Un vuoto molto affollato

Definiamo due grandezze fisiche poco conosciute (forse) ma fondamentali nella fisica applicata: la permeabilità magnetica e la permittività elettrica. La prima (indicata solitamente con μ), esprime la capacità di una sostanza a lasciarsi magnetizzare; la seconda (indicata con ε) ci dice come si comporta un materiale che non conduce l’elettricità immerso in un campo elettrico. Queste due grandezze sono proprietà elettromagnetiche del mezzo che si considera. La velocità della luce è necessariamente legata ad esse in modo molto semplice:

c = 1/( μ ε)^1/2

Questa formula ci dice già una cosa molto importante a cui si pensa poco: se cambiano le proprietà del mezzo, cambia anche la velocità della luce, nel senso che al crescere delle grandezze prima definite la luce rallenta, sia essa rappresentata da fotoni o da onde.

La velocità della luce diventa una vera costante quando si è nel vuoto e si raggiungono dei valori limite delle due grandezze precedenti, ossia vale la relazione:

c₀ = 1/( μ₀ ε₀)^1/2

Direi una formula di una banalità estrema. Dato che le grandezze nel vuoto non cambiano, non cambia nemmeno la velocità della luce. Volendo, la formula ci dice anche perché la velocità non è infinita…

Per la teoria della relatività, nessuna particella può viaggiare a una velocità  superiore a quella della luce nel vuoto c₀. In un mezzo diverso, però, la velocità di propagazione della luce risulta più bassa di quella che raggiunge nel vuoto. Può anche succedere che, in un certo mezzo, la luce riesca ad andare più veloce di quello che dovrebbe, ma rimarrebbe, comunque, sempre  al di sotto della velocità nel vuoto. Ho voluto scriverlo, dato che questa situazione ha, a volte, fatto pensare a materiali in cui la luce può superare i limiti della relatività. Come vedete, NON è così.

Tuttavia, come già spiegato bene da Red parlando di Davide e Golia (QUI), il vuoto è tutt’altro che vuoto ed è capace di creare e di distruggere particelle ad ogni istante, violando perfino la conservazione dell’energia.

Ed ecco, allora, la nuova scoperta teorica. E’ stato dimostrato che anche μ₀ e ε₀ possono variare nel vuoto, proprio perché sono legate all’apparire e allo scomparire di particelle più o meno effimere, le stesse, in fondo, che riescono a “scaricare” un buco nero. Ammessa questa situazione, ne deriva che il povero fotone che si trova ad attraversare il vuoto è costretto a subire continui ostacoli imprevisti. In parole “più difficili”, la sua velocità è capace di fluttuare su scale più grandi di quella di Planck, una specie di limite per la fisica quantistica. In parole più povere: sotto quella scala le variazioni non sono misurabili e quindi possono essere considerate nulle. Sopra, invece, possono essere individuate dagli strumenti sempre più sofisticati. Se il fotone oscilla su scala maggiore vuol dire che potremmo accorgerci che la luce non è più una costante nemmeno nel vuoto.

Rivoltando il problema: se ci accorgessimo osservativamente che la luce non è costante, attraverso esperimenti di laboratorio, capiremmo molto meglio la composizione del vuoto.

Nello stesso tempo, un altro studio teorico ha ipotizzato che l’impedenza dello spazio vuoto (la difficoltà a propagarsi) può riflettersi sul moto della luce e di conseguenza dare indicazioni sulle particelle che nascono e muoiono nel vuoto. Due ricerche che attraverso esperimenti diretti potrebbero farci leggere molto meglio la composizione e il comportamento del vuoto.

Insomma, il vuoto è tutto meno che una cosa semplice e intuitiva. Quando lo si osserva a livello quantistico è ben lontano dall’essere vuoto. Anzi, è sempre affollato di personaggi che nascono e spariscono immediatamente. Essi sono, come ormai sapete, amici-nemici, come quark e antiquark, o elettroni e positroni. D’accordo, sono particelle effimere, paragonabili a fantasmi che si vedono e non si vedono, ma al contrario di questi ultimi sono estremamente reali e lasciano un segno su tutto ciò che vorrebbe attraversare il vuoto, compresi i fotoni. La nuova teoria è riuscita a legare l’apparizione e la sparizione di queste particelle “concrete” alle caratteristiche del vuoto come le supposte costanti permeabilità e permettività. Variando queste, varia di conseguenza la velocità della luce. Ho ovviamente semplificato enormemente una trattazione non certo così banale e intuitiva. Tuttavia, chi vuole scendere nei dettagli può andare direttamente ai lavori originari (a pagamento… però…) QUI e QUI.

Le oscillazioni della propagazione del fotone non sono certo molto grandi. Esse avvengono in tempi dell’ordine dell’attosecondo. Non spaventatevi, non vuole dire che siamo a teatro… esso significa solo 10^-18 secondi. Veramente un’inezia, che però non è  un tabù per le strumentazioni più sofisticate. Insomma, l’osservazione della non costanza della luce darebbe informazioni enormi sulla composizione del vuoto, sulle sue particelle effimere, sulle cariche elettriche e su mille altre cose che affollano ciò che una volta sembrava  proprio vuoto…

Che dirvi: non si può stare tranquilli nemmeno nel VUOTO!