La
luce è una delle scoperte più importanti in ambito fisico e tecnologico perchè senza la sua scoperta molte tecnologie recenti non sarebbero mai state inventate (computer, dischi ottici, laser, i vecchi
Laserdisk Game ed in generale tutti quegli apparecchi che sfruttano onde elettromagnetiche non ultimo come importanza il Wi-Fi ad esempio. Senza considerare tecnologie in via di sviluppo quali il
Li-Fi, ovvero una banda larga che sfrutta lampadine led).
Secondo i noti principi della Relatività Ristretta e Generale, esiste una barriera secondo la quale i 300mila km/s (velocità della luce nel vuoto) non possono essere superati.
Questo perchè all'aumentare della velocità, aumenta anche la massa quindi l'energia (affichè la velocità venga incrementata oltre tale soglia) dovrebbe essere infinita e ciò è impossibile (inoltre a quelle velocità la massa è infinita, da ciò si deduce che solo oggetti privi di massa possono muoversi a tali velocità). Sostanzialmente nessun corpo che viaggi a velocità minori di quella della luce può raggiungerla, tutt'al più qualora esistessero corpi che viaggino a velocità maggiori della luce nel vuoto (ad esempio gli ipotetici tachioni che viaggerebbero a ritroso nel tempo, cioè indietro) non potrebbero mai rallentare ed aumenterebbero la loro velocità all'infinito.
Inoltre viaggiando ad esempio a 200.000 km/s (ipoteticamente) ed inseguendo la luce nel vuoto (che viaggia a 300.000 km/s), la luce sarà distante da noi sempre 300.000 km/s e non 100.000 km/s (la sua velocità è quella, sia che siamo in movimento sia che sia fermi sulla terra).
In poche parole, indipendentemente dalla velocità della navicella (o di un razzo), la luce si allontanerà sempre alla stessa velocità (avvicinarsi vorrebbe dire che stiamo viaggiando a velocità superiori) sia che ci venga incontro sia che fugga nella stessa direzione.
Un impulso luminoso in fuga non può mai essere raggiunto (cioè la velocità della luce è indipendente dalla distanza della sorgente). Tramite esperimenti sulla vita media dei muoni (che viaggiano a velocità prossime a quella della luce nel vuoto) è stato dimostrato che, malgrado non potrebbero raggiungere la superficie terrestre (per un fatto di distanza e della loro vita media cioè circa 2 microsecondi), ci arrivano comunque essendo rilevati da contatori geiger.
In pochi milionesimi di secondo, la luce (si muovono a V circa uguale a quella della luce) percorre meno di 1 km ed essendo creati dai raggi cosmici a circa 20 km dal suolo...non dovrebbero mai poter giungere a terra ed essere rilevati.
Cosa succede quindi? Il tempo a velocità relativistiche rallenta e le distanze si contraggono (praticamente secondo il loro tempo biologico percorrono distanze minori in tempi minori, rispetto all'effettiva distanza che li separa dalla superficie terrestre e al tempo misurato da un osservatore esterno sulla terra).
La loro vita media viene dilatata di circa un migliaio di volte, potendo raggiungere quindi il suolo.
L'esperienza venne riprodotta anche in laboratorio e venne dimostrato che muovendosi a velocità di 99.7 % di quella della luce, la loro vita media è incrementata di un fattore 12 (sempre per la dilatazione temporale). Con velocità ancora superiori, la loro vita media venne incrementata di un fattore 29.
Effettivamente un jet ipotetico che viaggiasse a simili velocità vedrebbe le sue lancette scorrere più lentamente rispetto a quanto misurato sulla terra.
Ovviamente non esistono jet che possono raggiungere tali velocità però già viaggiando ad una velocità doppia di quella del suono (680 m/s) è stato dimostrato che il tempo rallenterebbe di 1 femtosecondo (10 alla -15 secondi).
Come si vede dalla formula di sopra sulle dilatazioni temporali, se dovessi percorrere una distanza ipotizziamo di 10 anni luce (che diventano 20, considerando il ritorno) e viaggiando ad una velocità metà di quella della luce (150.000 km/s) sulla terra passerebbero 40 anni (viaggiando per 20 anni alla velocità della luce ne passerebbero 20 di anni terrestri ma visto che stiamo viaggiando alla metà avrò 20 anni diviso 1 per 2). Sull'astronave invece facendo le dovute sostituzioni nella formula di cui sopra passerebbero solo 34 anni (ovviamente l'effetto è molto più pronunciato arrivando a velocità prossime a quelle della luce). Quindi rispetto al sistema terra, il viaggiatore avrebbe "guadagnato" 6 anni (34 anni di viaggio, mentre per il calendario sulla terra ne son passati 40). Se ora siamo nel 2018 al suo ritorno, il calendario terrestre segnerebbe il 2058, il tempo biologico del viaggiatore invece il 2052 quindi si ritroverebbe catapultato nel futuro di 6 anni!
