La Velocità della Luce: Costante Universale del Cosmo

La velocità della luce è una costante

La velocità della luce nel vuoto è esattamente 299.792.458 m/s, una costante universale indipendente dal sistema di riferimento. Ci sono voluti 400 anni di esperimenti, da Galileo a Fizeau, per misurare questo valore che appare nell'equazione di Einstein E=mc2 e limita la velocità massima di trasmissione delle informazioni nell'universo.

La velocita della luce e una delle costanti piu importanti della fisica. Il suo valore compare ad esempio nella famosissima equazione di Einstein

che permette di calcolare quanta energia si sprigiona nella conversione di una certa massa in energia pura.

Tutte le onde dello spettro elettromagnetico viaggiano alla velocità della luce: un principio cardine della relatività di Einstein e una limitazione fisica alla trasmissione di informazioni. Si pensi ad esempio alle applicazioni in una missione spaziale lontano dalla Terra, ad esempio su Marte. L'equipaggio su Marte riceverebbe le comunicazioni dalla Terra in un tempo compreso tra i 3 e i 21 minuti a prescindere dal mezzo utilizzato per comunicare (la differenza è dovuta all'orbita ellittica dei pianeti che, ruotando, si possono trovare a distanze diverse).

Grazie ad Einstein, oggi sappiamo che c è costante nel vuoto, indipendente dal sistema di riferimento dal quale si misura e vale 299.792.458 m/s. Ma come abbiamo fatto a misurare un numero così grande che sembra fuori dalla comprensione umana? Pensare di poter catturare un raggio di luce senza l'ausilio di qualche strumentazione è impensabile; se assistiamo a dei fuochi d'artificio, la luce ci arriva istantaneamente, mentre sentiamo il botto in ritardo poiché la velocità del suono è 343 m/s. L'estrema grandezza della velocità della luce non ci permette di capire se essa si propaga in maniera istantanea oppure possiede una velocità determinata e finita solo con l'ausilio degli occhi. Lo studio sulla velocità della luce ha impiegato 400 anni per essere completato e avere una risposta certa sulla sua finitezza.

Una conquista di Galileo

Il filosofo greco Aristotele era convinto che la luce avesse velocità infinita e tale affermazione sopravvisse fino al Medioevo. Nel Rinascimento esistevano ancora pareri contrastanti e talvolta dubbi sulla finitezza della velocità della luce; ad esempio, il filosofo e saggista Francis Bacon scrisse nel Novum Organum

"...mi suggerisce un curioso dubbio, ovvero se vediamo la volta di un cielo stellato nell'istante effettivo in cui esiste, e non poco dopo; e se non ci sia, per i corpi celesti, un tempo reale e un tempo apparente, così come il luogo apparente e il luogo reale di cui tengono conto gli astronomi quando correggono la parallasse. È difficile da credere che l'immagine o i raggi dei corpi celesti possano arrivare alla vista istantaneamente attraverso uno spazio così immenso...".

Il pensiero cambiò radicalmente nel 1638 con la pubblicazione di "discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze" di Galileo Galilei in cui lo scienziato italiano si immaginò un dialogo dove la sua controparte letterale "Salviati" enunciava un esperimento volto a chiarire una volta per tutte la finitezza della velocità della luce.

L'esperimento proposto da Galileo era molto semplice ed è passato alla storia come "esperimento delle colline". Galileo immaginò di andare su una collina con una lanterna coperta, con un altro sperimentatore posto nelle medesime condizioni su una collina lontana e visibile. Pensò di misurare la velocità della luce in questo modo: quando uno dei due sperimentatori scopre la propria lanterna, l'altro deve fare lo stesso. Se la velocità della luce fosse infinita le due lanterne verrebbero scoperte circa nello stesso istante. Non è chiaro se Galileo fece davvero questo esperimento sulle colline toscane, ma ciò che sappiamo è che comunque sarebbe risultato inutile nella determinazione della velocità.

La sua grandezza è troppo elevata e non è compatibile con i tempi di reazione con cui gli sperimentatori possono scoprire le proprie lanterne. Supponiamo che i due sperimentatori dotati di lanterna fossero posti ad una distanza di 1 chilometro. Siccome la velocità della luce vale circa 300.000 km/s il ritardo sarebbe di soli 0,000003 secondi. Lo stesso Galileo disse chiaramente che l'esperimento mentale proposto non poteva portare a conclusioni univoche ma non fu un completo fallimento, poiché ispirò l'esperimento di Fizeau 200 anni dopo.

I satelliti di Giove

Lo scienziato toscano fu un vulcano di idee rivoluzionarie in campo scientifico, e nonostante il buco nell'acqua dell'esperimento delle colline, dobbiamo indirettamente a lui il primo calcolo della velocità della luce. Utilizzando il telescopio, scoprì i satelliti di Giove che hanno un periodo molto preciso. Nel 1676, i due astronomi Cassini e Rømer si accorsero che il satellite mostrava una certa irregolarità nel periodo orbitale. Quest'ultimo misurò una differenza nel periodo orbitale di circa 10 minuti. Se la velocità della luce fosse infinita, le onde elettromagnetiche si dovrebbero propagare nello spazio in maniera istantanea e la misura del periodo orbitale delle Lune di Giove non dovrebbe subire variazioni. Quest'osservazione fu la prima prova evidente della finitezza di c che faceva variare il periodo a seconda della distanza di Giove dalla Terra.

Rømer stimò che la luce viaggiasse dal Sole alla Terra in 11 minuti, mentre il collega astronomo Christiaan Huygens, basandosi sui suoi dati, dedusse una velocità di circa 200.000 km/s non lontana dal valore accettato oggi.

