E se i fotoni avessero una massa?

Se lo è chiesto anche Julian Heek, un giovane ricercatore in fisica teorica al Max Planck Institute per la Fisica nucleare in Germania, e dai calcoli che ha effettuato le prime conseguenze potrebbero essere che il fotone decadrebbe in altre particelle e che non sia eterno come si pensa abitualmente.

Il Modello Standard afferma che il fotone, la particella elementare che costituisce la radiazione elettromagnetica, non ha massa. Perciò, in linea teorica, un fotone può sfrecciare nell’universo per un tempo infinito. Anche l’idea che la velocità della luce sia da considerarsi un limite all’interno del nostro universo è una conseguenza del fatto che il fotone è privo di massa. Il punto da cui sono partite le riflessioni e i calcoli di Heek è che attualmente la osservazioni astrofisiche non escludono che i fotoni possano avere una massa, per quanto piccola.

Julian Heek ha quindi preso in considerazione i dati raccolti da COBE (COsmic Background Explorer), un satallite lanciato in orbita dalla NASA nel 1989 per analizzare la radiazione cosmica di fondo. Se un fotone dovesse decadare, dovrebbe trovarsene traccia strumentale nei dati di COBE. Ma dai dati raccolti finora, la radiazione cosmica di fondo si comporta perfettamente come un corpo nero. Ciò non ha impedito comunque a Heek di calcolare la possibile massa del fotone. Sarebbe piccolissima: 10-54 kilogrammi. Da essa, conseguentemente, deriverebbe la durata della vita del fotone, pari almeno a un miliardo di miliardi di anni. Una vita così lunga potrebbe essere la spiegazione del perché finora non sia stata osservato un decadimento di un fotone: si tratterebbe di un evento estremamente raro.

Se si dovessero trovare prove sperimentali che il fotone ha davvero una massa, questo avrebbe conseguenze anche sul Modello Standard, perché questo fatto spingerebbe a chiedersi in che particelle il fotone decada. Lo stesso Heek, comunque, ha dichiarato a Scientific American che il suo calcolo è basato su una serie di ipotesi che devono essere verificate e che gli stessi calcoli sono ancora in una fase preliminare.

Immagine: NASA

Per la lezione

Commenti [11]

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

  1. roberto

    ho sempre pensato che potessero avere anche una piccola massa

    Rispondi

  2. roberto

    penso che julian abbia messo in evidenza un fatto molto interessante

    Rispondi

  3. giacomo

    Il mio dubbio nasce dalla dualità particella onda… Ciò mi spinge a pensare che il “vero” fotone sia più elementare di quello teorizzato e dotato di massa. Inoltre penso che questi fotoni elementari siamo i costituenti degli elettroni, che non credo siano particelle elementari.

    Rispondi

  4. Andrea

    Supponendo di poter esporre un corpo idealmente superficiale di massa infinitamente piccola
    ad un flusso altrettanto ideale di luce infinitamente intenso, in ambiente di vuoto ideale potremmo
    rispondere alla questione.

    Mi chiedo se un buon compromesso fra l’esperimento ideale e quello invece realizzabile nel rispetto
    dei limiti delle possibilità umane possa portare a qualche risultato concreto…

    Rispondi

    • Redazione

      grazie per il commento. Sarebbe interessante proporre le sue osservazioni a Julian Heek, l’autore dello studio. Che io sappia al momento non ci sono in atto esperimenti per tentare di capire se il fotone abbia o meno una massa. Da un punto di vista sperimentale, la sensazione è che “misure” statistiche di questo tipo non potranno che essere ricavate dalla mappa della radiazione cosmica di fondo.

      Rispondi

  5. luigi

    E’ se si applica la teoria della relatività ad un fotone?…. Risulterebbe che il su tempo di percorrenza nello spazio sarebbe tendente a zero, o meglio zero, rispetto a noi osservatori fermi…. La luce è qualcosa che sovrasta di molto le nostre conoscenze….Quindi le stelle le vediamo cosi come sono oggi nonostante siano distanti migliai o più anni luce… vero?

