La velocità della luce
Nega guardò con un sorriso la giovane Elna che le aveva posto quella domanda  e poi lentamente rispose: - La luce ha una velocità enorme. La luce, nel vuoto, viaggia a circa 300.000 km/s ! Per avere un confronto, pensa che  tu e i tuoi amici nel metallo vi agitavate a delle velocità medie non indifferenti dell'ordine di 1.000 km/sec, che però sono solo 0,003 volte quella della luce. Pensa poi alle velocissime, si fa per dire, automobili  da corsa degli Umani che viaggiano a 300 km/h, cioè 0,08 km/s. Sono praticamente ferme, cioè solo 0,0000003 volte la velocità della luce. Sì, hai capito bene: uno zero seguito da sei zeri dopo la virgola!

    - Ma gli Umani costruiscono anche satelliti artificiali e questi sono molto veloci - osservò Elna con un tono quasi di sfida.

    - La velocità di un satellite intorno alla terra può essere, diciamo di circa 20 km/s.

(Credit: Figura parziale e modificata da: Il grande libro della Scienza, Mondadori 1976, 220)

Ora questa può sembrare agli Umani anche una velocità molto elevata, ma è solo pari a 0,000066 volte quella della luce! Sono invece molto più veloci gli elettroni accelerati nei moderni microscopi elettronici costruiti dagli Umani. Gli elettroni possono infatti raggiungere velocità prossime a quelle della luce.

    - Del resto possono sembrare molto grandi - continuò Nega insistendo nel tentativo di chiarire il concetto - anche le velocità che si osservano nell'ambito del Sistema Solare e che competono al moto dei pianeti nelle loro orbite attorno al Sole. Nel caso della Terra, ad esempio, la velocità è di circa 30 km/s, che però è pari solo a 0,0001 volte quella della luce.

Nega fece un attimo di pausa e poi, con tono quasi solenne, riprese: - La velocità della luce è costante e  uguale e per tutti gli osservatori, per quell'Umano che vedi laggiù seduto nel suo laboratorio,  per l'astronauta che viaggia fra le stelle e per gli eventuali abitatori di qualche pianeta lontano sperduto nel Cosmo. A questo devi aggiungere che la velocità della luce non si può superare.

Elna ascoltava in silenzio.

Nega, dopo una nuova e studiata pausa, così concluse: - Queste sono le proprietà che fanno della velocità della luce un vero termine di confronto. Nota poi che più ti avvicini a questa velocità più diventano apprezzabili effetti di cui prima neppure ti rendevi conto, come quello dell'aumento di massa (che ti ho già citato) e altri ancora di cui non ti ho ancora parlato.

La velocità della luce non si può superare
    - La luce è veramente veloce! - esclamò Elna. E poi, pensierosa: - Ma perché la luce non si può superare?

    - Vediamo se riesco a spiegartelo con questo ragionamento - rispose Nega sorridendo. - Ti ho già detto che aumentando la velocità aumenta la massa; ma più un corpo diventa pesante, più è difficile aumentarne la velocità. Spingere un bimbo in bicicletta è un conto, ma spingere un Tir è un altro. Quindi, man mano che un corpo accelera, diventa arduo farlo andare più veloce. Pensa al muone dell'esempio che ti ho riportato prima. A quota 99,999 per cento della velocità della luce, la massa è cresciuta di 224 volte; a quota  99,99999999 per cento, di 70.000 volte. La massa cresce senza limiti all'avvicinarsi della velocità della luce. Quindi ci vorrebbe una quantità di energia infinita per raggiungere il cento per cento della velocità della luce. Questo è naturalmente impossibile, e quindi dobbiamo concludere che nulla può andare più veloce della luce!

Nega vide la giovane Elna molto seria e concentrata. Per abbassare il tono del suo discorso e farle tornare il sorriso aggiunse ridendo: - Non so però quanto questo fatto sia vero. Infatti Pierino sostiene che c'è una "cosa" più veloce della luce. Lui racconta che, quando va in bagno, gli scappa sempre prima che riesca ad accendere la luce!

La piccola Elna scoppiò in una sonora risata e tornò alla normalità.

