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La varianza quantistica della velocità della luce

A scuola ci insegnano che la velocità della luce è una grandezza fisica costante e, come sappiamo tutti, il suo valore è di quasi 300.000 Km/sec. Lo stesso Einstein fondò i principi della relatività speciale assumendo come postulato fondamentale l’invarianza della velocità della luce. Oggi, però, alcuni fisici teorici stanno studiando la possibilità che questo limite invalicabile possa essere superato come conseguenza della natura quantistica dello spazio vuoto (post).

La definizione della velocità della luce trova diverse applicazioni nel campo dell’astrofisica e della cosmologia perché, di fatto, si assume che la luce abbia una velocità costante nel tempo. Ad esempio, si parla della velocità della luce quando si eseguono le misure della costante di struttura fine che definisce l’intensità della forza elettromagnetica. Dunque, la variazione della velocità della luce potrebbe avere delle implicazioni importanti sui legami molecolari e sulla densità nucleare della materia. Inoltre, il fatto di avere la velocità della luce variabile nel tempo potrebbe incidere sulle stime della dimensione del nostro Universo. Tutto ciò non implica che un giorno potremmo viaggiare con una velocità superiore a quella della luce poiché gli effetti della teoria della relatività speciale sono una conseguenza della stessa velocità della luce. Il problema che si sono posti i teorici è quello di capire se è possibile misurare, in qualche modo, la velocità della luce partendo dalle proprietà quantistiche dello spazio vuoto. Da qui sono partiti due gruppi di ricercatori che nonostante propongano meccanismi differenti, essi arrivano alla stessa conclusione e cioè che la velocità della luce potrebbe non essere costante nel tempo se vengono modificate alcune assunzioni di base relative al modo con cui le particelle elementari interagiscono con la radiazione. In altre parole, si parte dal presupposto secondo cui lo spazio quantistico non è completamente vuoto ma è riempito di una sorta di “zuppa di particelle virtuali” che improvvisamente appaiono e scompaiono in una piccolissima frazione di secondo.

Nel primo articolo, Marcel Urban dell’Université du Paris-Sud analizza la natura dello spazio vuoto. Le leggi della meccanica quantistica, che descrivono il mondo degli atomi e delle particelle subatomiche, affermano che lo spazio vuoto è popolato di particelle fondamentali, come i quark, chiamate particelle virtuali. Queste particelle elusive, che emergono sempre in coppia con le loro antiparticelle, appaiono e scompaiono quasi immediatamente in un continuo processo di annichilazione tra materia e antimateria. Man mano che attraversano lo spazio, i fotoni, che costituiscono la radiazione, vengono catturati e riemessi dalle particelle virtuali. Urban ed il suo gruppo propongono che le energie delle particelle virtuali, più precisamente la quantità di carica che esse trasportano, possono modificare la velocità della luce. Dato che la quantità di energia che ogni particella virtuale possiede quando interagisce con il fotone è sostanzialmente casuale, questo effetto che si ha sul modo con cui i fotoni si muovono può altresì variare. Di conseguenza, il tempo che la luce impiega per attraversare una certa distanza varierà con la radice quadrata della distanza percorsa sebbene l’effetto sia molto piccolo, cioè dell’ordine di 0,005 femtosecondi per ogni metro quadrato di spazio vuoto (1 femtosecondo=1 milionesimo di miliardesimo di secondo). Ora, per osservare questa minuscola fluttuazione, occorre misurare il modo con cui la luce viene dispersa su distanze molto grandi. Alcuni fenomeni astronomici, come ad esempio i gamma-ray burst, producono degli impulsi energetici di radiazione elettromagnetica che arrivano sulla Terra dopo aver viaggiato per alcuni miliardi di anni-luce. Trovandosi ad enormi distanze cosmologiche, questi lampi di raggi-gamma potrebbero essere ottimi laboratori astrofisici per misurare questo piccolissimo intervallo di tempo. Una tecnica alternativa si basa, invece, sull’utilizzo di un fascio laser che rimbalza varie volte su una serie di specchi, ognuno separati da una distanza di circa 100 metri, allo scopo di determinare una impercettibile variazione della velocità della luce.

