Ecco perché nulla nell'Universo può andare più veloce della luce

Forse ricorderete di quando nel 2011 i fisici dei laboratori nazionali del Gran Sasso annunciarono la sconcertante scoperta che i neutrini, particelle con massa piccolissima, viaggiano più veloci della luce. La scoperta sconvolse e allarmò la comunità scientifica, e non solo. Se confermata, infatti, avrebbe falsificato un pilastro della fisica moderna, ovvero che niente può andare più veloce della luce. L'allarme rientrò quando si capì che il curioso fenomeno era dovuto ad un malfunzionamento dell'apparato sperimentale. I neutrini non fanno quindi eccezione, e viaggiano ad una velocità inferiore a quella della luce.

Proviamo allora a capire perché questo limite non può essere superato, cominciando con un'analogia. Immaginate di correre, partendo da fermi. Inizialmente aumentare la propria velocità è un gioco da ragazzi. Per arrivare a 5 km/h basta semplicemente camminare. Man mano che la velocità cresce, però, diventa sempre più difficile aumentarla ancora. È necessario un bello sforzo per passare da 20 a 25 km/h (ammesso di arrivarci), molto più di quello necessario per passare da 0 a 5 km/h. Non importa quanto talento, allenamento ed energia ci mettiamo: esiste una velocità limite oltre la quale l'uomo non può correre per via delle caratteristiche strutturali del suo fisico. Un nuovo campione potrebbe superare i 45 km/h toccati da Usain Bolt, ma non raggiungerà mai i 120 km/h del ghepardo.

Allo stesso modo, le caratteristiche strutturali dello spazio tempo impongono un limite alla velocità di un qualunque oggetto nell'Universo. Questo limite è di circa 300 mila km/s, ovvero la velocità della luce nel vuoto, di solito indicata con la lettera "c". Quindi, anche salendo su un aereo o sul più futuristico razzo, non supereremmo mai la velocità "c" e non riusciremmo neanche a raggiungerla. Questa è una conseguenza della teoria della relatività ristretta di Einstein. Essa dice infatti che più un oggetto va veloce, più energia serve per fargli aumentare ancora la velocità. Proprio come quando correndo passiamo da 0 a 5 km/h o da 20 a 25 km/h. Al punto che, affinché questo oggetto raggiunga la velocità della luce, servirebbe una quantità infinita di energia. Inoltre, oggetti più leggeri possono raggiungere più facilmente velocità più elevate. Fino ad arrivare ad una particella con massa zero, il fotone, che è il costituente della luce stessa e viaggia, appunto, a velocità "c".

Ma perché c'è bisogno della relatività ristretta? E perché la luce gioca questo ruolo chiave nelle sue equazioni? La risposta sta in una delle principali motivazioni che portò Einstein a formulare, nel 1905, la sua teoria. Qualche anno prima, infatti, Michelson e Morley in Ohio portarono a termine un esperimento sui fasci di luce dal risultato sorprendente. Se Bolt e un ghepardo si corressero incontro, ognuno vedrebbe l'altro avvicinarsi ad una velocità relativa data dalla somma delle loro velocità: 45+120=165 km/h. L’esperimento mostrò che se a scontrarsi sono invece due fasci di luce, l'impatto non avviene a velocità c+c=2c, ma sempre a c! Per poter spiegare questo controintuitivo fatto sperimentale, Einstein riscrisse le leggi del moto dando vita alla relatività ristretta. In questa teoria le velocità di due oggetti che si vengono incontro non si sommano più secondo le classiche regole dell'addizione, ma seguono una formula più complicata, che trovate in immagine (clicca qui), nella quale entra in gioco proprio c.

Per Bolt e il ghepardo, così come per tutte le velocità di cui facciamo esperienza nella vita quotidiana, la differenza rispetto alla classica addizione è impercettibile. Ma l’effetto diventa molto importante negli esperimenti con particelle velocissime come per esempio quelle accelerate nei laboratori del CERN di Ginevra. Provate a sostituire v_1 = c e v_2 = c nella formula: quanto risulta essere la velocità relativa? Si, esatto, due fasci di luce si scontrano a velocità relativa c, e non 2c.

Ma cosa accadrebbe se, per assurdo, la velocità limite potesse essere superata? Allora diverrebbero possibili eventi paradossali, si potrebbe invertire lo scorrere del tempo e potremmo percepire gli effetti prima delle loro cause. Ma questa è, fino a prova contraria, solo fantascienza.

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