La velocita della luce nel vuoto, c = 299.792.458 metri al secondo, e il limite di velocita piu fondamentale della fisica. La relativita ristretta di Einstein stabili che nessun oggetto con massa puo essere accelerato fino alla velocita della luce. Ma la relativita dice qualcosa di piu sottile di quanto la maggior parte delle persone realizzi: non vieta categoricamente particelle che siano state sempre superluminali. La ricerca di tali particelle dura da oltre un secolo.
1. La velocita della luce come barriera, non come muro
La relativita ristretta divide l'universo in tre settori cinematici. La materia ordinaria (bradioni) viaggia sempre al di sotto di c. Le particelle prive di massa come i fotoni (lussoni) viaggiano sempre esattamente a c. Il terzo settore, occupato da ipotetiche particelle superluminali (tachioni), descrive entita che viaggiano sempre al di sopra di c.
L'intuizione cruciale e che la velocita della luce funziona come una barriera, non un muro. I bradioni non possono essere spinti attraverso c dal basso, e i tachioni non possono essere rallentati attraverso c dall'alto. Ogni classe e permanentemente confinata dal proprio lato della divisione. La matematica della relativita ristretta e pienamente coerente all'interno di ciascun settore. Nulla nelle equazioni della trasformazione di Lorentz produce una contraddizione logica quando applicata a v > c, purche la particella non sia mai stata a c o al di sotto.
2. Proposte storiche per particelle superluminali
L'idea che le particelle possano superare la velocita della luce precede Einstein. Nel 1904, il fisico tedesco Arnold Sommerfeld analizzo lo schema di radiazione elettromagnetica di una particella carica in moto piu veloce della luce, scoprendo che avrebbe prodotto un cono di radiazione analogo al boom sonico di un aereo supersonico. Questa radiazione "simil-Cherenkov" per cariche superluminali era un esercizio puramente teorico all'epoca.
Le basi teoriche moderne furono poste nel 1962 da Olexa-Myron Bilaniuk, V.K. Deshpande e E.C. George Sudarshan alla Syracuse University. Il loro articolo "Meta Relativity" dimostro che le particelle superluminali sono pienamente compatibili con i postulati della relativita ristretta. Mostrarono che tali particelle avrebbero massa a riposo immaginaria, energia e impulso reali, e la proprieta controintuitiva di accelerare man mano che perdono energia.
Nel 1967, Gerald Feinberg alla Columbia University pubblico "Possibility of Faster-Than-Light Particles" sulla Physical Review, coniando il termine tachione. Feinberg ando oltre i suoi predecessori tentando di costruire una teoria quantistica dei campi per i tachioni, analizzando le loro proprieta di emissione e assorbimento, e proponendo firme sperimentali da ricercare. Il suo articolo rimane il riferimento fondante per il campo. Per un trattamento completo della fisica dei tachioni, consultate la nostra guida completa.
3. I tachioni: il principale candidato superluminale
I tachioni rimangono l'unico candidato teoricamente ben definito per una particella fondamentale superluminale. Le loro proprieta sono interamente determinate dalla relativita ristretta e dall'assunzione di massa immaginaria (m² < 0):
- Intervallo di velocita: Da appena sopra c (ad alta energia) a velocita infinita (a energia zero). Un tachione non puo mai decelerare fino a c o al di sotto.
- Inversione energia-velocita: A differenza delle particelle ordinarie, i tachioni accelerano quando irradiano energia. Lo stato a energia piu bassa corrisponde alla velocita infinita.
- Osservabili reali: Nonostante la massa immaginaria, l'energia, l'impulso e la velocita di un tachione sono tutte quantita reali e misurabili.
- Radiazione Cherenkov: Un tachione carico in moto nel vuoto emetterebbe radiazione Cherenkov elettromagnetica, analoga al bagliore blu emesso dalle particelle che superano la velocita della luce in un mezzo come l'acqua.
Le ricerche sperimentali di tachioni si sono concentrate sulla ricerca di questa radiazione Cherenkov nel vuoto e sulle anomalie nella cinematica del decadimento delle particelle. Nessun rilevamento positivo e stato effettuato. Per dettagli sugli sforzi sperimentali, consultate la nostra pagina sui metodi di rilevamento dei tachioni.