Anche le dimensioni del jet stesso, diminuirebbero (a basse velocità si parla comunque di una contrazione irrisoria), idem lo spazio percorso.
Le distanza si contraggono dello stesso fattore per cui il tempo si dilata: se il tempo scorre più lentamente del 60% ad esempio (quindi di un fattore 0.6), allo stesso modo lo spazio da percorrere si contrae (16 anni luce di distanza, diventerebbero 9.6 anni luce. Cioè 16 anni per 0.6 = 9.6 anni luce).
ALTRE DIMOSTRAZIONI
Secondo il punto di vista dei fermioni (altre particelle che viaggiano alla velocità della luce) il tempo è fermo e l'universo ha lunghezza pari a 0. Un'altra dimostrazione delle deformazioni temporali fu data da J.C.Hafele e Richard Keating nel 1971 tramite 4 orologi atomici al cesio.
Caricarono 2 orologi su aerei di linea e viaggiarono intorno al mondo verso est ed ovest ed ottennero una deformazione temporale dei tempi di circa un microsecondo per giorno di viaggio (del resto quegli aerei si muovevano ad una V circa un milionesimo di quella della luce) rispetto ai 2 orologi rimasti a terra (la differenza media era di 59 nanosecondi). Nel viaggio ad ovest, l'orologio aveva guadagnato circa 273 nanosecondi (sussisteva una differenza anche con l'orologio che aveva viaggiato verso est, in quando anche la rotazione terrestre produce una deformazione temporale).
Grazie alla luce sono state carpite anche informazioni importanti sui buchi neri (affinchè un razzo o comunque un corpo possa vincere l'attrazione gravitazionale di un pianeta ed allontanarsi indefinitamente, esso deve avere una certa velocità di fuga. Ad esempio per la terra è 11,2 km/s. Per i buchi neri la velocità di fuga è quella della luce nel vuoto per via della fortissima attrazione gravitazionale, per questo motivo nessun corpo può sfuggire ad un buco nero neppure la luce perchè nessun oggetto celeste può superare la velocità della luce nel vuoto).
Quando si parla di particelle, essendoci variazioni impercettibili (più o meno) di velocità è più utile parlare in termini di energia (elettronvolt).
Un elettronvolt è l'energia acquistata da un elettrone quando viene accelerato in un campo elettrico da una differenza di potenziale di 1 volt.
L'energia cinetica di un raggio cosmico è di circa 10 alla 9 elettronvolt.
Differenze di velocità tra particelle e velocità della luce nel vuoto con un'energia di 10 alla 14 elettronvolt è di circa 3 cm al secondo, con 10 alla 15 invece di circa 0.3 mm al secondo.
Per ricavare il fattore di deformazione temporale dei raggi cosmici, basta dividere l'energia della particella per un miliardo. Si otterrà così il fattore di rallentamento dell'orologio.
Ad esempio per una particella con 10 alla 12 elettronvolt di energia, il tempo scorre 1000 volte più lentamente rispetto al nostro. Un'energia di 10 alla 20 elettronvolt ha un fattore di deformazione di 100 miliardi (cioè un orologio scorrerebbe 100 miliardi di volte più lentamente rispetto ad uno "normale" sito sulla terra e a riposo).
Per rendere ulteriormente l'idea esistono particelle con energie di 10 alla 18 elettronvolt, ciò vuol dire che nel nostro sistema di riferimento...la loro vita sarebbe enormemente dilatata.
Il fattore di deformazione è di 1 miliardo: 15 minuti diventano 30.000 anni!
Cioè la particella potrebbe percorrere nello spazio 30.000 anni luce, prima di decadere (malgrado la loro vita media, in condizioni normali, sia di microsecondi).
Raggi cosmici con simili energia forse derivano da buchi neri, pulsar, supernove e nuclei galattici in esplosione.
LO SPAZIO-TEMPO DI MINKOWSKI
In ultima analisi va sottolineato che la Relatività parla di spazio e tempo indiscutibilmente legati tra di loro ed analizzati in modo non assoluto. Minkowski con le sue idee di spaziotempo, giunse alla conclusione che gli eventi che si sono verificati o che si verificheranno già esistono e non vi è nessuna distinzione tra passato e futuro.
