Velocità della luce -Speed of light

Velocità della luce
La distanza dal Sole alla Terra è indicata come 150 milioni di chilometri, una media approssimativa.  Dimensioni in scala.
In media, la luce solare impiega circa 8  minuti e 17  secondi per viaggiare dal Sole alla Terra .
Valori esatti
metri al secondo 299 792 458
Valori approssimativi (fino a tre cifre significative)
chilometri orari 1 080 000 000
miglia al secondo 186.000 _
miglia all'ora 671 000 000
unità astronomiche al giorno 173
parsec all'anno 0,307
Tempi di percorrenza approssimativi del segnale luminoso
Distanza Volta
un piede 1,0 ns
un metro 3,3 ns
dall'orbita geostazionaria alla Terra 119 ms
la lunghezza dell'equatore terrestre 134 ms
dalla Luna alla Terra 1,3 sec
dal Sole alla Terra (1 AU ) 8,3 minuti
un anno luce 1,0 anno
un parsec 3,26 anni
dalla stella più vicina al Sole ( 1,3 pz ) 4,2 anni
dalla galassia più vicina alla Terra 25 000  anni
attraverso la Via Lattea 100 000  anni
dalla Galassia di Andromeda alla Terra 2,5 milioni di anni

La velocità della luce nel vuoto , comunemente indicata con c , è una costante fisica universale importante in molte aree della fisica . La velocità della luce c è esattamente uguale a299 792 458  metri al secondo (circa 300 000  km/s o 186 000  mi/s). Secondo la teoria della relatività speciale , c è il limite superiore per la velocità alla quale la materia o l'energia convenzionale , e quindi qualsiasi segnale che trasporta informazioni , può viaggiare nello spazio .

Tutte le forme di radiazione elettromagnetica , compresa la luce visibile , viaggiano alla velocità della luce. Per molti scopi pratici, la luce e altre onde elettromagnetiche sembreranno propagarsi istantaneamente, ma per lunghe distanze e misurazioni molto sensibili, la loro velocità finita ha effetti evidenti. La luce stellare vista sulla Terra ha lasciato le stelle molti anni fa, consentendo agli esseri umani di studiare la storia dell'universo osservando oggetti distanti. Quando si comunica con sonde spaziali distanti , possono essere necessarie da minuti a ore prima che i segnali viaggino dalla Terra alla navicella spaziale e viceversa. In informatica , la velocità della luce fissa il ritardo minimo di comunicazione tra computer , memoria del computer e all'interno di una CPU . La velocità della luce può essere utilizzata nelle misurazioni del tempo di volo per misurare grandi distanze con una precisione estremamente elevata.

Ole Rømer dimostrò per la prima volta nel 1676 che la luce viaggia a una velocità finita (non istantaneamente) studiando il moto apparente della luna di Giove Io . Misurazioni progressivamente più accurate della sua velocità arrivarono nei secoli successivi. In un articolo pubblicato nel 1865, James Clerk Maxwell propose che la luce fosse un'onda elettromagnetica e quindi viaggiasse alla velocità c . Nel 1905 Albert Einstein postulò che la velocità della luce c rispetto a qualsiasi struttura inerziale sia una costante ed è indipendente dal movimento della sorgente luminosa. Ha esplorato le conseguenze di quel postulato derivando la teoria della relatività e così facendo ha mostrato che il parametro c aveva rilevanza al di fuori del contesto della luce e dell'elettromagnetismo.

Anche le particelle prive di massa e le perturbazioni di campo come le onde gravitazionali viaggiano alla velocità c nel vuoto. Tali particelle e onde viaggiano in c indipendentemente dal movimento della sorgente o dal sistema di riferimento inerziale dell'osservatore . Le particelle con massa a riposo diversa da zero possono essere accelerate per avvicinarsi a c , ma non possono mai raggiungerlo, indipendentemente dal sistema di riferimento in cui viene misurata la loro velocità. Nelle teorie della relatività speciale e generale , c interrela spazio e tempo , e compare anche nella famosa equazione di equivalenza massa-energia , E = mc 2 .

In alcuni casi può sembrare che gli oggetti o le onde viaggino più velocemente della luce (ad es. velocità di fase delle onde, comparsa di alcuni oggetti astronomici ad alta velocità e particolari effetti quantistici ). Si ritiene che l' espansione dell'universo superi la velocità della luce oltre un certo confine .

La velocità con cui la luce si propaga attraverso materiali trasparenti , come il vetro o l'aria, è inferiore a c ; allo stesso modo, la velocità delle onde elettromagnetiche nei cavi è inferiore a c . Il rapporto tra c e la velocità v con cui la luce viaggia in un materiale è chiamato indice di rifrazione n del materiale ( n = c/v). Ad esempio, per la luce visibile, l'indice di rifrazione del vetro è in genere intorno a 1,5, il che significa che la luce nel vetro viaggia ac/1.5200 000  km/s ( 124 000  mi/s) ; l' indice di rifrazione dell'aria per la luce visibile è di circa 1,0003, quindi la velocità della luce nell'aria è di circa 90 km/s (56 mi/s) inferiore a c .

Valore numerico, notazione e unità

La velocità della luce nel vuoto è solitamente indicata da una c minuscola , per "costante" o dal latino celeritas (che significa "rapidezza, celerità"). Nel 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch avevano usato c per una costante diversa che in seguito fu dimostrata essere uguale a 2 volte la velocità della luce nel vuoto. Storicamente, il simbolo V è stato utilizzato come simbolo alternativo per la velocità della luce, introdotto da James Clerk Maxwell nel 1865. Nel 1894, Paul Drude ha ridefinito c con il suo significato moderno. Einstein usò V nei suoi articoli originali in lingua tedesca sulla relatività speciale nel 1905, ma nel 1907 passò a c , che a quel punto era diventato il simbolo standard per la velocità della luce.

A volte c viene utilizzato per la velocità delle onde in qualsiasi mezzo materiale e c 0 per la velocità della luce nel vuoto. Questa notazione in pedice, che è approvata nella letteratura ufficiale SI, ha la stessa forma delle relative costanti elettromagnetiche: vale a dire, μ 0 per la permeabilità al vuoto o costante magnetica, ε 0 per la permittività del vuoto o costante elettrica e Z 0 per l' impedenza di spazio libero . Questo articolo usa c esclusivamente per la velocità della luce nel vuoto.

Utilizzo in sistemi unitari

Dal 1983, la costante c è stata definita esattamente nel Sistema Internazionale di Unità (SI). 299 792 458  m/s ; questa relazione viene utilizzata per definire il metro esattamente come la distanza che la luce percorre nel vuoto in 1299 792 458 di secondo. Utilizzando il valore di c , oltre ad una misura precisa delsecondo, si può così stabilire uno standard per il metro. Comecostante fisica dimensionale, il valore numerico di c è diverso per diversi sistemi di unità. Ad esempio, nelleunità imperiali, la velocità della luce è approssimativa186 282 miglia al secondo, o circa 1 piede al nanosecondo.

Nelle branche della fisica in cui c compare spesso, come nella relatività, è comune utilizzare sistemi di unità di misura naturali o il sistema di unità geometrizzate dove c = 1 . Usando queste unità, c non appare esplicitamente perché la moltiplicazione o la divisione per  1 non influisce sul risultato. La sua unità di secondi luce al secondo è ancora rilevante, anche se omessa.

