Schiocca le dita! Nel tempo impiegato per farlo, un raggio di luce è stato in grado di viaggiare quasi fino alla luna. Se schioccherai le dita ancora una volta, darai al raggio il tempo di completare il viaggio. Il punto è che la luce viaggia molto, molto velocemente.
La luce viaggia velocemente, ma la sua velocità non è infinita, come si credeva prima del 17° secolo. Tuttavia, la velocità è troppo elevata per essere misurata utilizzando lampade, esplosioni o altri mezzi che dipendono dall'acuità visiva umana e dal tempo di reazione umano. Chiedi a Galileo.
Esperimenti di luce
Galileo ideò un esperimento nel 1638 che utilizzava lanterne, e la migliore conclusione che riuscì a ottenere fu che la luce è "straordinariamente rapida" (in altre parole, davvero, molto veloce). Non è stato in grado di trovare un numero, se l'ha fatto, infatti, ha anche provato l'esperimento. Tuttavia, si azzardò a dire che credeva che la luce viaggiasse almeno 10 volte più veloce del suono. In realtà, è un milione di volte più veloce.
La prima misurazione riuscita della velocità della luce, che i fisici rappresentano universalmente con una c minuscola, fu fatta da Ole Roemer nel 1676. Basò le sue misurazioni sulle osservazioni delle lune di Giove. Da allora, i fisici hanno utilizzato osservazioni delle stelle, ruote dentate, specchi rotanti, interferometri radio, risonatori a cavità e laser per perfezionare la misurazione. ora lo sannoccosì accuratamente che il Consiglio Generale dei Pesi e delle Misure ha basato su di esso il metro, che è l'unità di lunghezza fondamentale nel sistema SI.
La velocità della luce è una costante universale, quindi non esiste una formula della velocità della luce,di per sé. Infatti, secse fosse diverso, tutte le nostre misurazioni dovrebbero cambiare, perché il contatore si basa su di esso. La luce ha caratteristiche d'onda, tuttavia, che includono la frequenzaνe lunghezza d'ondaλ, e puoi metterli in relazione con la velocità della luce con questa equazione, che potresti chiamare l'equazione per la velocità della luce:
c=\nu \lambda
Misurare la velocità della luce dalle osservazioni astronomiche
Roemer è stata la prima persona a inventare un numero per la velocità della luce. Lo ha fatto osservando le eclissi delle lune di Giove, in particolare Io. Guardava Io scomparire dietro il pianeta gigante e poi calcolava quanto tempo ci voleva per riapparire. Ha ragionato che questa volta potrebbe differire fino a 1.000 secondi, a seconda di quanto Giove fosse vicino alla terra. Ha fornito un valore per la velocità della luce di 214.000 km/s, che corrisponde al valore moderno di quasi 300.000 km/s.
Nel 1728, l'astronomo inglese James Bradley calcolò la velocità della luce osservando le aberrazioni stellari, che è il loro apparente cambiamento di posizione dovuto al movimento della terra intorno al sole. Misurando l'angolo di questo cambiamento e sottraendo la velocità della terra, che poteva calcolare dai dati conosciuti all'epoca, Bradley ha ottenuto un numero molto più accurato. Ha calcolato che la velocità della luce nel vuoto è di 301.000 km/s.
Confrontando la velocità della luce nell'aria con la velocità nell'acqua
La persona successiva a misurare la velocità della luce fu il filosofo francese Armand Hippolyte Fizeau, che non fece affidamento su osservazioni astronomiche. Invece, costruì un apparato costituito da un divisore di raggio, una ruota dentata rotante e uno specchio posto a 8 km dalla sorgente luminosa. Poteva regolare la velocità di rotazione della ruota per consentire a un raggio di luce di passare verso lo specchio ma bloccare il raggio di ritorno. Il suo calcolo dic, che pubblicò nel 1849, era di 315.000 km/s, che non era preciso come quello di Bradley.