Non potendo accadere nulla di inaspettato, il futuro è predeterminato, fisso ed immutabile (in poche parole alcuni eventi attuali saranno nel passato per un osservatore e nel futuro per un altro quindi alcuni giunsero alla conclusione che il tempo in realtà non scorreva affatto, dal momento che è impossibile stabilire quale sia veramente il presente).
Lo stesso Minkowski ha sempre considerato il tempo come una quarta dimensione spaziale, importante è il concetto di distanza spazio-temporale.
Sappiamo che per distanza ci si riferisce ad esempio allo spazio interposto tra 2 punti, così come sappiamo che una distanza temporale è l'intervallo tra 2 eventi dunque la differenza di tempo che si legge su un orologio in quiete. Ma come questi due concetti così diversi possono essere uniti in uno spazio tempo unificato?
1) Prendere la differenza temporale tra due eventi e moltiplicarla per la velocità della luce (300mila km/s), così l'unità di tempo viene trasformata in unità di spazio (1 secondo diviene 300mila km)
2) Elevare il risultato al quadrato
3) Elevare al quadrato la distanza spaziale tra i due eventi (in km), distanza ad esempio tra Londra e Los Angeles
4) Eseguire la sottrazione tra la distanza spaziale al quadrato (punto 3) e il risultato del prodotto tra la differenza temporale e la velocità della luce (punto 1). Cioè il risultato del punto 1 va sottratto dal risultato del punto 4
5) Radice quadrata del risultato finale
Cosa otterrò? L'intervallo tra due eventi nello spazio-tempo (espresso in km).
Proviamo ad esempio a calcolare la distanza spazio-temporale tra la terra (alle ore 13) e il sole (alle ore 13 e 5 minuti). Distanza terra-sole è di 150 milioni di km che al quadrato diventano 22.500.000 miliardi di km quadrati. Moltiplicando 5 minuti per la velocità della luce si ottengono 90 milioni di km che elevati al quadrato diventano 8.100.000 miliardi di km quadrati.
Eseguendo la sottrazione: 22.500.000 - 8.100.000= 14.400.000.
La cui radice quadrata ci darà un'intervallo spazio-temporale di 120 milioni di km (notiamo che questa cifra è inferiore alla distanza spaziale canonica di ben 30 milioni di km!).
Man mano che la differenza di tempo tra i 2 eventi aumenta, allo stesso modo minore sarà il risultato finale. Ad esempio con una differenza temporale di 8 minuti (tra i 2 eventi), la distanza sarà di soli 42 milioni di km. Con 8 minuti e 20 secondi di differenza temporale, l'intervallo spazio-temporale risulta 0. Com'è possibile visto che i 2 eventi sono separati nel tempo e nello spazio (cioè avvengono in 2 luoghi diversi e in 2 tempi diversi)? Quello è semplicemente il tempo che occorre alla luce per percorrere la distanza terra-sole (in corrispondenza di tali velocità il tempo si arresta).
Cioè per il lampo di luce il tempo non scorre affatto, per esso non c'è nessuna differenza tra la terra alle 13 e il sole alle ore 13, 8 minuti e 20 secondi. E cosa succede per differenze temporali maggiori? Che dalla sottrazione finale si otterrà un risultato negativo dunque si devono utilizzare i numeri immaginari per estrarre la radice quadrata. Cioè i 2 punti in esame hanno una maggiore separazione nel tempo rispetto a quanto ne abbiano nello spazio.
Molti dei concetti di Minkowski furono sviluppati anche grazie alle trasformazioni di Lorentz che descrissero come varia la misura del tempo e dello spazio tra due sistemi di riferimento inerziali (Lorentz era un chiaro assertore dell'etere luminifero, mezzo materiale in cui si pensava si propagassero le onde elettromagnetiche e che si formava grazie a corpi in movimento. Etere che fu negato dal noto esperimento di Michelson e Morley e dal loro interferometro. Oggi con questo termine s'indica in maniera generica lo spazio atmosferico come luogo di trasmissione di dati senza cavo, emissioni radio televisive comprese).
PROPRIETA' DELLA LUCE E SUA SORGENTE
Una nota proprietà della luce (oltre al fatto di possedere proprietà sia delle onde che delle particelle) è che essa è "distaccata" dalla sua sorgente e la sua velocità dipende solo dal mezzo in cui si propaga.
