Velocità della luce

Questo comportamento è diverso dalle nostre idee comuni sul movimento, come dimostra questo esempio:

George è in piedi per terra accanto ad alcuni binari del treno (ferrovia). C'è un treno che passa a 30 mph (48 km/h). George lancia una palla da baseball a 140 km/h nella direzione del treno. Tom, un passeggero del treno, ha un dispositivo (come una pistola radar) per misurare la velocità di lancio. Essendo sul treno, Tom si muove già a 30 mph (48 km/h) nella direzione del lancio, quindi Tom misura la velocità della palla a soli 60 mph (97 km/h).

In altre parole, la velocità della palla da baseball, misurata da Tom sul treno, dipende dalla velocità del treno.

Nell'esempio precedente, il treno si muoveva a 1/3 della velocità della palla, e la velocità della palla misurata sul treno era di 2/3 della velocità di lancio misurata a terra.

Ora, ripeti l'esperimento con la luce invece che con una palla da baseball; cioè, George ha una torcia elettrica invece di lanciare una palla da baseball. George e Tom hanno entrambi dispositivi che sono gli stessi per misurare la velocità della luce (invece della pistola radar nell'esempio di baseball).

George è in piedi per terra vicino ad alcuni binari del treno. C'è un treno che passa a 1/3 della velocità della luce. George emette un fascio di luce nella direzione in cui il treno si sta muovendo. George misura la velocità della luce come 186.282 miglia al secondo (299.792 chilometri al secondo). Tom, un passeggero del treno, misura la velocità del fascio di luce. Che velocità misura Tom?

Intuitivamente, si può pensare che la velocità della luce della torcia, misurata sul treno, dovrebbe essere di 2/3 della velocità misurata a terra, proprio come la velocità della palla da baseball era di 2/3. Ma in realtà, la velocità misurata sul treno è il valore pieno, 186.282 miglia al secondo (299.792 chilometri al secondo), non 124.188 miglia al secondo (199.861 chilometri al secondo).

Sembra impossibile, ma è quello che si misura. Parte della ragione è che la luce è energia che agisce e si muove in modi molto diversi dalla materia o da oggetti solidi come una palla da baseball.

Le equazioni di Maxwell prevedevano la velocità della luce e confermavano l'idea di Michael Faraday che la luce fosse un'onda elettromagnetica (un modo in cui l'energia si muove). Da queste equazioni, troviamo che la velocità della luce è correlata all'inverso della radice quadrata della radice quadrata della permittività dello spazio libero, ε0, e alla permeabilità dello spazio libero, μ0:

c = 1 ε 0 μ 0 . {\an8}(*displaystyle c={\an8}{\an8}frac {1}{sqrt {\an8}varepsilon _{0}mu _{0}}}}\an8} . }

Una conseguenza di questo fatto è che nulla può andare più veloce della velocità della luce. Un'altra conseguenza è che per gli oggetti che hanno massa, non importa quanta energia venga usata per aumentare la velocità di un oggetto, esso si avvicinerà sempre più, ma non raggiungerà mai la velocità della luce. Queste idee sono state scoperte all'inizio del 1900 da Albert Einstein, il cui lavoro ha cambiato completamente la nostra comprensione della luce.

L'indice di rifrazione di un materiale trasparente è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce in quel materiale.

Rømer

Ole Christensen Rømer ha usato una misura astronomica per fare la prima stima quantitativa della velocità della luce. Quando viene misurata dalla Terra, i periodi di lune in orbita attorno a un pianeta lontano sono più brevi quando la Terra si avvicina al pianeta rispetto a quando la Terra si allontana da esso. La distanza percorsa dalla luce dal pianeta (o dalla sua luna) alla Terra è più breve quando la Terra si trova nel punto della sua orbita che è più vicino al suo pianeta rispetto a quando la Terra si trova nel punto più lontano della sua orbita, la differenza di distanza è il diametro dell'orbita terrestre intorno al Sole. Il cambiamento osservato nel periodo orbitale della Luna è in realtà la differenza nel tempo che impiega la luce a percorrere la distanza più o meno lunga. Rømer ha osservato questo effetto per la luna più interna di Giove Io, e ha dedotto che la luce impiega 22 minuti per attraversare il diametro dell'orbita terrestre.

