Nel settembre 2011, il fisico Antonio Ereditato ha scioccato il mondo. La sua affermazione potrebbe capovolgere la nostra comprensione dell'universo. Se i dati raccolti dai 160 scienziati di OPERA erano corretti, si osservava l'incredibile. Le particelle, in questo caso i neutrini, si muovevano più velocemente della luce. Secondo la teoria della relatività di Einstein, questo è impossibile. E le conseguenze di una simile osservazione sarebbero incredibili. Forse le fondamenta stesse della fisica dovrebbero essere riviste.
Mentre Ereditato ha detto che lui e il suo team erano "estremamente fiduciosi" nei loro risultati, non hanno detto che i dati fossero perfettamente accurati. Al contrario, hanno chiesto ad altri scienziati di aiutarli a capire cosa stava succedendo.
Alla fine, si è scoperto che i risultati di OPERA erano sbagliati. Un cavo collegato male ha causato un problema di sincronizzazione e i segnali dai satelliti GPS erano imprecisi. C'è stato un ritardo inaspettato nel segnale. Di conseguenza, le misurazioni del tempo impiegato dai neutrini per coprire una certa distanza hanno mostrato 73 nanosecondi in più: sembrava che i neutrini volassero più velocemente della luce.
Nonostante mesi di analisi prima di iniziare l'esperimento e di ricontrollare i dati in seguito, gli scienziati si sbagliavano seriamente. Ereditato si è dimesso, contrariamente alle osservazioni di molti che tali errori si sono sempre verificati a causa dell'estrema complessità del dispositivo degli acceleratori di particelle.
Perché l'ipotesi - solo l'assunzione - che qualcosa potesse muoversi più velocemente della luce ha causato un tale rumore? Quanto siamo sicuri che nulla possa superare questa barriera?
Diamo prima un'occhiata alla seconda di queste domande. La velocità della luce nel vuoto è di 299.792,458 chilometri al secondo: per comodità, questo numero viene arrotondato a 300.000 chilometri al secondo. È abbastanza veloce. Il sole si trova a 150 milioni di chilometri dalla Terra e la sua luce raggiunge la Terra in soli otto minuti e venti secondi.
Qualcuna delle nostre creazioni può competere nella corsa contro la luce? Uno degli oggetti artificiali più veloci mai costruiti, la sonda spaziale New Horizons ha sorvolato Plutone e Caronte nel luglio 2015. Ha raggiunto una velocità rispetto alla Terra di 16 km / s. Molto meno di 300.000 km / s.
Tuttavia, avevamo minuscole particelle che si muovevano molto rapidamente. All'inizio degli anni '60, William Bertozzi del Massachusetts Institute of Technology ha sperimentato l'accelerazione degli elettroni a velocità ancora più elevate.
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Poiché gli elettroni hanno una carica negativa, possono essere accelerati - più precisamente respinti - applicando la stessa carica negativa al materiale. Più energia viene applicata, più velocemente gli elettroni accelerano.
Si potrebbe pensare che sia sufficiente aumentare l'energia applicata per accelerare fino a una velocità di 300.000 km / s. Ma si scopre che gli elettroni non possono muoversi così velocemente. Gli esperimenti di Bertozzi hanno dimostrato che l'utilizzo di più energia non porta ad un aumento direttamente proporzionale della velocità degli elettroni.
Invece, è stato necessario applicare enormi quantità di energia aggiuntiva per alterare anche leggermente la velocità degli elettroni. Si stava avvicinando sempre di più alla velocità della luce, ma non la raggiunse mai.
Immagina di camminare verso la porta a piccoli passi, ognuno dei quali percorre la metà della distanza dalla tua posizione attuale alla porta. A rigor di termini, non arriverai mai alla porta, perché dopo ogni passo che fai, avrai una distanza da superare. Bertozzi ha affrontato più o meno un problema del genere quando ha a che fare con i suoi elettroni.