4. Fenomeni apparentemente superluminali che non lo sono realmente
Diversi fenomeni fisici ben noti sembrano coinvolgere propagazione superluminale ma, ad un'analisi attenta, non trasmettono informazione in modo superluminale. Comprendere questi casi e essenziale per distinguere il genuino superluminale dall'illusione.
Velocita di fase e velocita di gruppo
La velocita di fase di un'onda monocromatica (la velocita con cui si muove una cresta) puo superare c in molti mezzi. Nella propagazione dei raggi X attraverso il vetro, la velocita di fase e superluminale. Analogamente, la velocita di gruppo di un pacchetto d'onda puo superare c in regioni di dispersione anomala, come dimostrato da Lijun Wang a Princeton nel 2000, che invio un impulso luminoso attraverso gas di cesio a una velocita di gruppo di -c/310 (il che significa che il picco usci prima di entrare). Ne la velocita di fase ne la velocita di gruppo trasportano informazione. La velocita del segnale, definita dal fronte d'onda, rimane uguale o inferiore a c.
Effetto tunnel quantistico
Quando una particella attraversa per effetto tunnel una barriera di potenziale, il tempo di attraversamento puo essere estremamente breve, portando a una velocita di attraversamento apparentemente superluminale. Gunter Nimtz all'Universita di Colonia affermo negli anni '90 di aver trasmesso la 40a sinfonia di Mozart a 4,7 volte c attraverso una guida d'onda a microonde al di sotto della frequenza di taglio. Tuttavia, il consenso e che il tunnel coinvolge una rimodellazione del pacchetto d'onda piuttosto che una genuina propagazione superluminale del segnale. Il fronte d'onda in testa al pacchetto, che trasporta l'informazione, non e mai veramente superluminale.
Espansione dell'universo
Le galassie lontane si allontanano da noi a velocita superiori a c a causa dell'espansione dello spazio stesso. Le galassie oltre la sfera di Hubble hanno velocita di recessione maggiori di c, e possiamo osservarne alcune perche la loro luce fu emessa quando erano piu vicine. Questa non e una violazione della relativita ristretta perche il limite di velocita si applica a oggetti che si muovono attraverso lo spazio, non all'espansione della metrica spaziale stessa. Nessuna informazione e trasmessa piu veloce della luce.
Entanglement quantistico
Misurare una particella entangled determina istantaneamente lo stato del suo partner, indipendentemente dalla distanza. Einstein lo defini "azione spettrale a distanza". Tuttavia, il teorema di non-comunicazione dimostra rigorosamente che l'entanglement non puo essere usato per trasmettere informazione. I risultati delle misurazioni appaiono casuali a ciascun osservatore individualmente; le correlazioni diventano evidenti solo quando gli osservatori confrontano le note attraverso un canale classico (subluminale).
5. L'effetto Scharnhorst
Una delle predizioni teoriche piu intriganti di genuina propagazione superluminale proviene da Klaus Scharnhorst e Gabriel Barton. Nel 1990, calcolarono che i fotoni che viaggiano tra due lastre di Casimir (superfici conduttrici ravvicinate che sopprimono le fluttuazioni quantistiche del vuoto) dovrebbero viaggiare leggermente piu veloci di c. Il vuoto soppresso riduce il "drag" effettivo sulle coppie virtuali elettrone-positrone che appaiono brevemente durante la propagazione del fotone.
L'aumento di velocita predetto e straordinariamente piccolo: circa una parte su 10³⁶ per lastre separate da un micrometro. Questo e molto al di la delle attuali capacita di misurazione. Tuttavia, rappresenta un caso in cui l'elettrodinamica quantistica standard stessa predice v > c per i fotoni in un vuoto modificato. Per un trattamento dettagliato, consultate la nostra pagina sull'effetto Casimir e la fisica tachionica.
6. L'incidente OPERA
Nel settembre 2011, l'esperimento OPERA al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia riporto che neutrini muonici inviati dal CERN (730 km di distanza) erano arrivati 60,7 nanosecondi prima di quanto previsto per un viaggio alla velocita della luce. Se corretto, questo avrebbe costituito la prima osservazione diretta di particelle superluminali.
