È possibile superare la velocità della luce? Sì: cos’è l’effetto Čerenkov

L'effetto Čerenkov avviene quando una particella elettricamente carica emette radiazione elettromagnetica (luce) mentre attraversa un mezzo materiale a una velocità più alta di quella a cui viaggia la luce in quel materiale. Sì, è possibile viaggiare più rapidamente della luce, a patto di farlo in un mezzo materiale. Il limite assoluto di velocità dell'universo è infatti la velocità della luce nel vuoto, che vale 299.792.458 m/s, ma la luce viaggia più lentamente in un materiale, pertanto la fisica non vieta a una particella di superare la luce a patto di rimanere sotto il valore di 299.792.458 m/s. Quando a farlo è una particella carica, per esempio un elettrone, l'effetto che si crea è una sorta di analogo elettromagnetico di un boom sonico, dove il “boom” è sostituito con l'emissione di luce blu. L'effetto Čerenkov viene sfruttato in fisica per rilevare particelle veloci ed energetiche, come i neutrini, oppure in astronomia per studiare i raggi cosmici.

La scoperta dell'effetto Čerenkov

Il fenomeno prende nome dal fisico sovietico Pavel Alekseevič Čerenkov che nel 1934 notò l'emissione di una luce bluastra da una bottiglia d'acqua sottoposta a bombardamento radioattivo. Molti prima di lui avevano già osservato questo particolare effetto luminoso, attribuendolo al fenomeno della fluorescenza. Čerenkov non era però convinto di questa conclusione e già i suoi primi esperimenti gli dettero ragione. Il giovane fisico sovietico scoprì infatti che la radiazione era indipendente dalla composizione del liquido scelto, in completo contrasto con l'ipotesi della fluorescenza. Tra il 1934 e il 1937 Čerenkov pubblicò i suoi risultati sulle proprietà della nuova radiazione appena scoperta, risultati che lo portarono al conseguimento del premio Nobel per la Fisica nel 1958, condiviso con Igor' Evgen'evič Tamm e Il'ja Michajlovič Frank, i quali contribuirono alla spiegazione fisico-matematica del fenomeno.

Come funziona l'effetto Čerenkov e perché la luce emessa è blu

Per capire da dove si origina quella luce bluastra osservata dal fisico sovietico abbiamo bisogno di due ingredienti: un mezzo e una particella carica in grado di superare la velocità della luce in quel mezzo. Le particelle cariche generano attorno a esse un campo elettrico, il quale tenderà ad attrarre particelle di carica opposta e a respingere quelle con la stessa carica elettrica. Quando una particella carica (per esempio un elettrone) attraversa un mezzo, poiché le molecole di quest'ultimo sono composte da particelle cariche, queste risentiranno del campo elettrico dell'elettrone e tenderanno ad allontanarsi o ad avvicinarsi a esso. Si dice che il mezzo è stato polarizzato dall'elettrone.

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Cos’è l’effetto fotoelettrico? Definizione e applicazioni

Una volta che l'elettrone si allontana, le molecole che costituiscono il mezzo ritornano alla loro posizione originaria, e possono farlo emettono radiazione elettromagnetica. Finché la velocità della particella carica è minore della velocità della luce nel mezzo la radiazione emessa dalle molecole non risulta visibile. In caso contrario, la particella viaggia più velocemente della perturbazione del campo elettrico, che si propaga alla velocità della luce in quel mezzo. Il mezzo risulta polarizzato dietro la particella, mentre le molecole davanti a essa non hanno ancora subito il suo effetto. La radiazione emessa dalle molecole del mezzo prende quindi la forma di un cono di luce che parte da dietro la particella carica e la cui apertura dipende dalla velocità della particella carica: più veloce è la particella e più la luce si concentra su un cono stretto. Quello che si crea è un processo simile al boom sonico emesso dagli aerei che superano la velocità del suono: l'aereo è l'analogo della particella carica, mentre la velocità superata è quella della luce nel mezzo anziché quella del suono nell'aria.

La radiazione emessa dalle molecole è composta soprattutto da raggi ultravioletti, ma comprende anche una parte di luce visibile, in particolare nel blu. Questo è il motivo per cui Čerenkov osservava una luce di colore bluastro, indipendentemente dalla composizione del liquidi attraversati dalle particelle cariche dovute alla radioattività. Per inciso, questo è anche il motivo per cui il Dr. Manhattan, protagonista del fumetto Watchmen di Alan Moore e Dave Gibbons, è proprio di questo colore.

Quali sono le applicazioni dell'effetto Čerenkov

In ambito fisico l'effetto Čerenkov è molto utile per rivelare particelle cariche veloci ed energetiche, grazie alla tipica emissione luminosa che provocano, e per misurarne la loro velocità. Il suo studio ha portato per esempio alla scoperta dell'antiparticella del protone nel 1955. Negli anni '90, l'effetto Čerenkov è stato impiegato da rilevatori come SuperKamiokande in Giappone o il Sudbury Neutrino Observatory in Canada, i quali sono stati essenziali per dimostrare che i neutrini possiedono una massa.

Uno dei principali scopi dei rivelatori Čerenkov è quello di studiare i raggi cosmici provenienti dallo spazio, ne sono un esempio i telescopi MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes) alle Canarie, i quali fanno parte di una categoria chiamata appunto telescopi Čerenkov.

Un ulteriore utilizzo dei rivelatori Čerenkov riguarda la sicurezza nucleare. Misurando la radiazione Čerenkov presente negli stagni in cui sono immagazzinate le scorie nucleari, è possibile determinare se la quantità di combustibile nucleare esaurito riportata è accurata o meno, in modo così da capire se il materiale nucleare è stato deviato dall'uso pacifico.