0197. A quale famiglia di sub-particelle appartengono i tachioni?

Ho appena finito di leggere un libro divulgativo sul modello standard e mi sono imbattuto sui tachioni. Vorrei sapere a quale famiglia di sub-particelle appartengono e quali sono le loro caratteristiche? (massa, spin,carica.). Possono essere messaggeri dal futuro? Non credo siano stati trovati, diversamente se ne parlerebbe molto di più, ma si fanno ricerche sperimentali sui tachioni? Con quali apparati? Capisco anche che l'idea nasce da una possibile soluzione matematica di una qualche equazione...ma non sempre tutto va come nel caso dell'antimateria. In fondo come diceva Wigner -mi pare- è assolutamente "irragionevole" la capacità che la matematica ha di predire la realtà. Dunque perchè credere che esistano se non li abbiamo trovati? (Marco Sastri)

Il valore attuale della velocità c della luce nel vuoto è di 299792,458 km/s (un valore oramai fisso, dato che discende direttamente dalla nuova definizione di metro: semmai in futuro sarà la lunghezza del metro a variare leggermente all'aumentare della raffinatezza delle misure sperimentali). La velocità c della luce è nota quindi oggi con la precisione di circa 1 metro al secondo [111]. Variando le unità di misura, varia ovviamente il suo valore numerico.

In fisica il ruolo fondamentale della velocità c è dato dal fatto che essa è invariante , ovvero che essa è la medesima per noi e per tutti gli osservatori inerziali, sia che essi corrano incontro alla luce, sia che da essa fuggano in direzione opposta. Dai postulati della Relatività Speciale segue che esiste una e una sola velocità invariante! Quindi può esistere una sola velocità con le proprietà della luce e questa velocità è quella c [66] , già nota.

Ciò non toglie che le equazioni d'onda, e in particolare le equazioni dell'elettromagnetismo, ammettano come soluzioni "gruppi d'onda" con velocità [di gruppo] v qualsiasi, da zero all'infinito. Nel caso delle equazioni di Maxwell tali soluzioni -note come "onde localizzate", in particolare "a forma di X"- sono state sperimentalmente prodotte anche per v > c in ottica nel 1997 e con micro-onde nel 2000 (**). Per una panoramica semi-divulgativa più completa sugli "esperimenti super-luminali" rimandiamo il nostro web-nauta all’articolo pubblicato sul “Nuovo Saggiatore” (1).

Sono stati chiamati tachioni (dal vocabolo greco che significa veloce) [27] oggetti che viaggiassero -rispetto a noi- a velocità superiori a quella della luce. Tali oggetti vengono chiamati più tecnicamente "di tipo spazio", o, secondo l'uso moderno, oggetti superluminali. Vengono detti bradioni, invece, gli usuali oggetti con velocità inferiore a quella della luce. Come già menzionato, la velocità c della luce nel vuoto ha il carattere del tutto unico di essere una velocità invariante: ovvero, di avere lo stesso valore per qualsiasi osservatore inerziale (anche per chi corresse incontro alla luce, o da lei tentasse di fuggire); e ciò è conseguenza del fatto, sperimentalmente verificato, che la velocità c della luce non dipende dalla velocità della sua sorgente.

E` proprio questa caratteristica, di essere invariante, che rende la velocità della luce del tutto eccezionale; nessun bradione e nessun tachione, ci dice la teoria della Relatività Speciale (chiamata anche Relatività Ristretta ), potrà godere della medesima proprietà! Secondo la Relatività Speciale la velocità della luce risulta essere anche una velocità limite: ma ogni valore limite possiede due lati, due fianchi, e vi ci si può avvicinare, a priori, sia da sinistra, sia da destra. Spieghiamoci meglio: la Relatività Speciale, pure abbondantemente verificata, può essere costruita sui due naturali postulati:

(i) che le leggi fisiche valgano non solo per un osservatore particolare, ma per tutta la classe degli osservatori "inerziali";

(ii) che spazio e tempo siano omogenei e lo spazio sia inoltre isotropo.

