La velocità della luce è la grandezza di misurazione più insolita finora conosciuta. La prima persona che cercò di spiegare il fenomeno della propagazione della luce fu Albert Einstein. È stato lui a inventare la famosa formula E = mc² , Dove Eè l'energia totale del corpo, M- massa e C— velocità della luce nel vuoto.
La formula fu pubblicata per la prima volta sulla rivista Annalen der Physik nel 1905. Più o meno nello stesso periodo, Einstein avanzò una teoria su cosa accadrebbe a un corpo che si muovesse a velocità assoluta. Basandosi sul fatto che la velocità della luce è una quantità costante, arrivò alla conclusione che lo spazio e il tempo devono cambiare.
Pertanto, alla velocità della luce, l'oggetto si ridurrà all'infinito, la sua massa aumenterà all'infinito e il tempo praticamente si fermerà.
Nel 1977 fu possibile calcolare la velocità della luce pari a 299.792.458 ± 1,2 metri al secondo; Per calcoli più approssimativi si presuppone sempre un valore di 300.000 km/s. È da questo valore che si basano tutte le altre dimensioni cosmiche. È così che è apparso il concetto di "anno luce" e "parsec" (3,26 anni luce).
È impossibile muoversi alla velocità della luce, tanto meno superarla. Almeno in questa fase dello sviluppo umano. D'altra parte, gli scrittori di fantascienza cercano di risolvere questo problema da circa 100 anni sulle pagine dei loro romanzi. Forse un giorno la fantascienza diventerà realtà, perché già nel 19° secolo Jules Verne predisse la comparsa di un elicottero, di un aeroplano e della sedia elettrica, e poi era pura fantascienza!
Rappresentazione artistica di un'astronave che compie il salto alla "velocità della luce". Credito: NASA/Glenn Research Center.
Sin dai tempi antichi, filosofi e scienziati hanno cercato di comprendere la luce. Oltre a cercare di determinare le sue proprietà di base (ad esempio se si tratta di una particella o di un'onda, ecc.), hanno anche cercato di effettuare misurazioni finite della velocità con cui si muove. Dalla fine del XVII secolo, gli scienziati hanno fatto proprio questo, e con crescente precisione.
In tal modo, hanno acquisito una migliore comprensione della meccanica della luce e del suo ruolo importante in fisica, astronomia e cosmologia. In poche parole, la luce viaggia a velocità incredibili ed è l’oggetto in movimento più veloce nell’universo. La sua velocità è una barriera costante e impenetrabile e viene utilizzata come misura di distanza. Ma quanto velocemente si sta muovendo?
Velocità della luce (s):
La luce si muove a una velocità costante di 1.079.252.848,8 km/h (1,07 miliardi). Che risulta essere 299.792.458 m/s. Mettiamo tutto al suo posto. Se potessi viaggiare alla velocità della luce, potresti fare il giro del globo circa sette volte e mezzo al secondo. Nel frattempo, una persona che volasse ad una velocità media di 800 km/h impiegherebbe più di 50 ore per circumnavigare il pianeta.
Un'illustrazione che mostra la distanza percorsa dalla luce tra la Terra e il Sole. Credito: LucasVB/dominio pubblico.
Diamo un'occhiata da un punto di vista astronomico, la distanza media da a 384.398,25 km. Pertanto, la luce percorre questa distanza in circa un secondo. Nel frattempo, la media è di 149.597.886 km, il che significa che la luce impiega solo circa 8 minuti per compiere questo viaggio.
Non c'è quindi da meravigliarsi perché la velocità della luce è il parametro utilizzato per determinare le distanze astronomiche. Quando diciamo che una stella come , dista 4,25 anni luce, intendiamo che viaggiando alla velocità costante di 1,07 miliardi di km/h occorrerebbero circa 4 anni e 3 mesi per arrivarci. Ma come siamo arrivati a questo valore così specifico per la velocità della luce?
Storia dello studio:
Fino al XVII secolo, gli scienziati erano convinti che la luce viaggiasse a una velocità finita, o istantaneamente. Dai tempi degli antichi greci ai teologi islamici medievali e agli studiosi moderni, c'è stato un dibattito. Ma finché non apparve il lavoro dell'astronomo danese Ole Roemer (1644-1710), in cui furono effettuate le prime misurazioni quantitative.
Nel 1676, Römer osservò che i periodi della luna più interna di Giove, Io, apparivano più brevi quando la Terra si avvicinava a Giove rispetto a quando si allontanava. Da ciò concluse che la luce viaggia a una velocità finita e si stima che impieghi circa 22 minuti per attraversare il diametro dell'orbita terrestre.
