Che succede se la velocità della luce non è più quella di una volta

Dopo la sua morte, Albert Einstein non ha certo avuto una vita facile. Nonostante le migliaia di verifiche sperimentali che hanno confermato con assoluta precisione la sua teoria della relatività, che all’epoca in cui fu per la prima volta esposta – nel 1905 – era appunto solo una teoria priva di riscontri empirici, c’è sempre chi spera di demolire quello che oggi è il più solido tempio della fisica moderna. Non fosse altro perché Einstein è Einstein, un’icona, un “mostro sacro”, e coglierlo in fallo vorrebbe dire riscrivere in buona parte la fisica odierna e aggiudicarsi un sicuro premio Nobel. Perciò, di dichiarazioni sensazionalistiche al riguardo ne sono state fatte tante, nessuna delle quali davvero capace di incrinare la solidità della fisica relativistica. Eppure, il risultato raggiunto dall’esperimento CNGS (Cern Neutrinos to Gran Sasso) è tale da far tremare i polsi, perché ad annunciarlo non è certo un misconosciuto scienziato fai-da-te, ma la più importante comunità scientifica oggi attiva, che fa a capo al miracoloso acceleratore di particelle LHC del Cern di Ginevra. Proprio quello che, secondo teorie catastrofiste in voga qualche anno fa su Internet, avrebbe potuto produrre un buco nero capace di inghiottire tutta la Terra. Invece, il potentissimo acceleratore sta producendo scoperte sorprendenti e gli scienziati di tutto il mondo guardano a Ginevra allo stesso modo in cui le borse mondiali attendono trepidanti i responsi di Wall Street.

Di per sé, la storia sembra molto più banale rispetto alle dichiarazioni sensazionalistiche dei media. Un fascio di neutrini, sparato dal Cern di Ginevra in direzione dei laboratori del Gran Sasso penetrando immense barriere di roccia (non certo viaggiando all’interno di un tunnel…) è arrivato a destinazione con 60 nanosecondi d’anticipo sui tempi previsti. Per capirci, un nanosecondo è un miliardesimo di secondo, e la differenza registrata rispetto alla velocità prevista, quella della luce – circa 300.000 km/s –, è di appena lo 0,0025%. Ma le implicazioni sono enormi. Gli scienziati si aspettavano che i neutrini viaggiassero a una velocità di poco inferiore a quella della luce: mai avrebbero immaginato che invece la superassero! Per capire le conseguenze possibili di questa scoperta bisogna comprendere alcuni elementi di base della fisica contemporanea.

Che conseguenze ha la scoperta del Cern?

Innanzitutto, perché esiste il limite della velocità-luce? Nella sua teoria della relatività ristretta, Einstein aveva fatto notare che tutto è relativo, compresi lo spazio e il tempo. Viceversa, la velocità di luce è una costante universale (indicata con c): dovunque e in qualsiasi momento ci troveremo a misurarla, scopriremo che è sempre pari a circa 300.000 km/s nel vuoto. Ma perché proprio la luce? Perché la luce è impacchettata all’interno di una particella, il fotone, che non ha massa. Una conseguenza dalla nota equazione E=MC2 è che un qualsiasi corpo accelerato alla velocità della luce (c) dovrebbe aumentare la sua massa (m) all’infinito e richiedere un’energia necessaria per accelerarlo (e) infinita, entrambi cose impossibili. Il problema non si pone con il fotone, che non ha massa e quindi ha una velocità che è la massima raggiungibile nel cosmo: qualsiasi altra particella dotata di massa, dunque, deve necessariamente muoversi a una velocità inferiore. Per molto tempo si è ipotizzato che il neutrino non avesse massa, e pertanto viaggiasse alla velocità della luce. Esperimenti successivi hanno messo in dubbio questo assunto. Dunque, il fatto che un neutrino possa superare, per quanto di pochissimo, la velocità della luce, vuol dire che la costante fondamentale c non è più tale: o che, perlomeno, il record di velocità nell’universo non appartiene più al fotone ma al neutrino.

