Uno dei concetti più duraturi in tutto l'Universo è che tutto ciò che esiste ora vedrà un giorno la sua esistenza giungere a termine. Le stelle, le galassie e persino i buchi neri che occupano lo spazio nel nostro Universo un giorno bruceranno, svaniranno e si decomporranno, lasciando quello che consideriamo uno stato di "morte termica": dove non è possibile estrarre più energia, in nessun modo, da uno stato uniforme di massima entropia ed equilibrio. Ma, forse, ci sono eccezioni a questa regola generale, e alcune cose vivranno veramente per sempre, i fotoni sono tra queste?
La questione della "vita del fotone"
Un candidato per un'entità veramente stabile è il fotone: la quantità di luce. Tutto il raggio elettromagnetico che esiste nell'Universo è composto da fotoni, e i fotoni, per quanto ne sappiamo, hanno vita eterna. Questo significa che la luce vivrà davvero per sempre?
La prima volta che è emersa la questione di un fotone con una vita finita, è stato per un motivo molto valido: avevamo appena scoperto le prove chiave dell'espansione dell'Universo. Le nebulose spiraliche ed ellittiche nel cielo sono state mostrate essere galassie, o "Universi isolati" come erano conosciute allora, ben oltre la scala e la portata della Via Lattea. Queste raccolte di milioni, miliardi o addirittura trilioni di stelle si trovavano almeno a milioni di anni luce di distanza, ponendole ben al di fuori della Via Lattea. Inoltre, è stato rapidamente dimostrato che questi oggetti lontani non erano solo lontani, ma sembravano allontanarsi da noi, dato che più erano lontani, in media, maggiore era lo spostamento verso lunghezze d'onda sempre più rosse della luce che si è rivelata sistematicamente.
Naturalmente, al momento in cui questi dati erano ampiamente disponibili negli anni '20 e '30, avevamo già appreso della natura quantistica della luce, che ci ha insegnato che la lunghezza d'onda della luce determinava la sua energia. Avevamo anche sia la relatività speciale che quella generale ben consolidate, che ci avevano insegnato che una volta che la luce lascia la sua fonte, l'unico modo per cambiarne la frequenza era o:
- farla interagire con una qualche forma di materia e/o energia,
- far muovere l'osservatore verso o lontano dall'osservatore,
- o far sì che le proprietà di curvatura dello spazio stesso cambino, come ad esempio a causa di uno spostamento verso il rosso o il blu gravitazionale o di un'espansione/contrazione dell'Universo.
La "Cosmologia della Luce Stanca"
La prima spiegazione potenziale, in particolare, ha portato alla formulazione di una affascinante cosmologia alternativa: la cosmologia della luce stanca.
Formulata per la prima volta nel 1929 da Fritz Zwicky, sì, lo stesso Fritz Zwicky che ha coniato il termine supernova, che ha formulato per la prima volta l'ipotesi della materia oscura e che una volta ha cercato di "fermare" l'aria atmosferica turbolenta sparando un fucile attraverso il suo telescopio, l'ipotesi della luce stanca ha proposto l'idea che la luce in propagazione perda energia attraverso collisioni con altre particelle presenti nello spazio tra le galassie.
Più spazio c'era da propagare, secondo il ragionamento, più energia si sarebbe persa in queste interazioni, e questa sarebbe stata la spiegazione, piuttosto che le velocità peculiari o l'espansione cosmica, per cui la luce sembrava essere più fortemente spostata verso il rosso per gli oggetti più distanti.
Prove della "luce stanca"
Tuttavia, affinché questo scenario sia corretto, ci sono due previsioni che dovrebbero essere vere.
La velocità della luce
1. Quando la luce viaggia attraverso un mezzo, anche un mezzo sparso, rallenta dalla velocità della luce nel vuoto alla velocità della luce in quel mezzo. Il rallentamento influenza la luce di diverse frequenze in quantità diverse. Proprio come la luce che passa attraverso un prisma si divide in diversi colori, la luce che passa attraverso un mezzo intergalattico che interagisce con essa dovrebbe rallentare la luce di diverse lunghezze d'onda in quantità diverse. Quando quella luce rientra in un vero vuoto, riprenderà a muoversi alla velocità della luce nel vuoto.
Eppure, quando abbiamo osservato la luce proveniente da fonti a diverse distanze, non abbiamo trovato una dipendenza dalla lunghezza d'onda rispetto alla quantità di spostamento verso il rosso che la luce manifestava. Invece, a tutte le distanze, tutte le lunghezze d'onda della luce emessa sono osservate essere spostate verso il rosso dallo stesso fattore di tutte le altre; non c'è dipendenza dalla lunghezza d'onda verso lo spostamento verso il rosso. A causa di questa osservazione nulla, la prima previsione della cosmologia della luce stanca è falsificata.
"Mezzo pendente"
Ma c'è anche una seconda previsione con cui fare i conti.