Il professor Albert Einstein all'undicesima conferenza Josiah Willard Gibbs al Carnegie Institute of Technology il 28 dicembre 1934, dove spiega la sua teoria secondo cui materia ed energia sono la stessa cosa in forme diverse. Credito: foto AP.
Christiaan Huygens ha utilizzato questa stima e l'ha combinata con una stima del diametro dell'orbita terrestre per arrivare ad una stima di 220.000 km/s. Isaac Newton riferì anche i calcoli di Roemer nella sua opera fondamentale del 1706 Optics. Adeguandosi alla distanza tra la Terra e il Sole, calcolò che la luce avrebbe impiegato sette o otto minuti per viaggiare dall'uno all'altro. In entrambi i casi si è verificato un errore relativamente piccolo.
Misurazioni successive dei fisici francesi Hippolyte Fizeau (1819-1896) e Léon Foucault (1819-1868) perfezionarono queste cifre, portando ad un valore di 315.000 km/s. E già nella seconda metà del XIX secolo gli scienziati si resero conto della connessione tra luce ed elettromagnetismo.
Ciò è stato ottenuto dai fisici misurando le cariche elettromagnetiche ed elettrostatiche. Hanno poi scoperto che il valore numerico era molto vicino alla velocità della luce (misurata da Fizeau). Basandosi sul suo lavoro, che dimostrò che le onde elettromagnetiche si propagano nello spazio vuoto, il fisico tedesco Wilhelm Eduard Weber propose che la luce fosse un'onda elettromagnetica.
La successiva grande svolta avvenne all’inizio del XX secolo. Nel suo articolo intitolato “Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento”, Albert Einstein afferma che la velocità della luce nel vuoto, misurata da un osservatore a velocità costante, è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali ed è indipendente dal movimento del corpo. fonte o l'osservatore.
Un raggio laser che brilla attraverso un bicchiere d'acqua mostra quanti cambiamenti subisce mentre passa dall'aria al bicchiere, all'acqua e di nuovo all'aria. Credito: Bob King.
Utilizzando questa affermazione e il principio di relatività di Galileo come base, Einstein derivò la teoria della relatività speciale, in cui la velocità della luce nel vuoto (c) è una costante fondamentale. Prima di ciò, gli scienziati concordavano sul fatto che lo spazio fosse pieno di un “etere luminifero”, che era responsabile della sua propagazione, cioè la luce che si muove attraverso un mezzo in movimento si trascina nella coda del mezzo.
Ciò a sua volta significa che la velocità misurata della luce sarebbe la semplice somma della sua velocità attraverso un mezzo più la velocità di quel mezzo. Tuttavia, la teoria di Einstein rese inutile il concetto di etere stazionario e cambiò il concetto di spazio e tempo.
Non solo ha avanzato l’idea che la velocità della luce è la stessa in tutti i sistemi inerziali, ma ha anche suggerito che si verificano grandi cambiamenti quando le cose si muovono vicino alla velocità della luce. Questi includono la struttura spazio-temporale di un corpo in movimento che sembra rallentare e la direzione del movimento quando la misurazione avviene dal punto di vista dell'osservatore (ad esempio, dilatazione del tempo relativistica, dove il tempo rallenta quando si avvicina alla velocità della luce) .
Le sue osservazioni concordano anche con le equazioni di Maxwell per l'elettricità e il magnetismo con le leggi della meccanica, semplificano i calcoli matematici evitando le argomentazioni non correlate di altri scienziati e sono coerenti con l'osservazione diretta della velocità della luce.
Quanto sono simili la materia e l'energia?
Nella seconda metà del XX secolo, misurazioni sempre più precise utilizzando interferometri laser e cavità risonanti hanno ulteriormente perfezionato le stime della velocità della luce. Nel 1972, un gruppo del National Bureau of Standards degli Stati Uniti a Boulder, in Colorado, utilizzò l'interferometria laser per arrivare al valore attualmente accettato di 299.792.458 m/s.
Ruolo nell'astrofisica moderna:
La teoria di Einstein secondo cui la velocità della luce nel vuoto non dipende dal movimento della sorgente e dal sistema di riferimento inerziale dell'osservatore è stata da allora invariabilmente confermata da molti esperimenti. Stabilisce inoltre un limite superiore alla velocità alla quale tutte le particelle e le onde prive di massa (inclusa la luce) possono viaggiare nel vuoto.