La velocità della luce è costante ed uguale per tutti
Mentre Elna rideva ancora divertita una elettroncina, che per tutto il tempo era stata attenta e in silenzio vicino a loro, si rivolse un po' timida a Nega e le disse: - Mi chiamo Katiele anche se mi chiamano sempre Kate. Ho udito tutto quanto dicevi. Posso farti una domanda?

Nega  guardò la giovane elettroncina, una bella morettina dagli occhi scuri e profondi e si compiacque dentro di sé del fatto che quanto aveva raccontato avesse stimolato la sua fantasia. Del resto Nega per tutto il tempo che aveva parlato con Elna si era resa conto di avere provato la stessa piacevole sensazione di quando raccontava le favole alle sue "bambine" e aveva quindi cominciato a prenderci gusto.

    - Chiedi pure con tranquillità. Se so risponderti, sarò ben felice di farlo - rispose Nega  con la sua solita dolcezza.

   - Hai detto che la velocità della luce è costante e uguale per tutti. Che cosa significa? Questo fatto cambia concretamente  qualcosa per noi?- riprese allora Kate con più coraggio.

    - Cambia molte cose. Direi che produce una vera rivoluzione del "modo di vedere" degli abitanti di Mondi con abituali basse velocità, come è quello degli Umani - rispose Nega pacatamente.

    Nega vide lo stupore nei volti delle sue giovani ascoltatrici. E così continuò: - Pensate a questo esempio. Immaginate con la fantasia di essere un Umano. Se un giorno un folle, mentre voi passeggiate per strada, vi lanciasse una bomba a mano, che fareste? Vi mettereste a fuggire correndo per quanta forza avete. Supponiamo che la bomba viaggi nella vostra direzione, diciamo, a 8 m/s e voi correte più o meno a 5 m/s, sapete perfettamente che la sua velocità rispetto a voi è di (8-5=) 3 m/s e che quindi la bomba vi raggiungerà inesorabilmente a questa velocità e non avete scampo.

    - Ma vediamo - continuò Nega - ora cosa invece succederebbe se il folle vi sparasse invece con un fucile laser, quindi vi sparasse della "luce". Potete pensare alla luce come costituita da tante palline, chiamate "fotoni". Supponete che questi fotoni viaggino verso di voi a una velocità di 300.000 km/s. Anche in questo caso  per fuggire vi mettereste a correre. Immaginate con un altro po' di fantasia (!) di salire su un'astronave che vi permette di allontanarvi a 40.000 km/s. Ebbene, secondo le comuni idee, la velocità dei fotoni rispetto a voi dovrebbe essere di (300.000 - 40.000=) 260.000 km/s.

(Credit: Figura parziale e modificata da: Quark 22, dic. 2002, 78)

- Ma questo non è ciò che sperimentereste! Anche se vi state allontanando, la velocità dei fotoni nel vuoto è sempre di 300.000 km/s! A prima vista, ciò può sembrare impossibile dopo quello che abbiamo detto nell'esempio della bomba (e che potremmo sperimentare in infiniti altri casi della nostra vita quotidiana). Ma non è così, non è impossibile, anzi è possibilissimo, anzi è quello che accade! Sia che scappiate dai fotoni sia che li rincorriate, la loro velocità rispetto a voi sarà sempre la stessa.

    - Incredibile! - disse Kate. Poi, dopo un attimo, aggiunse:  - Potresti farci un altro esempio?

     - Sì. ci sto pensando. Bene, ho trovato.Conoscete quel gioco degli Umani chiamato baseball? Allora state attente a queste tre differenti situazioni. Pensate di afferrare una palla :

(caso 1) lanciata da un giocatore in quiete rispetto a voi;

(caso 2) lanciata da un giocatore in moto verso di voi (per esempio, che si trova a bordo di un'automobile che si avvicina a 50 km/h);

e infine

(caso 3) lanciata da un giocatore che si allontana da voi a 50 km/h. Ebbene cosa vi aspettate  per la velocità della palla?

È ovvio che vi aspettate una diversa velocità nei tre casi. E ciò è proprio quello che accade. Ma se ora il lanciatore, diventato pazzo, vi sparasse con un laser, quindi vi lanciasse dei fotoni, allora voi sperimentereste che i fotoni hanno la stessa velocità nei tre casi!