Cos’ha di così speciale la velocità della luce? (perché anche gli alieni non possono superarla)

PRIMA PARTE: tutte le leggi fisiche sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali.

Le galassie più distanti si trovano a circa 13 miliardi di anni luce da noi. La galassia più vicina si trova a circa 2.500.000 anni luce dalla Terra e a 42.000 anni luce dal centro della Via Lattea, dietro le stelle della costellazione del Cane Maggiore (Canis Major).

La Via Lattea ha un diametro di circa 100.000 anni luce e uno spessore, nella regione dei bracci, di circa 10/12.000 anni luce.
Ora pur non facendo un grande sforzo di immaginazione, queste distanze dovrebbero sembrare impressionanti da superare anche ai più incalliti sostenitori degli Ufo. Ma per loro non è così. Allora ci domandiamo se è veramente possibile percorrere queste distanze.
E’ possibile viaggiare con velocità superluminali?
Gira e rigira ci troviamo a parlare sempre della velocità della luce.

Allora ci domandiamo cos’ha di così speciale la velocità della luce? Da dove sbuca fuori questo limite? Da dove sbuca fuori questo limite che la natura ha imposto al moto dei corpi? Cosa rende impossibile (fino a prova contraria) oltrepassarlo? Ma soprattutto il limite della velocità della luce ha realmente valore universale?

Tanto per rendere bene l’idea, la velocità della luce è pari a:

299.792,458 chilometri al secondo ovvero 1.079.252.848,800 chilometri all’ora

che equivale a dire che la luce in un anno percorre la distanza di

9.460.730.472.581 chilometri.(299792,458*24*3600*365.25) ovvero 9.460 milioni di chilometri

Sbalorditivo vero?
Ammettiamo che la più veloce sonda spaziale possa raggiungere la velocità di 240.000 Km/h (0,022% della velocità della luce) fruttando l’effetto fionda dei pianeti (sonda Helios), in un anno percorrerebbe poco più di 2 milioni di chilometri per arrivare al massimo poco oltre Saturno. Ovvero a queste velocità gli alieni non andrebbero da nessuna parte.
Ma si sa che gli alieni sono più evoluti di noi, direbbero in molti. Allora ci domandiamo a che velocità loro possano viaggiare.

Per vedere come stanno le cose, partiamo da lontano. Partiamo da 2+2.
A scuola ci hanno insegnato che fa 4. Siete d’accordo? E poi che 6×9 fa 54. Anche qui credo che siete d’accordo.
Allora facciamoci una prima domanda: questi risultati matematici valgono per altri mondi? Direi di si. Voi che ne pensate?
Ok, andiamo avanti. La legge della gravitazione universale governa l’attrazione dei corpi e quindi anche di tutto ciò che sta nell’Universo, galassie, stelle, pianeti. Lo stesso vale per la quantità di moto di un corpo rigido di massa “m” e velocità “v” e la sua energia cinetica.

q = mv e E = (mv^2) / 2

Bleff (il mio cane) che sembrava addormentato qui sotto la scrivania solleva gli occhi e mi domanda il perché di questa manfrina di introduzione.
Il motivo è molto semplice, gli ho spiegato: perché tutto sta nel fatto di quanta energia bisogna fornire ad una massa in movimento. Basta pensare alla energia necessaria per fare viaggiare una automobile a 90 km/ora in autostrada e quanta ce ne vuole ad un camion alla stessa velocità. Il motivo è capire quanta energia ci vuole per fare viaggiare una astronave nello spazio alla velocità della luce.

Qualcuno conosce già la risposta, ma vado avanti lo stesso.
Neanche a dirlo anche stavolta dobbiamo tirare in ballo il nostro bravo Einstein. E tanto per fare due chiacchierare insieme partiamo da lontano.
Per la precisione da Galileo.

Relatività Galileiana.
Galileo aveva capito che le leggi della fisica devono essere le stesse in qualunque sistema di riferimento in moto rettilineo e uniforme. A dire il vero, non l’avrebbe detto esattamente con queste parole, ma il senso era questo: le regole che usiamo per descrivere i fenomeni naturali sono le stesse ovunque sia che vi troviate. Questo è il principio di relatività galileiana, su cui la fisica ha campato benissimo per tre secoli buoni.

Cosa vuol dire? Vuol dire che un marinaio che si muove su una nave a 5 chilometri l’ora nella stessa direzione del moto della nave che va a sua volta a 50 chilometri l’ora, un osservatori sulla terra vedrà il marinaio camminare a 55 chilometri l’ora, che è la somma vettoriale delle due velocità relative.

Relatività ristretta.
Poi arriva Einstein, e le cose cambiano radicalmente.
Intanto hanno inventato il treno e da qualche decennio i fisici hanno cominciato a giocare con i magneti e l’elettricità. Un tizio di nome Maxwell ha ricavato delle bellissime leggi che spiegano perfettamente i fenomeni elettromagnetici, si è capito che la luce è una forma di radiazione elettromagnetica. Si è capito che la luce si propaga nel vuoto sempre esattamente alla stessa velocità, qualunque sia la velocità e la direzione del moto del corpo che emette la luce. È una costante, non cambia, ha un valore universale: che viene indicata per tutti con una lettera, la c.

Se sei stato attento – dico al mio cane – questo fatto apparentemente innocuo manda per aria il principio di relatività di Galileo.
Detta in parole povere la velocità della luce non si somma a quella del sistema di riferimento da cui viene emessa. Non va più bene sommare semplicemente le velocità. Se un corpo si muove a velocità «v» (per esempio una astronave aliena) all’interno di un sistema che si muove a sua volta a velocità «w» (espansione dell’universo) nella stessa direzione rispetto a un osservatore esterno, a quell’osservatore la velocità dell’astronave apparirà essere semplicemente v+w.
Nella relatività galileiana nulla impedisce che questa somma dia come risultato un valore maggiore di «c».

Nella relatività ristretta, la formula per combinare le velocità è più complicata, ma il succo è che il risultato non è mai maggior della velocità della luce. Non c’è verso. Anche se v=w=c, il risultato totale è sempre e soltanto «c». (credeteci).

Praticamente da qui nasce la teoria della relatività ristretta. Le nuove leggi che regolano il passaggio da un sistema all’altro sono più complicate (non stiamo qui a raccontarle). Lo scorrere del tempo non è più assoluto, ma dipende dal moto dell’osservatore, e lo stesso vale per le lunghezze dei corpi (anche stavolta credeteci).

In conclusione, se una astronave aliena viaggiasse alla velocità della v=c il risultato è v+w=c, ovvero la somma delle velocità è sempre e soltanto «c».

Nessuna astronave potrebbe viaggiare ad una velocità superiore alla velocità della luce.

Capito Bleff?

SECONDA PARTE: energia e materia. Risposta risolutiva. …. alla prossima puntata.

(un ringraziamento va ad Amedeo Balbi, divulgatore scientifico di Keplero. Da un suo articolo mi sono ispirato e riassunto in questo post)

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