PIU' VELOCE DELLA LUCE
La teoria della relatività ristretta di Einstein impone
che la velocità massima alla quale i corpi materiali possono viaggiare sia la
velocità della luce, cioè 300.000 km/s. Questa può sembrare una velocità enorme
e in effetti lo è se confrontata con le misure terrestri, ma se ci si allontana
dalla Terra e ci si dirige verso gli spazi profondi del cosmo diventa un modo di
procedere a passo di lumaca. Alla velocità della luce ci vorrebbero, infatti,
4,3 anni per raggiungere la stella a noi più vicina, più di 300 anni per
approdare sulla Stella Polare, oltre due milioni di anni per arrivare alla
galassia più vicina, quella di Andromeda e, infine, alcuni miliardi di anni per
spingersi fino ai quasar più lontani che si trovano ai limiti dell'Universo.
Ora, poiché l'uomo ha da sempre accarezzato il sogno
di viaggiare fra le stelle per raggiungere lontani mondi abitati, se non si
trova un sistema per superare la velocità della luce, il sogno non si realizzerà
mai.
Vediamo allora se è possibile, almeno in
linea di principio, viaggiare più veloci della luce. Abbiamo detto che i corpi
materiali, ossia gli oggetti che possiedono massa, possono raggiungere al
massimo la velocità della luce, ma non tutte le cose possiedono massa. I fotoni,
ad esempio, cioè le particelle che costituiscono la luce ma anche altre
radiazioni elettromagnetiche come raggi X, raggi gamma e onde radio, non
possiedono massa; quindi queste “particelle” possono viaggiare più veloci della
luce? Purtroppo no; tutte le particelle che non possiedono massa o, per meglio
dire, che hanno massa a riposo nulla, possono viaggiare solo ed esclusivamente
alla velocità della luce(*). Quindi non più veloci di così, ma
neppure meno veloci. Le particelle che non possiedono massa a volte vengono
chiamate
luxoni, cioè "oggetti che viaggiano alla velocità della luce”.
Questo vuol dire che non esiste proprio nulla che
possa superare la velocità della luce? Forse una possibilità esiste, benché
molto remota. La teoria della relatività ristretta, infatti, non esclude in modo
categorico l'esistenza di particelle superluminali (cioè più veloci della luce),
ma si tratta di particelle virtuali che scaturiscono dalle equazioni che
descrivono la teoria, quando in esse si inseriscono i numeri immaginari. A
queste particelle è stato dato il nome di tachioni che significa "oggetti
che si muovono rapidamente" (dall'aggettivo greco takhýs che significa
«veloce»). I tachioni dovrebbero poter viaggiare solo ed esclusivamente a
velocità superiori a quelle della luce, quindi, in questo caso, mai di meno.
Tutta la materia che possiede massa, come abbiamo visto, viaggia invece sempre a
velocità più basse di quella della luce quindi rientra in una categoria di
"corpi" che potremmo chiamare bradioni, cioè "oggetti che si muovono
lentamente" (dall’aggettivo greco bradus che significa «lento»). Secondo
la teoria di Einstein, pertanto, non è possibile infrangere la barriera della
luce, né da una parte, né dall’altra. La velocità della luce rappresenterebbe
quindi una specie di spartiacque fra i
bradioni
più lenti della luce e i
tachioni più veloci della luce.
Abbiamo detto che i bradioni possono
raggiungere al massimo la velocità della luce, in realtà essi possono arrivare
solo a sfiorare questa velocità limite. Le equazioni di Einstein prevedono
infatti che un corpo materiale aumenti la sua massa con l'aumentare della
velocità fino al punto di diventare di massa infinita qualora raggiungesse la
velocità della luce. Ora, poiché per spingere un corpo di massa infinita
servirebbe una forza altrettanto infinita e poiché per creare una forza di
intensità infinita sarebbe necessaria una quantità di energia infinita (che
nell'Universo non esiste), ecco che nessun corpo materiale potrà mai raggiungere
la velocità della luce. Simmetricamente i tachioni, che viaggiano in un
altro "mondo", non potranno decelerare fino a raggiungere la velocità della luce
perché in questo caso servirebbe una forza di intensità infinita per
frenarli.
Questi tachioni per il momento nessuno li ha
visti e verosimilmente nessuno li vedrà mai, ma se si dovesse entrare in
contatto con essi si scoprirebbe che si tratta di particelle le quali non solo
non possono andare più lente della luce, ma che addirittura la loro velocità
aumenta al diminuire dell'energia posseduta, al punto che se la loro energia si
riducesse a zero (o quasi), la velocità diverrebbe infinita (o quasi). Essi,
come abbiamo detto, si ottengono quando nelle equazioni che descrivono la teoria
relativistica di Einstein si inseriscono i numeri immaginari, che a loro volta
sono numeri che non esistono nel campo dei numeri reali, così come non esiste la
radice quadrata di un numero negativo.