2. Se la luce più distante perde più energia passando attraverso una maggiore lunghezza di un "mezzo perdente" rispetto alla luce meno distante, allora quegli oggetti più distanti dovrebbero apparire sfocati progressivamente di più rispetto a quelli meno distanti.
E di nuovo, quando andiamo a testare questa previsione, scopriamo che non è supportata dalle osservazioni. Le galassie più distanti, quando viste accanto a quelle meno distanti, appaiono altrettanto nitide e ad alta risoluzione delle meno distanti. Questo è vero, ad esempio, per tutte e cinque le galassie del Quintetto di Stephan, così come per le galassie di sfondo visibili dietro tutti e cinque i membri del quintetto. Anche questa previsione è falsificata.
La luce non è "stanca"
Sebbene queste osservazioni siano sufficienti per falsificare l'ipotesi della luce stanca e, infatti, erano sufficienti per falsificarla immediatamente, non appena fu proposta. La luce potrebbe morire o convertirsi in qualche altra particella, e ci sono una serie di modi interessanti per pensare a queste possibilità.
Lo "spostamento" verso il rosso cosmologico
La prima deriva semplicemente dal fatto che abbiamo uno spostamento verso il rosso cosmologico. Ogni singolo fotone che viene prodotto, indipendentemente da come viene prodotto, sia termicamente che da una transizione quantistica o da qualsiasi altra interazione, attraverserà l'Universo fino a quando non collidere e interagire con un altro quanto di energia.
Ma se tu fossi un fotone emesso da una transizione quantica, a meno che tu non possa impegnarti nella reazione quantica inversa in modo piuttosto rapido, inizierai a viaggiare attraverso lo spazio intergalattico, con la tua lunghezza d'onda che si allunga a causa dell'espansione dell'Universo mentre fai. Se non sei abbastanza fortunato da essere assorbito da uno stato legato quantico con la giusta frequenza di transizione consentita, semplicemente ti sposterai verso il rosso e il rosso fino a quando non sarai al di sotto della lunghezza d'onda più lunga possibile che ti consentirà di essere nuovamente assorbito da una tale transizione.
Lo "scattering"
Tuttavia, esiste un secondo insieme di possibilità che esiste per tutti i fotoni: possono interagire con una particella quantica altrimenti libera, producendo uno degli effetti.
Questo può includere lo scattering, dove una particella carica assorbe e quindi riemette un fotone. Questo comporta uno scambio sia di energia che di momento, e può aumentare l'energia sia della particella carica che del fotone a energie più alte, a spese di lasciare l'altro con meno energia.
Ad energie sufficientemente alte, la collisione di un fotone con un'altra particella può produrre spontaneamente una coppia particella-antiparticella se c'è abbastanza energia disponibile per farli entrambi tramite E = mc² di Einstein.
In altre parole, anche i fotoni a energia molto bassa possono essere convertiti in altre particelle, non fotoni, collidendo con un'altra particella abbastanza energetica.
Da particella a fotone
C'è ancora un terzo modo per alterare un fotone oltre all'espansione cosmica o attraverso la conversione in particelle con una massa a riposo non nulla: diffondendosi su una particella che porta alla produzione di ancora fotoni aggiuntivi.
In ogni interazione elettromagnetica, o interazione tra una particella carica e almeno un fotone, ci sono quelle che sono conosciute come "correzioni radiative" che sorgono nelle teorie quantistiche dei campi. Ogni volta che hai una particella energetica che possiede una massa a riposo positiva e una temperatura positiva, anche quelle particelle emetteranno fotoni: perdendo energia sotto forma di fotoni.
I fotoni sono molto, molto facili da creare, e anche se è possibile assorbirli inducendo le giuste transizioni quantistiche, la maggior parte delle eccitazioni si disperderà dopo un certo periodo di tempo. Proprio come il vecchio detto che "Ciò che sale deve scendere", i sistemi quantistici che vengono eccitati a energie più alte attraverso l'assorbimento di fotoni alla fine si de- ecciteranno anche, producendo almeno lo stesso numero di fotoni, generalmente con la stessa energia netta, che sono stati assorbiti in primo luogo.
Ogni volta che l'Universo si allunga per diventare più grande di un fattore di 2, la densità di energia totale sotto forma di fotoni diminuisce di un fattore di 16: un fattore di 24. Un fattore di 8 viene perché il numero di fotoni, nonostante tutti i modi che esistono per crearli, rimane relativamente fisso, e il raddoppio della distanza tra gli oggetti aumenta il volume dell'Universo osservabile di un fattore di 8: raddoppia la lunghezza, raddoppia la larghezza e raddoppia la profondità.
L'espansione cosmologica
Il quarto e ultimo fattore di due proviene dall'espansione cosmologica, che allunga la lunghezza d'onda fino a raddoppiarla, dimezzando così l'energia per fotone. Su scale temporali sufficientemente lunghe, questo farà sì che la densità di energia dell'Universo sotto forma di fotoni scenda asintoticamente verso zero, ma non lo raggiungerà mai del tutto.