Nel secondo articolo, gli autori propongono un meccanismo differente che però porta alla stessa conclusione e cioè che la velocità della luce potrebbe variare nel tempo. Gerd Leuchs e Luis Sánchez-Soto del Max Planck Institute for the Physics of Light in Erlangen partono dal presupposto che la luce è caratterizzata da tutto l’insieme delle specie che compongono le particelle elementari. Gli autori calcolano che ci dovrebbero essere almeno 100 “specie” di particelle che possiedono una carica. Ma il modello standard delle particelle elementari ne identifica molto meno: l’elettrone, il muone, il taone, sei tipi di quark, il fotone ed il bosone W. Esiste una grandezza fisica, chiamata impedenza del vuoto, che dipende dalla permittività elettrica del vuoto, cioè dalla capacità di resistere ai campi elettrici, e dalla sua permeabilità magnetica del vuoto, cioè dalla capacità di resistere ai campi magnetici. Sappiamo che le onde luminose sono costituite sia dai campi elettrici che dai campi magnetici, perciò se modifichiamo la permittività e la permeabilità del vuoto dovute alle particelle virtuali, si potrà misurare una variazione della velocità della luce. In questo modello, l’impedenza del vuoto, che dovrebbe accelerare o rallentare la velocità della luce, dipende dalla densità delle particelle virtuali.

I due gruppi affermano entrambi che la luce interagisce con le coppie virtuali particelle-antiparticelle. Ma alcuni scienziati, come il fisico delle particelle Jay Wacker, rimangono scettici. Wacher non è convinto delle tecniche matematiche che sono state utilizzate dai due gruppi, non solo ma crede anche che esse non siano state applicate nel modo adeguato perciò una tecnica migliore potrebbe essere quella che fa uso dei cosiddetti diagrammi di Feynman. In più, se è vero che esistono molte altre particelle rispetto a quelle già note del modello standard allora la teoria necessita seriamente una revisione. Dobbiamo dire, però, che finora le previsioni del modello standard sono state precise, vedasi in particolare con la scoperta del bosone scalare (post). Certamente, questo non vuol dire che non esistono in natura altre particelle ma se ci sono con ogni probabilità si devono trovare a valori più elevati di energia che sono al momento al di fuori dei limiti strumentali raggiunti dagli acceleratori di particelle ed è quindi possibile che i loro effetti si mostrino altrove. Insomma, al momento non ci sono verifiche sperimentali che supportino queste idee che senza dubbio rimangono molto interessanti dato che potrebbero avere delle serie implicazioni sulle attuali teorie fisiche. Sarei stato curioso di sentire il parere di Einstein in merito.

arXiv (1° articolo): The quantum vacuum as the origin of the speed of light 
arXiv (2° articolo): A sum rule for charged elementary particles

Dal pianeta nano Eris probabili indizi sulla gravità quantistica

Alcune recenti osservazioni sul rivale di Plutone, Eris, potrebbero fornirci nuovi indizi per spiegare i due più grandi misteri della moderna cosmologia: la materia scura e l’energia scura. E’ noto che molte galassie possiedono una maggiore attrazione gravitazionale rispetto ad altre galassie e che può essere spiegata solamente tenendo conto di una maggiore distribuzione della massa visibile. Tuttavia, alle galassie supermassicce viene spesso attribuita una ulteriore presenza di materia invisibile, la materia scura, che interagisce con la materia ordinaria attraverso la gravità. Finora, però, nessuno ha mai rivelato direttamente le particelle che compongono questa enigmatica componente che rappresenta il 23% circa del contenuto materia-energia dell’Universo.