Ruolo fondamentale in fisica

La velocità con cui le onde luminose si propagano nel vuoto è indipendente sia dal moto della sorgente d'onda che dal sistema di riferimento inerziale dell'osservatore. Questa invarianza della velocità della luce fu postulata da Einstein nel 1905, dopo essere stata motivata dalla teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell e dalla mancanza di prove per l' etere luminifero ; da allora è stato costantemente confermato da molti esperimenti. È possibile solo verificare sperimentalmente che la velocità della luce a due vie (ad esempio, da una sorgente a uno specchio e viceversa) sia indipendente dal frame, perché è impossibile misurare la velocità della luce unidirezionale (ad esempio , da una sorgente a un rivelatore distante) senza alcuna convenzione su come sincronizzare gli orologi alla sorgente e al rivelatore. Tuttavia, adottando la sincronizzazione di Einstein per gli orologi, la velocità unidirezionale della luce diventa uguale per definizione alla velocità bidirezionale della luce. La teoria della relatività speciale esplora le conseguenze di questa invarianza di c partendo dal presupposto che le leggi della fisica siano le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali. Una conseguenza è che c è la velocità alla quale tutte le particelle e le onde prive di massa, inclusa la luce, devono viaggiare nel vuoto.

γ inizia da 1 quando v è uguale a zero e rimane quasi costante per v piccole, quindi curva bruscamente verso l'alto e ha un asintoto verticale, divergente all'infinito positivo quando v si avvicina a c.
Il fattore di Lorentz γ in funzione della velocità. Inizia da  1 e si avvicina all'infinito quando v si avvicina a  c .

La relatività speciale ha molte implicazioni controintuitive e verificate sperimentalmente. Questi includono l' equivalenza di massa ed energia ( E = mc 2 ) , la contrazione della lunghezza (gli oggetti in movimento si accorciano) e la dilatazione del tempo (gli orologi in movimento funzionano più lentamente). Il fattore  γ di cui le lunghezze si contraggono e i tempi si dilatano è noto come fattore di Lorentz ed è dato da γ = (1 − v 2 / c 2 ) −1/2 , dove v è la velocità dell'oggetto. La differenza di γ da  1 è trascurabile per velocità molto più lente di  c , come la maggior parte delle velocità quotidiane - nel qual caso la relatività speciale è strettamente approssimata dalla relatività galileiana  - ma aumenta a velocità relativistiche e diverge all'infinito quando v si avvicina a c . Ad esempio, un fattore di dilatazione temporale di γ  = 2 si verifica a una velocità relativa dell'86,6% della velocità della luce ( v  = 0,866  c ). Allo stesso modo, un fattore di dilatazione temporale di γ  = 10 si verifica al 99,5% della velocità della luce ( v  = 0,995  c ).

I risultati della relatività speciale possono essere riassunti trattando lo spazio e il tempo come una struttura unificata nota come spaziotempo (con  c che mette in relazione le unità di spazio e tempo) e richiedendo che le teorie fisiche soddisfino una simmetria speciale chiamata invarianza di Lorentz , la cui formulazione matematica contiene il parametro  c . L'invarianza di Lorentz è un presupposto quasi universale per le moderne teorie fisiche, come l'elettrodinamica quantistica , la cromodinamica quantistica , il modello standard della fisica delle particelle e la relatività generale . In quanto tale, il parametro  c è onnipresente nella fisica moderna, apparendo in molti contesti estranei alla luce. Ad esempio, la relatività generale prevede che  c sia anche la velocità di gravità e delle onde gravitazionali e le osservazioni delle onde gravitazionali sono state coerenti con questa previsione. Nei sistemi di riferimento non inerziali (spaziotempo curvo gravitazionale o sistemi di riferimento accelerati ), la velocità locale della luce è costante e uguale a  c , ma la velocità della luce lungo una traiettoria di lunghezza finita può differire da  c , a seconda di come le distanze e i tempi sono definiti.

Si presume generalmente che costanti fondamentali come  c abbiano lo stesso valore nello spaziotempo, il che significa che non dipendono dalla posizione e non variano nel tempo. Tuttavia, è stato suggerito in varie teorie che la velocità della luce potrebbe essere cambiata nel tempo . Non è stata trovata alcuna prova conclusiva di tali cambiamenti, ma rimangono oggetto di ricerca in corso.

Inoltre si presume generalmente che la velocità della luce sia isotropa , il che significa che ha lo stesso valore indipendentemente dalla direzione in cui viene misurata. Le osservazioni delle emissioni dei livelli di energia nucleare in funzione dell'orientamento dei nuclei emittenti in un campo magnetico (vedi esperimento Hughes-Drever ), e di risonatori ottici rotanti (vedi esperimenti del risonatore ) hanno posto limiti stringenti al possibile bidirezionale anisotropia .

Limite superiore di velocità

Secondo la relatività speciale, l'energia di un oggetto con massa a riposo m e velocità v è data da γmc 2 , dove γ è il fattore di Lorentz sopra definito. Quando v è zero, γ è uguale a uno, dando origine alla famosa formula E = mc 2 per l'equivalenza massa-energia. Il fattore γ si avvicina all'infinito quando v si avvicina a  c e ci vorrebbe una quantità infinita di energia per accelerare un oggetto con massa alla velocità della luce. La velocità della luce è il limite superiore per le velocità degli oggetti con massa a riposo positiva e i singoli fotoni non possono viaggiare più velocemente della velocità della luce. Ciò è stabilito sperimentalmente in molti test di energia e quantità di moto relativistici .

Sono rappresentate tre coppie di assi coordinati con la stessa origine A;  nel riquadro verde, l'asse x è orizzontale e l'asse ct è verticale;  nella cornice rossa, l'asse x′ è leggermente inclinato verso l'alto e l'asse ct′ leggermente inclinato verso destra, rispetto agli assi verdi;  nella cornice blu, l'asse x′′ è leggermente inclinato verso il basso e l'asse ct′′ leggermente inclinato verso sinistra, rispetto agli assi verdi.  Un punto B sull'asse x verde, a sinistra di A, ha zero ct, positivo ct′ e negativo ct′′.
L'evento A precede B nel riquadro rosso, è simultaneo con B nel riquadro verde e segue B nel riquadro blu.

Più in generale, è impossibile che i segnali o l'energia viaggino più velocemente di  c . Un argomento per questo deriva dall'implicazione contro-intuitiva della relatività speciale nota come relatività della simultaneità . Se la distanza spaziale tra due eventi A e B è maggiore dell'intervallo di tempo tra loro moltiplicato per  c allora esistono sistemi di riferimento in cui A precede B, altri in cui B precede A e altri in cui sono simultanei. Di conseguenza, se qualcosa viaggiasse più velocemente di  c rispetto a un sistema di riferimento inerziale, viaggerebbe indietro nel tempo rispetto a un altro sistema e la causalità verrebbe violata. In un tale quadro di riferimento, si potrebbe osservare un "effetto" prima della sua "causa". Una tale violazione della causalità non è mai stata registrata e porterebbe a paradossi come l' antitelefono tachionico .