Ma la luce è composta da particelle chiamate fotoni. Perché queste particelle possono muoversi alla velocità della luce, ma gli elettroni no?
"Man mano che gli oggetti si muovono sempre più velocemente, diventano più pesanti: più diventano pesanti, più è difficile per loro accelerare, quindi non si arriva mai alla velocità della luce", afferma Roger Rassoul, fisico dell'Università di Melbourne in Australia. “Un fotone non ha massa. Se avesse massa, non potrebbe muoversi alla velocità della luce ".
I fotoni sono speciali. Non solo mancano di massa, che fornisce loro completa libertà di movimento nel vuoto dello spazio, ma non hanno nemmeno bisogno di accelerare. L'energia naturale che hanno a disposizione si muove a ondate, proprio come fanno loro, quindi al momento della loro creazione hanno già la massima velocità. In un certo senso, è più facile pensare alla luce come energia piuttosto che come un flusso di particelle, sebbene in verità la luce sia entrambe le cose.
Tuttavia, la luce viaggia molto più lentamente di quanto potremmo aspettarci. Mentre i tecnici di Internet amano parlare di comunicazioni che operano alla "velocità della luce" in fibra, la luce viaggia il 40% più lentamente nel vetro di quella fibra rispetto a quanto avviene nel vuoto.
In realtà i fotoni viaggiano ad una velocità di 300.000 km / s, ma incontrano una certa quantità di interferenza, interferenza causata da altri fotoni che vengono emessi dagli atomi di vetro al passaggio dell'onda luminosa principale. Questo potrebbe non essere facile da capire, ma almeno ci abbiamo provato.
Allo stesso modo, nell'ambito di esperimenti speciali con singoli fotoni, è stato possibile rallentarli in modo abbastanza impressionante. Ma nella maggior parte dei casi sarà valido il numero di 300.000. Non abbiamo visto o creato nulla che possa muoversi così velocemente, o anche più velocemente. Ci sono punti speciali, ma prima di toccarli, tocchiamo l'altra nostra domanda. Perché è così importante che la regola della velocità della luce sia seguita rigorosamente?
La risposta ha a che fare con un uomo di nome Albert Einstein, come spesso accade in fisica. La sua teoria della relatività speciale esamina le molte conseguenze dei suoi limiti di velocità universali. Uno degli elementi più importanti della teoria è l'idea che la velocità della luce sia costante. Non importa dove ti trovi o quanto velocemente ti muovi, la luce si muove sempre alla stessa velocità.
Ma questo ha diversi problemi concettuali.
Immagina la luce che cade da una torcia su uno specchio sul soffitto di un'astronave ferma. La luce si alza, viene riflessa dallo specchio e cade sul pavimento della navicella. Diciamo che copre una distanza di 10 metri.
Ora immagina che questo veicolo spaziale inizi a muoversi a una velocità colossale di molte migliaia di chilometri al secondo. Quando accendi la torcia, la luce si comporta come prima: splende verso l'alto, colpisce lo specchio e si riflette sul pavimento. Ma per fare questo, la luce dovrà percorrere una distanza diagonale, non verticale. Dopotutto, lo specchio ora si sta muovendo rapidamente con la navicella.
Di conseguenza, la distanza percorsa dalla luce aumenta. Diciamo 5 metri. Risulta 15 metri in totale, non 10.
Nonostante ciò, sebbene la distanza sia aumentata, le teorie di Einstein affermano che la luce si muoverà ancora alla stessa velocità. Poiché la velocità è la distanza divisa per il tempo, poiché la velocità rimane la stessa e la distanza aumenta, anche il tempo deve aumentare. Sì, il tempo stesso deve allungarsi. Anche se suona strano, è stato confermato sperimentalmente.
Questo fenomeno è chiamato dilatazione del tempo. Il tempo scorre più lentamente per le persone che si muovono in veicoli in rapido movimento, rispetto a coloro che sono fermi.