In realtà, da una vecchia nozione della fisica potrebbe derivare una spiegazione. Essa afferma che lo spazio vuoto è una sorta di oceano che ha la forma a ‘schiuma’ (post), completamente turbolento e riempito di coppie di particelle virtuali costituite di materia e antimateria e che appaiono e svaniscono istantaneamente in modo tale che risulta impossibile osservarle. Nonostante esse siano molto piccole, cioè entità quantistiche, Dragan Hajdukovic, un fisico teorico del CERN, ritiene che queste particelle virtuali possano avere delle cariche gravitazionali opposte simili alle cariche elettriche. In presenza di un campo gravitazionale, le particelle virtuali dovrebbero generare un campo di forze secondario che, nel caso delle galassie, potrebbe spiegare la discrepanza legata alla massa. Inoltre, l’idea di Hajdukovic spiegherebbe anche l’energia scura, quell’altra componente misteriosa che rappresenta circa il 73% del contenuto materia-energia dell’Universo e che si ritiene sia la causa dell’espansione accelerata dello spazio. Se le particelle virtuali avessero delle cariche gravitazionali, allora anche lo spaziotempo dovrebbe essere permeato di una piccola carica che farebbe allontanare tutte le galassie le une dalle altre. Per verificare come funziona la gravità su scala quantistica, Hajdukovic pensa di prendere in prestito, per così dire, un ‘trucco’ già utilizzato da Albert Einstein. A causa degli effetti gravitazionali presenti nel Sistema Solare, come le reciproche interazioni dovute agli altri pianeti, è noto dalla relatività generale che l’orbita ovale di Mercurio precede, ossia ruota molto lentamente. Einstein dimostrò che è proprio il campo gravitazionale del Sole che crea una curvatura dello spaziotempo influenzando così l’orbita di Mercurio. Secondo Hajdukovic, la gravità quantistica potrebbe determinare una discrepanza simile nelle orbite di corpi celesti più distanti. Ed è qui che interviene Eris e la sua luna Disnomia. L’enorme distanza a cui si trova il pianeta nano rispetto al Sole fa sì che gli effetti della relatività generale siano trascurabili. A queste distanze può essere valida la fisica newtoniana per cui si calcola un tasso di precessione dell’orbita di Disnomia di circa 13 secondi d’arco per secolo. Se, però, esistono gli effetti dovuti alla gravità su scala quantistica, il tasso di precessione dovrebbe essere di circa -190 secondi d’arco per secolo secondo i calcoli di Hajdukovic. Lo scienziato ritiene che per eseguire queste misure si potrebbero utilizzare gli attuali strumenti di osservazione sia da terra che dallo spazio. Dunque, se da un lato Einstein fu fortunato con il vicino pianeta Mercurio, dall’altro si può dire la stessa cosa con Hajdukovic la cui teoria potrebbe essere verificata osservando gli oggetti trans-nettuniani. Naturalmente c’è chi è scettico, come Gary Page della Longwood University in Farmville, Virginia, il quale sebbene non creda che le osservazioni da terra possano essere così sensibili da rivelare l’effetto ammira comunque lo sforzo del collega e il suo tentativo di verificare la validità o meno delle sue idee.

arXiv: Can observations inside the Solar System reveal the gravitational properties of the quantum vacuum?

Una ‘nebbia cosmica’ prodotta dall’antica radiazione stellare

Grazie ad una serie di osservazioni condotte con il telescopio spaziale Fermi Gamma-ray Space Telescope, gli astronomi hanno realizzato una misura alquanto accurata della radiazione stellare di fondo in modo da determinare il contributo della luce dovuta a tutta le stelle presenti nell’Universo, uno degli obiettivi principali della missione.

