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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

L’Universo, il cervello umano e internet: esistono delle similitudini?

Secondo uno studio recente pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Scientific Reports, la struttura dell’Universo e le sue leggi fisiche che lo governano potrebbero essere molto simili a quelle del nostro cervello e a quelle che caratterizzano internet o i social network.

“Certamente non stiamo affermando che l’intero Universo è una sorta di gigantesco cervello o computer” spiega Dmitri Krioukov del Cooperative Association for Internet Data Analysis (CAIDA), presso il San Diego Supercomputer Center (SDSC) dell’Università della California a San Diego. “Tuttavia, la recente scoperta sul fatto che esiste una forte equivalenza tra la struttura dell’Universo e le reti complesse, come internet o i social network, suggerisce sorprendentemente che possano esistere leggi fisiche simili che governano i processi dinamici di questi sistemi molto complessi”. Le similitudini al livello strutturale e dinamico che sono alla base di reti molto diverse tra loro sembrano indicare che esistono delle leggi universali anche se ci sfugge al momento quale possa essere la loro origine e natura. Oggi, grazie ad una serie di complicate simulazioni numeriche, un gruppo di ricercatori hanno dimostrato che la rete cosmica, che rappresenta la struttura su larga scala dell’Universo e che evolve man mano che lo spazio si espande accelerando, mostra delle forti somiglianze rispetto ai network più complessi, come internet, appunto, o addirittura i sistemi biologici. “Questi risultati hanno implicazioni fondamentali sia per i network scientifici ma anche per la cosmologia in generale” commenta Krioukov. “Abbiamo scoperto che l’evoluzione dinamica su larga scala relativa alle reti più complesse e alle reti casuali diventano asintoticamente simili e questo dimostra la somiglianza che esiste tra queste reti”. Insomma, chi l’avrebbe mai detto che l’evoluzione dello spaziotempo quadridimensionale dal vuoto quantistico avesse a che fare con la struttura di internet? Ora, se immaginiamo per un attimo la struttura dell’Universo, essa ci appare astronomicamente grande, se non addirittura infinita. Ma anche se fosse finita, si calcola che essa non sia più piccola di 10250 atomi di spazio e tempo, cioè 1 seguito da 250 zeri! Per fare un confronto, si stima che il numero delle molecole dell’acqua presenti negli oceani di tutto il mondo sia almeno di 4,4 X 1046. Per lavorare a questa struttura immane, i ricercatori hanno trovato un modo per scalare le sue dimensioni, mantenendo comunque inalterate le proprietà fisiche e dimostrando matematicamente che queste proprietà non dipendono dalle dimensioni della struttura scelta in un determinato intervallo di parametri, come la curvatura e l’età dell’Universo. Una volta ottenute le dimensioni scalate, i ricercatori hanno realizzato una serie di simulazioni della struttura casuale dell’Universo utilizzando Trestles, uno dei super computer più potenti del SDSC. Dopo aver ottimizzato l’applicazione, Robert Sinkovits è stato in grado di completare il calcolo numerico in appena più di un giorno rispetto al tempo di calcolo previsto originariamente dal progetto e cioè tre o quattro anni. Non solo, ma i risultati sono stati in perfetto accordo con la teoria. Ora, però, ci si chiede se questa equivalenza asintotica possa essere frutto di una coincidenza o meno. “Potrebbe essere”, dice Krioukov, “ma la probabilità che esista una tale coincidenza è estremamente bassa. In fisica, le coincidenze sono estremamente rare e non succedono quasi mai. C’è sempre una spiegazione che non potrebbe essere ovvia al momento”. Forse, questa spiegazione potrebbe un giorno portare alla scoperta di leggi fondamentali comuni e universali di cui due diverse conseguenze sono le leggi della gravità, che descrivono la struttura su larga scala dell’Universo, e leggi ancora sconosciute che descrivono, invece, i processi dinamici dei sistemi complessi.

Science article: Network Cosmology

È necessario che il tempo sia la quarta dimensione dello spazio?

Prima di Einstein e poi dell’invenzione della fisica moderna, molti filosofi hanno discusso a lungo sulla natura del tempo. Più di un secolo dopo Einstein, oggi sappiamo che l’idea base è quella secondo cui il tempo costituisce una sorta di quarta dimensione dello spazio, una struttura che viene rappresentata matematicamente dal cosiddetto spaziotempo quadridimensionale di Minkowski.

Nonostante ciò, alcuni teorici come Amrit Sorli e Davide Fiscaletti, fondatori del Space Life Institute in Slovenia, suggeriscono che il tempo esiste indipendentemente dallo spazio. Nel loro ultimo articolo, i due scienziati dimostrano come due fenomeni della relatività speciale, la dilatazione dei tempi e la contrazione delle lunghezze, possano essere meglio descritti nel contesto di una struttura tridimensionale dello spazio in cui il tempo è una quantità che viene utilizzata per misurare semplicemente una variazione, ad esempio il moto del fotone, in questo spazio 3D. Questa idea, che è in accordo con la visione del tempo di Gödel, implica che il tempo non rappresenta più una dimensione fisica dello spazio attraverso il quale si potrebbe addirittura viaggiare nel passato o nel futuro. Altri ricercatori hanno comunque studiato la possibilità di eliminare il concetto dello spaziotempo in modo da considerare sia lo spazio che il tempo come due entità separate. Anche se questa idea viene meglio espressa se viene introdotto il concetto di etere, cioè un mezzo fisico che permea tutto lo spazio, Sorli e Fiscaletti ritengono invece che questa idea possa essere meglio rappresentata e descritta in termini di un vuoto quantistico tridimensionale. In altre parole, anziché considerare lo spazio come un mezzo che trasporta la luce, la propagazione della radiazione viene regolata, per così dire, dalle proprietà elettromagnetiche, cioè la permeabilità e la permittività, del vuoto quantistico. “Stiamo sviluppando un modello matematico in cui la gravità è il risultato della diminuzione della densità di energia del vuoto quantistico tridimensionale causata dalla presenza di un oggetto di massa stellare o materiale” spiega Sorli. “La massa inerziale e quella gravitazionale hanno la stessa origine, cioè la variazione della densità di energia del vuoto quantistico. Inoltre questo modello permette di derivare esattamente la precessione del perielio di Mercurio, una conseguenza della relatività generale” conclude Sorli.

[Abstract: Special theory of relativity in a three-dimensional Euclidean space]