Bellissima spiegazione; tecnica, ma non troppo difficile da seguire.

Grande Rino... ho sempre sognato essere un astronauta che schiva scoregge spaziali (^.^)

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Ups... la scoreggia l'avevo fatta io per accelerare O.O

Ciao Mohikanalien, nel tuo discorso ci sono degli errori di fondo. Non è necessario conoscere la massa del neutrino per ipotizzare l'eventuale passaggio in prossimità di un nucleo atomico, in quanto esso percorre una traiettoria nello spazio - che sia un corpuscolo dotato di massa oppure un quanto di energia - e considerando le varie traiettorie possibili, le probabilità di una traiettoria rasente un nucleo atomico sono le stesse di qualsiasi altra traiettoria possibile. Quindi attraversando la materia, la quale è composta da atomi (molto più massicci di un neutrino), prima o poi passerà vicino il nucleo di uno di essi, oppure potrebbe anche colpirlo.

Per quanto riguarda la cosiddetta "vibrazione quantica", siamo in un campo decisamente speculativo e senza solidi riscontri sperimentali possiamo solo congetturare. Inoltre l'atomo non è un'onda! L'atomo è composto da un nucleo (protoni/neutroni) e da elettroni. Spesso si fa confusione con questi ultimi leggendo magari del concetto di orbitale nella teoria quantistica. La natura ondulatoria di un elettrone non indica affatto che l'elettrone sia un'onda! Sta ad indicare invece che l'elettrone non può essere localizzato nello spazio, ma si potrà esclusivamente calcolare la probabilità di trovare l'elettrone in una data posizione, ed essa è legata all'ampiezza che in quel punto dello spazio assume in quel momento l'onda associata. Si deve tener presente inoltre che l'onda, in questo caso, è solo un concetto matematico (niente a che vedere con un'onda elettromagnetica che invece è una realtà fisica). L'onda di un elettrone non si propaga, è un'onda stazionaria. Per capire meglio facciamo un piccolo esempio matematico, un'onda stazionaria tridimensionale viene descritta dalla seguente equazione differenziale:

dove ψ è la funzione d'onda e λ è la lunghezza d'onda. Per ottenere l'equazione d'onda che descrive il movimento di un elettrone, è possibile utilizzare la relazione di de Broglie nel modo seguente:

in questo caso λ è la lunghezza d'onda associata all'elettrone di massa m e h è la costante di Plank, quindi avremo:

Ora sapendo che l'equazione d'onda permette di calcolare i valori degli stati energetici dell'atomo di idrogeno (l'atomo più semplice), possiamo ricavare l'energia cinetica dell'elettrone 1/2 mv², come differenza tra l'energia totale E e l'energia potenziale V:

ora sostituendo nell'equazione precedente si ottiene:

cioè l'equazione d'onda di Schrödinger che descrive il comportamento dell'elettrone nell'atomo d'idrogeno. L'elettrone è materia, ha una massa e una carica elettrica ben definite, 9,109534 × 10^-31 Kg e 1,602176565 × 10^-19 C rispettivamente.

La forza che tiene uniti gli atomi non è la forza gravitazionale! Essi sono tenuti uniti da una forza di natura elettrostatica, detta Legame Chimico. Come ho spiegato nel post precedente, il neutrino non possiede una carica elettrica (da cui il nome), quindi non può interagire elettrostaticamente con le particelle subatomiche. Per quanto riguarda la trasformazione del Ferro in Carbonio, sinceramente non capisco su quali basi sia fondata un'ipotesi di questo tipo. Se hai qualche fonte postala e vediamo di che si tratta. Per il resto spero di aver chiarito i tuoi dubbi.

Sicuramente è corretto informarsi prima di affrontare un discorso su un preciso argomento, ciò non toglie che se si hanno delle difficoltà a comprendere determinati concetti (succede a tutti nessuno escluso) si è sempre liberi di chiedere. Nessuno possiende la conoscenza assoluta, ed è proprio il condividere con gli altri le nostre conoscenze che ci permette di progredire nel sapere!

Cominciamo col dire che il neutrino non passa attraverso il nucleo atomico! Il neutrino può impattare un nucleo atomico, ma ovviamente in questo caso non riuscirebbe ad attraversarlo. Il nucleo atomico si disintegrerebbe producendo particelle osservabili, questo è il momento in cui può essere rilevato un neutrino. Come detto sopra la collisione di un neutrino con un nucleo atomico - cioè l'interazione con la materia - capita molto raramente e questo spiega l'enorme dimensione dei rilevatori di neutrini. Detto questo, sappiamo che l'influenza gravitazionale che un corpo esercita nello spazio circostante - e quindi sugli altri corpi - dipende dalla massa, quindi nel caso specifico di un atomo i valori delle masse sono talmente piccoli da rendere la forza gravitazionale del tutto trascurabile rispetto alle altre forze in gioco (elettrostatica, nucleare forte e nucleare debole). Per capire meglio facciamo un semplice esempio, confrontiamo la forza gravitazionale e la forza elettrostatica che elettrone e protone si scambiano in un atomo di idrogeno. I dati che ci occorrono sono la massa del protone, la massa dell'elettrone, la carica elementare, il raggio (approssimato) dell'orbita e la costante di Gravitazione universale, rispettivamente:

I valori delle forze sono dati dalle seguenti equazioni:

Ora sostituiamo i valori numerici (approssimandoli alla seconda cifra decimale) e abbiamo:

Possiamo ora ricavare il rapporto:

Questo significa che la forza elettrostatica in azione tra protone ed elettrone è circa 10³⁹ volte più forte della forza gravitazionale!! Quindi nel caso atomico la forza gravitazionale, anche se presente, è del tutto trascurabile. Inoltre la forza gravitazionale agente tra le particelle dotate di massa è talmente debole che non può essere rilevata sperimentalmente!

In fine, il neutrino non è un'antiparticella, l'antiparticella del neutrino si chiama antineutrino (che fantasia...). La presenza dell'antiparticella del neutrino si manifesta durante un processo chiamanto decadimento beta. Per esempio nel caso del Carbonio, avviene quando il nucleo dell'isotopo carbonio 14 (composto da 6 protoni e 8 neutroni) trasformandosi in un nucleo di Azoto 14 (composto da 7 protoni e 7 neutroni) emette un elettrone e un antineutrino.

Ciao HAL9000, per comprendere in modo completo questi fenomeni occorre conoscere la metrica che regola lo spazio-tempo in queste situazioni (spiegare queste cose al mitico HAL mi fa un certo effetto... XD). In questa sede mi limiterò a descrivere in modo semplicistico tali fenomeni, cercando di rendere l'argomento meno complesso possibile. Il continum spazio-temporale può essere rappresentato come un foglio piatto infinito/illimitato, esso può essere deformato dalla presenza di corpi dotati di massa, come previsto dalla relatività generale. L'esempio classico è quello del nostro Sole, che con la sua massa deforma lo spazio-tempo circostante costringendo la radiazione luminosa proveniente dalle stelle a seguire una traiettoria incurvata piuttosto che rettilinea. Alcune soluzioni delle equazioni di campo di Einstein mostrarono la possibilità di curvare lo spazio a tal punto da "forarlo", generando il cosiddetto Ponte di Einstein-Rosen (wormhole, vedi figura sotto).

Cerchiamo di capire cosa sono questi wormholes. Prima di tutto dobbiamo dire che nessuno ha mai osservato queste entità ipotetiche, ma esse compaiono molto spesso nelle analisi teoriche della relatività generale e questo lascia pensare che la loro esistenza sia piuttosto probabile. Possiamo distinguere diversi tipi di wormholes, principalmente due: Euclidean wormholes e Lorentzian wormholes.

Euclidean wormhole - Questo tipo di wormhole è di particolare interesse per i fisici delle particelle, ma risulta estremamente complesso e difficile da comprendere. Esso in sostanza viene previsto nella teoria quantistica dei campi e ha la strana peculiarità di esistere in un "tempo immaginario"! Discutere di queste entità richiede una conoscenza molto approfondita della teoria quantistica e non risulta di particolare interesse in questa sede.

Lorentzian wormhole - Si tratta essenzialmente di una "scorciatoia" nello spazio-tempo (come non ricordare i wormholes di Star Trek?), che come vedremo è proprio quello che potrebbe interessare i nostri neutrini. Nonostante non sia possibile dimostrare che essi non esistano, le condizioni necessarie per la loro stabilità e quindi impedirne il collasso, richiedono grandi quantità di massa negativa (regione dove l'energia è più bassa dell'energia del vuoto o energia di punto zero), che non va confusa assolutamente con l'antimateria. Per fare un esempio di massa gravitazionale negativa di un corpo sferico, consideriamo la massa M e il raggio R di una sfera, che a densità uniforme produce il seguente campo gravitazionale:

La densità di energia negativa del campo gravitazionale in questione sarà:

Ora integrando su tutto lo spazio otteniamo l'energia gravitazionale negativa della massa:

Convertendo l'egergia negativa ottenuta in massa negativa equivalente, utilizzando la celebre formula E = mc², otteniamo che il contributo della massa negativa alla massa del corpo sferico è il seguente:

Ovviamente considerando un'eventuale utilizzo pratico, la quantità di massa negativa necessaria per poter mantenere aperto un wormhole di dimensioni accettabili, va nettamente al di là delle notre possibilità tecnologiche attuali. Quindi dobbiamo considerare che questi cunicoli possono essere di dimensioni estremamente ridotte, anche più piccoli di un atomo! Questo caso risulta interessante per la questione dei neutrini superluminali, vediamo perché. Anni addietro ricerche nel campo della fisica nucleare hanno mostrato increspature nello spazio-tempo in prossimità dei nuclei atomici. Queste deformazioni dello spazio dipendono principalmente da due fattori, la forza nucleare forte (la forza che consente l'esistenza del nucleo atomico) e la radioattività. A complicare ulteriormente le cose sono i deversi effetti perturbativi che questi due fattori hanno sullo spazio-tempo, i quali potrebbero generare una struttura a doppio vortice (come indicato sopra) che permetterebbe ad un'eventuale particella che vi passa nel mezzo, come il neutrino, di accorciare la traiettoria altrimenti prevista normalmente (vedi figura sotto).