Il "valore" dei neutrini

Ma cos’è un neutrino? Quella del neutrino è una storia molto italiana. A suggerirne per la prima volta l’esistenza fu Enrico Fermi, che battezzò così una particella allora soltanto teorizzata ma non osservata sperimentalmente. Doveva esistere, secondo gli scienziati, perché altrimenti la meccanica del decadimento radioattivo aveva qualcosa di sbagliato: quando un nucleo atomico radioattivo decade, produce infatti un’energia che all’epoca non si capiva bene da cosa fosse veicolata. Doveva trattarsi di una particella priva di massa dotata solo di una certa quantità di energia. Trovarla non fu facile: essendo priva di massa, non interagiva facilmente con il resto della materia. In effetti i neutrini viaggiano nell’universo superando qualsiasi barriera: passano all’interno del nostro corpo senza lasciare traccia, penetrano la Terra senza fermarsi nella loro folle corsa verso l’infinito. È stato calcolato che un neutrino dovrebbe sfrecciare all’interno di un blocco di piombo spesso 100 anni luce prima di avere solo il 50% di probabilità di fermarsi, interagendo con una particella dotata di massa e venendo da essa assorbito. Non c’è da stupirsi che la caccia al neutrino abbia costretto gli scienziati a fare salti mortali. I laboratori del Gran Sasso si trovano in profondità sotto la roccia perché in questo modo tutte le altre particelle dell’universo vengono fermate dal suolo terrestre tranne i neutrini, che penetrano il terreno e giungono fino ai rilevatori costruiti dai fisici. Un altro italiano, Bruno Pontecorvo, suggerì un metodo per individuare l’esistenza dei neutrini. Nelle profondità del sottosuolo del South Dakota, nel 1968, fu posto un enorme serbatoio riempito con 400.000 litri di tetracloroetilene. Si tratta di un composto organico costituito principalmente dall’isotopo Cloro-37, così detto perché costituto da 17 protoni e 20 neutroni (la loro somma costituite il “peso atomico” di un atomo). Se un neutrino si scontra con uno dei neutroni di Cloro-37, il fortunato neutrone decade emettendo un elettrone e trasformandosi in un protone. Quello che ne deriva è un nuovo atomo, costituito ora da 18 protoni e 19 neutroni: l’Argo-37. Raccogliendo nel serbatoio i neutrini prodotti dal Sole, fu possibile osservare che una minuscola ma sperimentalmente significativa quantità di Cloro-37 si era trasformata in Argo grazie all’interazione con i neutrini. Da allora, sappiamo che esistono.

Ma la storia non finì lì. Infatti si scoprì, con grande stupore degli scienziati, che il neutrino, dopo tutto, ha una massa. Nel 1980 un primo esperimento compiuto a Mosca portò ad annunciare che il neutrino possiede una massa di 45 eV (elettronvolt). Questo risultato è stato successivamente messo in discussione: verifiche sperimentali ne hanno significativamente abbassato il valore, che oggi risulta compreso tra 1 e 2 eV. Una massa così insignificante, fino a un milione di volte inferiore a quella dell’elettrone, che è la particella atomica più leggera, è talmente elusiva che ancora non si può dire con certezza che il neutrino abbia davvero una massa. E qui arriviamo alle sorprendenti conseguenze derivanti dalla scoperta del Cern-Gran Sasso.

Delle due l’una: o il neutrino non ha massa, e allora può effettivamente viaggiare a una velocità di circa 300.000 km/s, o la possiede, e quindi non può viaggiare a quella velocità ma deve andare un po’ più piano. Come è possibile allora che vada addirittura un po’ più veloce? Può anche essere che verifiche successive, che verranno effettuate dagli Stati Uniti, mettano in discussione questa scoperta. Ma non è detto. È molto probabile che invece venga effettivamente confermato che il neutrino supera dello 0,0025% la velocità della luce. Secondo alcuni, c’è poco di cui preoccuparsi: magari i neutrini vanno più veloci, e allora semplicemente la costante c sarà data non più dalla velocità dei fotoni ma da quella dei neutrini nel vuoto, e l’equazione E=MC2 resterà tale, considerando solo che c è appunto ora dato dalla velocità del neutrino. Anche in questo caso le conseguenze sarebbero significative, ma non tanto quanto quelle che emergerebbero se effettivamente si ammettesse che il neutrino possiede una massa. Infatti, riprendendo l’equazione di Einstein, si è detto che nessun corpo dotato di massa, per quanto piccola, possa viaggiare alla velocità della luce; figuriamoci superarla! Ma se il neutrino ha massa, come invece sembra accertato, nel momento in cui interagisse con un’altra particella, venendone arrestata, dovrebbe trasformare la sua massa in energia, e produrre quindi un’energia infinita. Nulla di tutto questo è stato osservato, anche perché se ciò avvenisse l’universo sarebbe distrutto dalla liberazione di un’energia siffatta.