Un risultato di ciò è che le cosmologie ora vedono lo spazio e il tempo come un’unica struttura nota come spaziotempo, in cui la velocità della luce può essere utilizzata per determinare il valore di entrambi (cioè anni luce, minuti luce e secondi luce). Misurare la velocità della luce può anche essere un fattore importante nel determinare l'accelerazione dell'espansione dell'Universo.
All'inizio degli anni '20, con le osservazioni di Lemaître e Hubble, scienziati e astronomi si resero conto che l'Universo si stava espandendo rispetto al suo punto di origine. Hubble notò anche che più una galassia è lontana, più velocemente si muove. Quella che oggi viene chiamata costante di Hubble è la velocità con cui l'Universo si espande, pari a 68 km/s per megaparsec.
Quanto velocemente si sta espandendo l'Universo?
Questo fenomeno, presentato come teoria, significa che alcune galassie potrebbero effettivamente muoversi più velocemente della velocità della luce, il che potrebbe porre un limite a ciò che osserviamo nel nostro universo. In sostanza, le galassie che viaggiano più veloci della luce attraverserebbero l’“orizzonte degli eventi cosmologici” dove non sarebbero più visibili a noi.
Inoltre, negli anni ’90, le misurazioni dello spostamento verso il rosso di galassie distanti hanno mostrato che l’espansione dell’Universo ha subito un’accelerazione negli ultimi miliardi di anni. Ciò ha portato alla teoria dell '"Energia Oscura", secondo la quale una forza invisibile guida l'espansione dello spazio stesso, piuttosto che gli oggetti che si muovono attraverso di esso (senza porre limiti alla velocità della luce o rompere la relatività).
Insieme alla relatività speciale e generale, il valore moderno della velocità della luce nel vuoto si è evoluto dalla cosmologia, dalla meccanica quantistica e dal Modello Standard della fisica delle particelle. Rimane costante quando si arriva al limite superiore al quale le particelle prive di massa possono muoversi e rimane una barriera irraggiungibile per le particelle con massa.
Probabilmente un giorno troveremo il modo di superare la velocità della luce. Anche se non abbiamo idee pratiche su come ciò potrebbe accadere, sembra che il "denaro intelligente" nella tecnologia ci permetterà di aggirare le leggi dello spaziotempo, creando bolle di curvatura (ovvero il motore a curvatura di Alcubierre) o scavando tunnel attraverso di esso (ovvero il motore a curvatura di Alcubierre). wormhole).
Cosa sono i wormhole?
Fino ad allora, dovremo semplicemente accontentarci dell’Universo che vediamo e continuare a esplorare la parte che può essere raggiunta con i metodi convenzionali.
Titolo dell'articolo che hai letto "Qual è la velocità della luce?".
La velocità della luce è il valore assoluto della velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto. In fisica, è tradizionalmente indicato con la lettera latina “c” (pronunciata [tse]). La velocità della luce nel vuoto è una costante fondamentale che non dipende dalla scelta del sistema di riferimento inerziale (IFR). Si riferisce alle costanti fisiche fondamentali che caratterizzano non solo i singoli corpi, ma le proprietà dello spazio-tempo nel suo insieme. Secondo i concetti moderni, la velocità della luce nel vuoto è la velocità massima di movimento delle particelle e di propagazione delle interazioni. Altrettanto importante è il fatto che questo valore è assoluto. Questo è uno dei postulati di SRT.
Nel vuoto (vuoto)
Nel 1977 è stato possibile calcolare approssimativamente la velocità della luce pari a 299.792.458 ± 1,2 m/s, calcolata sulla base del metro standard del 1960. Attualmente si ritiene che la velocità della luce nel vuoto sia una costante fisica fondamentale, per definizione esattamente pari a 299.792.458 m/s, ovvero circa 1.079.252.848,8 km/h. Il valore esatto è dovuto al fatto che dal 1983 si considera metro campione la distanza che la luce percorre nel vuoto in un periodo di tempo pari a 1/299.792.458 di secondo. La velocità della luce è simboleggiata dalla lettera c.
L'esperimento di Michelson, fondamentale per la SRT, dimostrò che la velocità della luce nel vuoto non dipende né dalla velocità della sorgente luminosa né dalla velocità dell'osservatore. In natura si propagano alla velocità della luce:
luce visibile effettiva
altri tipi di radiazioni elettromagnetiche (onde radio, raggi X, ecc.)
