Lo studio delle possibili variazioni delle (supposte) costanti fondamentali della Natura costituisce un importante campo di ricerca in fisica: l’eventuale scoperta di un simile fenomeno implicherebbe cambiamenti profondi nelle leggi della fisica per come oggi le comprendiamo. Dal punto di vista puramente ipotetico, diverse teorie prevedono che la velocità della luce non sia costante nel tempo. Si tratta di teorie che permetterebbero di superare le nostre conoscenze attuali della fisica, arrivando per esempio ad unificare la meccanica quantistica con la relatività generale di Einstein. Data la portata di questi risultati, si capisce come sia essenziale confrontare queste congetture con le osservazioni empiriche della realtà.
Ci sono essenzialmente tre metodi utilizzati per misurare la variazione delle costanti universali. Il primo si basa su esperimenti di laboratorio. Gli orologi atomici e la strumentazione di precisione oggi disponibili permettono di valutare piccolissime variazioni delle costanti. Nessuno degli esperimenti finora condotti ha rivelato alcun cambiamento, fornendo limiti molto vincolanti sulla loro possibile entità. Numericamente, si parla di una variazione percentuale massima dell’ordine di 10-16 per anno: la velocità della luce varia non più che di una parte su 10 milioni di milardi per anno.
Nonostante l’incredibile precisione degli esperimenti, questo non è sufficiente ad escludere una variabilità nel lontano passato. Per analogia, possiamo considerare una persona adulta, la cui statura varia solo di poco dopo l’adolescenza; al contrario, la stessa persona era cresciuta significativamente da bambina. Come possiamo dunque misurare le costanti fondamentali durante l’infanzia dell’universo? La natura per fortuna ci ha fornito dei laboratori naturali. Uno di questi è rappresentato dal reattore naturale di Oklo, in Gabon (Africa; foto sulla destra, tratta da questo sito). Si tratta di un giacimento ricco di uranio in cui si sono instaurate in modo naturale reazioni nucleari di fissione. Questo reattore ha funzionato per milioni di anni, iniziando circa 1 miliardo e mezzo di anni fa. Durante la sua attività, diversi elementi chimici hanno subito trasmutazioni nucleari, esattamente come nelle centrali costruite oggigiorno dall’uomo. La proporzione con cui i vari elementi vengono trasformati tra di loro è dettata dalle leggi della fisica, che a loro volta dipendono da alcune delle costanti fondamentali, tra cui la velocità della luce. Analizzando la composizione chimica degli elementi trovati nella zona, si è potuto determinare a quale intensità le reazioni nucleari procedevano centinaia di milioni di anni fa, ed indirettamente determinare il valore delle costanti di natura a quell’epoca. L’analisi di questo grandioso esperimento non ha rilevato, ancora una volta, alcuna variazione misurabile.
Esiste un metodo per risalire ancora più indietro nel tempo, un metodo che sfrutta gli oggetti astronomici lontani. Dato che la velocità della luce è finita, osservando corpi celesti a grandi distanze, si sta osservando come erano molto tempo fa. Per le galassie e i buchi neri più lontani, si parla di una decina di miliardi di anni. La luce di questi oggetti è composta da fotoni, ciascuno caratterizzato da una specifica lunghezza d’onda. A causa dell’interazione con la materia, alcuni di questi fotoni vengono assorbiti durante il tragitto, per cui nello spettro della sorgente astronomica (l’insieme di tutti i fotoni ordinati secondo la loro frequenza) vengono a formarsi dei "buchi" (in gergo, righe di assorbimento; si veda la figura in fondo). La forma e l’intensità di queste righe dipende dal valore delle costanti di natura. Osservando gli oggetti astronomici possiamo in questo modo misurare il valore, per esempio, della velocità della luce come era miliardi di anni fa in una galassia lontana.
Quest’ultimo tipo di esperimenti ha portato recentemente, ed inaspettatamente, a risultati apparentemente positivi: le costanti fondamentali sembrerebbero variare! Un risultato di tale portata, però, va sottoposto a verifiche scrupolosissime. In particolare, lo stesso esperimento è stato ripetuto da diversi gruppi di ricercatori, portando a risultati in contrasto tra di loro: alcuni scienziati affermano che l’effetto sia reale, altri pensano sia dovuto a qualche sottile problema nelle misure. Ad oggi, la questione è molto dibattuta e ancora lontana dall’essere risolta con sicurezza, anche perché si tratta di un effetto così piccolo da essere al limite della sensibilità degli strumenti in uso. In effetti, per poter meglio affrontare il problema, lo studio della variazione delle costanti costituisce una delle motivazioni per costruire i telescopi di nuova generazione, i cosiddetti extremely large telescopes (telescopi un sacco grandi). Per avere risposte conclusive, dunque, ci toccherà attendere ancora un po’.
Precisazione tecnica. Esistono diverse costanti fondamentali di natura la cui variazione nel tempo è stata studiata. Nella discussione sopra ci si è focalizzati sulla velocità della luce c, anche se in realtà gli esperimenti si concentrano a tutti gli effetti su un altro numero, la cosiddetta costante di struttura fine α, che è legata a c tramite la relazione:
α = 2×π×e2/(h×c),
dove e è la carica dell’elettrone ed h è la costante di Plank. Come si vede, la misura coinvolge in realtà non solo c, ma anche altri parametri. I modelli teorici correnti si concentrano però sulla variazione di c e non delle altre costanti.
Per approfondire, ecco alcuni link:
una risposta dall’approccio più teorico ad un’analoga domanda (risponde Andrea Cittadini Bellini);
un’altra risposta (dal sito di Ulisse);
articolo di John Webb sulla variazione di α (formato PDF, in inglese).
Lo spettro di un quasar (un tipo particolarmente brillante di galassia lontana). Lo spettro mostra la quantità di energia emessa alle varie lunghezze d’onda. Si possono notare le righe di assorbimento dovute all’azione dei cosiddetti metalli (in astronomia, impropriamente, vengono detti metalli tutti gli elementi a parte idrogeno ed elio). Valutando la forma ed il profilo di queste righe, si possono inferire le proprietà degli atomi che le hanno causate. L’immagine é stata adattata da questo sito.
Se la velocità della luce ha subito lievi rallentamenti? Avreste dovuto scrivere grandi rallentamenti! Ma anche se lievi la teoria del Big bang finisce nel dimenticatoio, anche l’espansione accelerata finisce. Perfino la stessa espansione semplice finisce. Poi se varia, anche di poco, la velocità della luce occorre rimettere l’etere, col meccanismo che aumenta di densità se la velocità è diminuita.