La luce si propaga nel vuoto a una velocità costante di poco meno di 300 000 km/s.
Attraverso mezzi materiali la velocità può essere molto minore: per esempio un fotone o un'onda luminosa che parte dal centro del Sole può raggiungere la superficie anche dopo milioni (?) di anni.
Ora, tempo fa, ho letto sulla stampa quotidiana che si sono realizzati esperimenti in cui è stata superata la velocità della luce; viceversa in qualche altro esperimento è stata bloccata la luce.
Si è accennato a velocità di fase e velocità di gruppo.
Che significa questo? Qual è la velocità che supera quella della luce? Perché comunque la teoria della relatività non viene violata?
Alberto Zuccheri
6 maggio 2001
Le asserzioni circa la velocità della luce che aprono la sua domanda sono corrette. In particolare la velocità della luce dipende dall'indice di rifrazione del mezzo in cui si propaga. Tuttavia, nel caso del Sole (circa il quale la sua asserzione è pure corretta) il processo non può schematizzarsi semplicemente dicendo che all'interno del Sole c'è un indice di rifrazione che rallenta la luce al valore da lei citato per cui può impiegare milioni di anni per raggiungere la superficie. Nel caso del Sole quello che accade è che il fotone subisce un'infinità di processi d'urto casuali, che lo deviano continuamente, per cui, se mi permette l'analogia, è come se il fotone si muovesse lungo una specie di filo avvolto a formare un gomitolo sferico. Anche se il raggio del gomitolo è di 10 centimetri, il filo (e quindi il reale percorso del fotone) può essere lungo vari kilometri.
Circa gli esperimenti che sembrano mostrare propagazione a velocità superiore di quella della luce, il problema è estremamente complesso e gli esperimenti sono stati eseguiti con onde di lunghezza d'onda tipica delle microonde. E qui entrano in gioco, in un modo sottile e che non posso spiegarle nei dettagli, effetti di velocità di gruppo e di fase.
Lei chiede cosa significhino queste espressioni. Il caso più semplice che lei conosce bene è quello delle onde in un liquido. Se lei getta un sasso in uno stagno si propagano delle perturbazioni circolari. Bene, il raggio del cerchio (che cresce nel tempo) rappresenta la velocità di gruppo, ma se lei osserva bene la zona dell'onda, vedrà che la distribuzione delle creste e delle valli si propaga con velocità diversa. Questo è dovuto al fatto che la perturbazione contiene "onde" di diversa frequenza che si propagano con diversa velocità — la velocità di fase — ma esse interferiscono distruttivamente quasi dappertutto meno che in una opportuna regione, che è appunto il cerchio, il quale si propaga con la velocità di gruppo.
Il problema della propagazione a velocità superluminale è alquanto delicato e ha a che vedere con le modalità con cui si definiscono i "tempi d'arrivo di un segnale" (nel mio esempio, se lei considera a due istanti diversi il centro dell'anello che si dilata attribuisce una certa velocità di gruppo, mentre se confronta il centro a un certo istante con l'estremo esterno dell'anello a un altro istante, può attribuire all'anello una velocità diversa da quella di gruppo). È un problema estremamente delicato che io ho ipersemplificato ma comunque non entra in alcun conflitto con la teoria della relatività.
Per quanto riguarda gli esperimenti in cui si è "bloccata"la velocità della luce, può pensarli come esperimenti in cui, per mezzo di tecniche raffinatissime, si realizza una situazione con un indice di rifrazione così grande che la luce impiega un tempo enorme ad attraversare una regione limitata di spazio (vale a dire la luce non viene fermata, ma incredibilmente rallentata). Questo può risultare estremamente utile per nuovi, significativi esperimenti.