La teoria della Relatività di Einstein ha mostrato come non sia possibile portare un oggetto dotato di massa a velocità superluminali, ossia maggiori di quelle della luce (c=300,000 km/s). A questa velocità possono, e devono, viaggiare le sole particelle prive di massa.
Nonostante questo limite invalicabile, e nonostante non vi sia al momento nessuna teoria o evidenza sperimentale che ci permetta di aggirare questo limite per spostarsi o trasmettere informazione a velocità più grandi di c, vi sono alcuni fenomeni che sono, o sembrano superluminali, ossia più veloci della luce.
L’espansione dell’universo. La Relatività speciale sancisce che nello spazio-tempo nulla si muove più veloce della luce, ma non pone alcun limite all’espansione dello spazio-tempo, descritta dalla Relatività Generale. Infatti, nei primi istanti dopo il Big Bang, l’Universo, raffreddandosi, nella fase dell’inflazione, si è espanso molto più velocemente della luce. Le cause di questa repentina espansione non sono ancora note e sono dovute a fenomeni di fisica ancora sconosciuti. Secondo alcune teorie essa è legata alla produzione di materia oscura, ma sino a che questa particella non sarà identificata direttamente non è ancora possibile avere una risposta definitiva. L’universo a noi causalmente connesso, a noi visibile, ha dunque un ‘raggio’ di circa 46.5 miliardi di anni luce, mentre la sua età è ‘solo’ di 15 miliardi di anni. Le regioni più distanti resteranno per sempre a noi ignote e inesplorabili. Infatti, per la legge di Hubble, la velocità di allontanamento delle galassie V è proporzionale alla loro distanza D, per cui le galassie più distanti si stanno allontanando ad una velocità superiore a quella della luce. Un altro fondamentale problema ancora irrisolto è se le leggi e le costanti della fisica siano diverse dalle nostre in quelle regioni. Infatti ciascuna regione dell’universo è come una delle isole delle Galapagos su scala cosmica, sconnessa dalle altre e dunque in grado di evolversi indipendentemente. Se è così, dovrebbe essere possibile trovare traccia di queste altre ‘isole’ sotto forma di difetti topologici, punti e superfici che cercano di raccordare le diverse regioni dello spazio.
La meccanica Quantistica, in particolare il collasso della funzione d’onda. Nel momento in cui effettuo una misura, la funzione di probabilità della particella microscopica ‘collassa’ nello stato che vado a misurare. Se ho un sistema di due particelle, la misura di una particella fa collassare istantaneamente anche la funzione d’onda della seconda particella, anche se si trova all’altro capo della galassia. Questo fenomeno è stato misurato più volte in laboratorio. Non è possibile utilizzarlo per trasmettere informazione, ma potrebbe essere sfruttato in future reti di computer quantistici (qui un articolo sul teletrasporto quantistico e qui una misura recente al riguardo).
Luce Cherenkov in un reattore nucleare (da wiki)
L’effetto Cherenkov. La luce (e tutte le onde elettromagnetiche) viaggia a c=300,000 km/s nel vuoto. Se si propaga in un mezzo, l’interazione con gli elettroni atomici del materiale che attraversa, la fa rallentare e muovere a velocità v=c/n, dove n è l’indice di rifrazione del mezzo. L’acqua ha n=1.33 e dunque la luce viaggia ‘solo’ a 200,000 km/s. È quindi possibile avere particelle elementari che viaggiano più veloci della luce (rendendo blu l’acqua dei reattori nucleari). Se sono cariche, come elettroni e positroni, esse creano un’onda d’urto elettromagnetica, analoga a quella degli aerei supersonica nell’aria. (qui è spiegato per esteso). Molti rivelatori di particelle e telescopi sfruttano questo principio.
La velocità di fase delle onde elettromagnetiche. La cresta di un’onda elettromagnetica in certi materiali si può propagare a velocità superiori a quella della luce. Anche in questo caso non vi è trasmissione di segnale, come quella che avviene con le onde radio, dove quella che conta è la velocità di gruppo (ossia della modulazione) delle onde.