Dalla teoria della relatività ristretta consegue che l'accelerazione di particelle con massa a riposo alla velocità della luce è impossibile, poiché questo evento violerebbe il principio fondamentale di causalità. Cioè è escluso che il segnale superi la velocità della luce, o il movimento della massa a tale velocità. Tuttavia, la teoria non esclude il movimento delle particelle nello spazio-tempo a velocità superluminali. Le ipotetiche particelle che si muovono a velocità superluminali sono chiamate tachioni. Matematicamente, i tachioni si adattano facilmente alla trasformazione di Lorentz: sono particelle con massa immaginaria. Quanto più alta è la velocità di queste particelle, tanto minore è l'energia che trasportano, e viceversa, quanto più la loro velocità è vicina a quella della luce, tanto maggiore è la loro energia - proprio come l'energia delle particelle ordinarie, l'energia dei tachioni tende all'infinito man mano che si avvicinano alla velocità della luce. Questa è la conseguenza più ovvia della trasformazione di Lorentz, che non consente a una particella di accelerare alla velocità della luce: è semplicemente impossibile trasmettere a una particella una quantità infinita di energia. Dovrebbe essere chiaro che, in primo luogo, i tachioni sono una classe di particelle e non un tipo di particella e, in secondo luogo, nessuna interazione fisica può propagarsi più velocemente della velocità della luce. Ne consegue che i tachioni non violano il principio di causalità: non interagiscono in alcun modo con le particelle ordinarie e anche la differenza nelle loro velocità tra loro non è uguale alla velocità della luce.
Le particelle ordinarie che si muovono più lentamente della luce sono chiamate tardioni. I tardioni non possono raggiungere la velocità della luce, ma si avvicinano solo arbitrariamente, poiché in questo caso la loro energia diventa illimitata. Tutti i tardioni hanno massa a riposo, a differenza dei fotoni e dei gravitoni privi di massa, che si muovono sempre alla velocità della luce.
Nelle unità di Planck, la velocità della luce nel vuoto è 1, cioè la luce percorre 1 unità di lunghezza di Planck per unità di tempo di Planck.
In un ambiente trasparente
La velocità della luce in un mezzo trasparente è la velocità con cui la luce viaggia in un mezzo diverso dal vuoto. In un mezzo con dispersione si distinguono velocità di fase e di gruppo.
La velocità di fase mette in relazione la frequenza e la lunghezza d'onda della luce monocromatica in un mezzo (λ=c/ν). Questa velocità è solitamente (ma non necessariamente) inferiore a c. Il rapporto tra la velocità di fase della luce nel vuoto e la velocità della luce in un mezzo è chiamato indice di rifrazione del mezzo. La velocità di gruppo della luce in un mezzo di equilibrio è sempre inferiore a c. Tuttavia, nei mezzi non in equilibrio può superare c. In questo caso, tuttavia, il fronte anteriore dell’impulso si muove ancora ad una velocità non superiore a quella della luce nel vuoto.
Armand Hippolyte Louis Fizeau ha dimostrato sperimentalmente che anche il movimento di un mezzo rispetto a un raggio luminoso è in grado di influenzare la velocità di propagazione della luce in questo mezzo.
Negazione del postulato sulla velocità massima della luce
Negli ultimi anni sono apparsi spesso rapporti secondo cui nel cosiddetto teletrasporto quantistico l’interazione si propaga più velocemente della velocità della luce. Ad esempio, il 15 agosto 2008, il gruppo di ricerca del Dr. Nicolas Gisin dell'Università di Ginevra, studiando gli stati fotonici legati separati da 18 km nello spazio, avrebbe dimostrato che "le interazioni tra le particelle avvengono a una velocità circa centomila volte maggiore della velocità di Sveta". In precedenza è stato discusso anche il cosiddetto paradosso di Hartmann, ovvero la velocità superluminale con effetto tunnel.
Un'analisi scientifica del significato di questi e simili risultati mostra che fondamentalmente non possono essere utilizzati per la trasmissione superluminale di alcun segnale o movimento della materia.
Storia delle misurazioni della velocità della luce
Gli antichi scienziati, con rare eccezioni, consideravano infinita la velocità della luce. Nei tempi moderni questo problema è diventato oggetto di dibattito. Galileo e Hooke ammettevano che fosse finita, sebbene molto grande, mentre Keplero, Cartesio e Fermat difendevano ancora l'infinito della velocità della luce.
La prima stima della velocità della luce fu data da Olaf Roemer (1676). Ha notato che quando la Terra e Giove si trovano su lati opposti del Sole, le eclissi del satellite di Giove Io sono ritardate di 22 minuti rispetto ai calcoli. Da ciò ottenne un valore per la velocità della luce di circa 220.000 km/sec - impreciso, ma vicino a quello reale. Mezzo secolo dopo, la scoperta dell'aberrazione ha permesso di confermare la finitezza della velocità della luce e di affinarne la valutazione.