Cioè nel vuoto sarà sempre di 300mila km/s, indipendentemente dalla velocità della sorgente da cui è emessa. Sappiamo invece che nella vita di tutti i giorni cioè a velocità basse, quest'ultime sono collegate alla sorgente che le emette. Ad esempio se viaggio in un automobile, io percepirò il rumore della mia macchina prima di un osservatore esterno, proprio perchè sono più vicino al punto di emissione. D'altro canto, un osservatore esterno, percepirà sempre prima il rumore della macchina rispetto ad essa (pensiamo ad esempio ad una curva che ostruisca la strada quindi non vediamo la macchina...però sentiremo comunque il rombo del motore!) proprio perchè il suono viaggia ad una velocità decisamente superiore rispetto a quella della sorgente (del resto non ci sono macchine da strada che possono superare i 1000 km/h). Suono che ovviamente ha velocità comunque ridicole, se rapportate a quelle della luce (per questi motivi, durante un fulmine noi vediamo prima la luce e dopo sentiamo il rumore).
RADIAZIONE CHERENKOV
Sebbene come detto non sia possibile superare la velocità della luce nel vuoto, ci sono delle condizioni in cui è la luce stessa a viaggiare più lentamente.
In particolare quando la luce attraversa un materiale, effetti di dispersione ottica (cioè fenomeni di assorbimento ed emissione) abbassano la velocità di propagazione della luce, di un fattore chiamato indice di rifrazione di quel materiale. In queste condizioni è dunque possibile che particelle subatomiche possano viaggiare a velocità maggiori di quella della luce in quel materiale, dando così origine all’emissione di luce
Cherenkov.
Dunque quando una particella carica si muove ad una velocità superiore a quella della luce nel mezzo in cui si propaga (ad esempio la luce rallenta del 30% nell’acqua) viene emessa una luce blu.
Per emettere radiazione Cherenkov nell’aria, l’energia degli elettroni deve essere molto elevata (perché nell’aria la luce rallenta molto di meno).
Sovrapponendo centinaia di fasci laser con altrettante fibre ottiche è infatti possibile creare campi elettromagnetici così intensi da accelerare particelle cariche.
Oliver Heaviside mostrò che una particella carica che si muovesse ad una velocità maggiore della luce nel vuoto, emetterebbe una radiazione elettromagnetica il cui fronte d’onda si propagherebbe ad un angolo fissato rispetto alla direzione di propagazione. Questa emissione è generata dalla polarizzazione degli atomi del mezzo. In condizioni superluminali la particella viaggia più velocemente del campo elettromagnetico di polarizzazione e quindi il mezzo è polarizzato solamente alle spalle della particella, mentre gli atomi davanti alla particella sono ancora non polarizzati. In questo caso i fotoni emessi interferiscono costruttivamente dando origine all’emissione di radiazione Cherenkov. Alla base di quest'importante scoperta, non solo poi lo studio di neutrini (particelle che viaggiano alla velocità della luce, perdendosi nel tempo) ed altre particelle spaziali ma anche quello dei reattori nucleari (indicando il livello di attività del reattore) e lo studio della radioattività residua presente nelle barre di combustibile. In Star Trek, le astronavi, mentre sono a curvatura, viaggiano immerse in un tunnel composto dall'effetto Cherenkov caratterizzato dalla tipica radiazione azzurra.
BOOM SONICO
Quanto menzionato prima per la luce è il corrispettivo del boom sonico che si verifica quando viene abbattuta la barriera del suono. Ogni oggetto che produce rumore genera delle onde sonore (che altro non sono se non variazioni di pressione) che si diffondono nell’aria in modo uniforme e concentrico rispetto alla sorgente; se l’oggetto è in movimento, come nel caso di un aereo, queste onde saranno più ravvicinate nella direzione in cui l’oggetto procede e più lontane alle spalle.
Più un aereo va veloce, più le onde saranno compresse l’una vicina all’altra, finché, arrivati alla velocità del suono, queste onde si sommeranno l’una con l’altra (interferenza costruttiva): l’aereo a quel punto avrà sfondato il muro del suono, producendo un boato molto rumoroso (questo perché la sua intensità sarà la somma delle onde sonore prodotte) che continuerà sino a che il volo proseguirà a velocità supersoniche ma sarà udito solamente da chi finisce all’interno di quello che è chiamato cono di Mach e che segue l’oggetto in movimento.
Solitamente, infatti, prima di vedere l’arrivo di un aereo che viaggia a velocità subsonica ne sentiamo il rumore. Se questo ha raggiunto velocità supersoniche, invece, capiterà il contrario: lo vedremo passare silenziosamente davanti a noi e ne sentiremo il rumore solamente quando saremo alle sue spalle (e rientreremo quindi nel cono di Mach). La velocità a cui si abbatte il muro del suono viene solitamente chiamata Mach 1.
