Velocità della luce
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Descrizione
In base alle teorie fisiche moderne, la luce e tutte le altre radiazioni elettromagnetiche si propagano (muovono) a una velocità costante nel vuoto, la velocità della luce. Tale velocità rappresenta una costante fisica indicata dalla lettera c (dal latino celeritas, "velocità"). Indipendentemente dal sistema di riferimento di un osservatore o dalla velocità dell'oggetto che emette la radiazione, ogni osservatore otterrà lo stesso valore della velocità della luce. Nessuna informazione può viaggiare più velocemente di c.
Il suddetto valore è
o circa 30 centimetri per nanosecondo. Dal 1983, si è scelto questo valore come esatto per tarare altre costanti, tra cui il metro. Questo valore può essere calcolato dalla permittività del vuoto (ε0) e dalla permeabilità magnetica del vuoto (μ0). In particolare:
In realtà, nell'interpretazione fisica più comune, è la permeabilità magnetica che deriva dagli altri due valori, in quanto il magnetismo può essere visto come effetto della teoria della relatività di Einstein applicata al campo elettrico.
Costante in tutti i sistemi di riferimento
È importante realizzare che la velocità della luce non è un "limite di velocità" in senso convenzionale. Come conseguenza della teoria della relatività speciale, tutti gli osservatori misurano la velocità della luce come uguale. Un osservatore che insegue un raggio di luce vedrà la luce allontanarsi da lui alla stessa velocità di un osservatore stazionario. Ciò porta ad alcune conseguenze inusuali per le velocità.
Siamo abituati alla regola additiva delle velocità: se due automobili si avvicinano una all'altra a 50 km/h, ci si aspetta che ogni auto percepisca l'altra come se si avvicinasse a 100 km/h (ovvero la somma delle rispettive velocità).
A velocità prossime a quella della luce, comunque, diventa evidente dai risultati sperimentali, che la regola additiva non è più valida. Due astronavi, ognuna viaggiante al 90% della velocità della luce relativamente a un osservatore posto tra di esse, non si percepiscono l'un l'altra come in avvicinamento al 180% della velocità della luce. In realtà la velocità apparente è leggermente inferiore al 99,5% della velocità della luce.
Questo risultato viene dato dalla formula di Einstein per la somma delle velocità:
dove v e w sono le velocità delle astronavi relativamente all'osservatore, e u è la velocità percepita da ciascuna astronave.
Contrariamente alla normale intuizione, indipendentemente dalla velocità a cui un osservatore si muove relativamente a un altro, entrambi misureranno la velocità di un raggio di luce con lo stesso valore costante, la velocità della luce.
Albert Einstein sviluppò la Teoria della Relatività applicando le (bizzarre) conseguenze di cui sopra alla meccanica classica. Le conferme sperimentali della teoria della relatività, confermano direttamente e indirettamente che la velocità della luce ha un valore costante, indipendentemente dal moto dell'osservatore.
Poiché la velocità della luce nel vuoto è costante, è conveniente misurare la distanza in termini di c. Nel 1983 il metro venne ridefinito in relazione a c. In particolare, un metro è definito come c/299792458 * 1 secondo. Le distanze negli esperimenti fisici e in astronomia vengono comunemente misurate in secondi luce, minuti luce o anni luce.
Rifrazione
Passando attraverso i materiali la luce subisce degli eventi di scattering e, in moltissimi casi di interesse, si comporta come se si propagasse con una velocità inferiore a c, di un fattore chiamato indice di rifrazione del materiale. La velocità della luce nell'aria è solo leggermente inferiore a c. Materiali più densi, come l'acqua e il vetro rallentano la luce a frazioni pari a 3/4 e 2/3 di c.
Effetti "superluminali"
Il limite imposto dalla relatività ristretta per la velocità in realtà non è un limite sulla velocità di propagazione di oggetti e segnali ma è un limite sulla velocità a cui si può propagare l'informazione. Sebbene queste due cose coincidano quasi sempre questa sottile distinzione permette, in alcuni casi particolari, di ottenere effetti cosiddetti "superluminali". In questi casi si può vedere brevi impulsi di luce che superano degli ostacoli con una velocità apparentemente maggiore di c. Eccedere la velocità di gruppo della luce in questo modo è paragonabile a eccedere la velocità del suono sistemando una fila di persone opportunamente distanziate, e facendogli urlare "Sono qui!", una dopo l'altra a brevi intervalli temporizzati da un orologio, in modo che non debbano sentire la voce della persona precedente prima di per poter urlare. In realtà non è possibile che l'informazione venga trasmessa più velocemente di c.