Schema e dimensioni degli effetti luminosi nell’alta atmosfera
Gli effetti Transienti Luminosi o TLE (Transient Luminous Effects). Questi rari fenomeni hanno nomi esotici come Sprites ed Elves. Di questi, gli Elves sono un fenomeno globulare che si espande sino a 100 km dove forma un’onda d’urto circolare. Se considerata lungo la circonferenza, l’espansione dell’onda d’urto appare superluminale, ma è solo un effetto ottico. I vari punti della circonferenza che si espande non sono causalmente connessi tra loro, ossia non si possono influenzare a vicenda, dato che l’onda è in realtà quella che si propaga, ad una velocità inferiore a quella della luce, dal centro della sfera in basso.
Lo spostamento dei jet di galassie. Anche in questo caso si tratta di un effetto apparente simile a quello precedente. Il jet è emesso a velocità relativistica ma inferiore a quella della luce.
BONUS: 4 cose che NON vanno più veloci della luce (anche se ci provano)
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Copertina di Mort, di Terry Pratchett
1. Superman. Dato che a quanto pare non gli bastano i superpoteri che ha, deve andare in giro a dicendo che va ‘più veloce della luce’. L’agiografia del primo film millanta che sia riuscito anche a viaggiare indietro nel tempo. (Se invece del Daily
BuglePlanet avesse lavorato in uno dei quotidiani romani sarebbe stato definito un “coatto”). - I tachioni. Ipotetiche ma inosservate e inesistenti particelle che guarda caso sono…. più veloci della luce. In questa ipotesi da fantascienza (non sono previste da nessuna delle teorie di fisica esistenti o ipotizzate), i tachioni sono costretti a muoversi più velocemente della luce e ‘dunque’ si muovono indietro nel tempo.
- I neutrini di Opera. Si è trattato di un errore di misura ed è stato dimostrato che si muovono meno velocemente della luce, ma si è trattata di una misura importantissima da verificare, dato che una delle ipotesi avanzate fosse che solo i neutrini si muovessero alla velocità massima ammessa dalla Relatività speciale, mentre i fotoni fossero rallentati in qualche modo dalle interazioni con il vuoto quantistico. (qui un post info sulle scoperte vere di Opera).
- La monarchia. Secondo Terry Pratchett (Mort, quarto volume di Discworld): “l’unica cosa che si può muovere più veloce della luce è la monarchia, Secondo il filosofo Ly Tin Wheedle. Il suo ragionamento si basa sul fatto che non si può evere più di un re per volta, e la tradizione richiede che non c’è soluzione di continuità tra i re. Perciò quando un re muore, la successione passa istantaneamente all’erede. Presumibilmente, disse il filosofo, ci deve essere un qualche tipo di particelle elementari, ‘Reoni’, o anche ‘Reginoni’ che veicolano questa informazione. Ovviamente la successione può interrompersi se – nel loro volo – queste particelle colpiscono le loro antiparticelle, i ‘Repubbliconi’. Il suo piano ambizioso per utilizzare questa scoperta per mandare messaggi, basata su un’accurata tortura di un re per modulare il segnale, non fu mai portata a termine perché a un certo punto il bar chiuse.
Immagine di copertina: MayanTimeGod by DeviantArt
Dottor Casolino, avrei 2 domande da ignorante se avrà la bontà di rispondere (sperando io sia in grado di comprendere le risposte). La prima riguarda l’universo osservabile: non mi é chiaro dove dovrebbe stare la parte di universo super luminale ormai irraggiungibile. Cioé se rileviamo la radiazione del disaccoppiamento che é stata emessa praticamente agli inizi dell’età dell’universo e se i 46 (circa) miliardi di anni luce di distanza corrispondono ai 15 miliardi di età, cosa resta fuori? Onestamente non capisco. Si parla di come il JWT permetterà di guardare ancora più indietro nel tempo/lontano nello spazio….