Potremmo immaginare il modo definitivo per assorbire i fotoni: facendoli incontrare un buco nero. Una volta che qualcosa attraversa dall'esterno all'interno dell'orizzonte degli eventi, non solo non può mai fuggire, ma contribuirà sempre all'energia a riposo del buco nero stesso. Sì, ci saranno molti buchi neri che popoleranno l'Universo nel tempo, e cresceranno in massa e dimensioni man mano che il tempo va avanti.
Ma questo avverrà solo fino a un certo punto. Una volta che la densità dell'Universo scende al di sotto di una certa soglia, i buchi neri inizieranno a decadere tramite radiazione di Hawking più velocemente di quanto crescano, e ciò significa la produzione di un numero ancora maggiore di fotoni rispetto a quelli che sono entrati nel buco nero in primo luogo. Nei prossimi ~10100 anni circa, ogni buco nero nell'Universo alla fine si dissolverà completamente, con la stragrande maggioranza dei prodotti di decadimento essendo fotoni.
I fotoni si estingueranno?
Quindi si estingueranno mai? Non secondo le leggi della fisica attualmente comprese. In effetti, la situazione è ancora più critica di quanto probabilmente ci rendiamo conto. Possiamo pensare a ogni fotone che è stato o sarà:
- creato nel Big Bang,
- creato da transizioni quantistiche,
- creato da correzioni radiative,
- creato attraverso l'emissione di energia,
- creato tramite decadimento del buco nero.
Anche se aspettiamo che tutti quei fotoni raggiungano energie arbitrariamente basse a causa dell'espansione dell'Universo, l'Universo non sarà comunque privo di fotoni.
La colpa è dell'energia oscura
Perché l'Universo ha ancora energia oscura. Proprio come un oggetto con un orizzonte degli eventi, come un buco nero, emetterà continuamente fotoni a causa della differenza di accelerazione vicino versus lontano dall'orizzonte degli eventi, così anche un oggetto con un orizzonte cosmologico.
Il principio di equivalenza di Einstein ci dice che gli osservatori non possono distinguere tra l'accelerazione gravitazionale o l'accelerazione dovuta a qualsiasi altra causa, e qualsiasi due posizioni non legate sembreranno accelerare l'una rispetto all'altra a causa della presenza di energia oscura. La fisica che ne risulta è identica: viene emessa una quantità continua di radiazione termica.
L'Universo è immortale?
Anche alla sua fine, non importa quanto avanti andremo nel futuro, l'Universo continuerà sempre a produrre radiazioni, garantendo che non raggiungerà mai lo zero assoluto, che conterrà sempre fotoni e che anche alle energie più basse che raggiungerà mai, non ci dovrebbe essere nulla altro per il fotone per decadere o transire in. Anche se la densità di energia dell'Universo continuerà a diminuire man mano che l'Universo si espande, e l'energia intrinseca a ogni singolo fotone continuerà a diminuire mentre il tempo passa sempre più nel futuro, non ci sarà mai nulla di "più fondamentale" in cui possano transitare.
Ci sono scenari esotici che possiamo immaginare che cambieranno la storia, naturalmente. Forse è possibile che i fotoni abbiano veramente una massa a riposo non nulla, facendoli rallentare fino a diventare più lenti della velocità della luce quando passa abbastanza tempo. Forse i fotoni sono veramente instabili per natura, e c'è qualcos'altro che è veramente senza massa, come una combinazione di gravitoni, in cui possono decadere. E forse c'è qualche sorta di transizione di fase che avverrà, molto nel futuro, dove il fotone rivelerà la sua vera instabilità e si decomporrà in uno stato quantistico ancora sconosciuto.
L'eternità dei fotoni
Ma se tutto ciò che abbiamo è il fotone come lo comprendiamo nel Modello Standard, allora il fotone è veramente stabile. Un Universo pieno di energia oscura assicura, anche mentre i fotoni che esistono oggi si spostano verso energie arbitrariamente basse, che ne verranno sempre creati di nuovi, portando a un Universo con un numero finito e positivo di fotoni e densità di energia dei fotoni in tutti i momenti. Possiamo essere sicuri delle regole solo nella misura in cui le abbiamo misurate, ma a meno che non ci sia una grande parte del puzzle che ci sfugge ancora, tutto ciò che possiamo dire è che i fotoni, come li conosciamo, non muoiono mai.
Sebbene possano essere creati e distrutti in una miriade di modi, le leggi della fisica ci dicono che l'energia complessiva intrinseca a ogni fotone sarà sempre la stessa. E finché l'Universo esisterà, l'energia oscura garantirà che la densità di energia dei fotoni non scenda mai fino a zero. Questo, un po', ci consola.