Ad esempio, il tempo scorre di 0,007 secondi più lentamente per gli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale, che si muove a 7,66 km / s rispetto alla Terra, rispetto agli esseri umani sul pianeta. Ancora più interessante è la situazione con particelle come i suddetti elettroni, che possono viaggiare a velocità prossime alla luce. Nel caso di queste particelle, il grado di decelerazione sarà enorme.
Stephen Colthammer, un fisico sperimentale presso l'Università di Oxford nel Regno Unito, indica un esempio di particelle chiamate muoni.
I muoni sono instabili: si decompongono rapidamente in particelle più semplici. Così velocemente che la maggior parte dei muoni che lasciano il Sole dovrebbero decadere quando raggiungono la Terra. Ma in realtà, i muoni arrivano sulla Terra dal Sole in volumi colossali. I fisici hanno cercato a lungo di capire perché.
"La risposta a questo mistero è che i muoni vengono generati con una tale energia che si muovono a velocità vicine alla luce", afferma Kolthammer. "Il loro senso del tempo, per così dire, il loro orologio interno scorre lentamente."
I muoni "sopravvivono" più a lungo del previsto rispetto a noi, grazie all'attuale curvatura naturale del tempo. Quando gli oggetti si muovono rapidamente rispetto ad altri oggetti, anche la loro lunghezza diminuisce, si contrae. Queste conseguenze, dilatazione del tempo e diminuzione della lunghezza, sono esempi di come lo spaziotempo cambia a seconda del movimento delle cose - io, tu o un veicolo spaziale - che hanno massa.
Ciò che è importante, come diceva Einstein, non influisce sulla luce, poiché non ha massa. Questo è il motivo per cui questi principi vanno di pari passo. Se gli oggetti potessero muoversi più velocemente della luce, obbedirebbero alle leggi fondamentali che descrivono come funziona l'universo. Questi sono i principi chiave. Ora possiamo parlare di alcune eccezioni e deroghe.
Da un lato, anche se non abbiamo visto nulla muoversi più velocemente della luce, ciò non significa che questo limite di velocità non possa teoricamente essere infranto in condizioni molto specifiche. Prendiamo, ad esempio, l'espansione dell'universo stesso. Le galassie nell'universo si stanno allontanando l'una dall'altra a velocità molto più veloci della luce.
Un'altra situazione interessante riguarda le particelle che condividono le stesse proprietà allo stesso tempo, indipendentemente dalla distanza l'una dall'altra. Questo è il cosiddetto "entanglement quantistico". Il fotone ruoterà su e giù, scegliendo casualmente tra due possibili stati, ma la scelta della direzione di rotazione si rifletterà accuratamente sull'altro fotone altrove se sono entangled.
Due scienziati, ciascuno studiando il proprio fotone, otterranno lo stesso risultato simultaneamente, più velocemente di quanto consentirebbe la velocità della luce.
Tuttavia, in entrambi questi esempi, è importante notare che nessuna informazione viaggia più veloce della velocità della luce tra due oggetti. Possiamo calcolare l'espansione dell'Universo, ma non possiamo osservare oggetti più veloci della luce in esso: sono scomparsi dal campo visivo.
Per quanto riguarda i due scienziati con i loro fotoni, sebbene potessero ottenere lo stesso risultato allo stesso tempo, non potevano comunicarselo a vicenda più velocemente di quanto la luce viaggia tra di loro.
"Questo non pone alcun problema per noi, perché se sei in grado di inviare segnali più velocemente della luce, ottieni bizzarri paradossi secondo i quali le informazioni possono in qualche modo viaggiare indietro nel tempo", dice Kolthammer.
C'è un altro modo possibile per rendere tecnicamente possibile un viaggio più veloce della luce: spaccature nello spazio-tempo che consentirebbero al viaggiatore di evitare le regole del viaggio normale.