L’altra domanda verte sui rapporti tra località e realtà: non capisco se i due aspetti sono necessariamente collegati o possano esistere in modo indipendente. Cioé (a parte che non capisco bene neppure il teorema di Bell ma lo intuisco appena) se si dimostra la non località se non abbandoniamo il realismo, se lo facessimo cosa cambierebbe? Esiste, che so, una teoria “localistica non realistica”? Io pensavo che il concetto di realismo nella meccanica quantistica si riferisse al fatto di considerare la funzione d’onda come qualcosa che esiste davvero contrapposto a chi sostiene che é una semplice descrizione matematica non per forza “reale”. Ma qui mi perdo perché arriva anche la mia non conoscenza dell’epistemologia a complicare le cose…
Grazie e saluti
Ci vorrebbeto almeno due o tre post!
>Non mi é chiaro dove dovrebbe stare la parte di universo super luminale ormai irraggiungibile
dovrebbe stare oltre i 45 miliardi di anni luce. se potessimo andare piu’ veloci della luce, basterebbe andare dritti in una qualunque direzione.
> cosa resta fuori?
nessuno lo sa. Dovrebbero essere regioni di universo di cui non conosciamo la grandezza che non sono mai entrate in contatto con la nostra ‘sfera’ di 46 miliardi anni luce di raggio. JWT ci permette di guardare piu’ nel passato e quindi piu’ lontano ma sempre entro i 15 mliardi di anni e/o i 46 miliardi di anni luce
>Esiste, che so, una teoria “localistica non realistica”?
esistere esiste. e’ la meccanica bohmiana, ma ha tutta una serie di problemi, ma viene ancora studiata. in generale la maggior parte della gente che ci lavora prende questi postulato come tali, ossia e’ cosi’ perche’ funziona…..
lo so che non e’ una gran risposta, ci dovremmo fare appunto un post specifico
Quanto rispetto
Grazie Marco per l’articolo molto interessante. Solo una cosa, però. Il Daily Bugle è il giornale di Spiderman. Superman invece lavora al Daily Planet.
voglio morire. ho corretto.
Buongiorno,
Due cose: ha dimenticato il fatto che anche l’ombra può viaggiare più velocemente della luce, e poi una domanda: se in alcune località dell’universo ci sono delle leggi fisiche diverse, potrebbe anche esserci una velocità della luce diversa?
vero!
Sulle altri regioni delll’universo, si’ potrebbe essere che le costanti fondamentali siano diverse…..
Salve , vorrei cortesemente sapere, cosa si pensa del fatto che sulla base del nulla si crea , nulla si distrugge, tutto si trasforma , Universo o universi dovrebbe esistere da sempre , esatto ?
probabilmente un qualcosa con la stessa massa eneriga dell-universo all-istante dle big bang potrebbe esistere da tempe, ma dato che anche il tempo e- nato con il big bang e- difficile dire che cosa cio- voglia dire…..
Una domanda per Marco Casolino,
Vorrei capire quando si parla di distanze di anni luce. Ho letto recentemente un articolo della sonda Tess che ha fotografato un buco nero che ingoia una massa grande 6 milioni di volte piu’ grande del nostro Sole a 375 anni luce. Intanto come ha fatto la sonda ad arrivare li se e’ stata messa un orbita nel 2018 a percorrere 375 milioni di anni luce. Inoltre come ha potuto trasmettere il segnale se occorrono appunto 375 milioni di anni per arrivare li.
Grazie attendo risposta
Livio Tedeschi
Ciao,
infatti la stella e’ morta e sepolta. l’Evento è avvenuto 375 milioni di anni fa e solo adesso ci ha raggiunto. Ogni cosa che vediamo in realta’ proviene dal passato… sulla luna è di un secondo fa, sul sole 8 minuti fa e la stella piu’ vicina 4 anni fa….
ho una domanda per marco casolino : la formula e=mc al quadrato afferma che nulla può andare più veloce di c(velocità della luce) ma se un buco nero attira la luce vuol dire che dopo averla attirata grazie alla sua gravità farà andare il raggio di luce verso il buco nero stesso più veloce di c(300000 km/s) è sbagliata questa teoria? se si può dirmi il perchè.
