieta all’universo stesso – o meglio, alla sua struttura di base – di violare le leggi valide per gli oggetti che sono dentro. Detto in altri termini, lo spaziotempo può espandersi di gran lunga più veloce della luce, senza rendere conto a nessuno. E sapete una cosa? Lo sta già facendo.

A causa della tremenda espansione dell’Universo, galassie che distano da noi diversi miliardi di anni luce hanno una velocità di allontanamento superiore a quella della radiazione luminosa. Un fatto incredibile che ci pone davanti ad un interessante quanto inaspettato problema: la porzione di cosmo che possiamo osservare non solo è limitata dalla tecnologia, ma anche dalla fisica stessa.

Molti oggetti sono talmente lontani e si muovono a velocità così elevate che la loro luce non ci raggiungerà mai. Con il procedere dell’espansione, oltretutto, ciò che riusciremo ad osservare sarà sempre meno, sottratto alla nostra vista dal dilatarsi dello spaziotempo. Esiste una vasta parte di Universo inaccessibile, un “infinito oltre alla siepe” delle nostre conoscenze che lascia spazio all’immaginazione più recondita.

Lorenzo Pizzuti

Sono ricercatore di Astrofisica e Cosmologia presso l’Università di Milano Bicocca. Da più di tre anni svolgo eventi di divulgazione in giro per l’Italia e non solo. Autore di tre libri divulgativi, collaboro tuttora con diverse associazioni, Università ed istituti di ricerca per la diffusione della conoscenza scientifica alla comunità. Nella mia visione, la scienza è una forma d’arte in grado di deliziare, intrattenere e divertire permettendoci in aggiunta di imparare qualcosa di nuovo e sorprendente.