La velocità della luce

Ho appena risposto a una domanda in un gruppo di Fisica: avendo scritto un discreto papiro in risposta, ho deciso di farne un post 😎

Una domanda da semiprofano… forse un argomento già trattato, nel qual caso spero mi scuserete.
Ho letto tanti post sulla velocità della luce, sui fenomeni ad essa legati, sul fatto che sia la massima velocità possibile… ma non ho mai sentito una spiegazione sul PERCHÉ la velocità sia proprio quella.

Mi chiedo se si conosca il “meccanismo” che fa sì che le particelle prive di massa si muovano proprio a quella velocità.

Grazie

Di seguito la risposta (con alcune migliorie).


La domanda in sé non è stupida; però non è neanche corretta: non è insomma una domanda a cui dare risposta, ma una domanda da dissolvere.

Perché un metro è proprio quella lunghezza lì? Lo è per motivi storici: corrisponde a (circa) un decimilionesimo di quarto di meridiano terrestre.
Ma in realtà è un’unità di misura come un’altra: del tutto umana. I pollici sono peggio dei centimetri solo perché le usano quattro stupidi paesi al mondo e fare conversioni di unità di misura è un’operazione tediosa e prona ad errori: ma non è che siano intrinsecamente sbagliate.
Un pollice sono 2,54 centimetri, ma questo valore è dovuto unicamente a come abbiamo scelto le due unità di misura pollice e centimetro.

E il secondo, l’unità di misura del tempo? Stesso discorso.

Ora, il valore numerico di c è noto essere: 299’792’458 m/s.
Ma se usiamo unità di misura diverse dal metro al secondo (che so: le pertiche al quarto d’ora😄) si ha un valore numerico diverso: questo evidenzia che non è il valore numerico in sé ad essere importante, ma la quantità fisica che esso rappresenta.

Cosa rappresenta c? Di nome, si chiama “velocità della luce nel vuoto”, ma in realtà non è direttamente legata alla luce: rappresenta la velocità di propagazione massima di qualunque segnale; il fatto che la luce si propaghi (nel vuoto) sempre a questa velocità, è dovuto unicamente al fatto che il campo elettromagnetico, di cui la luce è una manifestazione, è mediato da particelle prive di massa (fotoni).

Una del tutto lecita obiezione sarebbe: “Sì, ma perché è proprio tot? Non mi hai mica risposto!”
È vero, non ho (ancora) risposto. Si potrebbe rispondere “perché la Natura ha scelto così”: ma non è che sia una risposta soddisfacente.
E qui veniamo al punto, la dissoluzione della domanda: quanto letto finora era solo propedeutico al vero discorso (manca poco, giuro).

Oltre a rappresentare la velocità di propagazione massima di qualunque segnale, c è proprio una parte essenziale delle trasformazioni di Lorentz: queste sono le trasformazioni che permettono di passare da un sistema di riferimento all’altro.
Avrete sentito parlare dei fenomeni di contrazione delle lunghezze e dilatazioni dei tempi, in Relatività Speciale; questi fenomeni si possono inquadrare nel più generale concetto che spazio e tempo non sono entità distinte: passando da un sistema di riferimento all’altro, lo spazio diventa (in parte) tempo e il tempo diventa (in parte) spazio.
Detta così pare fuffa newage -purtroppo è d’uso tra fuffari storpiare la Fisica, Relatività Speciale e Meccanica Quantistica sono i bersagli preferiti- ma le trasformazioni di Lorentz sono leggi precise che quantificano esattamente questo (e non è neanche pura speculazione teorica, come un profano potrebbe pensare: il riscontro sperimentale è enorme).

Quindi: cos’è c? Se la esprimiamo in metri al secondo, essa è, numericamente… la costante di conversione tra metri e secondi: proprio come 2,54 è la costante di conversione tra centimetri e pollici! Se la esprimessimo in pertiche al quarto d’ora, sarebbe la constante di conversione tra pertiche e quarti d’ora: perché spazio e tempo sono concetti separati -talmente separati da meritare diverse unità di misura- solo nella nostra umana testa.

Questa potrà sembrare una risposta a presa per il culo… ma in realtà i fisici ci sguazzano sul serio; e non ci si mette neanche troppo ad abituarvisi, anzi: una volta fatta l’abitudine, non se ne fa più a meno!
È diffusissima in Fisica la convenzione di non usare metri e secondi per indicare lunghezze e tempi, ma solo uno dei due, e porre direttamente c=1. Non 1 metro al secondo o altre unità di misura: un 1 secco, adimensionale. Monsieur de La Palice direbbe che un metro è uguale a un metro, così come un secondo è uguale a un secondo: uno uguale uno, le unità di misura identiche si elidono ad ambo i membri.
Sono le cosiddette unità di misura naturali: naturali proprio perché non dipendono dagli accidenti storici -aneddoticamente interessanti ma scientificamente irrilevanti- come la lunghezza del pollice del defunto re d’Inghilterra o la circonferenza del pianeta si cui ci siamo guarda caso evoluti.

In tale convenzione, appunto, tempo e spazio sono due facce della stessa medaglia: di conseguenza è assolutamente naturale usare la stessa unità di misura, e 299’792’458 diventa solo uno stupido numero privo di importanza fisica, proprio come 2,54.
Chiedersi perché c vale tot è del tutto equivalente a chiedersi perché il rapporto tra centimetri e pollici vale tot: perché noi abbiamo scelto così le unità di misura di partenza (metro e secondo: per meri accidenti storici); e non, come si sarebbe tentati a rispondere, “perché la Natura ha scelto così”.¹

Questo dovrebbe aver… non risposto alla domanda ma, appunto, averla dissolta 😎


¹ Se proprio vogliamo che la Natura abbia “scelto” qualcosa, allora essa ha scelto che tempo e spazio siano due facce della stessa medaglia: ma più che una scelta della Natura, direi che questo rivela una limitatezza del nostro intuito a volerli considerare distinti in primo luogo. Quindi forse sarebbe ancor meglio dire che la Natura abbia “scelto” di darci un intuito fallato.
Intuito che, non dobbiamo mai dimenticare, è il risultato dell’evoluzione; e lo “scopo” dell’evoluzione non era darci cervelli in grado di “giungere al vero”: lo scopo era darci cervelli in grado di farci sopravvivere nell’ambiente ancestrale in cui ci siamo evoluti!
In tale contesto, le velocità tipiche sono talmente basse che tempo e spazio possono essere considerati separati all’atto pratico: d’altra parte, le “obsolete” e ben più antiche trasformazioni di Galilei (in cui spazio e tempo non si mischiano mai), oltre che essere straordinariamente più intuitive, sono un’egregia approssimazione per basse velocità delle più generali trasformazioni di Lorentz!
Evidentemente questa separazione mentale aveva dei vantaggi computazionali che hanno favorito un tale intuito sì “sbagliato”, ma probabilmente più rapido (e/o neurologicamente meno oneroso) per decidere efficacemente come lanciare il sasso in modo da colpire la preda e non morire di fame.
Qui entriamo nella psicologia evoluzionistica: ho solo accennato l’argomento ma, non essendo il mio campo, non mi addentro in spiegazioni più approfondite perché potrei dire sonore minchiate (già che ho parlato di “scopo” dell’evoluzione, ho semplificato troppo: l’evoluzione non ha scopo); sicché mi fermo qua. Di buona letteratura sull’argomento ce n’è tanta 😎