Osservatorio Astronomico Sormano - Sormano (CO) Italy

Abbiamo già visto in un altro approfondimento come la velocità della luce (c) sia un limite finito invalicabile dell’universo; non può esistere oggetto dotato di massa a riposo diversa da zero, che può essere accelerato a questa velocità. La massa relativistica diventa infatti infinita, così come l’energia che occorre utilizzare: con l’aumentare della propria velocità la massa di qualunque oggetto cresce in accordo al fattore di Lorentz, per cui già al 60% della luce essa incrementa del 25%, triplicando a circa il 94% di c. Addirittura diventerebbe 200 volte più pesante quando si viaggiasse un centomillesimo in meno (11’000 km/h) della velocità della luce.

Al contrario, viaggiando su un jet di linea il nostro peso aumenta solo di qualche decina di miliardesimo di grammo! In accordo alla meccanica Newtoniana per accelerare un corpo dotato di massa, si compie un lavoro: occorre cioè fornire energia tramite una fonte esterna (cinetica, chimica, nucleare,..) e se la massa diventasse infinita anche l’energia da spendere diventerebbe tale.. per cui neanche Superman riuscirebbe mai a spostarsi alla velocità della luce! Analogamente, la relatività ci insegna a muoversi nello spaziotempo con regole apparentemente astruse che comportano una soggettività nelle dimensioni spazio-temporali in funzione della velocità dell’osservatore: si veda anche l’approfondimento sui sistemi di navigazione satellitare.

Un gran bel romanzo di fantascienza  (“Tau Zero” di Poul Anderson) permette di avvicinarsi alla complessa teoria della relatività, attraverso una trama perfetta ed intrigante: una potente astronave interstellare è in grado di procedere ad un'apprezzabile frazione della velocità della luce, quindi il tempo soggettivo di bordo viene rallentato e un viaggio di vari decenni per i componenti della spedizione dura solo pochi anni. Ma il suo sistema di decelerazione entra in avaria e non essendo  più in grado di rallentare la sua folle corsa, si trasforma in un proiettile cosmico con una velocità asintoticamente prossima a "c” e quindi massa tendente ad infinito! Altro che Enterprise di Star Trek... a proposito sull’argomento si segnala anche il saggio di Lawrence Krauss “La fisica di Star Trek”!

Le cose però sono diverse quando parliamo di un oggetto (se tale lo possiamo chiamare) privo di massa come per l’appunto il fotone: ovvero il quanto di luce inventato nel 1905 da Albert Einstein per spiegare l’effetto fotoelettrico. In pratica verso la fine del 19°secolo si scoprì che una lastra metallica colpita da radiazione Ultravioletta, si caricava elettricamente emettendo elettroni, ma solo se l’energia del fascio incidente era superiore ad una soglia.

Nel 1905 Einstein, riprendendo alcune idee di Max Planck, introdusse l’idea che il fascio di luce fosse composto da corpuscoli (fotoni) aventi un’energia proporzionale alla loro frequenza e pertanto quantizzata: in tal modo solo i fotoni con energia superiore ad un preciso valore, dipendente dal materiale, riuscivano a rompere il legame elettrico che tiene legato l’atomo con l’elettrone.  In pratica quell’anno furono gettate le basi della meccanica quantistica, quello strano mondo subatomico dove il nostro comune senso non vale più: ciò valse nel 1921 il premio Nobel per la Fisica ad Einstein e 6 anni dopo anche ad Arthur Compton che ricevette l’ambito riconoscimento per avere confermato sperimentalmente gli effetti corpuscolari della luce (ovvero negli urti con gli elettroni, i fotoni si comportano come particelle materiali aventi energia e quantità di moto: “effetto Compton fotoelettrico”). Ora il fotone essendo privo di massa viaggia nel vuoto a 1 miliardo di km/h e non può accelerare: come sarebbe stato il mondo a cavallo di un fotone fu una delle domande più interessanti che si fece Einstein; infatti  la teoria delle relatività ristretta perde di significato per un sistema che si muove alla velocità della luce. Se nei sistemi di riferimento in moto il tempo scorre più lentamente, nel sistema del fotone il tempo è addirittura fermo! E viceversa ogni spazio visto da questo strano punto di vista appare di lunghezza nulla: infatti per un osservatore in  moto le lunghezze si accorciano con l’inverso del fattore di Lorentz. Ciò sembra assurdo, ma è proprio così essendo dimostrato da innumerevoli applicazioni tecnologiche! Ora il paradosso diventa interessante: se nulla può andare più veloce, allora nessuna informazione può raggiungere il fotone... anzi secondo il suo punto di vista il tempo e lo spazio non esistono. Quindi nessuno può avvertire Superman che, essendo partito alla velocità della luce, risulterà irraggiungibile fintanto che non si fermi e guardi indietro cosa si sia perso durante il suo frettoloso viaggio che per lui ha avuto durata nulla!

Pensiamoci quando accendiamo una lampadina: ogni secondo 100 miliardi di miliardi di fotoni sono emessi in ogni direzione ed alcuni vanno ad eccitare la retina dell’occhio dopo qualche nanosecondo. Grosso modo, ogni secondo la stessa quantità di fotoni solari investe ogni m2 della Terra: essi però hanno viaggiato per 8 minuti per percorrere i 150 milioni di km che ci separano dalla nostra stella. I fotoni emessi dalle stelle della Galassia di Andromeda ci arrivano con un ritardo di 2.5 milioni di anni. Addirittura la radiazione cosmica di fondo (l’eco del Big Bang), ha viaggiato, visto da noi, per 13.7 miliardi di anni percorrendo distanze inimmaginabili. Ma dal punto di vista del fotone, essi sono stati appena creati e non si sono mossi! Per loro il tempo e lo spazio non esistono: nascono e muoiono nello stesso istante quando sono assorbiti da un oggetto materiale (per esempio l’occhio); ... crolla un mito, ma l’affermazione “alla velocità della luce” tanta cara al Comandante Kirk e a Superman contiene un sacco di “bugie”!

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