Osservazioni ed esperimenti più veloci della luce

Ci sono situazioni in cui può sembrare che la materia, l'energia o il segnale che trasportano informazioni viaggi a velocità maggiori di  c , ma non è così. Ad esempio, come discusso nella propagazione della luce in una sezione media di seguito, molte velocità d'onda possono superare  c . La velocità di fase dei raggi X attraverso la maggior parte degli occhiali può superare di routine c , ma la velocità di fase non determina la velocità alla quale le onde trasmettono informazioni.

Se un raggio laser viene spostato rapidamente su un oggetto distante, il punto di luce può spostarsi più velocemente di  c , sebbene il movimento iniziale del punto sia ritardato a causa del tempo impiegato dalla luce per raggiungere l'oggetto distante alla velocità  c . Tuttavia, le uniche entità fisiche che si muovono sono il laser e la sua luce emessa, che viaggia alla velocità  c dal laser alle varie posizioni dello spot. Allo stesso modo, un'ombra proiettata su un oggetto distante può essere fatta muovere più velocemente di  c , dopo un ritardo nel tempo. In nessuno dei due casi la materia, l'energia o l'informazione viaggiano più veloci della luce.

Il tasso di variazione della distanza tra due oggetti in un quadro di riferimento rispetto al quale entrambi si stanno muovendo (la loro velocità di chiusura ) può avere un valore superiore a  c . Tuttavia, questo non rappresenta la velocità di un singolo oggetto misurata in un singolo frame inerziale.

Alcuni effetti quantistici sembrano essere trasmessi istantaneamente e quindi più velocemente di c , come nel paradosso EPR . Un esempio riguarda gli stati quantistici di due particelle che possono essere entangled . Fino a quando una delle particelle non viene osservata, esistono in una sovrapposizione di due stati quantistici. Se le particelle vengono separate e si osserva lo stato quantistico di una particella, lo stato quantistico dell'altra particella viene determinato istantaneamente. Tuttavia, è impossibile controllare quale stato quantistico assumerà la prima particella quando viene osservata, quindi le informazioni non possono essere trasmesse in questo modo.

Un altro effetto quantistico che prevede il verificarsi di velocità superiori alla luce è chiamato effetto Hartman : in determinate condizioni il tempo necessario a una particella virtuale per attraversare una barriera è costante, indipendentemente dallo spessore della barriera. Ciò potrebbe comportare che una particella virtuale attraversi un grande spazio vuoto più velocemente della luce. Tuttavia, nessuna informazione può essere inviata utilizzando questo effetto.

Il cosiddetto movimento superluminale è visto in alcuni oggetti astronomici, come i getti relativistici di radiogalassie e quasar . Tuttavia, questi getti non si muovono a velocità superiori a quella della luce: il moto apparente superluminale è un effetto di proiezione causato da oggetti che si muovono vicino alla velocità della luce e si avvicinano alla Terra con un piccolo angolo rispetto alla linea di vista: poiché la luce che è stato emesso quando il getto era più lontano ha impiegato più tempo per raggiungere la Terra, il tempo tra due osservazioni successive corrisponde a un tempo più lungo tra gli istanti in cui sono stati emessi i raggi luminosi.

Un esperimento del 2011 in cui è stato osservato che i neutrini viaggiano più velocemente della luce si è rivelato essere dovuto a un errore sperimentale.

Nei modelli dell'universo in espansione, più le galassie sono lontane l'una dall'altra, più velocemente si allontanano. Questo allontanamento non è dovuto al movimento nello spazio, ma piuttosto all'espansione dello spazio stesso. Ad esempio, le galassie lontane dalla Terra sembrano allontanarsi dalla Terra con una velocità proporzionale alle loro distanze. Oltre un confine chiamato sfera di Hubble , la velocità con cui la loro distanza dalla Terra aumenta diventa maggiore della velocità della luce.

Propagazione della luce

Nella fisica classica , la luce è descritta come un tipo di onda elettromagnetica . Il comportamento classico del campo elettromagnetico è descritto dalle equazioni di Maxwell , che prevedono che la velocità  c con cui le onde elettromagnetiche (come la luce) si propagano nel vuoto è correlata alla capacità distribuita e all'induttanza del vuoto, altrimenti note rispettivamente come costante elettrica ε 0 e la costante magnetica μ 0 , dall'equazione

Nella moderna fisica quantistica , il campo elettromagnetico è descritto dalla teoria dell'elettrodinamica quantistica (QED). In questa teoria, la luce è descritta dalle eccitazioni (o quanti) fondamentali del campo elettromagnetico, chiamate fotoni . Nella QED, i fotoni sono particelle prive di massa e quindi, secondo la relatività speciale, viaggiano alla velocità della luce nel vuoto.

Sono state considerate estensioni della QED in cui il fotone ha una massa. In una tale teoria, la sua velocità dipenderebbe dalla sua frequenza e la velocità  c invariante della relatività speciale sarebbe quindi il limite superiore della velocità della luce nel vuoto. Nessuna variazione della velocità della luce con la frequenza è stata osservata in test rigorosi, ponendo limiti rigorosi alla massa del fotone. Il limite ottenuto dipende dal modello utilizzato: se il fotone massiccio è descritto dalla teoria di Proca , il limite superiore sperimentale per la sua massa è di circa 10 −57 grammi ; se la massa del fotone è generata da un meccanismo di Higgs , il limite superiore sperimentale è meno nitido, m10 −14  eV/ c 2   (circa 2 × 10 −47  g).

Un altro motivo per cui la velocità della luce varia con la sua frequenza sarebbe l'incapacità della relatività speciale di applicarsi a scale arbitrariamente piccole, come previsto da alcune teorie proposte sulla gravità quantistica . Nel 2009, l'osservazione del burst di raggi gamma GRB 090510 non ha trovato prove di una dipendenza della velocità dei fotoni dall'energia, supportando vincoli stretti in modelli specifici di quantizzazione dello spaziotempo su come questa velocità sia influenzata dall'energia dei fotoni per energie che si avvicinano alla scala di Planck .

In un mezzo

In un mezzo, la luce di solito non si propaga ad una velocità uguale a c ; inoltre, diversi tipi di onde luminose viaggeranno a velocità diverse. La velocità alla quale si propagano le singole creste e depressioni di un'onda piana (un'onda che riempie l'intero spazio, con una sola frequenza ) è chiamata velocità di  fase vp . Un segnale fisico con un'estensione finita (un impulso di luce) viaggia a una velocità diversa. L' inviluppo complessivo dell'impulso viaggia alla velocità di gruppo vg , e la sua prima parte viaggia alla velocità anteriore vf .  

Un'onda modulata si sposta da sinistra a destra.  Ci sono tre punti contrassegnati da un punto: un punto blu in corrispondenza di un nodo dell'onda portante, un punto verde al massimo dell'involucro e un punto rosso nella parte anteriore dell'involucro.
Il punto blu si muove alla velocità delle increspature, la velocità di fase; il punto verde si muove con la velocità dell'inviluppo, la velocità di gruppo; e il punto rosso si muove con la velocità della parte più avanzata dell'impulso, la velocità frontale.