L'ipotesi di un comportamento anomalo dei neutrini nell'interazione con la materia non è certo nuova, il grande fisico italiano E. Majorana in un lavoro del 1932 ipotizzava un comportamento tachionico dei neutrini a contatto con la materia.

[Majorana formulò una particolare soluzione dell'equazione di Dirac in modo da ottenere una massa sempre positiva:

Dove Ψ è la funzione d'onda, α e β sono matrici di Dirac, p è la quantità di moto e W è l'energia. Dalla formulazione relativistica della massa e dell'energia, troviamo l'energia della particella:

L'indeterminazione nel segno, interpretata da Dirac in stati particella/antiparticella, può essere superata trovando soluzioni positive per la massa a riposo nell'equazione di Dirac, come proposto da Majorana. [...] Ci sono anche altre soluzioni trovate e discusse da Majorana nelle quali l'energia è legata alla quantità di moto:

Dove k è un parametro reale. Per soddisfare le condizioni iniziali di massa positiva, la seguente diseguaglianza nel vuoto deve essere: p ≥ kc. Questi stati ammettono sempre un termine immaginario per la massa ik che potrebbe dar luogo, in situazioni particolari, ad un comportamento tachionico. (F. Tamburini & M. Laveder - 28 sep 2011)]

Ciao Mohikanalien, già qualcun altro mi aveva portato all'attenzione su questo filmato. Ti consiglio di prendere con le pinze nozioni provenienti da questo tipo di fonte. Il filmato oltre ad essere un insieme confuso di concetti combinati a mo' di puzzle new age, contiene anche molte informazioni non corrette, un esempio fra tanti l'essere vicini al punto di arresto dell'espansione dell'universo. Ciò è completamente falso, una ricerca recentissima - che è valsa il premio Nobel per la fisica a tre ricercatori - ha confermato che l'universo non solo si sta espandendo, ma sta accelerando la sua espansione! Non sto qui ad elencare gli errori contenuti nel video in quanto sono molti e talmente evidenti che non meritano ulteriori approfondimenti.

Rispondere in modo esauriente a questa domanda è moldo difficile, siamo al limite estremo della fisica teorica. Tuttavia dopo la scorperta della possibile esistenza di questi cunicoli spazio-temporali, sono stati fatti passi avanti - sempre a livello teorico - sulla cosiddettà attraversabilità. Ovviamente trovato il modo di viaggiare nello spazio attraverso simili entità, si potrebbe fare in modo di viaggiare anche attraverso il tempo! Riportando alla luce il problema, finora matematico, delle Curve Spazio-Temporali Chiuse di tipo Tempo (CTC). Questo paradossale aspetto portò S. Hawking, uno dei più grandi scienziati viventi (e credo che attualmente sia la mente più illustre), a formulare la cosiddetta Congettura di Protezione Cronologica. Affermando testualmente: "È come se ci fosse una Agenzia per il Controllo Cronologico che impedisce la comparsa di curve temporali chiuse, così da rendere l'universo un luogo sicuro per gli storici", Hawking intende dire che non è possibile per un osservatore trarre vantaggio da una curva spazio-temporale chiusa di tipo tempo da esso generata (per esempio il caso della macchina del tempo). Cerchiamo di capire perché S. Hawking è giunto a questa conclusione.

Prima di proseguire è importante fare alcune precisazioni. Molti confondono una CTC con un vero e proprio viaggio nel tempo, ma in realtà le cose sono un pochino diverse. In sostanza la CTC è un percorso nello spazio-tempo (linea d'universo) che un corpo massiccio potrebbe fare, in modo tale che la sua vita si ripeta a tempo indeterminato! Una sorta di vita ciclica, che nulla a che vedere con la normale concezione del viaggio nel tempo stile "Ritorno al futuro". In quest'ultimo caso, gli ostacoli posti dalle leggi fische che regolano l'universo hanno scoraggiato chiunque.

