Più veloci della luce: L’effetto Cherenkov

Nella nostra ipotesi sul funzionamento delle spade laser di Star Wars abbiamo tirato in ballo un fenomeno fisico noto come effetto Cherenkov. Questo effetto consiste nell’emissione di una radiazione luminosa di un caratteristico colore azzurro e avviene quando particelle subatomiche viaggiano a velocità maggiori di quelle della luce. Ma non si era detto (nei nostri post sulla relatività ristretta qui e qui) che la velocità della luce è un limite invalicabile facente parte della struttura stessa dello spaziotempo? Prima di pensare a una violazione che genererebbe “una reazione a catena che scomporrebbe la tessitura del continuum tempo-spazio distruggendo l’intero Universo!” degna di Ritorno al Futuro, chiariamo questa storia delle velocità superluminali.

Sebbene 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. Per spiegare questo effetto facciamo un paragone con l’effetto Doppler, fenomeno analogo ma legato alle onde sonore, a causa del quale il suono emesso da un’autoambulanza, ad esempio, viene percepito ad una frequenza più bassa nel momento in cui l’ambulanza vi sorpassa. A causa dell’effetto Doppler, il suono emesso da un aereo supersonico crea due fronti d’onda che si allontanano dalla direzione del movimento ad un angolo che dipende dalla velocità dell’aereo.

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Torniamo alle particelle subatomiche. Nel 1888 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, proprio come nell’esempio degli aerei supersonici. Questa emissione è generata dalla polarizzazione degli atomi del mezzo. In condizioni normali, quando la velocità delle particelle subatomiche è minore della velocità della luce nel mezzo, la polarizzazione ha simmetria sferica e il mezzo è mediamente neutro, quindi non c’è nessuna emissione di radiazione.

image01In 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. È interessante notare che questa radiazione è generata dal mezzo stesso e non direttamente dalla particella.

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In modo analogo ad un aereo supersonico, la particella diventa quindi una sorgente di onde i cui fronti d’onda si propagano ad un angolo definito rispetto alla traiettoria della particella, angolo che dipende dalla velocità della particella e dall’indice di rifrazione del mezzo.

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La luce Cherenkov così emessa copre una banda di frequenze nell’ultravioletto ma comprende anche una porzione di spettro visibile da cui il caratteristico colore azzurro.

Bene, direi che possiamo tornare a progettare le spade laser del futuro senza temere di distruggere lo spaziotempo.

 

Per approfondire:

(ATTENZIONE CONTIENE PERICOLOSE FORMULE MATEMATICHE)

E via, più veloce della luce
Effetto Cherenkov: la polarizzazione del mezzo

Author: Luca Di Fino

Fisico e insegnante di ruolo nella scuola primaria superiore. Come ricercatore ha lavorato all’esperimento ALTEA sulla ISS. Ha lavorato come sviluppatore di app per dispositivi Microsoft.

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  • Lordgabriele

    Ottimo articolo ben spiegato!!

  • Roberto Vai

    Molto interessante!
    Prof. Di Fino, ho letto con grande interesse anche altri suoi articoli, tra i quali “Il mondo visto con gli occhi di un fotone” che mi ha confermato un’idea sulla quale da tempo mi arrovello.

    Dal punto di vista del fotone il nostro universo è un punto (in qualunque direzione esso provi a dirigersi la lunghezza percorsa è nulla) e i suoi miliardi di anni non sono mai esistiti (il nostro tempo è per il fotone ancora solo quell’istante iniziale).

    D’altronde la teoria del Big Bang prevede la nascita del tempo e dello spazio. Questa “nascita” mette anch’essa secondo me in discussione la concretezza del tempo e dello spazio. Nel senso che non sono degli assoluti, non solo in quanto relativi all’osservatore, ma anche perché potrebbero non esserci, non essere reali.

    Mi chiedo infatti se la luce non ci suggerisca che il proprio “luogo” altro non sia che quel punto spazio/temporale originario.
    Luogo che appare a noi come un Nulla, ma non è proprio lì, in quello cha appare Nulla, che noi stessi da sempre siamo?