Un anno dopo, Léon Foucault, un fisico francese, migliorò l'esperimento di Fizeau sostituendo la ruota dentata con uno specchio rotante. Il valore di Foucault per c era di 298.000 km/s, che era più accurato, e nel processo, Foucault fece un'importante scoperta. Inserendo un tubo d'acqua tra lo specchio rotante e quello fisso, ha determinato che la velocità della luce nell'aria è superiore alla velocità nell'acqua. Ciò era contrario a quanto previsto dalla teoria corpuscolare della luce e aiutava a stabilire che la luce è un'onda.
Nel 1881 l'A. UN. Michelson migliorò le misurazioni di Foucault costruendo un interferometro, che era in grado di confrontare le fasi del raggio originale e di quello di ritorno e visualizzare un pattern di interferenza su a schermo. Il suo risultato è stato di 299.853 km/s.
Michelson aveva sviluppato l'interferometro per rilevare la presenza del presenceetere, una sostanza spettrale attraverso la quale si pensava che le onde luminose si propagassero. Il suo esperimento, condotto con il fisico Edward Morley, fu un fallimento e portò Einstein a concludere che la velocità della luce è una costante universale che è la stessa in tutti i sistemi di riferimento. Questo è stato il fondamento della teoria della relatività speciale.
Utilizzo dell'equazione per la velocità della luce
Il valore di Michelson era quello accettato fino a quando non lo migliorò lui stesso nel 1926. Da allora, il valore è stato perfezionato da un certo numero di ricercatori utilizzando una varietà di tecniche. Una di queste tecniche è il metodo del risonatore a cavità, che utilizza un dispositivo che genera corrente elettrica. Questo è un metodo valido perché, a seguito della pubblicazione delle equazioni di Maxwell a metà del 1800, i fisici hanno stato d'accordo che luce ed elettricità sono entrambi fenomeni di onde elettromagnetiche, ed entrambi viaggiano allo stesso velocità.
Infatti, dopo che Maxwell pubblicò le sue equazioni, divenne possibile misurare c indirettamente confrontando la permeabilità magnetica e la permeabilità elettrica dello spazio libero. Due ricercatori, Rosa e Dorsey, lo fecero nel 1907 e calcolarono che la velocità della luce era di 299.788 km/s.
Nel 1950, i fisici britannici Louis Essen e A.C. Gordon-Smith usarono un risonatore a cavità per calcolare la velocità della luce misurandone la lunghezza d'onda e la frequenza. La velocità della luce è uguale alla distanza percorsa dalla luceddiviso per il tempo impiegatot: c = d/∆t. Considera che il tempo per una singola lunghezza d'ondaλpassare un punto è il periodo della forma d'onda, che è il reciproco della frequenzav, e ottieni la formula della velocità della luce:
c=\nu \lambda
Il dispositivo utilizzato da Essen e Gordon-Smith è noto come amisuratore d'onda di risonanza della cavità. Genera una corrente elettrica di una frequenza nota e sono stati in grado di calcolare la lunghezza d'onda misurando le dimensioni del misuratore d'onda. I loro calcoli hanno prodotto 299.792 km/s, che è stata la determinazione più accurata fino ad oggi.
Un metodo di misurazione moderno che utilizza i laser
Una tecnica di misurazione contemporanea resuscita il metodo di divisione del raggio impiegato da Fizeau e Foucault, ma utilizza i laser per migliorare la precisione. In questo metodo, un raggio laser pulsato viene diviso. Un raggio va a un rivelatore mentre un altro viaggia perpendicolarmente a uno specchio posto a breve distanza. Lo specchio riflette il raggio verso un secondo specchio che lo devia verso un secondo rivelatore. Entrambi i rilevatori sono collegati a un oscilloscopio, che registra la frequenza degli impulsi.
I picchi degli impulsi dell'oscilloscopio sono separati perché il secondo raggio percorre una distanza maggiore del primo. Misurando la distanza dei picchi e la distanza tra gli specchi è possibile ricavare la velocità del raggio luminoso. Questa è una tecnica semplice e produce risultati abbastanza accurati. Un ricercatore dell'Università del New South Wales in Australia ha registrato un valore di 300.000 km/s.