Il primo a trovare soluzioni nelle equazioni di Einstein che permettessero l'esistenza di CTC, fu il famoso matematico K. Gödel. Tuttavia la struttura dello spazio-tempo di Gödel venne dichiarata "unphysical" (di applicazione non reale), in quanto un puro costrutto matematico che non tiene conto di fattori fisici richiesti in uno spazio-tempo (come la coerenza). Più in là però C. Sagan (uno dei più grandi astronomi del XX sec.) mentre scriveva il celebre romanzo "Contact", chiese a K. Thorne se fosse possibile coprire distanze interstellari molto rapidamente. Non solo K. Thorne rispose sì alla domanda, ma pubblicò - insieme al suo studente M. Morris - una dimostrazione dell'esistenza di wormholes attraversabili nella teoria della relatività generale, i cosiddetti wormholes di Morris-Thorne. Il problema principale in questo caso è l'incredibile tensione all'ingresso del wormhole, necessaria per impedirne l'immediato collasso. Per farsi un'idea, parliamo di una tensione pari approssimativamente a 10³⁷ dyn/cm², più o meno lo stesso ordine di grandezza della pressione presente al centro di una stella gigante! Ovviamente sono ordini di grandezza che vanno ben al di là delle capacità umane. Inoltre questo tipo di wormholes richiede densità di energia negativa, che viola la cosiddetta "debole condizione di energia" (non mi dilungo nel discutere questo concetto). Si cercò di ipotizzare altre condizioni che permettessero l'esistenza di CTC, ma le conseguenze dell'eventuale realizzabilità di queste entità scatenerebbero talmente tanti paradossi (come il paradosso del nonno, per citare il più comune), che S. Hawking fu costretto a ricercare una soluzione che impedisse tutto questo e formulò la congettura di protezione cronologica, assestando un duro colpo ai sostenitori dell'esistenza delle CTCs. Semplificando senza scendere nel dettaglio, tale congettura verte su due punti: l'impossibilità di sfruttare una CTC dall'osservatore che la crea, se la debole condizione di energia viene violata; nell'eventualità che la condizione debole energia fosse falsa (come sembrano dimostrare alcuni effetti della teoria quantistica dei campi), il tensore energia-impulso risultante è tale da non permettere la formazione di CTCs. A quanto pare risulta impossibile per l'osservatore attraversare l'orizzonte di Cauchy nella regione di curva spazio-temporale chiusa di tipo tempo. Il risultato di S. Hawking nonostante sposti notevolmente l'ago della bilancia in favore della non possibilità d'esistenza delle CTCs, non è conclusivo. La questione rimane tuttora aperta.

La risposta è nella loro natura. I fotoni sono pacchetti/quanti di radiazione elettromagnetica. Essi a differenza dei neutrini interagiscono con particelle dotate di carica e/o momento magnetico non nullo (forza elettromagnetica). Questo significa che a contatto con la materia interagiranno con gli elettroni degli atomi, quindi terminando la loro corsa (urti relativistici, ex. Thomson/Compton). I neutrini invece interagiscono molto raramente ed esclusivamente attraverso la forza nucleare debole. Proprio per questo sono le uniche particelle note che possono permettersi di transitare in prossimità di un nucleo atomico, probabilmente subendo gli effetti dello spazio-tempo deformato.

Ciao Stefan, per quanto riguarda il primo quesito che ti poni, posso dirti che la conferma sperimentale della velocità subluminale dei neutrini nel vuoto, sarebbe un'ulteriore conferma della teoria einsteiniana e aprirebbe - come giustamente hai supposto - scenari interessantissimi per quanto riguarda alcune delle soluzioni bizzarre della teoria stessa, come i wormholes. Questo non significa che avremo la conferma dell'esistenza o attraversabilità di queste entità, ma avremo un indizio in più sulla direzione d'indagine sperimentale. Rimane chiaro però che dovrà passare ancora del tempo prima di raggiungere una capacità tecnologica tale da permetterci di sbirciare in quegl'ordini di grandezza.

Sul secondo quesito, prima di tutto bisogna chiarire che i fotoni non sono un tipo specifico di onda elettromagnetica, ma sono la quantizzazione di qualsiasi onda elettromagnetica. Quindi le onde elettromagnetiche, che siano onde radio o raggi gamma, si propagano in modo discreto attraverso quanti di energia: i fotoni. Detto questo, un ragionamento analogo al tuo portò gli scienziati del XVIII secolo a ritenere necessario un mezzo fisico che permettesse la propagazione delle onde elettromagnetiche: l'etere luminifero (o cosmico). Il problema principale di questo aspetto è l'esistenza di un "vento d'etere" che verrebbe generato da ogni corpo in movimento, con velocità uguale ed opposta a quella del corpo stesso. Quindi ogni corpo in movimento dovrebbe essere soggetto al vento d'etere che gli viene contro, compresa la luce. Oggi sappiamo che il sistema solare ruota intorno al centro galattico ad una velocità media di circa 250 Km/s, quindi esso dovrebbe essere spazzato da un vento d'etere della stessa velocità! Questo portò gli scienziati ad indagare a fondo su questo problema fino all'esperimento di Michelson-Morley, che assestò il primo duro colpo all'ipotesi dell'etere. Il colpo definitivo venne dato dalla teoria della relatività di Einstein, che spiegava con precisione "quasi" (più avanti vedremo perché) tutti i fenomeni fisici, facendo completamente a meno del concetto di etere.