La radice quadrata di un numero, come tutti sanno, fornisce un altro numero che, se elevato al quadrato, dà per risultato il numero che sta sotto radice. La radice quadrata di quattro, ad esempio, è due perché due al quadrato fa quattro. Ma, nessun numero elevato al quadrato dà come risultato un numero negativo, quindi, ad esempio, la radice quadrata di meno quattro non esiste. Tuttavia, se scomponiamo la radice quadrata di questo numero negativo in due fattori, e precisamente nella radice quadrata di meno uno e nella radice quadrata di quattro e chiamiamo la radice quadrata di meno uno «i» (cioè numero immaginario), allora la radice quadrata di meno quattro darebbe per risultato 2 i, un valore che non esiste nel campo dei numeri reali.
I
tachioni sarebbero quindi oggetti di massa immaginaria e pertanto con
proprietà opposte a quelli di massa ordinaria con i quali siamo abituati ad
operare. Se ad esempio ad un tachione si imprime una spinta esso, invece
di accelerare, rallenta. Quindi, se ad esso venisse impressa una spinta
infinitamente forte, la sua velocità diminuirebbe fino a quella della luce; se
invece si indebolisse il tachione sottraendogli energia esso
accelererebbe fino a raggiungere velocità infinita.
Abbiamo visto che i tachioni sono il risultato di un trucco matematico e
pertanto probabilmente sono anch'essi un trucco, tuttavia gli scienziati li
cercano ugualmente, anche se con poche speranze di trovarli. Ma ammettiamo pure
che un giorno lontano si riescano ad individuare i tachioni: in che modo
potremmo utilizzarli per muoverci più veloci della luce? Sicuramente non sarà
possibile fermarne uno, caricarci sopra un passeggero e farlo ripartire alla
volta della galassia di Andromeda. E allora?
Ebbene, esiste forse un modo per utilizzarli quali trasportatori di corpi
materiali. Tutti sanno che è possibile trasformare materia in energia e
viceversa, secondo una legge che scaturisce anch'essa dalla teoria della
relatività. Espressa sotto forma di equazione matematica, è la seguente:
E=m·c², dove E è l'energia e m la massa; c² è una
costante il cui valore, elevatissimo, corrisponde al quadrato della velocità
della luce. Questa legge stabilisce che ci vuole una grandissima quantità di
energia per ottenere una piccolissima quantità di materia.
In effetti l'uomo è in grado, attualmente, di trasformare particelle subatomiche, come elettroni e protoni, in energia, cioè in fotoni, come pure è in grado di fare l’operazione contraria e cioè trasformare fotoni in particelle di piccola massa. Non è in grado, tuttavia, di trasformare un grosso oggetto materiale in energia, né di utilizzare enormi quantità di energia per ottenere oggetti di grosse dimensioni. Sta di fatto che coloro che lavorano più con la fantasia che con la concretezza delle cose immaginano che un giorno si potrà raggiungere questo obiettivo e, se si riuscirà a trasformare oggetti materiali in fotoni, sarà forse anche possibile trasformare oggetti materiali in tachioni.
In quest'ultimo caso il gioco sarebbe fatto. Si potrebbe allora prendere una cosa qualsiasi (anche un uomo), trasformarla in energia, cioè in luce tachionica, e spedirla a grande velocità nello spazio, per esempio con destinazione Andromeda, che verrebbe raggiunta in pochi minuti. Quindi, giunta sul luogo, la luce tachionica potrebbe a sua volta essere trasformata in materia. A parole tutto sembra semplice, ma la scienza non è fatta di sole parole. Quello che abbiamo detto, per il momento, lo si può vedere nei film di fantascienza (come già avviene) o leggere nei romanzi, ma non si può ottenere nella realtà.
Da un
punto di vista pratico, anche qualora i tachioni esistessero veramente, non
abbiamo comunque la più pallida idea di come fare per trasformarli in materia e
viceversa. E' certo invece che per essere efficace la trasformazione dovrebbe
avvenire tutta contemporaneamente, cioè esattamente nello stesso istante su
tutta la massa dell’oggetto da trasformare in energia pura, cosa questa non
facile da realizzare. Basterebbe la differenza di qualche microsecondo per veder
partire i tachioni di una parte dell'oggetto e rimanere sul posto l'altra parte
con le conseguenze che si possono facilmente immaginare.
