Velocità della luce

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Introduzione

Velocità della luce Grandezza fisica considerata una delle costanti naturali fondamentali. Essa è pari a 299.792.458 m/s e viene indicata con la lettera c. È la velocità con cui la radiazione elettromagnetica, e quindi la luce, si propaga nello spazio vuoto.

Il suo valore fu determinato sperimentalmente per la prima volta, quasi contemporaneamente, dall’astronomo Armand Fizeau (1819-1869) e dal fisico Jean-Bernard-Léon Foucault nel XIX secolo, che bene approssimarono il valore misurato in seguito. In un mezzo rifrangente, caratterizzato da un indice di rifrazione n, la velocità di propagazione della luce viene ridotta di un fattore 1/n, e risulta pari a c/n.

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Velocità infinita o finita?

La comprensione dei meccanismi di propagazione della luce e la determinazione del valore della sua velocità sono stati ampiamente studiati e dibattuti a iniziare dal XVI secolo, fino ai primi del Novecento. L’interrogativo fondamentale era se la luce si propagasse istantaneamente, o se fosse caratterizzata da una velocità di propagazione finita.

Nel Seicento cominciò a prendere il sopravvento la seconda ipotesi e in particolare, con il lavoro di Christiaan Huygens, si arrivò a formulare una teoria ondulatoria della luce, che si sarebbe dovuta propagare in forma di vibrazioni longitudinali di un mezzo impalpabile ed elastico, l’etere cosmico, che avrebbe dovuto riempire tutto lo spazio.

Con alterne vicende e varie modifiche, la teoria dell’etere cosmico sopravvisse fino alla fine dell’Ottocento, quando l’esperimento di Michelson e Morley ne confutò l’esistenza, misurando un valore per la velocità della luce che non dipendeva dalla posizione dell’osservatore.

L’esperimento costituì il punto di partenza per la formulazione, all’inizio del Novecento, della teoria della relatività a opera di Albert Einstein. Nella teoria della relatività, la velocità della luce svolge un ruolo cruciale: il secondo postulato della teoria, infatti, afferma che, per qualsiasi osservatore, la luce si propaga nel vuoto con velocità costante c, indipendentemente dal moto dell’osservatore e della sorgente, e che tale velocità è la più alta velocità fisicamente ammissibile.

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Metodi di misurazione

Le prime misurazioni terrestri della velocità della luce furono compiute quasi contemporaneamente da Fizeau (nel 1848) e da Foucault (nel 1850). I metodi erano simili, basati sulla misurazione del tempo impiegato dalla luce per effettuare un percorso di andata e ritorno, la cui lunghezza era nota con precisione, dal punto in cui era posta la sorgente.

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Prime misurazioni

Fizeau sfruttò il metodo “della ruota dentata”, basato sull’uso di una ruota dentata in rotazione a velocità nota. Egli inviò un fascio di luce in direzione di uno schermo posto al di là della ruota e misurò il tempo impiegato dalla luce a coprire il tragitto di andata e ritorno; nel suo tragitto, la luce doveva passare necessariamente tra un dente e l’altro della ruota. Con questo metodo Fizeau misurò un valore pari a 3,004 × 10⁸ m/s. Lo svantaggio del metodo era nel fatto che occorrevano grandi distanze fra la sorgente e il punto di riflessione della luce per raggiungere una buona precisione.

Il metodo “dello specchio rotante” di Foucault sfruttava un principio analogo, ma la misurazione avveniva rilevando lo spostamento dell’immagine che si formava su uno schermo di rivelazione micrometrico, spostamento provocato dalla rotazione di uno specchio che rifletteva il raggio luminoso, inviandolo sullo schermo. Il valore di c si ricavava conoscendo la velocità di rotazione dello specchio, le distanze fra sorgente e specchio, e fra specchio e schermo di rivelazione.

Sul medesimo principio si basò l’esperimento di Michelson e Morley, effettuato nel 1887, tranne che la misurazione della velocità avveniva attraverso la rilevazione dello spostamento delle frange di interferenza provocate dalla combinazione di due raggi luminosi, uno proveniente direttamente dalla sorgente e l’altro passato attraverso successive riflessioni.