Luce incostante

Albert

Come dovrebbe essere noto a tutti, ma visto quello che sta accadendo in questi giorni ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, comincio ad avere qualche dubbio sulle competenze scientifiche dell’italiano medio, dei giornalisti che segue e dei politici che vota, la teoria della relatività di zio Albert, si basa su un postulato fondamentale: la velocità della luce nel vuoto è costante, ossia, qualunque sia la velocità di chi effettua la misura, il suo valore è sempre pari a circa 300.000 chilometri al secondo, cosa avrebbe fatto rizzare i capelli a Galileo e Newton, perché, per la fisica classica, ogni corpo che si muove e ogni onda che si propaga, pensiamo al suono, ha una velocità che dipende dallo stato di moto dell’osservatore.

Postulato che neppure fa a botte con le leggi della meccanica quantistica: secondo tale teoria, la luce ha una duplice natura, ondulatoria e corpuscolare. Associata all’onda luminosa vi è infatti un pacchetto discreto di energia, il quanto di luce, il buono e caro fotone; tuttavia, la luce nel vuoto, sia che la si consideri come un’onda, sia che la si consideri come particella, sempre a 300.000 Km costanti nel tempo va.

Però questo postulato, presuppone un’idea di fondo che forse non proprio così scontata: che il vuoto sia effettivamente vuoto e che sia uniforme. Però, dal 2013 in poi, quest’idea è stata rimessa in discussione da alcuni fisici.

Il primo, mi pare, ma potrei sbagliarmi, dovrebbe essere stato Marcel Urban dell’Université du Paris-Sud, il quale è partito da un ragionamento simile a quello che ha portato alla definizione della radiazione di Hawking: di fatto lo spazio vuoto pullula di particelle virtuali, in coppia con le loro antiparticelle, che appaiono e scompaiono quasi immediatamente in un continuo processo di annichilazione tra materia e antimateria. Però, nel frattempo, introducono delle perturbazioni (o fluttuazioni quantistiche) nella posizione e nell’impulso di una particella reale, secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg.

Particelle reali, che possono essere, per esempio i fotoni, i quali, con una certa probabilità, possono interagire con la quantità di carica delle particelle virtuale, mutando la loro velocità, rallentando o accelerando.

Ipotesi analoga, ma con un approccio diverso, è stata formulata da Gerd Leuchs e Luis Sánchez-Soto del Max Planck Institute for the Physics of Light in Erlangen: i due ricercatori partono dall’idea che la propagazione della luce sia caratterizzata dalla relazione con tutto l’insieme delle tipologie di particelle elementari. Gli autori calcolano che ci dovrebbero essere almeno 100 “specie” di particelle che possiedono una carica.

Ma il modello standard delle particelle elementari ne identifica molto meno: l’elettrone, il muone, il tauone, sei tipi di quark, il fotone ed il bosone W. Esiste una grandezza fisica, chiamata impedenza del vuoto, che dipende dalla permittività elettrica del vuoto, cioè dalla capacità di resistere ai campi elettrici, e dalla sua permeabilità magnetica del vuoto, cioè dalla capacità di resistere ai campi magnetici.
Sappiamo che le onde luminose sono costituite sia dai campi elettrici che dai campi magnetici, perciò se modifichiamo la permittività e la permeabilità del vuoto dovute alle particelle virtuali, si potrà misurare una variazione della velocità della luce. In questo modello, l’impedenza del vuoto, che dovrebbe accelerare o rallentare la velocità della luce, dipende dalla densità delle particelle virtuali.

Infine, vi è un approccio, più recente e molto alla Big Bang theory, basato sulle diverse teorie della gravità quantistica, in particolare la LQG, in cui, senza perdersi in spiegazioni contorte, si ipotizza come il vuoto sia “mezzo gravitazionale”. Secondo queste teorie, questo “mezzo gravitazionale” conterrebbe delle disomogeneità – o fluttuazioni – estremamente piccole, dell’ordine della cosiddetta “lunghezza di Planck” pari a 10-33 cm, ovvero 10 miliardi di miliardi di volte più piccola del diametro di un protone. Una sorprendente conseguenza della presenza di queste disomogeneità sarebbe che fotoni di
diversa energia non viaggerebbero più tutti a alla stessa velocità nel vuoto, ma potrebbero avere velocità differenti che dipendono dalla loro energia: maggiore è l’energia del fotone, maggiore sarà l’effetto dovuto alla gravità quantistica.

