Più veloce della luce? A volte accade...

Superare la velocità della luce. 

La velocità della luce è la velocità limite. Nessuna informazione può propagarsi più velocemente. E' una cosa che sappiamo dai libri di scuola, e che è supportata da un'infinità di prove sperimentali, nonostante certi non se ne facciano una ragione, e ogni tanto qualcuno affermi di aver trovato il modo di aggirare questa decisione della natura.

Tuttavia in certi casi è effettivamente possibile superare la velocità della luce.

Prima che ai Talebani della divulgazione scientifica venga un ictus, specifico subito che questo è possibile in quelle situazioni in cui la luce è obbligata ad andare più lenta che nel vuoto. Nel vuoto non la batte nessuno, e il famoso c (299 792 458 m/s) è effettivamente una velocità non raggiungibile da alcun corpo dotato di massa a riposo diversa da zero.

Però se non si è nel vuoto le cose cambiano. Se è costretta a propagarsi in un mezzo diverso dal vuoto, ad esempio attraverso un pezzo di vetro o nell'acqua, la luce è costretta ad interagire con gli atomi che compongono il mezzo in cui cerca di propagarsi. Il motivo è che i fotoni, che costituiscono un fascio di luce, sono particelle che "sentono" le cariche elettriche presenti nella materia, negli atomi e nelle molecole, e questa loro caratteristica li obbliga a prestare attenzione alla presenza degli atomi e delle molecole lungo il loro passaggio all'interno della materia.

Il risultato è che la propagazione di un raggio di luce all'interno di un materiale è in realtà un continuo susseguirsi di interazioni dei fotoni con gli atomi del materiale stesso. Interazioni in cui i fotoni vengono continuamente assorbiti e riemessi, diffusi e deviati. Tutto questo fa perdere loro tempo rispetto a quello che farebbero se fossero nel vuoto, senza atomi rompiscatole in giro.

Il risultato è quindi che la luce, quando attraversa un mezzo diverso dal vuoto, va un po' più piano rispetto al valore di c, la velocità della luce nel vuoto. Di quanto va più piano - a questo punto è facile intuirlo - dipende dalla densità e dalla composizione del mezzo.

Ad esempio nell'aria la luce va più lenta che nel vuoto solo dello 0.03%, veramente una sciocchezza. Però le cose cambiano in altri mezzi di propagazione più densi. Nell'acqua, ad esempio, la luce va il 30% più lenta che nel vuoto, mentre nel vetro la sua velocità diminuisce del 50-60%. Nel diamante è addirittura quasi 2 volte e mezzo più lenta. Il diamante, sebbene trasparente, è un potentissimo rallentatore della luce!

Questa capacità dei materiali di rallentare la propagazione della luce si definisce tramite l'indice di rifrazione. L'indice di rifrazione di un materiale è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto rispetto alla velocità in quel materiale. 

L'indice di rifrazione può dipendere in generale anche dalla frequenza della luce stessa. Questo si traduce in un fenomeno che si chiama dispersione, cioè il fatto che un raggio di luce bianco (se consideriamo la luce visibile), nell'attraversare un mezzo, viene rifratto e si sparpaglia a seconda delle sue frequenze (i suoi colori), che viaggiano all'interno del materiale a velocità diverse. Il famoso prisma di The Dark Side of the Moon è il risultato di questa proprietà dell luce.

Tutto questo preambolo è per dire che in certe situazioni è quindi possibile rallentare la luce, mandandola attraverso un mezzo diverso dal vuoto. E in queste situazioni può accadere che una particella, nello stesso mezzo in cui la luce viaggia rallentata, possa muoversi a velocità superiori a quella della luce in quel mezzo.

Questo può accadere con particelle subatomiche di energie sufficientemente alte. In queste situazioni, all'interno di un mezzo diverso dal vuoto, queste particelle possono andare più veloce della luce in quel mezzo. 

Quando questo accade si verifica un fenomeno particolare, che si chiama effetto Cerenkov, in onore del fisico russo (sovietico) Pavel Alekseevic Cerenkov, premio Nobel nel 1958 per i suoi studi su questo fenomeno. 

