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.

image03

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.

image00

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.

image02

 

 

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

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

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.

Share This Post On