“La luce ottica e ultravioletta proveniente dalle stelle continua a viaggiare nell’Universo anche quando le stelle terminano la loro fase evolutiva. Ciò crea una radiazione fossile che possiamo esplorare utilizzando i raggi-gamma delle sorgenti distanti” spiega Marco Ajello del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology presso la Stanford University in California e dello Space Sciences Laboratory presso l’University of California a Berkeley. La radiazione stellare totale viene chiamata Extragalactic Background Light (EBL), o radiazione stellare di fondo, e nel dominio dei raggi-gamma appare come una sorta di ‘nebbia cosmica’. I ricercatori hanno analizzato i raggi-gamma di 150 blazar, cioè galassie attive che sono alimentate dall’attività di un buco nero supermassiccio, che hanno energie al di sopra di 3 miliardi di elettronVolt. I raggi-gamma prodotti nei getti relativistici dei blazar viaggiano per miliardi di anni-luce prima di arrivare a Terra. Durante il loro tragitto cosmico, essi passano attraverso una nebbia di luce visibile e ultravioletta emessa dalle stelle che si sono formate nel corso della storia dell’Universo.

Ogni tanto, un raggio-gamma interagisce con questa luce stellare e si trasforma in una coppia di particelle, cioè un elettrone e un positrone. Una volta che si creano le coppie di particelle-antiparticelle, i raggi-gamma si perdono e quindi questo processo di trasformazione attenua il segnale dei raggi-gamma allo stesso modo con cui la nebbia a cui siamo abituati affievolisce le luci cittadine. Ciò ha permesso di determinare l’attenuazione media dei raggi-gamma attraverso tre intervalli di distanza in un periodo compreso tra 9,6 miliardi di anni fa e oggi e quindi di risalire allo spessore della nebbia cosmica. Per tener conto dei dati osservati, si trova che la distanza media tra le stelle è di circa 4,150 anni-luce. Questi risultati, pubblicati su Science, aprono una nuova finestra sulla possibilità di porre limiti più stringenti alle epoche primordiali durante le quali si formavano le stelle e quindi preparare la missione del telescopio spaziale James Webb. Insomma, Fermi ci sta mostrando le ‘ombre’ delle prime stelle laddove James Webb le osserverà direttamente.

[Press release: NASA’s Fermi Measures Cosmic ‘Fog’ Produced by Ancient Starlight]


L’ipotesi delle ‘bolle cosmiche’ secondo George Ellis

Una delle priorità della moderna cosmologia è lo studio dell’energia scura, quella misteriosa forza che sta determinando una espansione accelerata dell’Universo e di cui gli astronomi ignorano ancora la sua natura. Sebbene siano state avanzate varie ipotesi sulla sua origine, di recente il cosmologo George Ellis, dell’Università di Cape Town, ha proposto uno scenario alternativo secondo il quale l’energia scura sarebbe solo un falso effetto dovuto semplicemente alla nostra speciale posizione che occupiamo all’interno di un gigantesco vuoto cosmico, detto anche ‘bolla cosmica’.