    Rispondi

  6. Umberto

    perchè un raggio di luce che passa in prossimità del campo gravitazionale del sole viene deviato ?
    Quando si dice che il campo gravitazionale all’interno di un buco nero è talmente elevato da impedire alla stessa luce di fuoriuscire si ammette implicitamente che i fotoni sono dotati di massa? Come si conciglia ciò con la relazione
    E^2=m^2 c^4+c^2 p^2 ?

    Rispondi

    • Redazione

      Gentile lettore,
      eccoci con le risposte alle sue domande.

      Per quanto riguarda la prima, circa le deviazione del raggio di luce cha passa in prossimità del campo gravitazionale del sole, è meglio dire che assume una traiettoria curva perché un campo gravitazionale intenso curva in modo significativo la struttura dello spazio-tempo e il raggio di luce non fa altro che seguire quella curvatura dello spazio-tempo in prossimità di quel campo gravitazionale.

      Per quanto riguarda la seconda domanda, tecnicamente la risposta è no. Dal punto di vista della fisica classica, la luce non riesce a sfuggire da un buco nero perché la velocità di fuga dal campo gravitazionale di un buco nero è maggiore della velocità della luce stessa. Nessuna particella, e quindi nemmeno i fotoni, possono sfuggire. Da un punto di vista quantistico, la spiegazione è più complessa e riguarda il redshift della radiazione luminosa: in pratica per sfuggire al buco nero un fotone deve impiegare tutta la sua energia (cinetica) per scappare e così facendo la perde tutta (come se per fare una salita un motorino sprecasse tutta la benzina senza riuscire mai ad arrivare in cima). La formula indicata, in realtà, non è corretta: per un fotone bisognerebbe scrivere E^2 = p^2c^2, che in realtà corrisponde a E = pc.

      Rispondi

  7. Raffaele

    Come si spiega il fenomeno della lente gravitazionale se la massa del fotone è nulla?

    Rispondi

    • Redazione

      Gentile Lettore,
      grazie per il commento.
      La lente gravitazionale è un fenomeno caratterizzato dalla deflessione della radiazione emessa da una sorgente luminosa a causa della presenza di una massa che si trova tra la sorgente e l’osservatore. Gli effetti ottici dovuti alla deflessione dei raggi luminosi sono vari: in alcuni casi si assiste alla deformazione apparente della sorgente luminosa, in altri al suo sdoppiamento o addirittura alla visione multipla della sua immagine.
      La sua domanda legittima è la seguente: ma come fanno i fotoni che non sono dotati di massa a essere deflessi da un’altra massa?
      Supponiamo che la massa di cui stiamo parlando sia quella di un buco nero e che la sorgente luminosa sia una galassia lontana, che si trova “dietro” il buco nero rispetto alla Terra, dove ci sono i nostri telescopi che scrutano lo spazio nella direzione di quella galassia. I fotoni provenienti dalla galassia riescono ad aggirare il buco nero perché il campo gravitazionale del buco nero deforma lo spazio-tempo: i fotoni corrono lungo quella curvatura dello spazio-tempo un po’ come se intorno al buco nero ci fosse una sorta di “parabolica” e proseguono poi oltre il loro cammino fino a raggiungere i nostri telescopi. L’aspetto rivoluzionario della relatività generale di Einstein è proprio questo: la gravità è una manifestazione delle proprietà geometriche dello spazio-tempo con le quali tutte le particelle hanno a che fare, persino quelle che non sono dotate di massa come i fotoni.

      Rispondi

  8. Francesco

    Ma se il fotone va alla velocità della luce non dovrebbe essere vero il fatto che per noi il suo tempo sia fermo ?
    Per cui se osserviamo che il tempo per un fotone è fermo come potrà invecchiare è quindi decadere ?

    Rispondi