Ciao, grazie mille per il commento. I campi gravitazionali non modificano la velocita’ della luce, ma solo (!) la sua traiettoria lunghezza d’onda, per cui mentre cade nel buco nero la lunghezza d’onda diminuisce (ossa la frequenza aumenta). Quindi se un raggio di luce (ossia una serie di fotoni) viene lanciato verso il buco nero, questo ci cade dentro sempre alla stessa velocità.
Questo perche’ le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto sempre a 300,000 km/s e la velocita’ e’ una proprieta’ del nostro universo e dipende dalla costante dielettrica del vuoto e di permeabilita’ magnetica del vuoto. Il campo gravitazionale non entra in questo calcolo, ma solo appunto nel determinare la traiettoria di percorso minimo che i fotoni sono costretti a seguire.
Credo che un ripasso del film di Nolan Tenet, possa chiarire meglio gli argomenti.
Buongiorno,
avrei un dubbio che forse poteva risolvermi. Ai tempi della scuola si parlava di atomi, neutroni ed elettroni cambiano carica quando l’altro cambia carica. Fino a qui niente di strano. Il dilemma nasce quando questi si trovano anche ai due estremi dell’universo, cambiano nello stesso momento, in teoria quindi piu’ veloci della luce. Qualche anno dopo trovai uno studente universitario che mi disse che avevano risolto il dilemma ma non mi disse mai come… E il dubbio mi e’ rimasto.
scusa mi ero perso questo commento!
qualcosa sul quantum entanglement e’ a questo link
https://www.scientificast.it/cose-quantum-entanglement/
scusa ancora,
Marco
Buongiorno,
ho una domanda da ignorante in materia. Ammettiamo che ci siano due perone, una sulla Terra e una sulla Luna e che siano collegati da una corda che tengono per mano. Ammettiamo che questa corda sia priva di allungamenti elastici. A questo punto le due persone potrebbero comunicare ad esempio con un codice morse dando dei piccoli strattoni alla corda. Tirando un capo sulla Terra si sposterebbe anche quello sulla Luna contemporaneamente. Ciò vorrebbe dire mandare informazioni più veloci della luce. Ma ciò non è possibile. Dove è la Falla in questo ragionamento?
Grazie
Buongiorno,
anche quando tiriamo la corda o un’asta rigida, questa si muove alla velocita’ della luce, perche’ i singoli atomi attraggono quelli successivi con la forza elettromagnetica che appunto si propaga alla velocita’ della luce. quindi se tirassimo una corda tra qui e la luna, quella i sposterebbe all’altra estremita’ dopo poco piu’ di un secondo.
Buongiorno,
anche quando tiriamo la corda o un’asta rigida, questa si muove alla velocita’ della luce, perche’ i singoli atomi attraggono quelli successivi con la forza elettromagnetica che appunto si propaga alla velocita’ della luce. quindi se tirassimo una corda tra qui e la luna, quella i sposterebbe all’altra estremita’ dopo poco piu’ di un secondo.
l’esempio più stridente penso sia quell0 dell’entanglement, la famosa “azione spettrale”, per cui particelle cambiano stato come se fossero in relazione ultraluminale, ma invece pare di no, perchè questa azione all’interno dello spazio tempo non è possibile, e nessuna informazione dunque può viaggiare simultaneamente tra le particelle in oggetto. però il cambio avviene, e quindi? solo statistica? forse esiste tra queste, e più in generale tra i vari elementi dello spazio tempo, un legame ulteriore in una dimensione oltre lo spazio tempo, la stessa che forse permette dall’esterno del nostro cosmo che questi si sia espanso a velocità maggiori della velocità della luce, per cui non vi è bisogno di comunicare una informazione ma semplicemente cambia uno stato di fondo. può in questo caso rientrare la teoria dell’universo olografico ad esempio?