Perché niente va più veloce della luce?

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Tutti siamo a conoscenza del fatto che nulla riesce a muoversi più veloce della luce, tanto che “andare alla velocità della luce” è persino diventato un modo di dire per intendere uno stato di moto caratterizzato da un’incredibile velocità.

Dal punto di vista fisico questo detto ha senso infatti la luce si muove così veloce che sulle brevi distanze sembra che riesca a raggiungerci istantaneamente, in realtà non è ovviamente così infatti la velocità della luce, per quanto enorme rimane pur sempre caratterizzata da un valore finito, a noi pare istantanea perché è troppo elevata per essere percepita, il che non deve stupirci perché ci sono molte cose che si muovono molto più lentamente della luce ma che sono per noi comunque troppo rapide per essere viste, basti pensare ad un proiettile.

Per comprendere meglio il limite della velocità della luce però è necessario prima sapere cosa sia la luce.

La luce è un’onda elettromagnetica ma bisogna puntualizzare che non si tratta solo di questo, infatti la natura della luce è stata al centro del dibattito della comunità scientifica per molto tempo ed ha portato a delineare un profilo della luce del tutto nuovo: la luce possiede sia una componente ondulatoria, come il suono, sia una componente corpuscolare, come un fascio di elettroni. Tutto ciò era piuttosto insolito e ha sconvolto completamente la fisica del tempo obbligando gli scienziati ad elaborare delle nuove leggi che permettessero di descrivere anche questa nuova teoria.

Analizzando la luce come un’onda è opportuno precisare che non esiste un solo tipo di luce, infatti la tipologia di radiazione luminosa dipende dalla lunghezza d’onda della stessa che le fa assumere colori diversi, il principio dei colori infatti è correlato all’esistenza di questa variabilità di lunghezza d’onda: lunghezze d’onda inferiori rendono la luce di colore tendente al rosso mentre lunghezze d’onda superiori la rendono tendente verso il colore violetto, il colore intermedio è il verde.

Il problema è che non è del tutto corretto parlare di lunghezze d’onda basse o alte associandole a colori che noi riusciamo a vedere perché ci sono una moltitudine di tipologie di luce che il nostro occhio non riesce a percepire. Questi diversi tipi di luce invisibile, aventi tutti una lunghezza d’onda particolare, sono la maggior parte infatti noi siamo capaci di vedere solamente quella luce la cui lunghezza d’onda è compresa tra i quattrocento ed i settecento nanometri, al di sopra di tali valori si parla di luce ultravioletta mentre al di sotto si parla di luce infrarossa. Esempi di luce ultravioletta sono per esempio i raggi x o i raggi gamma mentre esempi di infrarosso sono ad esempio le microonde e le onde radio.

La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia. I fenomeni che più comunemente influenzano o impediscono la trasmissione della luce attraverso la materia sono: l’assorbimento, la diffusione, la riflessione speculare, la rifrazione e la diffrazione. La riflessione diffusa da parte delle superfici, da sola o combinata con l’assorbimento, è il principale meccanismo attraverso il quale gli oggetti si rivelano ai nostri occhi, mentre la diffusione da parte dell’atmosfera è responsabile della luminosità del cielo. Naturalmente non staremo a parlare di ogni fenomeno perché rischieremmo di dilungarci ma non temete perché probabilmente verranno trattati in futuro in un articolo a parte.

Dal punto di vista della teoria corpuscolare invece la luce è composta anche da particelle, i fotoni, i quali hanno massa nulla e non trasportano alcuna carica elettrica. Nel vuoto, i fotoni si propagano sempre alla velocità della luce ed il loro raggio d’azione è pressoché illimitato. Questo significa che un fotone può continuare a viaggiare nello spazio all’infinito, finché non viene assorbito da un’altra particella. Per questo motivo, è possibile tuttora rilevare i fotoni emessi nelle prime fasi di vita dell’universo, che formano la radiazione cosmica di fondo che ci ha permesso di stimare grossolanamente l’età del cosmo.