    Grazie e cordiali saluti
    Roberto Vai

    • Luke2375

      Partiamo con una premessa. E’ difficile fare delle congetture filosofiche su fenomeni come quelli relativistici che esulano completamente da quelle che sono le nostre esperienze quotidiane e quindi dalla nostra comprensione intuitiva.
      Le trasformazioni di Lorentz di dicono che dal punto di vista del fotone l’universo ha una lunghezza nulla, ma solo nella direzione di propagazione. Per quanto riguarda il tempo, invece, il fotone vede i fenomeni dell’universo accadere a velocità infinita, quindi in un tempo nullo per lui sono passati miliardi di anni per l’universo (o forse questo implica che tutti gli eventi sono contemporanei, qualsiasi cosa questo significhi).
      Il tempo e lo spazio non sono assoluti, questo è assodato, ma questo non implica che non siano reali. Infatti anche nella relatività è possibile definire una metrica dello spazio-tempo, cioè un modo in cui misurare lo spazio e il tempo, in cui esistono delle quantità invarianti, cioè assolute.
      Magari potrei scriverne in un futuro articolo.

      • Roberto Vai

        Grazie della risposta.
        Sì, ritengo anch’io che sia difficile fare delle congetture filosofiche su questi temi, nel senso però di ipotizzare delle “soluzioni” ai misteri dell’universo. Tentativi di dare una “risposta” oggettiva che ritengo anzi inopportuni.
        Tuttavia, sono convinto che le situazioni-limite che la scienza può offrirci possano essere un ottimo spunto per il nostro miglioramento umano. Una situazione-limite può essere infatti, per esempio, l’affrontare in prima persona, esistenzialmente, la teoria del Big Bang: nasce lo spazio e il tempo! E di fronte a questa possibilità, che mette in discussione la nostra stessa vita, sostare.

        Riguardo alla possibile non realtà dello spazio e del tempo mi sono espresso male.

        Intendevo evidenziare che un conto è il loro non essere assoluti in quanto relativi all’osservatore, un altro non esserlo come essenza.
        Perché nel primo caso è la loro grandezza a non essere assoluta: il tempo e lo spazio non smettono di esserci. Mentre se consideriamo la loro “nascita” con il Big Bang, oppure il mondo del fotone, è proprio la loro essenza ad essere messa in discussione: ciò che nasce non può essere un assoluto, così come ciò che può non esserci.

        Riprendendo in mano le trasformazioni di Lorentz (le avevo studiate eoni fa a ingegneria anche se non erano tema d’esame, ma sono curioso…) mi sono ritrovato con una nuova perplessità. Perché anch’io ritenevo che il fotone vedesse la storia dell’universo ridotta ad un istante, ma ora mi è sorto il dubbio che il fotone veda invece ancora solo quell’istante iniziale in cui ha iniziato ad essere.
        Cioè il fotone “vede” il nostro universo ancora fermo in quell’istante in cui lo stesso fotone è nato.

        Ciò perché così come per noi la sua dimensione nella sua direzione di moto è nulla e il suo tempo è fermo, allo stesso modo il fotone dovrebbe vedere l’universo (solidale con noi) con la propria lunghezza azzerata e il suo tempo sospeso.
        Se questa interpretazione è corretta, il fotone che proviene dal Big Bang (e forse tutti lo sono…) vede ancora quell’istante iniziale dell’universo. I miliardi di anni del nostro universo per quel fotone non sono mai esistiti.

  • alessandro visentin

    A mio avviso è sbagliato tutto il paradigma che sostiene lo spazio tempo, e quello che noi chiamiamo fotoni. l’unica cosa sensata che è stata detta che si tratta di una trama. il limite della velocità della luce è la semplice osservazione che questi elementi che compongono questa trama del vuoto. impiegano un specifico lasso di tempo per orientarsi. Questa struttura del vuoto è articolata su elementi infinitamente piccoli e pluri dimensionali. per questo sotto una sfera di raggio di circa 0.81*10^-81m questi non sono più Geodimeoformi. Il fotone composto da questa struttura deve trasmutare dimensionalmente o orientare i suoi fattori di forma. questo è visto come movimento lineare, ma in realtà niente si sta muovendo, percepiamo solamente il processo di orientamento di questa struttura. questi elementi che chiamiamo Visneti sono il guscio esterno Geodimeoforme del Vuoto. Quindi la velocità della luce è semplicemente questo ritardo di orientamento. per superare questo limite basta predisporre un orientamento lineare a tratti su questi elementi, per ottenere un fattore super illuminante. quello che si doveva fare era di non intravvisare la realtà con assurdi postulati e teorie.

  • Giuliano

    E per la spada invece di darth vader rossa???…:D!!

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