Gerald Cleaver della Baylor University in Texas crede che un giorno potremmo essere in grado di costruire un'astronave che viaggia più veloce della luce. Che si muove attraverso un wormhole. I wormhole sono anelli nello spazio-tempo che si adattano perfettamente alle teorie di Einstein. Potrebbero consentire a un astronauta di saltare da un'estremità all'altra dell'universo usando un'anomalia nello spaziotempo, una qualche forma di scorciatoia cosmica.
Un oggetto che viaggia attraverso un wormhole non supererà la velocità della luce, ma potrebbe teoricamente raggiungere la sua destinazione più velocemente della luce che viaggia lungo il percorso "normale". Ma i wormhole potrebbero non essere affatto accessibili ai viaggi spaziali. Potrebbe esserci un altro modo per distorcere attivamente lo spaziotempo per spostarsi più velocemente di 300.000 km / s rispetto a qualcun altro?
Cleaver ha anche esplorato l'idea di un "motore Alcubierre" proposto dal fisico teorico Miguel Alcubierre nel 1994. Descrive una situazione in cui lo spaziotempo si contrae davanti alla navicella, spingendola in avanti e si espande dietro di essa, spingendola anche in avanti. "Ma poi", dice Cleaver, "sono sorti problemi: come farlo e quanta energia sarebbe stata necessaria".
Nel 2008, lui e il suo studente laureato Richard Aubosie hanno calcolato quanta energia sarebbe stata necessaria.
"Abbiamo immaginato un veicolo spaziale di 10 m x 10 m x 10 m - 1000 metri cubi - e abbiamo calcolato che la quantità di energia richiesta per avviare il processo sarebbe equivalente alla massa dell'intero Giove".
Dopodiché, l'energia deve essere costantemente "versata" in modo che il processo non finisca. Nessuno sa se questo sarà mai possibile o come saranno le tecnologie richieste. "Non voglio essere citato per secoli come predittore di qualcosa che non accadrà mai", dice Cleaver, "ma non vedo ancora soluzioni".
Quindi, viaggiare più velocemente della velocità della luce rimane una fantasia al momento. Finora, l'unico modo per visitare un esopianeta durante la vita è immergersi in un'animazione sospesa in profondità. Eppure non è tutto negativo. Nella maggior parte dei casi, abbiamo parlato di luce visibile. Ma in realtà la luce è molto di più. Dalle onde radio e microonde alla luce visibile, radiazioni ultraviolette, raggi X e raggi gamma emessi dagli atomi mentre si decompongono, questi bellissimi raggi sono tutti costituiti dalla stessa cosa: i fotoni.
La differenza è nell'energia, il che significa nella lunghezza d'onda. Insieme, questi raggi costituiscono lo spettro elettromagnetico. Il fatto che le onde radio, ad esempio, viaggino alla velocità della luce è incredibilmente utile per la comunicazione.
Nella sua ricerca, Kolthammer crea un circuito che utilizza i fotoni per trasferire segnali da una parte all'altra del circuito, quindi si merita il diritto di commentare l'utilità dell'incredibile velocità della luce.
"Il fatto stesso che abbiamo costruito l'infrastruttura di Internet, ad esempio, e prima ancora la radio basata sulla luce, ha a che fare con la facilità con cui possiamo trasmetterla", osserva. E aggiunge che la luce funge da forza di comunicazione dell'universo. Quando gli elettroni in un telefono cellulare iniziano a tremare, i fotoni volano fuori e fanno tremare anche gli elettroni nell'altro telefono cellulare. Ecco come nasce una telefonata. I tremori degli elettroni nel Sole emettono anche fotoni - in quantità enormi - che, ovviamente, formano la luce che dà calore alla vita sulla Terra e, ehm, luce.
La luce è il linguaggio universale dell'universo. La sua velocità - 299792,458 km / s - rimane costante. Nel frattempo, lo spazio e il tempo sono malleabili. Forse non dovremmo pensare a come muoverci più velocemente della luce, ma come muoverci più velocemente in questo spazio e in questo tempo? Maturare alla radice, per così dire?
