Le particelle senza massa possono essere fermate?

Foto di copertina: Il rivelatore ATLAS, parte del Large Hadron Collider,
si trova a 100 metri sottoterra, dove misura varie proprietà delle particelle ad alta energia.
Crediti: Maximilien Brice/CERN

La natura delle particelle senza massa rappresenta uno dei temi più affascinanti e discussi nella fisica moderna. Fotoni e gluoni, due esempi paradigmatici, giocano ruoli fondamentali nell’universo. Ma è possibile fermare una particella senza massa? Per rispondere a questa domanda, è necessario esplorare le loro proprietà e le leggi fisiche che governano il loro comportamento.

Proprietà delle particelle senza massa

Le particelle senza massa, come i fotoni (mediatori della forza elettromagnetica) e i gluoni (mediatori della forza forte), si distinguono per la loro peculiarità di viaggiare sempre alla velocità della luce, c, in un vuoto. Questo comportamento è descritto dalla teoria della relatività ristretta di Einstein, secondo cui:

La velocità di una particella è determinata dalla sua massa a riposo e dall’energia totale.

Poiché le particelle senza massa non hanno una massa a riposo, devono necessariamente muoversi alla velocità della luce per mantenere coerente la relazione energetica (teorema di Pitagora relativistico):

E è l’energia, p è la quantità di moto, e c è la velocità della luce.

Perché le particelle senza massa non possono essere fermate

Fermare una particella senza massa significherebbe ridurne la velocità a zero. Tuttavia, secondo le leggi della fisica:

1. La relatività speciale: Una particella senza massa ha sempre una quantità di moto diversa da zero. Ridurre la velocità a zero implicherebbe anche annullare la sua energia cinetica. Per un fotone, ad esempio, ciò equivarrebbe a ridurre la sua lunghezza d’onda all’infinito o la sua frequenza a zero, il che è fisicamente impossibile.
2. Il concetto di massa a riposo: Le particelle senza massa non esistono in uno stato di quiete. A differenza di particelle massive che possono essere accelerate o decelerate, una particella senza massa esiste solo in uno stato dinamico.
3. Interazioni con il campo gravitazionale: Anche nel contesto della relatività generale, le particelle senza massa seguono le geodetiche dello spaziotempo. Ad esempio, i fotoni sono deviati dalla gravità (lente gravitazionale), ma la loro velocità rimane invariata.

Questi principi spiegano perché non è possibile fermare una particella senza massa.

Fotoni: mediatori della forza elettromagnetica

I fotoni sono le particelle più note senza massa. Essi sono responsabili della propagazione della luce e di altre forme di radiazione elettromagnetica. L’impossibilità di fermarli è legata alle proprietà della radiazione elettromagnetica stessa.

Secondo la teoria quantistica dei campi, un fotone è un quanto del campo elettromagnetico e la sua energia è data dalla relazione $E = hf$, dove $h$ è la costante di Planck e $f$ la frequenza. Se il fotone venisse fermato, la frequenza dovrebbe diventare zero, portando a un’energia nulla, cosa incompatibile con la natura stessa del fotone.

Gluoni: mediatori della forza forte

I gluoni, come i fotoni, sono privi di massa. Tuttavia, a differenza dei fotoni, i gluoni sono confinati all’interno degli adroni (protoni e neutroni) a causa della peculiarità della forza forte. Non possono esistere come particelle libere, un fenomeno noto come confinamento del colore. Questo significa che, pur essendo senza massa, non è neppure possibile concepire uno stato in cui siano fermi, poiché il loro ruolo è strettamente legato alla dinamica interna degli adroni.

Cosa succede nel caso di interazioni estreme?

Alcuni esperimenti propongono situazioni in cui i fotoni sembrano rallentare o interagire con la materia, come nel caso della materia ultrafredda (condensati di Bose-Einstein). In tali contesti, i fotoni possono apparire come se rallentassero, ma ciò non significa che siano stati realmente fermati. L’interazione con il mezzo modifica il modo in cui si propagano, riducendo la velocità apparente della luce, ma la velocità del fotone nel vuoto rimane costante e uguale a c.

Eccezioni apparenti: rallentare la luce

Un caso particolare è quello in cui la luce viaggia attraverso mezzi materiali come il vetro o l’acqua. Qui, la velocità della luce è inferiore a c, ma ciò non implica che i fotoni siano stati fermati. La diminuzione di velocità riflette l’interazione tra il campo elettromagnetico e gli atomi del materiale.

Un esperimento famoso è quello condotto da Lene Hau nel 1999, in cui i fotoni sono stati apparentemente rallentati fino a pochi metri al secondo in un condensato di Bose-Einstein. Tuttavia, i fotoni non erano stati realmente fermati, ma assorbiti e riemessi dal mezzo.

Implicazioni filosofiche e pratiche

L’impossibilità di fermare una particella senza massa non è solo una curiosità teorica, ma ha profonde implicazioni nella nostra comprensione dell’universo. Ad esempio, la velocità costante della luce è alla base delle equazioni di Maxwell e della teoria della relatività ristretta, che hanno rivoluzionato la fisica moderna.

Inoltre, le particelle senza massa svolgono un ruolo chiave nei processi cosmologici. I fotoni, ad esempio, sono alla base del fondo cosmico a microonde, una delle prove più importanti del Big Bang. I gluoni, d’altro canto, determinano le proprietà degli adroni, che costituiscono la materia visibile dell’universo.

Le particelle senza massa non possono essere fermate a causa delle leggi fondamentali della fisica. La loro velocità è sempre pari a quella della luce nel vuoto, e il loro comportamento è governato da principi come la relatività speciale e la teoria quantistica dei campi. Sebbene esperimenti avanzati abbiano permesso di rallentare la propagazione apparente della luce, la natura intrinseca delle particelle senza massa rimane invariata.

Comprendere meglio queste particelle non solo approfondisce la nostra conoscenza dell’universo, ma ci permette anche di sviluppare tecnologie avanzate, come i laser e i sistemi di telecomunicazione basati sulla luce. Le particelle senza massa, con la loro velocità inarrestabile, continueranno a essere uno dei pilastri fondamentali della fisica moderna.

Fonti:

• Einstein, A. (1905). “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”. Annalen der Physik.
• Peskin, M., & Schroeder, D. (1995). “An Introduction to Quantum Field Theory”. Addison-Wesley.
• Lene Vestergaard Hau et al. (1999). “Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas”. Nature. DOI: 10.1038/17561.