Molto prima che gli scienziati misurassero la velocità della luce, dovettero lavorare duro per definire il concetto stesso di “luce”. Uno dei primi a pensarci fu Aristotele, che considerava la luce una sorta di sostanza mobile che si diffonde nello spazio. Il suo antico collega e seguace romano Lucrezio Caro insisteva sulla struttura atomica della luce.
Nel XVII secolo si erano formate due teorie principali sulla natura della luce: corpuscolare e ondulatoria. Newton fu uno dei sostenitori del primo. Secondo lui tutte le sorgenti luminose emettono minuscole particelle. Durante il "volo" formano linee luminose - raggi. Il suo avversario, lo scienziato olandese Christiaan Huygens, insisteva sul fatto che la luce è un tipo di movimento ondulatorio.
Come risultato di controversie secolari, gli scienziati sono giunti a un consenso: entrambe le teorie hanno diritto alla vita e la luce è uno spettro di onde elettromagnetiche visibili all'occhio.
Un po' di storia Come è stata misurata la velocità della luce?
La maggior parte degli scienziati antichi erano convinti che la velocità della luce fosse infinita. Tuttavia, i risultati delle ricerche di Galileo e Hooke ne hanno consentito la natura estrema, che fu chiaramente confermata nel XVII secolo dall'eccezionale astronomo e matematico danese Olaf Roemer.
Fece le sue prime misurazioni osservando le eclissi di Io, il satellite di Giove, in un momento in cui Giove e la Terra si trovavano su lati opposti rispetto al Sole. Roemer registrò che quando la Terra si allontanava da Giove di una distanza pari al diametro dell'orbita terrestre, il tempo di ritardo cambiava. Il valore massimo era 22 minuti. Come risultato dei calcoli, ha ottenuto una velocità di 220.000 km/s.
50 anni dopo, nel 1728, grazie alla scoperta dell'aberrazione, l'astronomo inglese J. Bradley “perfezionò” questa cifra a 308.000 km/sec. Successivamente, la velocità della luce fu misurata dagli astrofisici francesi François Argot e Leon Foucault, ottenendo una velocità di 298.000 km/sec. Una tecnica di misurazione ancora più accurata è stata proposta dal creatore dell'interferometro, il famoso fisico americano Albert Michelson.
Esperimento di Michelson per determinare la velocità della luce
Gli esperimenti durarono dal 1924 al 1927 e consistevano in 5 serie di osservazioni. L'essenza dell'esperimento era la seguente. Una sorgente luminosa, uno specchio e un prisma ottagonale rotante furono installati sul Monte Wilson nelle vicinanze di Los Angeles, e uno specchio riflettente fu installato 35 km più tardi sul Monte San Antonio. Innanzitutto, la luce attraverso una lente e una fenditura colpisce un prisma che ruota con un rotore ad alta velocità (a una velocità di 528 giri/min).
I partecipanti agli esperimenti potevano regolare la velocità di rotazione in modo che l'immagine della sorgente luminosa fosse chiaramente visibile nell'oculare. Poiché la distanza tra i vertici e la frequenza di rotazione erano note, Michelson determinò la velocità della luce: 299.796 km/sec.
Alla fine gli scienziati decisero sulla velocità della luce nella seconda metà del XX secolo, quando furono creati maser e laser, caratterizzati dalla massima stabilità della frequenza della radiazione. All'inizio degli anni '70 l'errore di misurazione era sceso a 1 km/sec. Di conseguenza, su raccomandazione della XV Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure, tenutasi nel 1975, si decise di assumere che la velocità della luce nel vuoto sia ora pari a 299792,458 km/sec.
La velocità della luce è raggiungibile per noi?
Ovviamente, l'esplorazione degli angoli più remoti dell'Universo è impensabile senza astronavi che volano a velocità enormi. Preferibilmente alla velocità della luce. Ma è possibile?
La velocità della barriera luminosa è una delle conseguenze della teoria della relatività. Come sai, aumentare la velocità richiede una maggiore energia. La velocità della luce richiederebbe un’energia virtualmente infinita.
Purtroppo, le leggi della fisica sono categoricamente contrarie a questo. Alla velocità di 300.000 km/sec dell'astronave, le particelle che volano verso di essa, ad esempio gli atomi di idrogeno, si trasformano in una fonte mortale di potenti radiazioni pari a 10.000 sievert/sec. È più o meno come trovarsi all'interno del Large Hadron Collider.