Esperimenti recenti

La prima misura accurata della velocità della luce arrivò solo nel 1849 grazie all'esperimento di Fizeau. L'apparecchiatura sperimentale di Fizeau consisteva in un fascio di luce concentrato da una lente, che veniva fatto rimbalzare su uno specchio attraversando una ruota dentata rotante ad una certa velocità - controllabile dallo sperimentatore. La luce poteva rimbalzare sullo specchio posto a qualche chilometro di distanza solo ad una specifica velocità della ruota e conoscendo la distanza dallo specchio, ovvero il percorso compiuto dalla luce, la velocità della ruota e la distanza tra i denti si è potuta misurare una velocità molto prossima al valore reale di 315.000 km/s.

La conferma ulteriore dell'esistenza di c come valore costante si ebbe negli anni '60 del XIX secolo grazie agli studi sull'elettromagnetismo portati avanti tra gli altri da Maxwell e Kirchhoff che misurarono una velocità per le onde elettromagnetiche pari a c e in questo modo dimostrarono che la luce non è nient'altro che una tipologia di onda elettromagnetica che noi riusciamo a percepire tramite la vista.

Una misura fai-da-te

Potrebbe risultare bizzarro, ma è possibile misurare la velocità della luce a casa con un esperimento fai-da-te! Vediamo insieme gli ingredienti:

• Un forno a microonde
• Il valore della frequenza dello specifico modello in nostro possesso
• Un cibo ricco di acqua che si può facilmente scaldare come del formaggio o una tavoletta di cioccolato
• Un righello

Sappiamo che la velocita in fisica e calcolabile dividendo lo spazio percorso per il tempo impiegato a percorrerlo; nel caso delle onde, questa equazione si traduce nel rapporto tra λ (lambda) che rappresenta la lunghezza d'onda e il periodo (il tempo necessario all'onda per ripetersi). In alternativa possiamo misurare la velocità di un'onda moltiplicando la lunghezza d'onda per la frequenza f, che è il reciproco del periodo e rappresenta il numero di "ripetizioni" in un secondo.

Oggi sappiamo che non solo la velocità della luce vale c, ma tutte le onde di natura elettromagnetica si propagano nel vuoto con la stessa velocità. Questo accade poiché la luce è solo un tipo di onda elettromagnetica, quello che i nostri occhi percepiscono come colori che ci fanno ammirare l'ambiente che ci circonda.

Quasi tutti, in casa, possediamo un forno a microonde, uno specifico apparecchio chiamato impropriamente forno poiché non utilizza gli infrarossi come quello tradizionale, ma microonde per far vibrare le molecole d'acqua presenti nel cibo e scaldarle per attrito. All'interno del microonde si sviluppa un'onda stazionaria con una specifica frequenza che oscilla su sé stessa producendo zone in cui il riscaldamento è massimo (gli antinodi dell'onda stazionaria) e zone in cui il riscaldamento è minimo (i nodi).

È molto semplice utilizzare l'apparecchio per misurare a casa approssimativamente il valore di c. Dobbiamo iniziare l'esperimento verificando sulla scatola o sull'etichetta che è posta generalmente all'interno del vano del forno la frequenza specifica del nostro modello e annotarla.

Scegliamo un cibo ricco di acqua che il microonde scalda facilmente, come ad esempio del formaggio grattugiato e poniamolo in un piatto idoneo alla cottura in microonde, coprendolo totalmente con un sottile strato di pellicola. È importante sottolineare che dobbiamo impedire al forno a microonde di compiere il classico giro che attua per scaldare uniformemente, perché dobbiamo evitare che le zone a riscaldamento massimo non si spostino nel corso della cottura. I moderni microonde possiedono un tasto che permette di bloccare il piatto rotante. Mettiamo il formaggio a scaldare per il tempo necessario a farne sciogliere una parte. Nel vano di cottura le microonde scalderanno e scioglieranno il formaggio solo in alcuni punti, in corrispondenza del riscaldamento massimo.

Togliamo il formaggio parzialmente sciolto dal forno e misuriamo con un righello la distanza tra i due punti in cui il formaggio si e cotto e moltiplichiamola per due poiche siamo interessati alla lunghezza d'onda che e definibile come la distanza tra due creste. Moltiplichiamo il risultato ottenuto (in metri) per la frequenza letta precedentemente sulle specifiche del forno e il gioco e fatto! rimarrete sorpresi dalla precisione del risultato!

FAQ

Qual è il valore esatto della velocità della luce?

La velocità della luce nel vuoto è esattamente 299.792.458 metri al secondo (circa 300.000 km/s). Questo valore è una costante universale, indipendente dal sistema di riferimento da cui viene misurata, ed è indicato con la lettera "c" nelle equazioni fisiche.

Perché la velocità della luce è un limite universale?

Secondo la teoria della relatività di Einstein, nessuna informazione o materia può viaggiare più veloce della luce. Questo è un principio fondamentale della fisica: anche le comunicazioni spaziali tra Terra e Marte richiedono da 3 a 21 minuti perché i segnali viaggiano alla velocità della luce.

Come si può misurare la velocità della luce a casa?

È possibile usare un forno a microonde con del formaggio grattugiato. Bloccando il piatto rotante, si ottengono punti di fusione corrispondenti agli antinodi dell'onda stazionaria. Misurando la distanza tra i punti e moltiplicandola per due (lunghezza d'onda), poi per la frequenza del forno, si ottiene un valore molto vicino a c.

Chi ha misurato per primo la velocità della luce?

Il primo calcolo fu fatto nel 1676 da Cassini e Romer osservando le irregolarità nel periodo orbitale delle lune di Giove. La prima misura accurata fu di Fizeau nel 1849 con una ruota dentata rotante. Maxwell e Kirchhoff negli anni '60 del 1800 confermarono che la luce è un'onda elettromagnetica.