La velocità di fase è importante per determinare come un'onda luminosa viaggia attraverso un materiale o da un materiale all'altro. È spesso rappresentato in termini di indice di rifrazione . L'indice di rifrazione di un materiale è definito come il rapporto tra c e la velocità di fase  v p nel materiale: indici di rifrazione maggiori indicano velocità inferiori. L'indice di rifrazione di un materiale può dipendere dalla frequenza, dall'intensità, dalla polarizzazione o dalla direzione di propagazione della luce; in molti casi, tuttavia, può essere trattata come una costante dipendente dal materiale. L' indice di rifrazione dell'aria è di circa 1.0003. I mezzi più densi, come acqua , vetro e diamante , hanno indici di rifrazione di circa 1,3, 1,5 e 2,4, rispettivamente, per la luce visibile. In materiali esotici come i condensati di Bose-Einstein vicini allo zero assoluto, la velocità effettiva della luce può essere di pochi metri al secondo. Tuttavia, questo rappresenta un ritardo di assorbimento e ri-irradiazione tra gli atomi, così come tutte le velocità inferiori a quelle nelle sostanze materiali. Come esempio estremo di "rallentamento" della luce nella materia, due team indipendenti di fisici hanno affermato di portare la luce a un "arresto completo" facendola passare attraverso un condensato di Bose-Einstein dell'elemento rubidio . Tuttavia, la descrizione popolare della luce "fermata" in questi esperimenti si riferisce solo alla luce che viene immagazzinata negli stati eccitati degli atomi, quindi riemessa in un momento arbitrariamente successivo, stimolata da un secondo impulso laser. Durante il tempo in cui si era "fermato", aveva cessato di essere leggero. Questo tipo di comportamento è generalmente microscopicamente vero per tutti i mezzi trasparenti che "rallentano" la velocità della luce.

Nei materiali trasparenti, l'indice di rifrazione è generalmente maggiore di 1, il che significa che la velocità di fase è inferiore a c . In altri materiali, è possibile che l'indice di rifrazione diventi inferiore a  1 per alcune frequenze; in alcuni materiali esotici è anche possibile che l'indice di rifrazione diventi negativo. Il requisito della non violazione della causalità implica che le parti reale e immaginaria della costante dielettrica di qualsiasi materiale, corrispondenti rispettivamente all'indice di rifrazione e al coefficiente di attenuazione , siano legate dalle relazioni di Kramers-Kronig . In termini pratici, ciò significa che in un materiale con indice di rifrazione inferiore a 1, l'onda verrà assorbita rapidamente.

Un impulso con diverse velocità di gruppo e di fase (che si verifica se la velocità di fase non è la stessa per tutte le frequenze dell'impulso) si diffonde nel tempo, un processo noto come dispersione . Alcuni materiali hanno una velocità di gruppo eccezionalmente bassa (o addirittura nulla) per le onde luminose, un fenomeno chiamato luce lenta . L'opposto, velocità di gruppo superiori a c , è stato proposto teoricamente nel 1993 e ottenuto sperimentalmente nel 2000. Dovrebbe anche essere possibile che la velocità di gruppo diventi infinita o negativa, con impulsi che viaggiano istantaneamente o indietro nel tempo.

Nessuna di queste opzioni, tuttavia, consente di trasmettere le informazioni più velocemente di c . È impossibile trasmettere informazioni con un impulso luminoso più veloce della velocità della prima parte dell'impulso (la velocità frontale). Si può dimostrare che questo è (sotto certe ipotesi) sempre uguale a c .

È possibile che una particella viaggi attraverso un mezzo più velocemente della velocità di fase della luce in quel mezzo (ma comunque più lento di c ). Quando una particella carica lo fa in un materiale dielettrico , viene emessa l'equivalente elettromagnetico di un'onda d'urto , nota come radiazione Cherenkov .

Effetti pratici della finitezza

La velocità della luce è rilevante per le comunicazioni : il tempo di ritardo unidirezionale e di andata e ritorno è maggiore di zero. Questo vale dalle scale piccole a quelle astronomiche. D'altra parte, alcune tecniche dipendono dalla velocità finita della luce, ad esempio nelle misurazioni della distanza.

Piccole scale

Nei supercomputer , la velocità della luce impone un limite alla velocità con cui i dati possono essere inviati tra i processori . Se un processore funziona a 1 gigahertz , un segnale può viaggiare solo per un massimo di circa 30 centimetri (1 piedi) in un singolo ciclo di clock — in pratica, questa distanza è ancora più breve poiché il circuito stampato stesso ha un indice di rifrazione e rallenta segnali. I processori devono quindi essere posizionati uno vicino all'altro, così come i chip di memoria , per ridurre al minimo le latenze di comunicazione. Se le frequenze di clock continuano ad aumentare, la velocità della luce diventerà un fattore limitante per la progettazione interna dei singoli chip .  

Grandi distanze sulla Terra

Dato che la circonferenza equatoriale della Terra è di circa40 075  km e che c è di circa300.000 km  /s , il tempo teorico più breve per un'informazione per percorrere metà del globo lungo la superficie è di circa 67 millisecondi. Quando la luce viaggia in fibra ottica (un materiale trasparente ) il tempo di transito effettivo è più lungo, anche perché la velocità della luce è inferiore di circa il 35% in fibra ottica, a seconda del suo indice di rifrazione n . Inoltre, le linee rette sono rare nelle comunicazioni globali e il tempo di viaggio aumenta quando i segnali passano attraverso interruttori elettronici o rigeneratori di segnale.

Sebbene questa distanza sia in gran parte irrilevante per la maggior parte delle applicazioni, la latenza diventa importante in campi come il trading ad alta frequenza , dove i trader cercano di ottenere piccoli vantaggi consegnando le loro operazioni agli scambi con frazioni di secondo di vantaggio rispetto agli altri trader. Ad esempio, i trader sono passati alle comunicazioni a microonde tra hub commerciali, a causa del vantaggio che le onde radio che viaggiano a velocità prossime a quella della luce attraverso l'aria hanno rispetto a segnali in fibra ottica relativamente più lenti.

Volo spaziale e astronomia

Il diametro della luna è circa un quarto di quello della Terra e la loro distanza è circa trenta volte il diametro della Terra.  Un raggio di luce parte dalla Terra e raggiunge la Luna in circa un secondo e un quarto.
Un raggio di luce è raffigurato in viaggio tra la Terra e la Luna nel tempo impiegato da un impulso di luce per spostarsi tra di loro: 1,255 secondi alla loro distanza orbitale media (da superficie a superficie). Le dimensioni relative e la separazione del sistema Terra-Luna sono mostrate in scala.

Allo stesso modo, le comunicazioni tra la Terra e la navicella spaziale non sono istantanee. C'è un breve ritardo dalla sorgente al ricevitore, che diventa più evidente all'aumentare delle distanze. Questo ritardo è stato significativo per le comunicazioni tra il controllo a terra e l' Apollo 8 quando è diventata la prima navicella spaziale con equipaggio in orbita attorno alla Luna: per ogni domanda, la stazione di controllo a terra ha dovuto attendere almeno tre secondi affinché arrivasse la risposta. Il ritardo delle comunicazioni tra la Terra e Marte può variare tra i cinque ei venti minuti a seconda delle posizioni relative dei due pianeti. Di conseguenza, se un robot sulla superficie di Marte dovesse incontrare un problema, i suoi controllori umani non se ne accorgerebbero fino a 5-20 minuti dopo. Ci vorranno quindi altri 5-20 minuti prima che i comandi viaggino dalla Terra a Marte.