In pratica una particella carica che si muove in un mezzo, mettiamo un elettrone in acqua, influenza con la sua carica elettrica gli atomi del mezzo, polarizzandoli lungo il suo passaggio, ovvero creando tanti piccoli momenti di dipolo.

Se la particella si muovesse più lentamente della luce in quel mezzo, il suo campo elettromagnetico (che si propaga alla velocità della luce) circonderebbe la particella stessa in tutte le direzioni, provocando oscillazioni dei dipoli elettrici indotti come se fossero delle molle oscillanti. Se invece la particella viaggia più veloce della luce nel mezzo, e quindi anche più veloce del campo elettromagnetico prodotto dalla particella stessa in moto, il suo campo raggiungerà gli atomi del materiale simultaneamente lungo un unico fronte d'onda, e i dipoli che si producono lungo tutto il percorso della particella si rilasseranno quindi tutti coerentemente, e la luce che emetteranno si sommerà in un fronte d'onda unico. Maggiori dettagli si possono trovare qui.

Il risultato è un fronte d'onda conico, del tutto simile a quello che si produce quando un aereo supera la velocità del suono nell'aria, che è il mezzo in cui si muove, sebbene nel caso dell'aereo la causa non è la polarizzazione del mezzo dovuta al campo elettromagnetico, ma la compressione dell'aria. Anche in quel caso, tuttavia, il fronte dell'aria compressa si traduce in un cono che si muove attorno all'aereo, e che assume la forma tipica come nella fotografia qua sotto.

L'onda d'urto a forma di cono prodotta da un aereo quando supera la velocità del suono.

L'apertura del cono di luce Cerenkov dipende della velocità della particella nel mezzo, e può essere utilizzato per determinarne il suo valore negli esperimenti di fisica delle particelle. Nella pratica i rivelatori Cerenkov sono da anni utilizzati per l'identificazione delle particelle negli esperimenti con gli acceleratori o con i raggi cosmici.

La luce Cerenkov può essere facilmente osservata in particolari condizioni. Ad esempio essa è emessa in abbondanza nell'acqua di raffreddamento dei reattori nucleari. Gli elettroni emessi dal materiale radioattivo del reattore, infatti, quando si trovano ad attraversare il contenitore di acqua, viaggiano più veloce della luce al suo interno. Il risultato è che il reattore brilla di luce azzurra prodotta dall'effetto Cerenkov, come nella foto qua sotto.

La luce Cerenkov prodotta dagli elettroni emessi da un reattore nucleare al loro passaggio nell'acqua di raffreddamento del reattore.

Anche le particelle dei raggi cosmici che provengono dallo spazio possono emettere luce Cerenkov quando attraversano l'atmosfera terrestre. Infatti, sebbene la luce in aria viaggi quasi alla velocità massima possibile (solo lo 0,02% in meno), certi raggi cosmici hanno un'energia così elevata da poter andare più veloci della luce nell'atmosfera. Non arriveranno mai alla velocità della luce nel vuoto, ma possono superare quella della luce nell'atmosfera. Il risultato è che quando interagiranno con i nuclei degli atomi che la compongono, daranno origine a particelle secondarie che a loro volta viaggeranno a velocità prossime a quelle della luce, e comunque superiore alla velocità della luce nell'atmosfera.

Il risultato anche in questo caso è un cono di luce Cerenkov emesso lungo la loro traiettoria. Questa luce può essere rivelata da appositi "telescopi Cerenkov", strumenti posti tipicamente in alta quota, dove l'aria è pulita e priva di smog, in luoghi lontani da luci estranee. Un esempio sono i due telescopi Cerenkov di 17 metri di diametro dell'esperimento MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov), localizzati all' isola di Las Palmas, alle isole Canarie, per lo studio dei raggi cosmici. Oppure, nel futuro, il progetto Cerenkov Telescope Array (fonte), un insieme di più di 100 telescopi Cerenkov sparsi per il mondo per studiare l'universo.