Le teorie relativistiche portarono la maggioranza della comunità scientifica ad abbandonare definitivamente il concetto di etere. Tuttavia molti scienziti di fama mondiale, l'italino Q. Majorana per citarne uno, si dimostrarono in disaccordo con tali teorie. Majorana si pronunciò in questo modo verso la teoria di Einstein: "Credo opportuno che io dichiari sin dal principio come io sia decisamente contrario all'accettazione delle teorie del fisico tedesco (A. Einstein). Voglio però altresì ricordare come fra i cultori di fisica e anche di matematica io non sia il solo ad avere un simile atteggiamento. [...]". Lo stesso A. Einstein in seguito all'enunciazione delle sue teorie relativistiche, precisamente nel 1919, scrisse a H. Lorentz quanto segue: "Sarebbe stato più corretto se nelle mie prime pubblicazioni mi fossi limitato a sottolineare l'irrealtà della velocità dell'etere, invece di sostenere soprattutto la sua non esistenza. Ora comprendo che con la parola etere non si intende nient'altro che la necessità di rappresentare lo spazio come portatore di proprietà fisiche." Egli stesso tentò di ricavare una formulazione relativistica dell'etere, ma guarda caso nessuno lo prese in considerazione! L'etere relativistico di Einstein fu un tentativo di far convivere il concetto di etere con la relatività ristretta. Oggi sappiamo che con le trasformazioni inerziali (F. Selleri) diventa pienamente ammissibile l'etere di Lorentz. Risulta chiaro, soprattutto dopo i notevoli progressi in campo sperimentale degli ultimi anni, che le teorie utilizzate per spiegare il funzionamento dell'universo sono incomplete. La stessa teoria della relatività, confermata sperimentalmente in moltissimi casi, presenta alcuni punti oscuri che sono tuttora senza soluzione (per esempio: il paradosso dei gemelli, il problema dell'aberrazione della luce, l'effetto Sagnac).

La strada verso la conoscenza è ancora lunga. Ci sono ancora molte cose che devono essere chiarite, e il fatto che sia saltato fuori nuovamente il concetto di etere non deve certo stupire. Come dimostrato più volte, forzature e artifici matematici non potranno più salvare teorie superate a cui si è dannatamente aggrappati. L'aumento delle capacità sperimentali daranno ben poco spazio a libere interpretazioni. Staremo a vedere...

Non può che farmi piacere vedere la tua curiosità spingere la tua mente a ipotizzare possibili spiegazioni su determinati fenomeni, questo significa far lavorare il cervello!

Nella fisica dei quanti le grandezze fisiche vengono rappresentate da un insieme discreto di valori multipli di un valore fondamentale: il quanto. I fotoni sono i quanti del campo elettromagnetico e possiedono delle proprietà: massa di quiete, energia, massa equivalente e quantità di moto. Ovviamente i valori delle proprietà dei fotoni della radiazione gamma sono diversi da quelli dei fotoni della radiazione ELF, in quanto queste proprietà dipendono dalla frequenza ν:

dove λ è la lunghezza d'onda. Quindi risulta chiaro che un fotone di radiazione gamma avrà un'energia molto più alta di un fotone di radiazione ELF. Detto questo non deve confondere il concetto di "massa equivalente" sopra descritto, in quanto essa non rappresenta la massa effettiva del fotone (che ne è privo), ma sta ad indicare la massa massima (in quanto non è detto che il processo di trasformazione converta tutta l'energia in massa) che avrebbe il fotone se venisse trasformato in una particella massiva (formula ricavata dalla famosa eguaglianza massa-energia).

In riferimento all'esperimento di Michelson-Morley, mi sorprende la tua conclusione. In realtà l'esperimento in questione dimostrò l'inesistenza del vento d'etere proprio perché verificò (almeno in questo caso specifico) l'invarianza della velocità della luce! Infatti esso era stato concepito per verificare che la luce può avere velocità diverse per diversi osservatori in moto relativo rispetto all'etere.

Il fallimento dell'esperimento, in quanto non venne rilevato nessuno spostamento nelle frange d'interferenza, decretò che le le trasformazioni di Galilei non sono valide per tutti i sistemi di riferimento in moto relativo l'uno rispetto all'altro e quindi l'invarianza di c. Se la luce, come dici, acquistasse la velocità della sorgente sarebbe dovuta risultare una differenza di fase nelle frange d'interferenza, cosa che non è avvenuta.

Analizzando l'esperimento possiamo dire che l'apparato sperimentale (figura sopra) fu orientato in modo che la direzione del raggio di luce, percorrendo una distanza l₁, fosse parallelo alla velocità v della Terra, in modo che - secondo l'ipotesi dell'etere - il raggio di andata r₁ si muovesse con velocità c + v; mentre il raggio di ritorno r₂ con velocità c - v. Quindi il tempo t₁ che il raggio di luce impiega a percorrere la distanza l₁ è:

Mentre il raggio r₂ avrà una velocità c ortogonale alla velocità terrestre v. Questo rende il calcolo del tempo di percorrenza t₂ del tratto l₂ un po' più complesso:

Ovviamente i tempi di percorrenza t₁ e t₂ saranno differenti per via della differenza di cammino ottico, dando luogo alle suddette frange d'interferenza. Ora ruotando l'interferometro di 90° i percorsi ottici sopra descritti varieranno e di conseguenza dovrebbe varificarsi uno spostamento delle frange d'interferenza. Possiamo ricavare la differenza dei cammini ottici come segue:

Secondo i calcoli, lo spostamento delle frange d'interferenza atteso sarebbe dovuto essere pari a mezza lunghezza d'onda della radiazione visibile gialla. L'esperimento mostro l'assenza di qualsiasi spostamento, verificando l'invarianza della velocità della luce.