Misurare la velocità della luce non ha più senso
Il metro utilizzato dalla comunità scientifica è il metro. Originariamente era definito come un decimilionesimo della distanza dall'equatore al Polo Nord, e il definizione è stata successivamente modificata per essere un certo numero di lunghezze d'onda di una delle righe di emissione di krypton-86. Nel 1983, il Consiglio Generale dei Pesi e delle Misure ha scartato quelle definizioni e ha adottato questa:
Ilmetroè la distanza percorsa da un raggio di luce nel vuoto in 1/299.792.458 di secondo, dove il secondo si basa sul decadimento radioattivo dell'atomo di cesio-133.
Definire il metro in termini di velocità della luce fissa sostanzialmente la velocità della luce a 299.792.458 m/s. Se un esperimento produce un risultato diverso, significa solo che l'apparato è difettoso. Piuttosto che condurre più esperimenti per misurare la velocità della luce, gli scienziati usano la velocità della luce per calibrare le loro apparecchiature.
Utilizzo della velocità della luce per calibrare l'apparato sperimentale
La velocità della luce si manifesta in una varietà di contesti in fisica ed è tecnicamente possibile calcolarla da altri dati misurati. Ad esempio, Planck ha dimostrato che l'energia di un quanto, come un fotone, è uguale alla sua frequenza moltiplicata per la costante di Planck (h), che è pari a 6,6262 x 10-34 Joule⋅secondo. Poiché la frequenza èc/λ, l'equazione di Planck può essere scritta in termini di lunghezza d'onda:
E=h\nu = \frac{hc}{\lambda}\implies c=\frac{E\lambda}{h}
Bombardando una lastra fotoelettrica con luce di lunghezza d'onda nota e misurando l'energia degli elettroni espulsi, è possibile ottenere un valore perc. Tuttavia, questo tipo di calcolatore della velocità della luce non è necessario per misurare c, perchécèdefinitoessere quello che è. Tuttavia, potrebbe essere utilizzato per testare l'apparato. SeEλ/hnon risulta c, c'è qualcosa che non va o nelle misurazioni dell'energia dell'elettrone o nella lunghezza d'onda della luce incidente.
La velocità della luce nel vuoto è una costante universale
Ha senso definire il metro in termini di velocità della luce nel vuoto, poiché è la costante più fondamentale nell'universo. Einstein dimostrò che è lo stesso per ogni punto di riferimento, indipendentemente dal movimento, ed è anche il più veloce che qualsiasi cosa possa viaggiare nell'universo - almeno, qualsiasi cosa con massa. L'equazione di Einstein, e una delle equazioni più famose della fisica,E = mc2, fornisce l'indizio sul perché è così.
Nella sua forma più riconoscibile, l'equazione di Einstein si applica solo ai corpi a riposo. L'equazione generale, tuttavia, include ilFattore di Lorentz γ, dove
\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}
Per un corpo in movimento con una massame velocitàv, l'equazione di Einstein dovrebbe essere scrittaE = mc2γ. Quando guardi questo, puoi vedere che quandov = 0, γ= 1 e ottieniE=mc2.
Tuttavia, quandov = c,diventa infinita, e la conclusione che devi trarre è che ci vorrebbe una quantità infinita di energia per accelerare qualsiasi massa finita a quella velocità. Un altro modo di vederlo è che la massa diventa infinita alla velocità della luce.
L'attuale definizione del metro rende la velocità della luce lo standard per le misurazioni terrestri della distanza, ma è stata a lungo utilizzata per misurare le distanze nello spazio. Un anno luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno terrestre, che risulta essere 9,46 × 1015 m.
Quei metri sono troppi da comprendere, ma un anno luce è facile da capire e poiché la velocità della luce è costante in tutti i sistemi di riferimento inerziali, è un'unità di distanza affidabile. È reso leggermente meno affidabile dall'essere basato sull'anno, che è un lasso di tempo che non avrebbe alcuna rilevanza per chiunque provenga da un altro pianeta.