La ricezione di luce e altri segnali da sorgenti astronomiche lontane richiede molto più tempo. Ad esempio, occorrono 13 miliardi (13 × 109 ) anni perché la luce viaggi sulla Terra dalle galassie lontane viste nelle immagini del campo ultra profondo di Hubble . Quelle fotografie, scattate oggi, catturano immagini delle galassie come apparivano 13 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva meno di un miliardo di anni. Il fatto che gli oggetti più distanti appaiano più giovani, a causa della velocità finita della luce, consente agli astronomi di dedurre l' evoluzione delle stelle , delle galassie e dell'universo stesso.

Le distanze astronomiche sono talvolta espresse in anni luce , specialmente nelle pubblicazioni e nei media di divulgazione scientifica . Un anno luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno giuliano , circa 9461 miliardi di chilometri, 5879 miliardi di miglia o 0,3066 parsec . In cifre tonde, un anno luce è quasi 10 trilioni di chilometri o quasi 6 trilioni di miglia. Proxima Centauri , la stella più vicina alla Terra dopo il Sole, dista circa 4,2 anni luce.

Misurazione della distanza

I sistemi radar misurano la distanza da un bersaglio in base al tempo impiegato da un impulso di onde radio per tornare all'antenna radar dopo essere stato riflesso dal bersaglio: la distanza dal bersaglio è la metà del tempo di transito di andata e ritorno moltiplicato per la velocità della luce . Un ricevitore GPS ( Global Positioning System ) misura la sua distanza dai satelliti GPS in base al tempo impiegato da un segnale radio per arrivare da ciascun satellite e da queste distanze calcola la posizione del ricevitore. Perché la luce viaggia300 000  chilometri (186 000  mi ) in un secondo, queste misurazioni di piccole frazioni di secondo devono essere molto precise. Il Lunar Laser Ranging Experiment , l'astronomia radar e la Deep Space Network determinano le distanze rispettivamente della Luna, dei pianeti e della navicella spaziale, misurando i tempi di transito di andata e ritorno.

Misurazione

Esistono diversi modi per determinare il valore di c . Un modo è misurare la velocità effettiva alla quale si propagano le onde luminose, cosa che può essere eseguita in varie configurazioni astronomiche e terrestri. Tuttavia, è anche possibile determinare c da altre leggi fisiche dove appare, ad esempio, determinando i valori delle costanti elettromagnetiche ε 0 e μ 0 e usando la loro relazione con c . Storicamente, i risultati più accurati sono stati ottenuti determinando separatamente la frequenza e la lunghezza d'onda di un raggio luminoso, con il loro prodotto uguale a c . Questo è descritto più dettagliatamente nella sezione "Interferometria" di seguito.

Nel 1983 il metro è stato definito come "la lunghezza del percorso percorso dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo di 1299 792 458 di secondo", fissando il valore della velocità della luce a299 792 458  m/s per definizione, come di seguito descritto . Di conseguenza, misurazioni accurate della velocità della luce producono una realizzazione accurata del misuratore piuttosto che un valore accurato di c .

Misure astronomiche

Misurazione della velocità della luce mediante l'eclissi di Io di Giove

Lo spazio esterno è un ambiente conveniente per misurare la velocità della luce grazie alla sua ampia scala e al vuoto quasi perfetto . Tipicamente, si misura il tempo necessario alla luce per attraversare una certa distanza di riferimento nel Sistema Solare , come il raggio dell'orbita terrestre. Storicamente, tali misurazioni potrebbero essere eseguite in modo abbastanza accurato, rispetto a quanto accuratamente è nota la lunghezza della distanza di riferimento nelle unità terrestri.

Ole Christensen Rømer ha utilizzato una misurazione astronomica per effettuare la prima stima quantitativa della velocità della luce nell'anno 1676. Quando misurata dalla Terra, i periodi delle lune in orbita attorno a un pianeta lontano sono più brevi quando la Terra si avvicina al pianeta rispetto a quando la Terra è allontanandosi da esso. La distanza percorsa dalla luce dal pianeta (o dalla sua luna) alla Terra è minore quando la Terra si trova nel punto della sua orbita più vicino al suo pianeta rispetto a quando la Terra si trova nel punto più lontano della sua orbita, la differenza di distanza essendo il diametro dell'orbita terrestre attorno al Sole. Il cambiamento osservato nel periodo orbitale della luna è causato dalla differenza nel tempo impiegato dalla luce per percorrere la distanza più breve o più lunga. Rømer ha osservato questo effetto per la luna più interna di Giove , Io , e ha dedotto che la luce impiega 22 minuti per attraversare il diametro dell'orbita terrestre.

Una stella emette un raggio di luce che colpisce l'obiettivo di un telescopio.  Mentre la luce viaggia lungo il telescopio fino al suo oculare, il telescopio si sposta a destra.  Affinché la luce rimanga all'interno del telescopio, il telescopio deve essere inclinato a destra, in modo che la sorgente distante appaia in una posizione diversa a destra.
Aberrazione della luce: la luce proveniente da una sorgente lontana sembra provenire da una posizione diversa per un telescopio in movimento a causa della velocità finita della luce.

Un altro metodo consiste nell'usare l' aberrazione della luce , scoperta e spiegata da James Bradley nel 18° secolo. Questo effetto risulta dalla somma vettoriale della velocità della luce che arriva da una sorgente lontana (come una stella) e della velocità del suo osservatore (vedi diagramma a destra). Un osservatore in movimento vede quindi la luce provenire da una direzione leggermente diversa e di conseguenza vede la sorgente in una posizione spostata dalla sua posizione originale. Poiché la direzione della velocità terrestre cambia continuamente mentre la Terra orbita attorno al Sole, questo effetto fa sì che la posizione apparente delle stelle si muova. Dalla differenza angolare nella posizione delle stelle (massimo 20,5 secondi d' arco ) è possibile esprimere la velocità della luce in termini di velocità della Terra attorno al Sole, che con la durata nota di un anno può essere convertita nel tempo necessario per viaggiare dal Sole alla Terra. Nel 1729, Bradley usò questo metodo per ricavare che la luce viaggiava10 210 volte più veloce della Terra nella sua orbita (la figura moderna è10 066 volte più veloce) o, equivalentemente, che la luce impiegherebbe 8 minuti e 12 secondi per viaggiare dal Sole alla Terra.

Unità astronomica

Un'unità astronomica (AU) è approssimativamente la distanza media tra la Terra e il Sole. È stato ridefinito esattamente nel 2012149 597 870 700  m . In precedenza l'UA non era basata sul Sistema Internazionale di Unità ma in termini di forza gravitazionale esercitata dal Sole nell'ambito della meccanica classica. La definizione attuale utilizza il valore raccomandato in metri per la precedente definizione dell'unità astronomica, che era determinata mediante misurazione. Questa ridefinizione è analoga a quella del metro e allo stesso modo ha l'effetto di fissare la velocità della luce a un valore esatto in unità astronomiche al secondo (attraverso l'esatta velocità della luce in metri al secondo).

In precedenza, l'inverso di  c espresso in secondi per unità astronomica veniva misurato confrontando il tempo impiegato dai segnali radio per raggiungere diversi veicoli spaziali nel Sistema Solare, con la loro posizione calcolata dagli effetti gravitazionali del Sole e di vari pianeti. Combinando molte di queste misurazioni, è possibile ottenere un valore di adattamento ottimale per il tempo di luce per unità di distanza. Ad esempio, nel 2009, la migliore stima, approvata dall'Unione Astronomica Internazionale (IAU), era:

tempo luce per unità di distanza: t au  = 499.004 783 836 (10) s
c  = 0,002 003 988 804 10 (4) AU/s  = 173.144 632 674 (3) AU/giorno.