Inoltre questo esperimento è stato ripetuto di recente con l'ausilio della strumentazione più avanzata, aumentandone la precisione di 100 milioni di volte! Confermando il risultato e risolvendo i problemi derivanti dal teorema di estinzione di Oseen-Ewald (che non sto qui a spiegare). Tutto sembra confermare l'incredibile intuizione di Einstein, tuttavia come dicevo nel commento precedente uno dei reali problemi della relatività è l'effetto Sagnac. Per quanto si legga in giro di presunte chiare spiegazioni relativistiche dell'effetto, in realtà c'è davvero una gran confusione e decisamente poca chiarezza. Tanto che Langevin tentando di spiegare quest'effetto utilizzò un modello decisamente classico mascherato da termini relativistici. Per citare F. Selleri: "La fisica è un'attività umana e da noi prende il difetto di sbandierare i successi e di nascondere le difficoltà e i fallimenti. Così un grande silenzio ha circondato l'effetto Sagnac (del 1913) per il quale esiste una vera e propria incapacità esplicativa delle due teorie relativistiche, nonostante i tentativi di Langevin, Post, Landau e Lifshitz". Sembra proprio che la velocità della luce nel caso delle piattaforme rotanti non sia invariante e quindi la TRS generi una discontinuità! Questo è un bel grattacapo per i relativisti, staremo a vedere gli sviluppi del caso...

Nessuno possiede il sapere assoluto, ma la condivisione delle conoscenze rappresenta un fattore fondamentale per crescere!

È normale essere confusi davanti a qualcosa che va contro il senso comune. In effetti nella vita di tutti i giorni siamo abituati ai concetti classici della fisica, dove il concetto di velocità non risulta mai invariante. Per esempio osservando un'automobile che viaggia ad una velocità di 130 Km/h rispetto al sistema di riferimento inerziale della strada, noteremo che sorpasserà un'altra automobile che viaggia ad una velocità di 100 Km/h sempre rispetto al sistema strada. La velocità della prima automobile rilevata dalla seconda automobile sarà pari a 30 Km/h, cioè alla velocità della prima andrà a sottrarsi la velocità della seconda, in quanto il verso della velocità è lo stesso (viceversa nel caso di verso contrario). Le cose, almeno per quello che sembra finora, cambiano quando ci si avvicina alle cosiddette velocità relativistiche, cioè prossime a quella della luce. Infatti un raggio di luce si allontanerà/avvicinerà ad un qualsiasi osservatore in quiete o in movimento, sempre alla stessa velocità. Nel caso dell'esempio da te mensionato, la luce avrà sempre una velocità di circa 300.000 Km/s!

Tuttavia si deve tener presente che il Principio di Invarianza, secondo postulato su cui si basa la teoria della relatività ristretta, risulta del tutto convenzionale! Proprio così, per ammissione dello stesso A. Einstein: "Finora abbiamo definito solo un 'tempo A' e un 'tempo B'. Non abbiamo definito un 'tempo' comune per A e B, perché quest'ultimo non può affatto essere definito a meno che non stabiliamo per definizione che il 'tempo' richiesto dalla luce per viaggiare da A a B eguagli il 'tempo' richiesto per viaggiare da B ad A." - [Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik 17, 891-921 (1905)]. Le parole di Einstein sono dovute a quanto affermava H. Poincaré sull'impossibilità di misurare la velocità di un sistema che si propaga tra due punti distinti. Questo perché all'epoca non si conosceva un metodo valido per la sincronizzazione degli orologi, quindi considerando la possibilità di utilizzare esclusivamente lo stesso orologio per effettuare le misure del tempo, era possibile ottenere solamente la misurà della velocità di andata e ritorno:

La misura, per quanto precisa, del tempo impiegato (t₃ - t₁) da un raggio di luce a tornare nel punto A di partenza (sopo esser stato riflesso da uno specchio), non dimostra affatto che i tempi impiegati per arrivare da A a B (lo specchio) e da B a A siano uguali. Per questo motivo Poincaré riteneva impossibile verificare la veridicità del postulato! Einstein fu costretto ad assumere l'invarianza della velocità della luce convenzionalmente proprio per l'impossibilità di risolvere empiricamente il problema. Anche se questo può sembrarci incredibile, non dimostra la falsità del postulato sull'invarianza di c, in quanto oggi siamo in grado di misurare la velocità della luce con un errore mille volte più piccolo di quanto necessario per rivelare gli effetti dovuti al movimento della Terra previsti dalla fisica classica:

Quindi rispondendo alla tua domanda: "Entro un piccolo errore la velocità della luce di andata e ritorno è invariante perché non cambia né con la direzione di propagazione né con l'epoca in cui viene misurata." - [F. Selleri]

PS. Fai attenzione con gli esperimenti casalinghi! ;-)

D'accordo Stefan, io comprendo il tuo disappunto su qualcosa che non riesci a spiegare con il buon senso. E non posso che essere d'accordo con te su questo disappunto. Bisogna dire che non è tutto oro ciò che luccica, troppe convenzioni e sistemazioni ad hoc sono state utilizzate per far funzionare le teorie relativistiche, e negli ultimi anni sempre più esperti del settore cercano di comprenderne i motivi. Risulta chiaro, per ammissione dello stesso A. Einstein, che siamo lontani dal possedere una base concettuale della fisica sulla quale poter confidare. Questo anche perché nell'ultimo secolo siamo stati impegnati a verificare una teoria, all'apparenza corretta su "quasi" tutti i fronti, che potrebbe esser fondata su presupposti sbagliati! Vediamo di analizzare insieme gli errori a monte della teoria einsteiniana (e qui la discussione si infiamma), errori che erano stati previsti dallo stesso N. Tesla, che comunque considerava ciò un evento positivo: "Sono anche grato ad Einstein ed altri perché attraverso le loro teorie erronee allontanano l'umanità da quel percorso pericoloso che io ho seguito".

Possiamo partire dal fatto che A. Einstein apprese dell'esperimento di A. A. Michelson quando era ancora uno studente, accettando come un dato di fatto il risultato nullo dell'esperimento e convenendo che l'ipotesi della Terra in movimento rispetto all'Etere non fosse corretta. Quello che sconcerta però è che a quel livello (massimi esponenti della fisica) non è concepibile trascurare - o se vogliamo approssimare - i dettagli di un esperimento, a maggior ragione se poi ci si costruisce sopra un'intera struttura teorica! In effetti se analizziamo in dettaglio, l'esperimento di Michelson-Morley del 1887 diede un risultato al di sotto delle aspettative teoriche (30 Km/s), ma non nullo: "La velocità relativa della Terra e dell'Etere è probabilmente inferiore a un sesto della velocità orbitale (5 Km/s) e certamente inferiore a un quarto (7.5 Km/s) [...] l'esperimento dovrà essere ripetuto" - [A. A. Michelson, E. W. Morley, Am. J. Sci. 34, 333 (1887)]!! Come è successo spesso nella storia però (vedi anche lo stesso Tesla), guarda caso la vita di Michelson venne distrutta da un'accusa di molestie sessuali nei confronti della sua cameriera, impedendo le ripetizioni dell'esperimento in previsione. Michelson affermò nuovamente - guarda caso - che il risultato dell'esperimento era nullo e tutti accettarono incredibilmente le sue affermazioni come un dato di fatto! Vediamo ora quale errore ha commesso Michelson nel suo esperimento, cercando di capire perché esso passò inosservato.

Partiamo da questa importante dichiarazione di J. C. Maxwell: "È evidente che la velocità della luce () e il rapporto delle Unità () sono quantità dello stesso ordine di grandezza. Nessuna delle due può dirsi oggi determinata con un tale grado di accuratezza da consentirci di affermare che una è maggiore o minore dell'altra. È sperabile che, grazie ad ulteriori esperimenti, le relazioni tra le grandezze delle due quantità, possano essere determinate più accuratamente. Nel frattempo la nostra teoria, che afferma che queste due quantità sono eguali, e assegna una ragione fisica di questa uguaglianza, è certamente non contraddetta da questi risultati così come sono" - [J. C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, Dover, 1954, Vol.II, p.436]. Cioè la differenza tra la velocità cinematica della luce e la velocità elettromagnetica della luce:

Risulta chiaro che queste due grandezze siano distinte, ma vengono sempre considerate come uguali e identificate con c. La relazione tra queste due grandezze risulta:

Quindi è evidente che = per , cioè le due grandezze coincidono nel sistema di riferimento dello spazio a riposo dotato di proprietà fisiche o Etere. Detto questo possiamo dire che l'errore commesso nell'impostazione dell'esperimento di Michelson sta nell'assunzione che l'effetto cercato dipenda dalla somma delle lunghezze dei cammini ottici (le braccia dell'interferometro) invece che dalla differenza di questi valori. Il risultato ingannevole diede lo slancio ad Einstein per elaborare la sua celebre teoria, ma cosa successe negli anni a seguire? Possibile che nessuno si accorse dell'errore di Michelson? Con Michelson fuori gioco, E. Morley ripeterà l'esperimento dal 1902 al 1905 insieme al fisico D. C. Miller, verificando un effetto leggermente maggiore ma sempre troppo piccolo rispetto alle previsioni (8,7 ± 0,6 Km/s) - [D. C. Miller, The Ether Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth, Rev. Mod. Phys. 5, 203 (1933)]. È vero che l'effetto è inferiore a quello previsto, ma la relatività si basa su un effetto nullo! Miller intuisce che qualcosa non quadra e comincia ad indagare in modo approfondito sulla verifica della teoria relativistica, ottenendo tra il 1921 e il 1925 una serie di risultati che confermarono l'esistenza di un vento d'Etere pari a 10,00 ± 0,33 Km/s! Einstein era a conoscenza dei risultati di Miller, ma li ignorò completamente (comprensibile dato che avrebbero mandato in frantumi la sua teoria, ma non accettabile).