L'annuncio scateno un'enorme attenzione scientifica e mediatica. Migliaia di articoli teorici tentarono di spiegare o accomodare il risultato. Tuttavia, la collaborazione OPERA identifico due problemi all'apparecchiatura nel febbraio 2012: una connessione difettosa della fibra ottica nel sistema di sincronizzazione GPS (che faceva sembrare che i neutrini arrivassero in anticipo) e un oscillatore dell'orologio che funzionava leggermente troppo veloce. Una volta corretti, il tempo di viaggio dei neutrini risulto coerente con la velocita della luce.
Lezioni da OPERA
L'episodio OPERA dimostro sia il rigore che la natura autocorrettiva della fisica. La collaborazione fu trasparente riguardo al suo risultato anomalo, invito allo scrutinio e infine identifico l'errore sistematico. Quattro esperimenti indipendenti (ICARUS, LVD, Borexino e la stessa OPERA dopo le riparazioni) confermarono successivamente che i neutrini viaggiano a una velocita coerente con c entro la precisione sperimentale.
7. Perche le particelle superluminali violerebbero la causalita
L'obiezione piu profonda alle particelle superluminali non riguarda l'energia o l'impulso, ma la causalita. Nella relativita ristretta, se un segnale puo viaggiare piu veloce della luce in un sistema di riferimento, allora esistono altri sistemi di riferimento (collegati da un boost di Lorentz standard) in cui quel segnale viaggia indietro nel tempo. Se due tali segnali possono essere scambiati tra due osservatori in moto relativo, si crea un anello causale chiuso: un messaggio puo essere inviato nel passato del mittente.
Questa costruzione, descritta per la prima volta da Albert Einstein e successivamente formalizzata come l'antitelefono tachionico, permetterebbe genuini paradossi di viaggio nel tempo. Si potrebbe, in linea di principio, inviare un messaggio a se stessi prima di aver deciso di inviarlo, creando una contraddizione logica.
Le risoluzioni proposte includono il principio di reinterpretazione (originariamente di Bilaniuk, Sudarshan e Feinberg), che reinterpreta un tachione a energia negativa che viaggia indietro nel tempo come un tachione a energia positiva che viaggia in avanti nel tempo nella direzione opposta. Se questo risolva pienamente il paradosso rimane dibattuto. Alcuni fisici sostengono che una teoria quantistica dei campi coerente per i tachioni richiederebbe l'abbandono del principio di causalita Lorentz-invariante.
8. Stato attuale della ricerca
A meta degli anni 2020, nessuna particella superluminale e stata rilevata sperimentalmente. I vincoli sono stringenti:
- Misurazioni della velocita dei neutrini: Gli esperimenti post-OPERA hanno confermato che i neutrini viaggiano a c entro poche parti per miliardo. L'osservazione multimessaggera del 2017 della fusione di stelle di neutroni GW170817 ha vincolato la velocita delle onde gravitazionali rispetto alla luce entro una parte su 10¹⁵.
- Ricerche di Cherenkov nel vuoto: Le osservazioni dei raggi cosmici ad alta energia pongono limiti stringenti sull'esistenza di tachioni carichi. Se esistessero con accoppiamento apprezzabile al campo elettromagnetico, la loro radiazione Cherenkov sarebbe stata rilevata.
- Esperimenti ai collisori: Nessuna firma anomala di energia mancante coerente con la produzione di tachioni e stata osservata al LHC o ai collisori precedenti.
- Campi tachionici nella teoria: Sebbene i campi tachionici (m² < 0) siano essenziali nel Modello Standard (il campo di Higgs prima della rottura della simmetria) e nella teoria delle stringhe (tachioni di stringhe aperte su brane instabili), descrivono instabilita del vuoto, non particelle superluminali rilevabili.
Il panorama teorico e cambiato. La maggior parte dei fisici ora considera i campi tachionici non come fonti di particelle letteralmente superluminali, ma come segnali di instabilita del vuoto che si risolvono attraverso la condensazione. Tuttavia, la questione se il terzo settore cinematico della relativita ristretta sia fisicamente realizzato rimane aperta. Le particelle superluminali non sono logicamente vietate, e l'assenza di prove non e prova di assenza. La ricerca continua attraverso esperimenti di precisione sui neutrini, osservatori di raggi cosmici e lavoro teorico sulla violazione dell'invarianza di Lorentz.