Secondo gli scienziati della Johns Hopkins University, in natura non esiste una protezione adeguata da tali mostruose radiazioni cosmiche. La distruzione della nave sarà completata dall'erosione dovuta agli effetti della polvere interstellare.
Un altro problema con la velocità della luce è la dilatazione del tempo. La vecchiaia diventerà molto più lunga. Anche il campo visivo risulterà distorto, per cui la traiettoria della nave passerà come all'interno di un tunnel, al termine del quale l'equipaggio vedrà un lampo splendente. Dietro la nave ci sarà un'oscurità assoluta.
Quindi nel prossimo futuro l’umanità dovrà limitare i suoi “appetiti” di velocità al 10% della velocità della luce. Ciò significa che ci vorranno circa 40 anni per raggiungere la stella più vicina alla Terra, Proxima Centauri (4,22 anni luce).
Il XIX secolo vide numerosi esperimenti scientifici che portarono alla scoperta di numerosi nuovi fenomeni. Tra questi fenomeni c'è la scoperta di Hans Oersted della generazione dell'induzione magnetica mediante corrente elettrica. Più tardi, Michael Faraday scoprì l'effetto opposto, chiamato induzione elettromagnetica.
Le equazioni di James Maxwell: la natura elettromagnetica della luce
Come risultato di queste scoperte, fu notata la cosiddetta “interazione a distanza”, da cui nacque la nuova teoria dell’elettromagnetismo formulata da Wilhelm Weber, basata sull’azione a lungo raggio. Successivamente Maxwell definì il concetto di campo elettrico e magnetico, che sono in grado di generarsi a vicenda, ovvero un'onda elettromagnetica. Successivamente, Maxwell utilizzò la cosiddetta “costante elettromagnetica” nelle sue equazioni: Con.
A quel punto, gli scienziati si erano già avvicinati al fatto che la luce è di natura elettromagnetica. Il significato fisico della costante elettromagnetica è la velocità di propagazione delle eccitazioni elettromagnetiche. Con sorpresa dello stesso James Maxwell, il valore misurato di questa costante negli esperimenti con cariche e correnti unitarie si è rivelato uguale alla velocità della luce nel vuoto.
Prima di questa scoperta, l’umanità separava luce, elettricità e magnetismo. La generalizzazione di Maxwell ci ha permesso di dare uno sguardo nuovo alla natura della luce, come un frammento di campi elettrici e magnetici che si propaga indipendentemente nello spazio.
La figura seguente mostra un diagramma della propagazione di un'onda elettromagnetica, anch'essa leggera. Qui H è il vettore dell'intensità del campo magnetico, E è il vettore dell'intensità del campo elettrico. Entrambi i vettori sono perpendicolari tra loro, nonché alla direzione di propagazione delle onde.
Esperimento di Michelson: l'assolutezza della velocità della luce
La fisica di quel tempo era in gran parte costruita sul principio di relatività di Galileo, secondo il quale le leggi della meccanica appaiono le stesse in qualsiasi sistema di riferimento inerziale scelto. Allo stesso tempo, secondo la somma delle velocità, la velocità di propagazione dovrebbe dipendere dalla velocità della sorgente. Tuttavia, in questo caso, l'onda elettromagnetica si comporterebbe diversamente a seconda della scelta del sistema di riferimento, il che viola il principio di relatività di Galileo. Pertanto, la teoria apparentemente ben formata di Maxwell era in uno stato traballante.
Gli esperimenti hanno dimostrato che la velocità della luce in realtà non dipende dalla velocità della sorgente, il che significa che è necessaria una teoria in grado di spiegare un fatto così strano. La migliore teoria a quel tempo si rivelò essere la teoria dell '"etere" - un certo mezzo in cui la luce si propaga, proprio come il suono si propaga nell'aria. Quindi la velocità della luce non sarebbe determinata dalla velocità di movimento della sorgente, ma dalle caratteristiche del mezzo stesso: l'etere.
Sono stati intrapresi molti esperimenti per scoprire l'etere, il più famoso dei quali è l'esperimento del fisico americano Albert Michelson. In breve, è noto che la Terra si muove nello spazio. Allora è logico supporre che si muova anche attraverso l'etere, poiché il completo attaccamento dell'etere alla Terra non è solo il più alto grado di egoismo, ma semplicemente non può essere causato da nulla. Se la Terra si muove attraverso un determinato mezzo in cui si propaga la luce, è logico supporre che qui avvenga l'addizione delle velocità. Cioè, la propagazione della luce deve dipendere dalla direzione del movimento della Terra, che vola attraverso l'etere. Come risultato dei suoi esperimenti, Michelson non scoprì alcuna differenza tra la velocità di propagazione della luce in entrambe le direzioni dalla Terra.