L'aspetto che sconcerta di tutto ciò è che la teoria della relatività fu accettata completamente e senza indugi, nonostante tutti gli esperimenti interferometrici abbiano verificato valori non nulli sia in β che in β²! Passiamo ora ad analizzare l'effetto Sagnac. L'aspetto interessante di questo esperimento è l'deazione di un interferometro con un percorso ottico che racchiude un'area finita, dando la possibilità di misurare termini in β anziché in β² (Michelson-Morley).

Considerando e , tempo di andata e tempo di ritorno rispettivamente, abbiamo la seguente relazione:

Dove è lo spostamento di fase. Nel 1913 Sagnac provò la validità della relazione:

Questo incredibile risultato fu il primo a dimostrare l'esistenza di un effetto d'Etere pienamente in accordo con quanto previsto dalla teoria, dimostrando l'infondatezza della teoria della relatività!! Mi rendo conto che il quadro generale comincia a vacillare, ma andiamo avanti e vediamo che succede... Nel 1915 Einstein pubblicò la Teoria della Realtività Generale, la quale ebbe la prima "conferma" sperimentale nel 1919 osservando la deflessione dei fasci di luce in presenza di un forte campo gravitazionale (quello del Sole), durante un'eclissi solare. Sorprendentemente i dati raccolti dall'eclissi solare non poterono provare praticamente nulla: "non possiamo essere certi di che cosa fare di queste osservazioni" - [R. Adler, M. Bazin, M. Schiffer, Introduction to General Relativity, Mc Graw Hill 1965, p.193]! Ma Sir A. S. Eddington, le ragioni scientifiche sono ancora ignote, decise che i dati raccolti erano in pieno accordo con la teoria di Einstein e la cosa fu accettata con una rapidità e solidità al limite del sospetto. Ecco allora che P. Langevin sfruttò questo nuovo modello teorico, accettato su basi ignote, per salvare la relatività ristretta dall'attacco di Sagnac, spiegando che il risultato di Sagnac è causato dalle variazioni spazio-temporali impresse sul sistema di riferimento dalla piattaforma rotante ad esso connessa. Ovviamente questo tentativo laborioso di salvare la relatività speciale sa tanto di arrampicata sugli specchi, ed infatti le spiegazioni di Langevin sono considerate oggi del tutto infondate [R. A. Monti, Theory of Relativity: A Critical Analysis, Physics Essays, Vol.9, n.2, June, 1996, pp.238-260].

Per concludere, nel 1997 M. Allais analizzò accuratamente i risultati di Miller e ne confermò la correttezza [M. Allais, Michelson, Morley, Miller: the cover-up, 21th Century, Vol.11, n.1, Spring, 1998]. Successivamente nel 2006, pubblicò un'ulteriore conferma dei risultati di Miller affermando: "Tenendo conto di ciò che precede la Teoria della Relatività non ha più alcuna validità e di conseguenza una gran parte degli sviluppi attuali della Scienza devono essere completamente rivisti. Non restano altro che delle rovine".

Questa ricostruzione degli eventi poco chiari che orbitano intorno alle teorie relativistiche, è basata sul più approfondito e interessante lavoro di R. Monti "The real Einstein" - [The real Einstein (Il vero Einstein), di Roberto A. Monti, Gerardina A. Cesarano Monti - Edizioni Andromeda Scienza (2007)], che consiglio vivamente di leggere.

Quanto esposto sopra è doveroso nei confronti del "metodo scientifico", dove niente deve essere lasciato al caso o assunto per convenzione. Un costrutto teorico senza verifica sperimentale non potrà mai essere considerato "fisica", ma solo speculazione "matematica". La teoria relativistica ha avuto molto conferme sperimentali, ma essa pecca nella conferma sperimentale più importante riguardo le sue fondamenta! Questo significa che una teoria molto simile alla TRS potrebbe risolvere i problemi sopra mensionati, come afferma F. Selleri: "Una teoria quasi equivalente alla TRS dal punto di vista pratico (anche se molto diversa dal punto di vista concettuale) si rivela essere la sola che può descrivere correttamente la realtà fisica". Risulta chiaro però che l'accettazione tanto rapida quanto solida di concetti teorici non altrettanto solidamente verificabili sperimentalmente, getta un'arcana ombra sul corso della storia umana e il ramo scientifico non sembra fare eccezione.

PS. In merito all'effetto Doppler, la spiegazione che trovi su wikipedia è quella relativistica! Potrebbe non essere una buona idea identificare il red-shift con l'effetto Doppler! Ma questo lo vediamo nel prossimo post... ;-)