L'incertezza relativa in queste misurazioni è di 0,02 parti per miliardo (2 × 10 −11 ), equivalente all'incertezza nelle misurazioni di lunghezza basate sulla Terra mediante interferometria. Poiché il metro è definito come la lunghezza percorsa dalla luce in un certo intervallo di tempo, la misura del tempo luce nei termini della precedente definizione di unità astronomica può anche essere interpretata come la misura della lunghezza di una AU (vecchia definizione) in metri.

Tecniche di tempo di volo

Una delle ultime e più accurate misurazioni del tempo di volo, l'esperimento 1930-1935 di Michelson, Pease e Pearson utilizzava uno specchio rotante e una camera a vuoto lunga un miglio (1,6 km) che il raggio di luce ha attraversato 10 volte. Ha raggiunto una precisione di ±11 km/s.

Un metodo per misurare la velocità della luce consiste nel misurare il tempo necessario affinché la luce viaggi verso uno specchio a una distanza nota e viceversa. Questo è il principio di funzionamento dell'apparato Fizeau-Foucault sviluppato da Hippolyte Fizeau e Léon Foucault , su suggerimento di François Arago .

La configurazione utilizzata da Fizeau consiste in un raggio di luce diretto verso uno specchio a 8 chilometri (5 miglia) di distanza. Sulla strada dalla sorgente allo specchio, il raggio passa attraverso una ruota dentata rotante. A una certa velocità di rotazione, il raggio passa attraverso uno spazio vuoto all'uscita e un altro al ritorno, ma a velocità leggermente superiori o inferiori, il raggio colpisce un dente e non passa attraverso la ruota. Conoscendo la distanza tra la ruota e lo specchio, il numero di denti sulla ruota e la velocità di rotazione, è possibile calcolare la velocità della luce.

Il metodo di Foucault sostituisce la ruota dentata con uno specchio rotante. Poiché lo specchio continua a ruotare mentre la luce viaggia verso lo specchio distante e viceversa, la luce viene riflessa dallo specchio rotante con un angolo diverso quando esce rispetto a quando torna indietro. Da questa differenza di angolo, la velocità di rotazione nota e la distanza dallo specchio distante può essere calcolata la velocità della luce.

Oggi, utilizzando oscilloscopi con risoluzioni temporali inferiori a un nanosecondo, la velocità della luce può essere misurata direttamente cronometrando il ritardo di un impulso luminoso di un laser o di un LED riflesso da uno specchio. Questo metodo è meno preciso (con errori dell'ordine dell'1%) rispetto ad altre tecniche moderne, ma a volte viene utilizzato come esperimento di laboratorio nelle classi di fisica universitarie.

Costanti elettromagnetiche

Un'opzione per derivare c che non dipende direttamente da una misura della propagazione delle onde elettromagnetiche consiste nell'usare la relazione tra c e la permittività del vuoto ε 0 e la permeabilità del vuoto μ 0 stabilite dalla teoria di Maxwell: c 2  = 1/( ε 0 μ 0 ). La permittività del vuoto può essere determinata misurando la capacità e le dimensioni di un condensatore , mentre il valore della permeabilità al vuoto è stato storicamente fissato esattamente a× 10 −7  H⋅m −1 attraverso la definizione dell'ampere . Rosa e Dorsey usarono questo metodo nel 1907 per trovare un valore di299 710 ± 22 km/s . Il loro metodo dipendeva dall'avere un'unità standard di resistenza elettrica, l '" ohm internazionale ", e quindi la sua accuratezza era limitata dal modo in cui era definito questo standard.

Risonanza della cavità

Una scatola con tre onde;  ci sono una lunghezza d'onda e mezza dell'onda superiore, una di quella media e una metà di quella inferiore.
Onde stazionarie elettromagnetiche in una cavità

Un altro modo per misurare la velocità della luce è misurare indipendentemente la frequenza f e la lunghezza d'onda λ di un'onda elettromagnetica nel vuoto. Il valore di c può quindi essere trovato usando la relazione c  =  . Un'opzione è misurare la frequenza di risonanza di un risonatore a cavità . Se sono note anche le dimensioni della cavità di risonanza, queste possono essere utilizzate per determinare la lunghezza d'onda dell'onda. Nel 1946, Louis Essen e AC Gordon-Smith stabilirono la frequenza per una varietà di modi normali di microonde di una cavità a microonde di dimensioni precisamente note. Le dimensioni sono state stabilite con una precisione di circa ± 0,8 μm utilizzando calibri calibrati mediante interferometria. Poiché la lunghezza d'onda dei modi era nota dalla geometria della cavità e dalla teoria elettromagnetica , la conoscenza delle frequenze associate consentiva un calcolo della velocità della luce.

Il risultato Essen-Gordon-Smith,299 792 ± 9 km/s , era sostanzialmente più preciso di quelli rilevati dalle tecniche ottiche. Nel 1950, misurazioni ripetute di Essen stabilirono un risultato di299 792,5 ± 3,0 km/ s .

Una dimostrazione domestica di questa tecnica è possibile, utilizzando un forno a microonde e alimenti come marshmallow o margarina: se il piatto rotante viene rimosso in modo che il cibo non si muova, cuocerà più velocemente agli antinodi (i punti in cui l'ampiezza dell'onda è il più grande), dove inizierà a sciogliersi. La distanza tra due di questi punti è la metà della lunghezza d'onda delle microonde; misurando questa distanza e moltiplicando la lunghezza d'onda per la frequenza delle microonde (normalmente visualizzata sul retro del forno, tipicamente 2450 MHz), è possibile calcolare il valore di c , "spesso con errore inferiore al 5%.

Interferometria

Schema del funzionamento di un interferometro di Michelson.
Una determinazione interferometrica della lunghezza. A sinistra: interferenza costruttiva ; A destra: interferenza distruttiva .

L' interferometria è un altro metodo per trovare la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica per determinare la velocità della luce. Un fascio di luce coerente (ad esempio da un laser ), con una frequenza nota ( f ), viene suddiviso per seguire due percorsi e quindi ricombinato. Regolando la lunghezza del percorso osservando il modello di interferenza e misurando attentamente la variazione della lunghezza del percorso, è possibile determinare la lunghezza d'onda della luce ( λ ). La velocità della luce viene quindi calcolata utilizzando l'equazione  c  =  λf .

Prima dell'avvento della tecnologia laser, per le misurazioni interferometriche della velocità della luce venivano utilizzate sorgenti radio coerenti. Tuttavia, la determinazione interferometrica della lunghezza d'onda diventa meno precisa con la lunghezza d'onda e gli esperimenti sono stati quindi limitati nella precisione dalla lunghezza d'onda lunga (~ 4 mm (0,16 pollici)) delle onde radio. La precisione può essere migliorata utilizzando la luce con una lunghezza d'onda più corta, ma poi diventa difficile misurare direttamente la frequenza della luce. Un modo per aggirare questo problema è iniziare con un segnale a bassa frequenza di cui la frequenza può essere misurata con precisione, e da questo segnale sintetizzare progressivamente segnali a frequenza più alta la cui frequenza può quindi essere collegata al segnale originale. Un laser può quindi essere bloccato sulla frequenza e la sua lunghezza d'onda può essere determinata utilizzando l'interferometria. Questa tecnica era dovuta a un gruppo del National Bureau of Standards (che in seguito divenne il National Institute of Standards and Technology ). Lo usarono nel 1972 per misurare la velocità della luce nel vuoto con un'incertezza frazionaria di3,5 × 10 -9 .