Ora, tutte queste ipotesi possono essere verificate però per accumulare un ritardo di un millesimo di secondo circa è però necessario che i fotoni viaggino per miliardi di anni. Ciò significa che per poter osservare un effetto di questo tipo, gli astrofisici devono osservare una sorgente molto luminosa, distante da noi almeno qualche miliardo di anni luce e che emetta fotoni ad alta energia.

In questi giorni, un passo in avanti, in questa direzione, è stato compiuto da Maria Grazia Bernardini,dell’Università di Montpellier, in Francia, e associata dell’Istituto nazionale di astrofisica (INAF) in collaborazione con la sezione INAF di Milano.

Bernardini ha usato come campione di riferimento per la misura della velocità dei fotoni lampi di raggi gamma (gamma-ray burst, GRB), brevi ma potentissime emissioni di radiazioni elettromagnetiche da sorgenti cosmiche dovute alla fusione di stelle di neutroni.

Dalle analisi effettuate, sottraendo l’effetto intrinseco dovuto al ritardo di emissione, gli autori non hanno potuto né convalidare né escludere le previsioni delle teorie della gravità quantistica, ma stabilire un nuovo limite sull’energia oltre la quale gli effetti di gravità quantistica diventano importanti. Per cui, diventa fondamentale, per verificare il tutto, la nuova generazione di osservatori, come il Cherenkov Telescope Array, un progetto internazionale per l’osservazione da Terra di raggi gamma di altissima energia, e sulla rete di microsatelliti HERMES, un progetto che vede coinvolte diverse sezioni INAF, università italiane e centri di ricerca europei e statunitensi.

Vabbè, nell’ipotesi che questa velocità della luce nel vuoto non sia costante, che cambia ? No, non possiamo costruire il motore a curvatura… Però, per prima cosa, abbiamo una prova della validità della teoria LQC, il che farebbe candidare al Nobel qualche mattacchione de La Sapienza e provocherebbe parecchi coccoloni tra i sostenitori della teoria delle Stringhe. In compenso, avremmo compiuto un grande passo avanti nell’unificare Relatività e Meccanica Quantistica, che come detto altre volte, pur essendo entrambe valide, assieme fanno a botte.

Trasformazione

Inoltre, dovremmo riscrivere le trasformazioni di Lorenz, con i relativi impatti sulla Relatività e sulle equazioni di Maxwell; però, dato che entrambe continuano a funzionare bene, non mi aspetto impatti drammatici. Da scrittore, posso ipotizzare come la p(c) intesa come la probabilità che un fotone abbia una certa velocità c nel vuoto sia una gaussiana, con un valore medio pari a 300.000 chilometri al secondo e una varianza molto stretta, il che renderebbe le formule attuali delle ottime approssimazioni, utilizzabili nel concreto

Però, dal punto della narrazione fantascientifica si aprono scenari interessanti: dalla questione del “sapore” dei neutrini, dato che se si considera la loro energia costante e varia la velocità della luce nel vuoto, ciò impatterebbe sulla loro massa all’idea che l’eventuale fondo (rumore) cosmico di onde gravitazionali non possa dipendere solo dal Big Bang o dagli impatti relativistici di tale variazione sulla massa di buchi neri o di stelle a neutroni.

Oppure, ipotizzare civiltà aliene che abbiano utilizzato questo meccanismo per realizzare immensi computer quantistici ad alta energia,tanto computazionalmente potenti, quanto instabili..

4 pensieri su “Luce incostante

    • In realtà l’approccio di Egan è sia molto più visionario, perché costruisce da zero una relatività ucronica, ma coerente in termini matematici, sia più tradizionalista, perché trascura tutti i problemi legati alla meccanica quantistica, che è alla base di questa ipotesi…

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