Il fisico olandese Hendrik Lorentz ha cercato di risolvere questo problema. Secondo la sua ipotesi, il “vento etereo” influenzava i corpi in modo tale da ridurne le dimensioni nella direzione del loro movimento. Sulla base di questo presupposto, sia la Terra che il dispositivo di Michelson hanno subito questa contrazione di Lorentz, a seguito della quale Albert Michelson ha ottenuto la stessa velocità di propagazione della luce in entrambe le direzioni. E anche se Lorentz riuscì in qualche modo a ritardare la morte della teoria dell’etere, gli scienziati ritenevano ancora che questa teoria fosse “inverosimile”. Pertanto, si supponeva che l’etere avesse una serie di proprietà “da favola”, tra cui l’assenza di gravità e l’assenza di resistenza ai corpi in movimento.
La fine della storia dell’etere avvenne nel 1905 con la pubblicazione dell’articolo “Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento” dell’allora poco conosciuto Albert Einstein.
La teoria della relatività speciale di Albert Einstein
Il ventiseienne Albert Einstein espresse una visione completamente nuova e diversa sulla natura dello spazio e del tempo, che andava contro le idee dell’epoca e in particolare violava gravemente il principio di relatività di Galileo. Secondo Einstein, l'esperimento di Michelson non ha dato risultati positivi perché lo spazio e il tempo hanno proprietà tali che la velocità della luce è un valore assoluto. Cioè, qualunque sia il sistema di riferimento in cui si trova l'osservatore, la velocità della luce rispetto a lui è sempre la stessa, 300.000 km/sec. Da ciò è derivata l'impossibilità di applicare l'addizione delle velocità in relazione alla luce: non importa quanto velocemente si muova la sorgente luminosa, la velocità della luce non cambierà (aggiunge o sottrae).
Einstein usò la contrazione di Lorentz per descrivere i cambiamenti nei parametri dei corpi che si muovono a velocità prossime a quella della luce. Quindi, ad esempio, la lunghezza di tali corpi diminuirà e il loro tempo rallenterà. Il coefficiente di tali variazioni è chiamato fattore di Lorentz. La famosa formula di Einstein E=mc2 in realtà include anche il fattore di Lorentz ( E= ymc 2), che in generale è uguale all'unità nel caso in cui la velocità del corpo v uguale a zero. Man mano che la velocità del corpo si avvicina v alla velocità della luce C Fattore di Lorentz sì corre verso l'infinito. Ne consegue che per accelerare un corpo alla velocità della luce sarà necessaria una quantità infinita di energia, e quindi è impossibile superare questo limite di velocità.
C’è anche un argomento a favore di questa affermazione chiamato “relatività della simultaneità”.
Paradosso della relatività della simultaneità di SRT
In breve, il fenomeno della relatività della simultaneità è che orologi che si trovano in punti diversi dello spazio possono funzionare “allo stesso tempo” solo se si trovano nello stesso sistema di riferimento inerziale. Cioè, l'ora dell'orologio dipende dalla scelta del sistema di riferimento.
Da ciò consegue il paradosso che l'evento B, che è una conseguenza dell'evento A, può verificarsi contemporaneamente ad esso. Inoltre, è possibile scegliere i sistemi di riferimento in modo tale che l'evento B si verifichi prima dell'evento A che lo ha causato. Tale fenomeno viola il principio di causalità, che è fermamente radicato nella scienza e non è mai stato messo in discussione. Tuttavia, questa situazione ipotetica si osserva solo nel caso in cui la distanza tra gli eventi A e B è maggiore dell'intervallo di tempo tra loro moltiplicato per la “costante elettromagnetica” - Con. Quindi, la costante C, che è uguale alla velocità della luce, è la velocità massima di trasmissione delle informazioni. Altrimenti verrebbe violato il principio di causalità.
Come si misura la velocità della luce?
Osservazioni di Olaf Roemer
La maggior parte degli scienziati dell'antichità credeva che la luce si muovesse a velocità infinita e la prima stima della velocità della luce fu ottenuta già nel 1676. L'astronomo danese Olaf Roemer osservò Giove e le sue lune. Nel momento in cui la Terra e Giove si trovavano sui lati opposti del Sole, l'eclissi della luna di Giove Io è stata ritardata di 22 minuti rispetto al tempo calcolato. L'unica soluzione trovata da Olaf Roemer è che la velocità della luce è limitante. Per questo motivo, le informazioni sull’evento osservato vengono ritardate di 22 minuti, poiché occorre del tempo per percorrere la distanza dal satellite Io al telescopio dell’astronomo. Secondo i calcoli di Roemer la velocità della luce era di 220.000 km/s.