Secondo gli esperti se i tachioni esistessero realmente, dovrebbe
esistere anche un ambiente particolare entro il quale farli viaggiare, perché
quello in cui si muovono i bradioni non sarebbe adatto. Per far volare i
tachioni - dicono i fisici - sarebbe necessario uno spazio a quattro
dimensioni così come, per veder volare gli aerei, è necessario uno spazio a tre
dimensioni (due non bastano, mentre sono sufficienti per far viaggiare le
automobili). Lo spazio a quattro dimensioni viene chiamato «iperspazio». Per
capire di cosa si tratta ricorriamo ad un esempio.
Immaginiamoci un veicolo (non più grande di un punto) che possa muoversi lungo
un'unica linea e che non possa uscire da questa corsia obbligata. Questo veicolo
sarebbe come un treno che può andare da una stazione all'altra, ma non può mai
uscire dai binari (salvo incidenti). La linea viene definita uno spazio
unidimensionale perché su di esso è possibile determinare la posizione di un
oggetto con un solo numero. Nel caso del treno, ad esempio, basterebbe dire che
si trova a 240 km dalla stazione A per conoscere esattamente la sua
posizione.
Immaginiamo ora che il nostro treno, per andare dalla città A alla città B
debba compiere un viaggio tortuoso e che A e B
siano in realtà molto vicine fra di loro tanto che se si potesse lasciare la
linea ferrata, da A si raggiungerebbe B in 10 minuti. Abbandonare
la linea ferrata vuol dire passare da uno spazio unidimensionale ad uno
bidimensionale.
Uno
spazio bidimensionale è, ad esempio, la superficie della Terra: si tratta cioè
di uno spazio nel quale la posizione di un punto è determinata da due numeri.
Per fissare la posizione di un punto sulla superficie terrestre servono infatti
latitudine e longitudine. Su un piano si può viaggiare più liberamente e
raggiungere la destinazione più velocemente di quanto non avvenga se ci si muove
lungo una linea unidimensionale.
Ora,
se ci si sposta nell'aria, quindi attraverso uno spazio tridimensionale, si
possono raggiungere velocità molto più elevate. Un aereo può viaggiare a più di
1.000 km/h e un razzo a più di 10.000 km/h. Passando quindi da un viaggio
bidimensionale ad uno tridimensionale la destinazione viene raggiunta ancora più
rapidamente.
Forse, salendo di un altro gradino, le velocità potrebbero aumentare
ulteriormente fino a diventare quasi infinite. Lo spazio a quattro dimensioni
(non a tre più il tempo, come suggerisce la relatività ristretta di Einstein, ma
a quattro tutte spaziali, più eventualmente quella temporale), quello che viene
chiamato iperspazio, per ora esiste solo nella testa di alcune persone dotate di
molta fantasia. I matematici comunque lo studiano e ne descrivono anche le
proprietà geometriche, ma si tratta solo di uno studio teorico, matematico
appunto.
I
tachioni e l'iperspazio in realtà non esistono e quindi non esiste nemmeno
la possibilità di viaggiare più velocemente della luce. Accontentiamoci, per
ora, di tentare di raggiungere la massima velocità possibile, cioè quella della
luce, che già rappresenterebbe un bel traguardo.
fine
(*) Di recente, due gruppi di scienziati, l'uno americano e l'altro del Cnr di Firenze, hanno comunicato di essere riusciti a fare viaggiare la luce a velocità superiore a 300.000 km/s. Si tratta di esperimenti che hanno bisogno di conferme e che comunque non intaccano la teoria relativistica di Einstein la quale impone che nessun oggetto materiale possa superare la velocità della luce. Come possa accadere che la luce viaggi a velocità superiore a quella della luce non è chiaro. Una spiegazione che viene data si basa sul fatto che la luce viaggia a pacchetti d'onda e quindi all'interno di un pacchetto una singola onda potrebbe muoversi più velocemente del pacchetto stesso e di conseguenza uscire dalla scatola trasparente, piena di vapori di cesio, verso la quale è stato diretto un raggio laser in anticipo rispetto al raggio di luce. Sarebbe come se un bambino corresse lungo il corridoio del treno nella stessa direzione nella quale viaggia: egli si muoverebbe più velocemente del treno e se potesse uscire dalla prima carrozza precederebbe il treno stesso. Da un punto di vista pratico l'esperimento non ha alcun rilievo perché l'informazione è contenuta nel treno ovvero, fuor di metafora, nel pacchetto d'onde nel suo insieme. In definitiva nessun vantaggio nemmeno per le comunicazioni a distanza