Storia

Storia delle misurazioni di  c (in km/s)
<1638 Galileo , lanterne coperte inconcludente
<1667 Accademia del Cimento , lanterne coperte inconcludente
1675 Rømer  e  Huygens , lune di Giove 220.000 _ -27% di errore
1729 James Bradley , aberrazione della luce 301 000 +0,40% di errore
1849 Hippolyte Fizeau , ruota dentata 315.000 _ +5,1% di errore
1862 Léon Foucault , specchio rotante 298 000 ± 500 -0,60% di errore
1907 Rosa e Dorsey,  costanti EM 299 710 ± 30 Errore di -280 ppm
1926 Albert A. Michelson , specchio rotante 299 796 ± 4 +12 ppm di errore
1950 Essen e Gordon-Smith , risonatore a cavità 299 792 ,5 ± 3,0 Errore +0,14 ppm
1958 KD Froome, radiointerferometria 299 792 ,50 ± 0,10 Errore +0,14 ppm
1972 Evenson  et al. , interferometria laser 299 792 .4562 ± 0,0011 Errore di −0,006 ppm
1983 17° CGPM, definizione del metro 299 792 .458  (esatto) esatto, come definito

Fino all'inizio del periodo moderno , non era noto se la luce viaggiasse istantaneamente oa una velocità finita molto elevata. Il primo esame documentato esistente di questo argomento fu nell'antica Grecia . Gli antichi greci, gli studiosi arabi e gli scienziati europei classici ne discussero a lungo fino a quando Rømer non fornì il primo calcolo della velocità della luce. La teoria della relatività speciale di Einstein concludeva che la velocità della luce è costante indipendentemente dal proprio sistema di riferimento. Da allora, gli scienziati hanno fornito misurazioni sempre più accurate.

Storia antica

Empedocle (490–430 aC circa) fu il primo a proporre una teoria della luce e affermò che la luce ha una velocità finita. Sosteneva che la luce era qualcosa in movimento, e quindi doveva impiegare del tempo per viaggiare. Aristotele sosteneva, al contrario, che "la luce è dovuta alla presenza di qualcosa, ma non è un movimento". Euclide e Tolomeo hanno avanzato la teoria dell'emissione della visione di Empedocle, in cui la luce viene emessa dall'occhio, consentendo così la vista. Basandosi su questa teoria, Erone di Alessandria sostenne che la velocità della luce deve essere infinita perché oggetti distanti come le stelle appaiono immediatamente dopo l'apertura degli occhi. I primi filosofi islamici inizialmente erano d'accordo con la visione aristotelica secondo cui la luce non aveva velocità di viaggio. Nel 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) pubblicò il Libro dell'ottica , in cui presentava una serie di argomentazioni che respingevano la teoria dell'emissione della visione a favore della teoria dell'intromissione ora accettata, in cui la luce si sposta da un oggetto nell'occhio. Ciò ha portato Alhazen a proporre che la luce debba avere una velocità finita e che la velocità della luce sia variabile, decrescente nei corpi più densi. Ha sostenuto che la luce è materia sostanziale, la cui propagazione richiede tempo, anche se è nascosta ai sensi. Sempre nell'XI secolo, Abū Rayhān al-Bīrūnī concordò sul fatto che la luce ha una velocità finita e osservò che la velocità della luce è molto più veloce della velocità del suono.

Nel XIII secolo, Ruggero Bacone sostenne che la velocità della luce nell'aria non era infinita, utilizzando argomenti filosofici supportati dagli scritti di Alhazen e Aristotele. Nel 1270 Witelo considerò la possibilità che la luce viaggiasse a velocità infinita nel vuoto, ma rallentasse nei corpi più densi.

All'inizio del XVII secolo, Johannes Keplero credeva che la velocità della luce fosse infinita poiché lo spazio vuoto non presentava ostacoli ad essa. René Descartes ha sostenuto che se la velocità della luce fosse finita, il Sole, la Terra e la Luna sarebbero notevolmente fuori allineamento durante un'eclissi lunare . (Sebbene questo argomento fallisca quando si tiene conto dell'aberrazione della luce , quest'ultima non fu riconosciuta fino al secolo successivo.) Poiché tale disallineamento non era stato osservato, Descartes concluse che la velocità della luce era infinita. Descartes ipotizzò che se la velocità della luce fosse finita, il suo intero sistema filosofico potrebbe essere demolito. Nonostante ciò, nella sua derivazione della legge di Snell , Descartes presumeva che un qualche tipo di movimento associato alla luce fosse più veloce nei mezzi più densi. Pierre de Fermat derivò la legge di Snell utilizzando l'ipotesi opposta, più denso era il mezzo, più la luce viaggiava lentamente. Fermat ha anche sostenuto una velocità finita della luce.

Primi tentativi di misurazione

Nel 1629, Isaac Beeckman propose un esperimento in cui una persona osserva il lampo di un cannone che si riflette su uno specchio a circa 1,6 km di distanza. Nel 1638 Galileo Galilei propose un esperimento, con l'apparente pretesa di averlo eseguito alcuni anni prima, per misurare la velocità della luce osservando il ritardo tra lo scoprire una lanterna e la sua percezione a una certa distanza. Non era in grado di distinguere se il viaggio della luce fosse istantaneo o meno, ma concluse che se non lo fosse, doveva comunque essere straordinariamente rapido. Nel 1667 l' Accademia del Cimento di Firenze riferì di aver eseguito l'esperimento di Galileo, con le lanterne separate da circa un miglio, ma nessun ritardo fu osservato. Il ritardo effettivo in questo esperimento sarebbe stato di circa 11 microsecondi .

Un diagramma dell'orbita di un pianeta attorno al Sole e dell'orbita di una luna attorno a un altro pianeta.  L'ombra di quest'ultimo pianeta è ombreggiata.
Le osservazioni di Rømer delle occultazioni di Io dalla Terra

La prima stima quantitativa della velocità della luce fu fatta nel 1676 da Ole Rømer. Dall'osservazione che i periodi della luna più interna di Giove Io sembravano essere più brevi quando la Terra si stava avvicinando a Giove rispetto a quando si allontanava da essa, ha concluso che la luce viaggia a una velocità finita e ha stimato che la luce impiega 22 minuti per attraversare il diametro di L'orbita terrestre. Christiaan Huygens ha combinato questa stima con una stima del diametro dell'orbita terrestre per ottenere una stima della velocità della luce di220 000  km/s , che è il 27% inferiore al valore effettivo.

Nel suo libro del 1704 Opticks , Isaac Newton riferì i calcoli di Rømer della velocità finita della luce e diede un valore di "sette o otto minuti" per il tempo impiegato dalla luce per viaggiare dal Sole alla Terra (il valore moderno è 8 minuti 19 secondi). Newton chiese se le ombre dell'eclissi di Rømer fossero colorate; sentendo che non lo erano, concluse che i diversi colori viaggiavano alla stessa velocità. Nel 1729, James Bradley scoprì l'aberrazione stellare . Da questo effetto ha determinato che la luce deve viaggiare 10.210 volte più veloce della Terra nella sua orbita (la cifra moderna è 10.066 volte più veloce) o, equivalentemente, che la luce impiegherebbe 8 minuti e 12 secondi per viaggiare dal Sole alla Terra.