Proprio da questi due semplici postulati discende (come si è già detto) che può esistere una, e una sola, velocità invariante. Un'altra nota conseguenza dei nostri due postulati è che l'energia totale di una comune particella cresce al crescere della sua velocità v, tendendo all'infinito quando v tende a c. Quindi occorrerebbero forze infinite per far raggiungere a un bradione la velocità della luce: ciò ha generato la convinzione che la velocità c non possa essere né raggiunta né superata. Però, come esistono le usuali "particelle di luce", i fotoni , che nascono campano e muoiono sempre alla velocità della luce (senza mai avere avuto bisogno di accelerare per raggiungerla), così potrebbero esistere particelle, i tachioni, che viaggiano sempre a velocità V maggiori di c. Questa circostanza è stata pittorescamente illustrata da George Sudarshan: “Supponiamo che un demografo, che studi i popoli dell'India, se ne esca con l'ingenua affermazione che non c'è nessuno a nord dell'Himalaya, dato che mai alcuno è riuscito a valicare tali montagne. Questa sarebbe una conclusione assurda. I popoli dell'Asia Centrale sono nati e vivono al di là dell'Himalaya: essi non hanno avuto bisogno di nascere in India e poi scavalcare i monti. Analogamente per le particelle più veloci della luce”. Un grosso ostacolo all'esistenza di tachioni è che, secondo molti, essi potrebbero essere usati per mandare segnali all'indietro nel tempo, e magari...per uccidere i nostri nonni prima che avessero generato i nostri genitori: cosa ovviamente inaccettabile. Esaminando accuratamente la Relatività Speciale, ci si avvede però che essa può essere estesa, senza cambiare quei due postulati, in modo da inglobare anche gli oggetti superluminali; in tale "Relatività estesa" i paradossi causali come il precedente vengono risolti. Scompaiono, perché si trova che invero neppure coi tachioni si possono inviare segnali verso il passato. L'esame dei paradossi causali è molto divertente (più dei giochi enigmistici), ma non possiamo qui far altro che rinviare alla bibliografia, scelta tra quella poco tecnica, ovvero tra quella (scarsa) semi-divulgativa e, quando possibile, in italiano. Almeno quattro serie di differenti osservazioni sperimentali potrebbero indicare l'effettiva esistenza di moti a velocità maggiori di quella della luce. Ma due sono controverse, e ammettono a priori spiegazioni alternative più ortodosse: comunque dal 1971 ci sono indicazioni che suggeriscono che:

a) potrebbero essere superluminali i neutrini;

b) potrebbero avere luogo espansioni superluminali al centro di quasar extragalattici e, più ancora, dei cosiddetti micro-quasar della nostra galassia (tra l'altro, un buco nero potrebbe a priori emettere materia superluminale)...

Lasciamo però da parte questi due settori, riguardo ai quali la grande maggioranza dei fisici non accetta l'interpretazione "tachionica". Veniamo invece a due altri settori in cui tutti gli esperti concordano che si è di fronte a velocità-di-gruppo superluminali. Per le equazioni di Maxwell (certamente in accordo con la Relatività Speciale), e per qualsiasi "equazione d'onda", si sono trovate soluzioni che rappresentano impulsi localizzati che viaggiano con velocità di gruppo da zero all'infinito. Le più interessanti, anche dal punto di vista applicativo, sono risultate quelle "a forma di X", predette dalla scuola italiana fin dal 1980. Questi impulsi "a forma di X" hanno velocità proprio superluminali (o supersoniche, nel caso non elettromagnetico ma acustico). Dopo essere state costruite matematicamente, sono state prodotte sperimentalmente, nell'ultima dozzina d'anni. In acustica sono state prodotte nel 1992 da Lu et al. (che ebbero il premio della IEEE per quell'anno), in ottica nel 1997 da Saari et al., e nel settore delle microonde nel 2000 da Ranfagni, Mugnai, Ruggeri. I risultati del 1997 e del 2000 sono apparsi sul Physical Review Letters, la rivista di fisica di maggiore prestigio. Si tratta però, come si stava dicendo, non tanto di oggetti o particelle comuni, quanto, ad esempio, di impulsi di onde elettromagnetiche: di gruppi di onde di luce! (Un commento su "Nature fu intitolato "Luce più veloce della luce?"). Su questo argomento si è recentemente svolto un congresso alla università della California in Santa Barbara. Queste "onde localizzate" vengono studiate soprattutto per le loro straordinarie possibilità applicative. Usando onde-a-forma-di-X acustiche, si è già prodotto il prototipo di un ecografo che fornisce direttamente, e con alta definizione, l'immagine tridimensionale di un organo in movimento come il cuore.

Infine, si è trovato teoricamente e sperimentalmente che velocità superluminali si incontrano anche nei fenomeni di "tunnelling", sia quantistico [21] sia classico (nel quale secondo caso si parla di "onde evanescenti"). Anche di questo non abbiamo qui lo spazio per parlarne con dettaglio. Però sia la Meccanica Quantistica sia la Relatività Speciale predicono, ancora una volta, velocità superluminali, che sono state sperimentalmente osservate da molti gruppi: i più importanti sono quello di Colonia (Nimtz et al., 1992-1994), di Berkeley (Chiao, Steinberg, et al., 1993), e di Princeton (Wang et al.), con importanti contributi italiani anche dal punto di vista sperimentale. Ad esempio, recentemente la scuola italiana ha predetto degli effetti ancora più vistosi, che sono stati verificati da Longhi e collaboratori presso il Politecnico di Milano.

Erasmo Recami – Fisico

Bibliografia

Nota redazionale SxT

- Il nostro web-nauta ricorda correttamente quando cita Eugene Wigner a proposito della "irragionevole" la capacità che la matematica ha di predire la realtà” [121]