7 Giugno 2000 - Pił veloci della luce

L'astrofilo Andrea Fabrello ha postato sulla Mailing List G.A.B. la traduzione integrale dell'articolo di James Glanz
pubblicato sul New York Times del 30 maggio 2000 (articolo originale gentilmente fornito da Roberto Labanti). Vista la straordinaria importanza dell'evento, ve lo riproduciamo in toto: "La luce oltrepassa la sua stessa velocita' limite, oppure no? - La velocita' con la quale la luce attraversa il vuoto, circa 186.000 miglia per secondo, e' venerata in fisica come un limite di velocita' universale. Niente puo' viaggiare piu' veloce della luce, in accordo con i libri di testo basilari. Se cosi' non fosse la teoria della relativita' di Einstein si sgretolerebbe e la fisica teorica cadrebbe in gravi contraddizioni. Due nuovi esperimenti hanno dimostrato quanto sia sbagliato questo confortevole giudizio. Secondo i fisici la teoria di Einstein sopravvive, ma i risultati degli esperimenti sono cosi' deformanti e bizzarri che le persone facilmente irritabili farebbero meglio a non leggere oltre questo punto. Nel piu' eclatante dei nuovi esperimenti un impulso di luce che entra in una camera trasparente riempita con gas cesio appositamente preparato viene spinto alla velocita' di 300 volte la normale velocita' della luce. Cosi' veloce che, in queste particolari circostanze, la parte principale dell'impulso esce dalla parte finale della camera perfino prima di entrare dalla parte iniziale. E' come se qualcuno che guardasse dalla finestra di casa si ritrovasse ad osservare un passante che attraversa la strada scivolare e cadere su del ghiaccio ben prima che gli stessi testimoni sul marciapiede osservino la disavventura -- una anteprima del futuro. Ma la teoria di Einstein, e almeno un filo di buonsenso, sembrano sopravvivere visto che l'effetto non puo' mai essere usato per inviare segnali all'indietro nel tempo e per cambiare il passato -- prevenire l'incidente nell'esempio. Una relazione sull'esperimento, fatta da Lijun Wang del NEC Research Institute di Princeton, N.J., e' stata presentata a Nature ed e' attualmente sottoposta ad una attenta recensione. Essa rappresenta solo l'esempio piu' spettacolare tra i lavori fatti da un ampio gruppo di ricercatori che recentemente hanno prodotto velocita' di propagazione superluminali in vari materiali, nella speranza di trovare un varco nella teoria di Einstein e di usare l'effetto in applicazioni pratiche come la velocizzazione dei circuiti elettrici. "Appare come un meraviglioso esperimento", dice Raymond Chiao, professore di fisica alla University of California in Berkeley, che, come molti fisici nella ristretta comunita' dei ricercatori in ottica, e' bene informato dei lavori del Dott. Wang.
Il Dott. Chiao, le cui ricerche hanno gettato alcune basi per l'esperimento, aggiunge che "ci sono state molte controversie" riguardanti la possibilita' che tali risultati possano implicare l'invio di effettiva informazione -- come le notizie di una imminente disgrazia -- ad una velocita' superiore a quella della luce. In ogni caso il Dott. Chiao e la maggior parte degli altri fisici concordano che questo non sia possibile. Sebbene si rifiuti di fornire dettagli della sua relazione perche' ancora sotto esame il Dott. Wang afferma che "I nostri impulsi di luce possono effettivamente essere spinti ad una velocita' superiore a c ( la velocita' della luce, N.d.T. ). Questa e' una speciale proprieta' della luce stessa, che e' differente da un oggetto comune come un mattone" dal momento che la luce e' un'onda priva di massa. Un mattone non puo' viaggiare ad una simile velocita' senza creare gravi problemi per la fisica, se non a tutta l'umanita'.
Una relazione sul secondo esperimento, di Daniela Mugnai, Anedio Ranfagni e Rocco Ruggeri del CNR descrive quello che appare come una propagazione di microonde attraverso l'aria ad una velocita' leggermente superiore a c, ed e' stata pubblicata nel Physical Review Letters datato 22 maggio. Il tipo di camera usata nell'esperimento del Dott. Wang serve normalmente per amplificare onde di luce laser, non per aumentare la loro velocita', afferma Aephraim M. Steinberg, un fisico della University of Toronto. Nel funzionamento ordinario un raggio di luce viene irradiato nella camera, eccitando gli atomi di cesio, quindi un secondo raggio passa attraverso la camera stessa e assorbe una parte di questa energia, amplificandosi nel passaggio. Ma l'amplificazione avviene solo se il secondo raggio e' sintonizzato su una precisa lunghezza d'onda, dice il Dott. Steinberg. Scegliendo intelligentemente una lunghezza d'onda leggermente diversa il Dott. Wang induce il cesio ad una velocizzazione dell'impulso luminoso senza distorcerlo in alcun modo. "Se si osserva l'impulso totale che esce dalla camera si nota che esso in realta' non viene amplificato" afferma ancora il Dott. Steinberg. Esiste una ulteriore anomalia nell'esperimento, dal momento che solo un tipo particolarmente strano di onde possono propagarsi attraverso il cesio. I segnali di onde luminose, consistenti in pacchetti d'onde, in realta' hanno due velocita' fondamentali: la velocita' dei singoli picchi ed avvallamenti delle onde di luce e la velocita' dell'impulso o pacchetto entro cui essi stessi sono raggruppati. Un impulso puo' contenere miliardi di minuscoli picchi e avvallamenti. In aria le due velocita' sono le stesse, ma nel cesio