Uno “specchio relativistico” accelera gli atomi alla velocità della luce

Light bursts out of a flying mirror

Un impulso laser (rosso, in basso) libera elettroni (nella freccia verde) da atomi di carbonio posti su una sottile lamina di un nanometro e li accelera fino a giungere vicino alla velocità della luce. Un impulso di luce infrarossa incide sullo strato di elettroni dalla direzione opposta, e riflette dallo specchio l’elettrone come un fascio di luce nell’ultravioletto estremo. (Credit: Thorsten Naeser).

GERMANIA – Un team internazionale di fisici ha creato uno specchio capace di riflettere raggi ultravioletti che viaggiano ad una velocità prossima a quella della luce. L’articolo, che si intitola “Relativistic electron mirrors from nanoscale foils for coherent frequency upshift to the extreme ultraviolet”, è stato pubblicato il 23 aprile 2013 nella rivista Nature Communications.

Questo esperimento mi ha fatto venire in mente un esperimento mentale formulato nel 1905 da Albert Einstein: se potessimo viaggiare alla velocità della luce, tenendo in mano uno specchio rivolto verso il nostro viso, riusciremmo a vedere la nostra immagine? Come può la luce spostarsi dal nostro viso e raggiungere lo specchio, se è proprio lo specchio che si allontana da noi alla velocità della luce? Nella vita quotidiana i riflessi di luce si osservano generalmente sulle superfici in quiete, come il riflesso attraverso un pezzo di vetro o su una superficie d’acqua; cosa accade se si tenta di rispondere alla domanda di Einstein “giocando” con uno specchio?

Uno specchio relativistico di elettroni. Nell’esperimento condotto presso il Rutherford Appleton Laboratory, alle porte di Oxford, i fisici hanno irradiato con un laser (tarato su impulsi a 50 femtosecondi: un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo). L’impulso laser, urtando la superficie, libera gli elettroni dagli atomi di carbonio della pellicola e li accelera rapidamente fino a raggiungere la velocità della luce in meno di un micrometro. Questo fascio di elettroni super-veloci ha formato un foglio denso, una specie di pellicola che funge da specchio.

“Questa struttura a specchio è stabile solo per pochi femtosecondi”, spiega Daniel Kiefer, uno degli autori della ricerca. All’interno di questo tempo di vita estremamente breve, gli scienziati hanno generato girato un impulso laser secondario – con una lunghezza d’onda nel vicino infrarosso (800 nm) – e con una frequenza diversa di femtosecondi generando, su questo specchio relativistico, fasci di radiazioni che viaggiano nella direzione opposta. In netto contrasto con quanto accade con gli specchi a riposo, la luce riflessa da uno specchio che si muove è diversa sia per lunghezza d’onda(e, dunque, per colore), sia per velocità. Questo processo è molto simile ciò che accade a una palla che rimbalza su una racchetta e ne viene accelerata; la velocità di rimbalzo è superiore a quella con cui la palla ha colpito il bersaglio.

Veloce come la luce. Tuttavia, invece di muoversi più velocemente (i fotoni viaggiano già alla velocità della luce), la luce riflessa viene spostata solo nella sua frequenza. Questo fenomeno è molto simile all’Effetto Doppler  che sperimentiamo quotidianamente: a tutti sarà capitato di sentire la sirena di un’ambulanza; il suono è più o meno acuto a seconda della direzione in cui l’ambulanza si muove (se si avvicina o si allontana dall’osservatore). Nell’esperimento, la velocità degli elettroni che si staccano dalla pellicola-specchio (gli elettroni “riflettono”) ha dato luogo ad un cambiamento nella frequenza, dal vicino infrarosso all’ultravioletto estremo, fino ad una lunghezza d’onda di 60-80 nanometri. Inoltre, la durata degli impulsi riflessi era dell’ordine di qualche centinaio di attosecondi (un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo).

Questo esperimento non solo supporta la Relatività Speciale o Ristretta di Albert Einstein ma, di fatto, apre la strada a un nuovo metodo per generare lampi di luce intensi e brevi, in grado di dirci qualcosa in più sui processi elementari in natura, che restano ad oggi in gran parte inesplorati. Per il Prof. J. Schreiber e il suo gruppo di ricerca della LMU, questo è solo l’inizio. “I nostri sistemi laser avanzeranno in futuro per fornire impulsi ancora più potenti con un più alto tasso di ripetizione, e una durata dell’impulso più breve”, commenta J. Schreiber.

Qualche riflessione su questo esperimento. Lo specchio relativistico non permetterà solo di costruire strumenti ancora più precisi per esplorare il microcosmo, ma supporta una risposta “einsteiniana” al quesito che Einstein stesso si era posto: vediamo perché.  Siccome la luce, a differenza ad esempio del suono, non ha un mezzo in cui si propaga – e rispetto al quale si può effettivamente misurare la sua velocità – allora nessuno ha una posizione privilegiata nell’Universo. Ogni osservatore, in modo indipendente dal suo moto, dovrà misurare la stessa velocità della luce (300.000 Km/s).

Ecco che la situazione si fa strana: di fatto, non esiste il muoversi o lo stare fermo in senso assoluto. In mancanza di punti di riferimento, e indipendentemente dalla sua velocità, chi viaggia alla velocità della luce con uno specchio in mano vedrà sempre la sua immagine riflessa – questo perché abbiamo detto che la velocità della luce è una costante. Ma il prezzo da pagare per accettare questa soluzione è abbastanza alto: impone, infatti, di rinunciare alle nostre convinzioni sullo spazio e sul tempo: l’unico modo in cui la luce può viaggiare alla stessa velocità per tutti gli osservatori è ammettere che ogni osservatore misura le distanze e i tempi in modo diverso. (Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 24/04/2013).

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