Quale prospettiva per la fisica?

Allora la prospettiva è quasi fantascientifica: la velocità del neutrino non sarebbe la velocità-limite, ma esisterebbe una velocità ancora superiore, al di sotto della quale il neutrino può quindi tranquillamente viaggiare senza incorrere nel problema della massa-energia infinita. Se questo limite fosse significativamente superiore, e non di pochi nanosecondi, anche corpi di massa superiore a quella del neutrino potrebbero in teoria viaggiare a velocità vicine, uguali o superiori a quella della luce. Secondo alcuni fisici, particelle battezzate tachioni sfreccerebbero in effetti a velocità superluminali. Le bizzarre leggi della meccanica quantistica, per la verità, prevedono già che l’informazione superi la barriera di c. E’ il fenomeno dell’entanglement, che secondo Einstein costituiva un paradosso proprio perché imponeva il superamento della velocità della luce, un effetto considerato impossibile (si chiama “paradosso EPR” dalle iniziali di Einstein, Podolsky e Rosen che per primi lo teorizzarono). Senza entrare nei complessi dettagli, le verifiche sperimentali hanno accertato che due particelle prodotte dalla stessa particella-madre restano ‘legate’ anche a distanze superluminali, potendo istantaneamente produrre effetti l’una sull’altra quale che sia la loro distanza nell’universo. Un’eventuale conferma della scoperta del Cern-Gran Sasso potrebbe dare maggiore credibilità al fenomeno dell’entangelment, smentendo davvero Einstein, che riteneva tale fenomeno impossibile. Allora, in qualche modo, non esisterebbe nessun limite alla velocità dell’informazione nell’universo. La c non sarebbe più una costante.

C’è un problema che però frena gli scienziati. Le più grandi fonti naturali di neutrini sono le stelle, e soprattutto le supernove, poiché quando una grossa stella esplode libera una quantità enorme di neutrini. Nel 1987 i resti di una supernova lontana 168.000 anni-luce giunsero sulla Terra sotto forma di fotoni e neutrini. Se i neutrini avessero viaggiato a una velocità superiore a quella dei fotoni sarebbero dovuti arrivare circa quattro anni prima del segnale luminoso, ma invece la loro presenza fu individuata solo con poche ore di anticipo rispetto ai fotoni a causa del fatto che, secondo le previsioni, i neutrini vengono espulsi dalle supernove poco prima dell’esplosione finale (che emette i fotoni). Quindi, quei neutrini non andavano più veloce della luce. È vero però che si trattava di neutrini diversi da quelli dell’esperimento CNGS: erano neutrini elettronici, diversamente da quelli sparati dal Cern che sono muonici. Sì, perché i neutrini hanno tre “sapori” diversi (elettronico, muonico e tau) che possiedono masse diverse. Forse allora esiste un quarto sapore, il neutrino tachionico, che viaggia più veloce della luce? Forse, si sono spinti a ipotizzare altri, la velocità della luce è diversa nelle varie zone dell’universo? O magari i neutrini del Cern hanno preso una scorciatoia, penetrando per qualche istante all’interno di una dimensione nascosta, come prevede la teoria delle stringhe, secondo la quale esistono 10 dimensioni, di cui solo 4 (tre spaziali e una temporale) avvertibili con i nostri sensi?

Quale che sia la soluzione all’enigma, i fisici sanno che non sarà semplice. Se la scoperta sarà confermata, la teoria della relatività, pur restando valida, sarà superata da una teoria più completa, così come quella di Einstein superò perché più completa la teoria della gravità di Newton, che ancora oggi resta valida a scale “umane”. Pochi nanosecondi potrebbero stravolgere la nostra concezione del mondo; ormai, nemmeno la velocità della luce è più quella di una volta.