eccitato esse sono non solo differenti, ma gli impulsi e le onde di cui essi sono composti possono viaggiare in direzioni opposte, come un segmento di traffico congestionato su una autostrada, che si puo' propagare all'indietro da una cabina di pedaggio appena inizia l'ora di punta, sebbene tutte le auto si muovano in avanti. Questi cosiddetti "backward modes" non sono nuovi in se stessi, sono stati misurati ripetutamente in altri mezzi come plasma o gas ionizzati. Ma nell'esperimento con il cesio il risultato e' particolarmente strano visto che le onde di luce che si propagano all'indietro possono, in effetti, prendere in prestito energia dagli atomi di cesio eccitati prima di restituirla poco tempo dopo. Il risultato complessivo e' una onda uscente esattamente identica in forma ed intensita' all'onda entrante; l'onda uscente semplicemente parte in anticipo, addirittura prima che il picco dell'onda entrante arrivi. Come la maggior parte dei fisici interpreta l'esperimento, si tratta di un precursore a bassa intensita' (a volte detto coda, perfino quando lo stesso arriva per primo ) dell'onda entrante che informa la camera di cesio dell'imminente arrivo di un impulso. In un processo i cui dettagli sono scarsamente compresi, ma il cui effetto e' evidente nell'esperimento del Dott. Wang, la camera di cesio ricostruisce l'intero impulso unicamente dall'informazione contenuta nella forma e dimensione della coda, ed emette l'impulso in anticipo. Se il lato della camera rivolto verso l'onda entrante e' detto lato vicino e l'altro e' il lato lontano, la sequenza di eventi e' in qualche modo la seguente. L'onda entrante, la sua coda che si estende davanti all'onda stessa, si avvicinano alla camera. Prima che il picco dell'onda entrante arrivi al lato vicino, un impulso completo viene emesso dal lato lontano, assieme ad un'onda inversa e sempre dentro la camera, che si muove dal lato lontano a quello vicino. L'onda inversa, che viaggia a 300 volte la velocita' della luce, arriva al lato vicino della camera giusto in tempo per incontrare l'onda entrante. I picchi della prima onda si sovrappongono agli avvallamenti della seconda, cosi' che si verifica una reciproca cancellazione e nulla rimane. Quello che realmente accade e' che l'onda entrante ha "rimborsato" gli atomi di cesio che hanno prestato energia dalla parte opposta della camera. Uno che si ritrovasse ad osservare solo l'inizio e la fine dell'esperimento vedrebbe unicamente un impulso di luce saltare, in qualche modo, in avanti nel tempo muovendosi piu' veloce di c. "L'effetto e' veramente sensazionale" dice il Dott. Steinberg. "Come prima dimostrazione penso sia magnifico." Nell'esperimento del Dott. Wang l'impulso uscente ha gia' viaggiato per circa 60 piedi fuori dalla camera prima che l'impulso entrante abbia raggiunto il lato vicino della camera stessa. Questa distanza corrisponde a 60 miliardesimi di secondo/luce. In realta' questo non consente a nessuno l'invio di informazioni ad una velocita' superiore a c, afferma Peter W. Milonni, fisico presso il Los Alamos National Laboratory. Mentre il picco dell'impulso e' stato spinto in avanti a questa distanza una estremita' anticipatrice ( "naso" nel testo originale, N.d.T. ) o precursore debole dell'impulso ha probabilmente fornito al cesio un indizio dell'arrivo dell'impulso stesso. "L'informazione e' gia' sul margine direzionale dell'impulso" dice il Dott. Milonni. "E' possibile avere l'impressione di inviare informazione a velocita' superluminale perfino se non si invia affatto informazione." La camera di cesio ha ricostruito l'intera forma dell'impulso, usando solo la forma del precursore. Per la maggior parte dei fisici nessun principio fondamentale e' stato invalidato dai nuovi lavori. Non tutti i fisici, tuttavia, concordano che la questione sia stata risolta. "Questo problema e' ancora aperto" dice il Dott. Ranfagni del gruppo Italiano, che ha usato un ingegnoso insieme di ottiche riflettenti per creare impulsi di microonde che sembrano viaggiare almeno il 25% piu' veloci di c su brevi distanze. Almeno un fisico, il Dott. Guenter Nimtz dell'Universita' di Colonia, e' dell'opinione che in un certo numero di esperimenti, incluso quello del gruppo Italiano, si sia di fatto inviata informazione ad una velocita' superluminale. Ma neanche il Dott. Nimtz crede che questo trucco permetta di viaggiare a ritroso nel tempo. Dice, in essenza, che il tempo usato per leggere qualunque informazione in arrivo andra' a sprecare ogni vantaggio temporale, rendendo impossibile mandare segnali all'indietro nel tempo e cambiare eventi nel passato. Il Dott. Steinberg afferma che, comunque finisca il dibattito, le tecniche strettamente legate al lavoro del Dott. Wang potranno un giorno essere usate per velocizzare segnali che normalmente vengono rallentati durante il passaggio nei materiali ordinari che compongono i circuiti. Una versione miniaturizzata del dispositivo del Dott. Wang "e' esattamente il tipo di sistema che si vorrebbe per una simile applicazione" dice il Dott. Steinberg. Tristemente per quelli che amerebbero vedere un microchip senza limiti di velocita' risulta che il trucco puo' aiutare i segnali a viaggiare ad una velocita' piu' prossima a c, ma non oltre".
Traduzione di Andrea Fabrello, cui va un caloroso ringraziamento dalla redazione de La Rete.

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