Connessioni con l'elettromagnetismo

Nel 19° secolo Hippolyte Fizeau sviluppò un metodo per determinare la velocità della luce basato sulle misurazioni del tempo di volo sulla Terra e riportò un valore di315.000 km  /s . Il suo metodo è stato migliorato da Léon Foucault che ha ottenuto un valore di298 000  km/s nel 1862. Nell'anno 1856, Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch misurarono il rapporto tra le unità di carica elettromagnetica ed elettrostatica, 1/ ε 0 μ 0 , scaricando un vaso di Leida , e trovarono che il suo valore numerico il valore era molto vicino alla velocità della luce misurata direttamente da Fizeau. L'anno successivo Gustav Kirchhoff calcolò che un segnale elettrico in un filo senza resistenza viaggia lungo il filo a questa velocità. All'inizio degli anni '60 dell'Ottocento Maxwell dimostrò che, secondo la teoria dell'elettromagnetismo su cui stava lavorando, le onde elettromagnetiche si propagano nello spazio vuoto a una velocità pari al rapporto Weber/Kohlrausch sopra indicato, e richiamando l'attenzione sulla vicinanza numerica di questo valore al velocità della luce misurata da Fizeau, ha proposto che la luce sia in realtà un'onda elettromagnetica.

"Etere luminoso"

Hendrik Lorentz (a destra) con Albert Einstein (1921)

All'epoca si pensava che lo spazio vuoto fosse riempito da un mezzo di fondo chiamato etere luminifero in cui esisteva il campo elettromagnetico. Alcuni fisici pensavano che questo etere fungesse da quadro di riferimento preferito per la propagazione della luce e quindi dovrebbe essere possibile misurare il moto della Terra rispetto a questo mezzo, misurando l' isotropia della velocità della luce. A partire dal 1880 furono eseguiti diversi esperimenti per cercare di rilevare questo movimento, il più famoso dei quali è l'esperimento eseguito da Albert A. Michelson e Edward W. Morley nel 1887. Il movimento rilevato era sempre inferiore all'errore di osservazione. Esperimenti moderni indicano che la velocità bidirezionale della luce è isotropa (la stessa in ogni direzione) entro 6 nanometri al secondo.

A causa di questo esperimento Hendrik Lorentz ha proposto che il movimento dell'apparato attraverso l'etere possa causare la contrazione dell'apparato lungo la sua lunghezza nella direzione del movimento, e ha inoltre ipotizzato che anche la variabile tempo per i sistemi in movimento debba essere modificata di conseguenza ("locale tempo"), che ha portato alla formulazione della trasformazione di Lorentz . Basandosi sulla teoria dell'etere di Lorentz , Henri Poincaré (1900) dimostrò che questa ora locale (al primo ordine in v / c ) è indicata da orologi che si muovono nell'etere, che sono sincronizzati nell'ipotesi di una velocità della luce costante. Nel 1904 ipotizzò che la velocità della luce potesse essere una velocità limite nella dinamica, a condizione che le ipotesi della teoria di Lorentz fossero tutte confermate. Nel 1905, Poincaré portò la teoria dell'etere di Lorentz in pieno accordo osservazionale con il principio di relatività .

Relatività speciale

Nel 1905 Einstein postulò fin dall'inizio che la velocità della luce nel vuoto, misurata da un osservatore non in accelerazione, è indipendente dal movimento della sorgente o dell'osservatore. Utilizzando questo e il principio di relatività come base derivò la teoria della relatività speciale , in cui la velocità della luce nel vuoto c era considerata una costante fondamentale, che compare anche in contesti estranei alla luce. Ciò rese inutile il concetto di etere stazionario (a cui Lorentz e Poincaré ancora aderivano) e rivoluzionò i concetti di spazio e tempo.

Maggiore precisione di c e ridefinizione del metro e dei secondi

Nella seconda metà del 20° secolo sono stati fatti molti progressi nell'aumentare l'accuratezza delle misurazioni della velocità della luce, prima con tecniche di risonanza in cavità e poi con tecniche di interferometro laser. Questi sono stati aiutati da nuove, più precise, definizioni del metro e del secondo. Nel 1950, Louis Essen determinò la velocità come299 792,5 ± 3,0 km/s , utilizzando la risonanza della cavità. Questo valore è stato adottato dalla 12a Assemblea Generale dell'Unione Radio-Scientific nel 1957. Nel 1960, il misuratore è stato ridefinito in termini di lunghezza d'onda di una particolare linea spettrale di krypton-86 e, nel 1967, il secondo è stato ridefinito in termini della frequenza di transizione iperfine dello stato fondamentale del cesio-133 .

Nel 1972, utilizzando il metodo dell'interferometro laser e le nuove definizioni, un gruppo del National Bureau of Standards degli Stati Uniti a Boulder, in Colorado, stabilì che la velocità della luce nel vuoto fosse c  = 299 792 456,2 ± 1,1 m/s . Questo era 100 volte meno incerto del valore precedentemente accettato. La restante incertezza riguardava principalmente la definizione del metro. Poiché esperimenti simili hanno trovato risultati comparabili per c , la 15a Conferenza generale sui pesi e misure nel 1975 ha raccomandato di utilizzare il valore299 792 458  m/s per la velocità della luce.

Definito come una costante esplicita

Nel 1983 la 17a riunione della Conferenza generale sui pesi e le misure (CGPM) ha rilevato che le lunghezze d'onda delle misurazioni della frequenza e un dato valore per la velocità della luce sono più riproducibili rispetto allo standard precedente. Hanno mantenuto la definizione di secondo del 1967, quindi la frequenza iperfine del cesio ora determinerebbe sia il secondo che il metro. Per fare ciò, hanno ridefinito il metro come "la lunghezza del percorso percorso dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di secondo." Come risultato di questa definizione, il valore della velocità della luce nel vuoto è esattamente299 792 458  m/s ed è diventata una costante definita nel sistema di unità SI. Tecniche sperimentali migliorate che, prima del 1983, avrebbero misurato la velocità della luce non influenzano più il valore noto della velocità della luce in unità SI, ma consentono invece una realizzazione più precisa del misuratore misurando con maggiore precisione la lunghezza d'onda del kripton- 86 e altre sorgenti luminose.

Nel 2011, il CGPM ha dichiarato la sua intenzione di ridefinire tutte e sette le unità di base SI utilizzando quella che chiama "la formulazione della costante esplicita", in cui ogni "unità è definita indirettamente specificando esplicitamente un valore esatto per una costante fondamentale ben riconosciuta", come è stato fatto per la velocità della luce. Proponeva una nuova, ma del tutto equivalente, formulazione della definizione del metro: "Il metro, simbolo m, è l'unità di lunghezza; la sua grandezza è fissata fissando il valore numerico della velocità della luce nel vuoto in modo che sia esattamente uguale a299 792 458 quando è espresso nell'unità SI ms −1 . "Questa è stata una delle modifiche che è stata incorporata nella ridefinizione del 2019 delle unità di base SI , denominata anche Nuova SI .

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

Ulteriori letture

Riferimenti storici

Riferimenti moderni

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