Esperimenti di rallentamento della luce
Nel 1999, un gruppo di scienziati guidati da Lene Hau fu in grado di rallentare la velocità di un raggio di luce fino a circa 61 km/h. Nel 2001, furono in grado di fermare momentaneamente un raggio. Si veda: condensato di Bose-Einstein per ulteriori informazioni.
Nel gennaio 2003, Mikhail Lukin, assieme a scienziati della Harvard University e dell'Istituto Lebedev di Mosca, riuscirono a fermare completamente la luce dentro un gas di atomi di rubidio ad una temperatura di circa 80°: gli atomi, per usare le parole di Lukin, "si comportavano come piccoli specchi" (Dumé, 2003), a causa degli schemi di interferenza di due raggi di "controllo". (Dumé, 2003)
Nel luglio del 2003, all'Università di Rochester Matthew Bigelow, Nick Lepeshkin e Robert Boyd hanno sia rallentato che accelerato la luce a temperatura ambiente, in un cristallo di alessandrite, sfruttando i cambiamenti dell'indice di rifrazione a causa dell'interferenza quantistica. Due raggi laser vengono inviati sul cristallo, in determinate condizioni uno dei due subisce un assorbimento ridotto in un certo intervallo di lunghezze d'onda, mentre l'indice di rifrazione aumenta nello stesso intervallo, o "buco spettrale": la velocità di gruppo è dunque molto ridotta. Usando invece lunghezze d'onda differenti, si è riusciti a produrre un "antibuco spettrale", in cui l'assorbimento è maggiore, e dunque alla propagazione superluminale. Si sono osservate velocità di 91 m/s per un laser con una lunghezza d'onda di 488 nanometri, e di meno 800 m/s per lunghezze d'onda di 476 nanometri. La velocità negativa indica una propagazione superluminale, perché gli impulsi sembrano uscire dal cristallo prima esservi entrati.
Nel settembre 2003, Shanhui Fan e Mehmet Fatih Yanik dell'Università di Stanford hanno proposto un metodo per bloccare la luce all'interno di un dispositivo a stato solido, in cui i fotoni rimbalzano tra pilastri di semiconduttori creando una specie di onda stazionaria. I risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters del febbraio 2004.
Storia
Per quanto è possibile sapere, Galileo Galilei fu la prima persona a sospettare che la luce si propagasse ed avesse una velocità finita, e a cercare di misurarla, ma probabilmente altri prima di Galileo hanno pensato alla luce come una costante. Galileo scrisse del suo tentativo infruttuoso di usare lanterne per mandare dei lampi di luce tra due opposte colline fuori Firenze. La velocità della luce venne misurata per la prima volta nel 1676, qualche decennio dopo i tentativi di Galileo, da Rømer, che stava studiando il movimento delle lune di Giove. Una targa all'Osservatorio di Parigi, dove l'astronomo danese lavorava, commemora quella che fu, in effetti, la prima misurazione di una quantità universale, fatta su questo pianeta. Rømer pubblicò i suoi risultati, che contenevano un errore del 10-25%, nel Journal des Scavans.
È una bizzarra coincidenza che la velocità della terra lungo la sua orbita sia molto vicina a un decimillesimo di c (il margine è inferiore al punto percentuale). Ciò ci suggerisce come Rømer misurò la velocità della luce. Egli registrò le eclissi di Io, un satellite di Giove: ogni giorno o due, Io entrava nell'ombra di Giove per poi riemergerne. Rømer poteva vedere Io "spegnersi" e "riaccendersi", se Giove era visibile. L'orbita di Io sembrava essere una specie di distante orologio, ma Rømer scopri che ticchettava più velocemente quando la Terra si avvicinava a Giove e più lentamente quando se ne allontanava. Rømer misurò le variazioni in rapporto alla distanza tra Terra e Giove e le spiegò stabilendo una velocità finita per la luce.
Vedi anche
- Apparato di Fizeau-Foucault
- Galileo Galilei
- Esperimento di Michelson-Morley