Ma quindi la velocità della luce quanto vale? Ne avevamo già parlato nell’articolo riguardo alla più antica macchina del tempo, reperibile qui, la luce si muove a trecentomila chilometri al secondo, più velocemente di qualsiasi altro oggetto conosciuto, per rendere l’idea la luce sarebbe in grado di compiere sette volte e mezzo il giro della Terra in un solo secondo e vi assicuro che la Terra è larga, ben quarantamila chilometri e trovate l’articolo dove ne parlo qui.

Ecco quindi arrivati alla domanda che ci siamo posti all’inizio dell’articolo: perché nulla può superare la velocità della luce? Diciamo che è una sorta di “dogma”, in molte dimostrazioni fisiche lo si da per scontato ma in realtà esiste una ragione fisica. Per potervi spiegare la motivazione per la quale è noto che la velocità della luce non può essere superata avrei bisogno di un po’ di matematica complessa, forse troppo, ragion per cui semplificherò il tutto ma così facendo dovrete credere vere alcune cose che vi dirò.

Conoscete tutti la famosa equazione di Einstein, E=mc^2, dove E sta per energia, m sta per massa e c è la lettera utilizzata per indicare il valore della velocità della luce, questa equazione rappresenta il modo matematico di dire che la massa in realtà è una forma di energia. So che per molti può risultare sconvolgente ma vi chiedo di fidarvi, questa è una di quelle formule che non posso dimostrare perché appesantirebbe l’articolo. Le implicazioni di questa equazione sono importantissime per il nostro discorso: essendo la massa una forma di energia è logico che possa essere convertita in un’altra forma di energia, così come è possibile farlo per tutte le altre: l’energia cinetica per esempio può diventare energia potenziale gravitazionale o energia elastica di una molla. Questa “intercambiabilità” tra le varie forme di energia fa si che sia vera anche la conversione opposta: ogni forma di energia può essere convertita in massa.

Ed è qui che arriviamo al nocciolo della questione che se ci pensate, è proprio assurda. Il modo migliore per fare accelerare un corpo è imprimergli una forza, quindi se questo avviene la sua velocità non potrà che aumentare, o almeno così sembra, considerando ciò a cui siamo abituati tutti i giorni. Purtroppo per voi in questo momento ho bisogno di introdurre una seconda formula, davvero complessa stavolta anche da scrivere, ovvero: Ecin = mc2(1/(1-v2/c2)1/2 -1). Questa formula è il riadattamento alla teoria della relatività della formula già esistente che lega energia cinetica e velocità acquisita, non fatevi spaventare dalle potenze e dalle parentesi, ora la spieghiamo subito.

Questa formula non dice altro che questo: a velocità “umane” imprimere una forza ad un corpo aumenta la velocità del corpo che causa un aumento della sua energia cinetica, in più è stato dimostrato che a basse velocità, molto distanti da c, la massa, per quanto sia anch’essa una forma di energia, non varia. Mano a mano che la velocità del corpo sale però l’energia nuova che gli imprimiamo va in piccolissima parte ad aumentare la sua massa e questo avviene in maniera sempre più maggiore tanto è maggiore la velocità. A mano a mano che la velocità tende a c, occorre sempre più energia per aumentarne ulteriormente la velocità, e questo accade perché sempre più energia si trasforma invece in massa.

Riassumendo: tanto più la velocità è bassa tanto più l’energia fornita si trasforma in ulteriore velocità, invece tanto più la velocità è alta e tanto più la velocità tende a non aumentare perché l’energia fornita diventa massa.

A velocità prossime a quelle della luce, per esempio, un uomo di settanta chilogrammi avrebbe una massa di alcune tonnellate e cercare di imprimere ulteriore energia per fargli superare la velocità della luce avrebbe come unico risultato quello di aumentarne ancora la massa, lasciandone la velocità praticamente inalterata.

Per accelerare un oggetto da zero a c sarebbe necessaria un’energia finita per un infinito periodo di tempo, o un’energia infinita per un limitato periodo di tempo.

In entrambi i casi comunque tale esperimento richiederebbe energia infinita, che ahimè sappiamo non esistere, e questo nega definitivamente la possibilità di raggiungere la velocità della luce.

Spero che tu abbia trovato interessante questo articolo! A presto!

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