Cominciamo prima a vedere le varie ipotesi che sono state avanzate sull’energia scura. La prima risale al 1917 quando Albert Einstein, per evitare il collasso gravitazionale del suo Universo, aveva introdotto nelle equazioni della relatività generale una proprietà dello spazio aggiungendo un termine, chiamato costante cosmologica, che avrebbe stabilizzato l’effetto della gravità mediante l’azione di una forza repulsiva, una sorta di forza antigravitazionale, che agisse su larga scala permeando tutto lo spazio cosmico. Una seconda ipotesi deriva dalla natura quantistica dello spazio quando consideriamo le scale subatomiche. Qui gli effetti quantistici diventano significativi e può succedere che coppie virtuali di particelle-antiparticelle emergano spontaneamente dal vuoto, esistono per un brevissimo intervallo di tempo e poi scompaiono rapidamente. Questo ci dice che lo spazio vuoto non è effettivamente vuoto. Ora, dato che queste particelle virtuali possono riempire lo spazio con una quantità di energia diversa da zero, si è trovato che tutte le misure e le stime della quantità di energia dello spazio vuoto portano a valori decisamente assurdi che vanno da 55 a 120 ordini di grandezza maggiori dell’energia associata a tutta la materia e alla radiazione presenti nell’Universo osservabile. Ciò implica che se l’energia del vuoto avesse realmente quei valori, tutta la materia presente nell’Universo si disperderebbe istantaneamente. Quale effetto avrebbe una tale costante cosmologica? Se veramente il valore della costante cosmologica fosse davvero grande come previsto dalla teoria dei quanti, lo spazio si espanderebbe così rapidamente che la luce dovuta, ad esempio, ai fotoni che provengono dalla mano non raggiungerebbe mai i nostri occhi. Insomma, una accelerazione di proporzioni epiche potrebbe distruggere qualsiasi cosa, dagli atomi alle galassie, e la fine dell’Universo sarebbe quella di un colossale Big Rip. Un terzo aspetto è stato analizzato da Paul Dirac. Egli riteneva che certe quantità fisiche avrebbero potuto variare con il passare del tempo ed essere perciò o troppo grandi o troppo piccole se misurate oggi. La costante cosmologica potrebbe essere un esempio di questa variabilità temporale, in altre parole potrebbe non essere una costante. Per descrivere questa forma di energia variabile nel tempo, Robert CaldwellRahul Dave Paul Steinhardt hanno introdotto il termine quintessenza, ossia “quinto elemento” dall’idea che avevano gli antichi filosofi greci secondo i quali l’Universo era composto da quattro elementi, aria, acqua, terra e fuoco, più una sostanza effimera che impediva alla Luna e ai pianeti di cadere al centro della sfera celeste. Ma per i cosmologi moderni, il termine quintessenza si riferisce ad un campo quantistico dinamico che causa una repulsione gravitazionale. Secondo questa ipotesi, la costante cosmologica evolve nel tempo e si aggiusta, per così dire, fino ad assumere il valore che possiede oggi, determinando una sorta di “stiramento” dello spaziotempo, come quando un elastico viene appunto tirato, e un aumento di volume dello spazio causando una accelerazione all’espansione dell’Universo che prevale quindi a discapito del campo gravitazionale dovuto alla materia. Ma forse l’energia scura non esiste affatto e quello che misuriamo è solo un effetto locale dovuto al fatto che la nostra posizione nella Galassia si trova in una regione particolare dello spazio. E’ ciò che ha proposto George Ellis secondo il quale ci troviamo in una sorta di “bolla cosmica”, ossia un gigantesco vuoto cosmico dove la densità di materia ivi presente è mediamente inferiore rispetto allo spazio circostante. Ora dato che l’Universo si espande in funzione della quantità di materia che, a sua volta, determina un effetto di attrazione gravitazionale frenando l’espansione dello spazio, si ha che più è vuota una regione dello spazio e meno materia esso contiene per rallentare l’espansione. Dunque il tasso di espansione locale dell’Universo diventerà maggiore che altrove e diminuirà in prossimità dei bordi della bolla dove gli effetti della densità di materia diventano più significativi. Quindi, certe regioni dello spazio si espanderanno con velocità diverse così come succede ai palloncini delle feste che non si gonfiano in maniera uniforme. Sebbene questa ipotesi sia alquanto intrigante, tuttavia alcuni scienziati sembrano scettici in merito all’esistenza di giganteschi vuoti cosmici poiché non si spiegherebbe, per esempio, l’uniformità della radiazione cosmica di fondo per non parlare poi della distribuzione apparentemente uniforme delle galassie. Nel primo caso, affinché la radiazione cosmica sia compatibile con la presenza di una regione vuota, dovremmo assumere un vuoto cosmico sferico e con la Terra al suo centro. Nel secondo caso, invece, le osservazioni con gli attuali strumenti non sono abbastanza profonde da confermare, definitivamente o meno, l’esistenza di un vuoto di dimensioni tali da produrre gli effetti attribuiti all’energia scura. Dunque si spera che i prossimi dati del satellite Planck ci forniranno dei limiti più forti sull’anisotropia della radiazione cosmica di fondo che serviranno per verificare l’esistenza di eventuali bolle cosmiche.

Maggiori info: Idee sull’Universo