Ma quanto è veloce la luce??

Ma quanto è veloce la luce??
Già nell'antichità classica il filosofo Empedocle si poneva questa domanda… egli
infatti sosteneva che la luce viaggiasse con velocità limitata, mentre Lucrezio (I
secolo a.C.), nel De Rerum Natura, attribuiva alla luce una velocità “inimmaginabile”
e a lungo si credette che essa si propagasse istantaneamente, con velocità infinita e in
assenza di un mezzo materiale propagatore. In epoche più moderne, il primo vero e
proprio tentativo di dare una valutazione della velocità della luce fu Galileo Galilei
(1564-1642), il quale riteneva che tale velocità, per quanto grande, non fosse infinita,
anche se la finitezza non era percepibile nella maggior parte dei fenomeni naturali.
L'esperimento che ideò Galileo e che viene descritto ne “Discorsi e dimostrazioni
matematiche intorno a due nuove scienze”, fu quello di porre due persone, l'una di
fronte all'altra, munite di due lucerne ciascuno. La prima persona scopre il proprio
lume, la seconda esegue la stessa operazione non appena riceve il segnale. In tal
modo la prima persona avrebbe dovuto avere la possibilità di misurare il tempo
necessario alla luce per compiere il percorso di andata e ritorno. Ma tale velocità era
veramente troppo grande per poter essere calcolata dalla Terra, ragion per cui
l'esperimento, pur se ripetuto più volte ponendo le persone a distanza di due o tre
miglia, non diede alcun risultato (considerando poi l’insieme di ritardo che si possono
accumulare in base ai riflessi umani). Solo in seguito, grazie a Olaf Roemer (16441710) ed ai suoi studi sulle irregolarità delle eclissi del satellite gioviano Io (già
osservate da Cassini) si ottenne la prima prova concreta sia della finitezza di questa
velocità, sia del suo valore numerico, chiaramente in
maniera approssimativa. Le osservazioni di Roemer e
Cassini mostravano che quando la Terra si trovava ad una
distanza maggiore da Giove, le eclissi di Io diventavano
sempre più lunghe; quando invece la Terra risultava in
avvicinamento a Giove le eclissi di Io diventavano via via
più brevi. Secondo Roemer questo evento derivava dal fatto
che, nel primo caso, ogni sparizione di Io nell'ombra di
Giove ha luogo quando la Terra è più distante da Giove di
quanto non lo fosse alla sparizione precedente, e da ciò si
desume che la luce per giungere sulla Terra deve percorrere
Olaf Roemer
una distanza maggiore: “questa differenza vale 22 minuti
per due volte la distanza della Terra dal Sole".Il valore che
quindi venne attribuito da Roemer a “c” era pari a 200.000.000 km/s.
Osservazioni più accurate dei satelliti di Giove,
furono fatte da J.B.J. Delambre (1749-1822)alla
fine del settecento, e provarono invece che “c”
valeva 310.000 km/s.
La successiva misurazione della velocità della
luce è stata fatta, quasi per caso, mezzo secolo
più tardi, dall'astronomo inglese James Bradley
(1693-1762) che osservando la stella gamma del
Dragone in differenti periodi dell'anno, notò
strane e inspiegabili variazioni nella posizione
dell'astro frutto della aberrazione astronomica.
Successivamente indirizzò la sua attenzione su
altre stelle e sempre poté osservare variazioni di posizione della stessa stella in
differenti periodi dell'anno.
Il satellite
satellite gioviano Io
La prima cosa che poteva venire in mente era che
si trattasse di un fenomeno di parallasse stellare.
Ma Bradley notò che la modificazione delle
posizioni apparenti riguarda tutte le stelle e
l'ampiezza degli spostamenti di tutte le stelle è la
stessa (fatto in contrasto con la spiegazione
mediante la parallasse poiché, in questo caso, si
dovrebbe concludere che tutte le stelle si trovano
alla stessa distanza dalla Terra). Gli spostamenti
La stella “Gamma draconis”
non erano quindi causati dalla parallasse, ma da
qualcosa d'altro e Bradley riuscì a dare una spiegazione risalendo al valore della
velocità della Terra nella sua orbita con quella della luce proveniente dalla stella
osservata. Notiamo che alla base di questa spiegazione vi sono due ipotesi
fondamentali: la Terra si muove intorno al Sole e la luce si muove con velocità c
finita. Bradley, nota la velocità di rotazione della Terra attorno al sole (30 km/s),
ottenne una stima della velocità della luce pari a 301 000 km/s.
I metodi di Roemer e di Bradley erano basati sull'osservazione astronomica e
avevano lo svantaggio di dipendere dalla conoscenza esatta della distanza della Terra
dal Sole. Questo dato non fu preciso nemmeno durante il secolo, quindi bisognava
trovare un sistema per misurare la velocità della luce con esperimenti che non si
basassero su calcoli d'astronomia, ma su basi che garantissero una adeguata
dimostrazione. I primi a tentare la misurazione della velocità della luce con metodi
non astronomici furono Fizeau e Foucault. Essi riuscirono ad applicare praticamente
l'idea teorica di Galileo di misurare il tempo impiegato dalla luce a percorrere un
certo cammino nei due sensi. Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) si servì
nel 1849 di uno strumento basato sull'interruzione del cammino di un raggio di luce
tra due specchi mediante una ruota dentata. Dalla velocità di rotazione della ruota si
può calcolare la velocità della luce, e Fizeau ottenne c = 313.000 km/s. L'esperienza
di Fizeau fu migliorata da Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868), il quale utilizzò
uno specchietto rotante, con cui l'estinzione del raggio di luce è sostituita da un suo
spostamento angolare. Egli ottenne c = 298.000 km/s che è un valore molto vicino a
quello che noi oggi comunemente accettiamo. Tra l'altro, l'apparato sperimentale di
Foucault si presta bene a misurare c in mezzi diversi dall'aria disponendo nel percorso
del raggio di luce un tubo pieno della sostanza nella quale si vuole misurare c (ad
esempio acqua). La misura di c in diversi mezzi trasparenti permetteva di verificare i
risultati previsti nelle ipotesi corpuscolare e ondulatoria sulla natura della luce,
favorendo quest'ultima. Oggi la velocità della luce si misura in modo più preciso
grazie ai laser e all'elettronica mediante il tempo di ritardo tra due impulsi laser,
generati contemporaneamente, che percorrono cammini di diversa lunghezza. Nel
1983 si è deciso di adottare il valore di 299.792.458 ± 1 m/s.
“Una professoressa di fisica”
Fonti:
• www.wikipedia.it
• “Fondamenti di Fisica” - Halliday, Resnick, Walzer
• “Osservare il cielo” – Collana “De Agostini compact”