Bradley

Un altro metodo è quello di utilizzare l'aberrazione della luce, scoperta e spiegata da James Bradley nel XVIII secolo. Questo effetto risulta dall'addizione vettoriale della velocità della luce proveniente da una sorgente lontana (come una stella) e della velocità del suo osservatore (vedi diagramma a destra). Un osservatore in movimento vede quindi la luce proveniente da una direzione leggermente diversa e di conseguenza vede la sorgente in una posizione spostata rispetto alla sua posizione originale. Poiché la direzione della velocità della Terra cambia continuamente mentre la Terra orbita intorno al Sole, questo effetto fa sì che la posizione apparente delle stelle si sposti. Dalla differenza angolare della posizione delle stelle, è possibile esprimere la velocità della luce in termini di velocità della Terra intorno al Sole. Questa, con la lunghezza nota di un anno, può essere facilmente convertita nel tempo necessario per viaggiare dal Sole alla Terra. Nel 1729, Bradley utilizzò questo metodo per dedurre che la luce viaggiava 10.210 volte più veloce della Terra nella sua orbita (la cifra moderna è 10.066 volte più veloce) o, in modo equivalente, che la luce impiegava 8 minuti e 12 secondi per viaggiare dal Sole alla Terra.

Moderno

Oggi, il "tempo di luce per la distanza unitaria" - l'inverso di c (1/c), espresso in secondi per unità astronomica - viene misurato confrontando il tempo in cui i segnali radio raggiungono i diversi veicoli spaziali del Sistema Solare. La posizione delle navicelle spaziali viene calcolata in base agli effetti gravitazionali del Sole e di vari pianeti. Combinando molte di queste misurazioni si ottiene il valore più adatto per il tempo di luce per unità di distanza. A partire dal 2009 ^{[aggiornamento]}, la stima migliore, come approvato dall'Unione Astronomica Internazionale (IAU), è:

tempo di luce per la distanza unitaria: 499.004783836(10) s

c = 0,00200398880410(4) AU/s

c = 173,144632674(3) AU/giorno.

L'incertezza relativa in queste misure è di 0,02 parti per miliardo (2×10-11), come equivalente all'incertezza nelle misure terrestri di lunghezza per interferometria. Poiché il metro è definito come la lunghezza percorsa dalla luce in un certo intervallo di tempo, la misurazione del tempo di luce per la distanza unitaria può anche essere interpretata come la misurazione della lunghezza di un AU in metri. Il metro è considerato un'unità di lunghezza adeguata, mentre l'AU è spesso utilizzato come unità di lunghezza osservata in un determinato quadro di riferimento.

La velocità finita della luce è un grosso limite per i viaggi spaziali a lunga distanza. Supponendo un viaggio dall'altra parte della Via Lattea, il tempo totale per un messaggio e la sua risposta sarebbe di circa 200.000 anni. Ancora più grave, nessuna navicella spaziale potrebbe viaggiare più veloce della luce, quindi tutti i trasporti su scala galattica sarebbero effettivamente a senso unico e richiederebbero molto più tempo di quanto non sia mai esistita qualsiasi civiltà moderna.

La velocità della luce può essere preoccupante anche su distanze molto brevi. Nei supercomputer, la velocità della luce impone un limite alla velocità di trasmissione dei dati tra i processori. Se un processore opera a 1 gigahertz, un segnale può viaggiare al massimo di circa 30 centimetri (1 ft) in un singolo ciclo. I processori devono quindi essere posizionati uno vicino all'altro per ridurre al minimo le latenze di comunicazione; ciò può causare difficoltà di raffreddamento. Se le frequenze di clock continuano ad aumentare, la velocità della luce finirà per diventare un fattore limitante per la progettazione interna dei singoli chip.

• