Nel vuoto, la luce viaggia sempre ad una velocità costante di 299.792.458 metri al secondo. Niente può viaggiare più veloce di questa costante c, come indicato dai fisici. Questi due postulati sono gli elementi di base della fisica moderna e sono stati annunciati per la prima volta più di cento anni fa da Albert Einstein.
Sì, sì, niente può viaggiare più veloce della luce, ma…
Quando la luce viaggia attraverso un mezzo diverso dal vuoto, sarà rallentata. Per esempio, quando la luce si propaga attraverso l’acqua o l’aria, lo farà ad una velocità inferiore. Questo è dovuto al fatto che la luce si disperde sulle molecole che compongono i diversi materiali. I fotoni stessi non rallentano. Ma il loro passaggio attraverso un mezzo comporta l’assorbimento di elettroni e la riemissione. Per alcuni materiali come l’acqua, la luce rallenta più degli elettroni. Così, un elettrone in acqua può viaggiare più veloce della luce in acqua. Ma niente viaggia mai più veloce di c.
In alcuni casi, la luce lenta può produrre alcuni fenomeni fisici molto interessanti. Probabilmente avete sentito parlare del boom sonico. Un “normale” aereo subsonico devierà l’aria in modo uniforme intorno alle sue ali. Un aereo supersonico – il tipo che viaggia più veloce del suono (più di 340 m/s) – si muoverà in realtà molto più velocemente dell’aria che disloca. Il risultato è un improvviso cambiamento di pressione o un’onda d’urto che si propaga dall’aereo in un cono alla velocità del suono.
Dr. Manhattan
La velocità di fase della luce in un mezzo con indice di rifrazione n è v
luce = c/n. L’acqua ha un indice di rifrazione di circa 1,3, quindi la velocità della luce in acqua è notevolmente inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non solo un elettrone può muoversi più velocemente della luce attraverso un mezzo diverso – anche altre particelle. Se una particella carica viaggia più veloce della luce in un mezzo, viene prodotta una debole radiazione. In acqua, per esempio, la particella carica eccita le molecole d’acqua, che poi ritornano al loro stato normale emettendo fotoni di luce blu. La luce si propaga in un cono in avanti rispetto alla regione dove è avvenuta l’interazione, analogamente al boom sonico.
Questo effetto, noto come radiazione Cherenkov, fu osservato come un debole bagliore blu da Pavel Cherenkov nel 1934 quando gli fu chiesto di osservare gli effetti della radioattività nei liquidi. Le persone che lavorano con i reattori nucleari spesso vedono questo bagliore blu rivelatore. Nella cultura popolare, il potente Doctor Manhattan della classica graphic novel “Watchmen” di lan Moore è sempre circondato da un bagliore blu.
Questa discussione porta alla domanda: quanto possiamo rallentare la luce?
Dead stop
Anche se non possiamo mai accelerare o ridurre la velocità della luce, che è sempre una costante, gli scienziati sono riusciti a manipolare il tempo che la luce impiega per viaggiare attraverso vari mezzi. A temperatura ambiente, gli atomi sono incredibilmente veloci e si comportano come palle da biliardo, rimbalzando l’uno sull’altro quando interagiscono. Man mano che si abbassa la temperatura (ricordate che la temperatura riflette l’agitazione atomica), gli atomi e le molecole si muovono più lentamente. Alla fine, una volta che si arriva a circa 0,000001 gradi sopra lo zero assoluto, gli atomi diventano così densamente imballati che si comportano come un super atomo, agendo all’unisono. Questo è il dominio della meccanica quantistica, quindi preparati a un sacco di stranezze.
Questo è in realtà uno stato distinto della materia noto come condensato di Bose-Einstein, che non assomiglia agli stati osservabili quotidiani come liquido, gas, solido o plasma. Il BEC, in breve, è stato previsto per la prima volta negli anni ’20 da Albert Einstein e dal fisico indiano Satyendra Bose e solo nel 1995, molto tardi, gli scienziati sono stati in grado di produrre le condizioni necessarie perché si verificasse questo stato estremo della materia.
Nel 1999, Lene Vestergaard Hau, un professore dell’Università di Harvard, ha puntato un raggio laser attraverso una tale nuvola di atomi di sodio quasi immobili lunghi solo 1/125 di pollice. Per prima cosa, un raggio iniziale noto come raggio di accoppiamento viene fatto brillare sulla nuvola rendendola trasparente. Lo fa con un tasso estremamente veloce del cambiamento dell’indice di rifrazione.
Un secondo raggio laser, l’impulso della sonda, spara attraverso questa nuvola di gas ora trasparente che ha un indice di rifrazione cento trilioni di volte superiore a quello del vetro in fibra ottica. È in queste condizioni che la luce striscia ad una velocità impressionante di 38 miglia all’ora. I cavalli sono più veloci.
Luce fluttuante
Non riposando sugli allori, il professor Hau si è spinto fino all’ultimo punto: fermare la luce sulle sue tracce. Per fermare del tutto la luce, gli scienziati hanno utilizzato un effetto simile ma molto più potente. I ricercatori hanno raffreddato un gas di atomi di sodio intrappolati magneticamente fino a pochi milionesimi di grado dello zero assoluto (-273 gradi C). Il setup sperimentale era molto simile al primo tentativo, solo che questa volta se il team spegneva il laser di accoppiamento mentre il laser della sonda brillava ancora sulla nuvola, l’impulso della sonda si fermava. Se il raggio di accoppiamento viene poi riacceso, l’impulso della sonda emerge intatto, proprio come se stesse aspettando di riprendere il suo viaggio. Sorprendente! Questi risultati sono stati replicati nello stesso anno (2001) dal dottor Ronald Walsworth, dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge.
Da allora, varie pietre miliari sono state impostate. Nel 2013, un team dell’Università tedesca di Darmstadt ha messo la luce in trappola all’interno di una struttura cristallina e l’ha mantenuta tale per un minuto intero. Hanno anche usato la trappola per memorizzare e poi recuperare un’immagine composta da tre strisce. “Abbiamo dimostrato che è possibile imprimere informazioni complesse sul fascio di luce”, ha detto il ricercatore principale George Heinze. Nel 2015, i ricercatori dell’Università di Glasgow hanno trovato un modo per rallentare la velocità della luce che non comporta l’esecuzione attraverso un mezzo. Hanno essenzialmente alterato la sua velocità indirettamente facendo passare la luce attraverso una maschera speciale – un filtro che ha modellato il fascio in un fascio gaussiano o di Bessel.
Dopo che passa attraverso un mezzo, diciamo vetro, acqua o qualsiasi tipo di materiale di cui si può fare un filtro, la luce dovrebbe tornare ad accelerare alla sua costante normale. L’esperimento ha dimostrato che la luce può essere fatta viaggiare più lentamente di c, cambiando la sua forma. Questo era lo 0,001% più lento di quanto avrebbe dovuto. Non così impressionante come mettere i freni alla luce, ma comunque affascinante. Forse la luce è più malleabile di quanto i fisici pensassero in precedenza.
Ci sono, naturalmente, applicazioni pratiche per questi “espedienti”. Queste includono il calcolo quantistico e le applicazioni di comunicazione quantistica. Tuttavia, fare questo tipo di scienza innovativa solo per il gusto di farlo mi sembra altrettanto fantastico.