Osservazioni di James Bradley
Nel 1727, l'astronomo inglese James Bradley scoprì il fenomeno dell'aberrazione della luce. L'essenza di questo fenomeno è che mentre la Terra si muove attorno al Sole, così come durante la rotazione della Terra, si osserva uno spostamento delle stelle nel cielo notturno. Poiché l'osservatore terrestre e la Terra stessa cambiano costantemente la direzione del loro movimento rispetto alla stella osservata, la luce emessa dalla stella percorre distanze diverse e cade verso l'osservatore con angoli diversi nel tempo. La velocità limitata della luce porta al fatto che le stelle nel cielo descrivono un'ellisse durante tutto l'anno. Questo esperimento ha permesso a James Bradley di stimare la velocità della luce: 308.000 km/s.
L'esperienza di Louis Fizeau
Nel 1849, il fisico francese Louis Fizeau condusse un esperimento di laboratorio per misurare la velocità della luce. Il fisico ha installato uno specchio a Parigi a una distanza di 8.633 metri dalla sorgente, ma secondo i calcoli di Roemer la luce percorrerà questa distanza in centomillesimi di secondo. Allora una tale precisione dell'orologio era irraggiungibile. Fizeau utilizzava quindi una ruota dentata che ruotava nel percorso dalla sorgente allo specchio e dallo specchio all'osservatore, i cui denti bloccavano periodicamente la luce. Nel caso in cui un raggio di luce dalla sorgente allo specchio passasse tra i denti e sulla via del ritorno colpisse un dente, il fisico raddoppiò la velocità di rotazione della ruota. Man mano che la velocità di rotazione della ruota aumentava, la luce quasi smetteva di scomparire finché la velocità di rotazione non raggiungeva i 12,67 giri al secondo. In questo momento la luce scomparve di nuovo.
Tale osservazione significava che la luce “urtava” costantemente contro i denti e non aveva il tempo di “scivolare” tra di loro. Conoscendo la velocità di rotazione della ruota, il numero dei denti e il doppio della distanza dalla sorgente allo specchio, Fizeau calcolò la velocità della luce, che risultò pari a 315.000 km/sec.
Un anno dopo, un altro fisico francese, Leon Foucault, condusse un esperimento simile in cui usò uno specchio rotante invece di una ruota dentata. Il valore da lui ottenuto per la velocità della luce nell'aria fu di 298.000 km/s.
Un secolo dopo, il metodo di Fizeau venne perfezionato a tal punto che un esperimento simile effettuato nel 1950 da E. Bergstrand diede un valore di velocità di 299.793,1 km/s. Questo numero differisce solo di 1 km/s dal valore attuale della velocità della luce.
Ulteriori misurazioni
Con l'avvento dei laser e la crescente precisione degli strumenti di misura, è stato possibile ridurre l'errore di misura fino a 1 m/s. Così nel 1972, gli scienziati americani usarono un laser per i loro esperimenti. Misurando la frequenza e la lunghezza d'onda del raggio laser, sono riusciti a ottenere un valore di 299.792.458 m/s. È interessante notare che un ulteriore aumento della precisione della misurazione della velocità della luce nel vuoto era impossibile, non a causa delle imperfezioni tecniche degli strumenti, ma a causa dell'errore dello standard del misuratore stesso. Per questo motivo, nel 1983, la XVII Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure definì il metro come la distanza che la luce percorre nel vuoto in un tempo pari a 1/299.792.458 di secondo.
Riassumiamo
Quindi, da tutto quanto sopra ne consegue che la velocità della luce nel vuoto è una costante fisica fondamentale che appare in molte teorie fondamentali. Questa velocità è assoluta, cioè non dipende dalla scelta del sistema di riferimento, ed è pari anche alla velocità massima di trasmissione delle informazioni. A questa velocità si muovono non solo le onde elettromagnetiche (luce), ma anche tutte le particelle prive di massa. Compreso, presumibilmente, il gravitone, una particella delle onde gravitazionali. Tra l’altro, a causa degli effetti relativistici, il tempo della luce si ferma letteralmente.
Tali proprietà della luce, in particolare l'inapplicabilità del principio di addizione delle velocità, non si adattano alla testa. Molti esperimenti però confermano le proprietà sopra elencate e proprio su questa natura della luce si basano una serie di teorie fondamentali.
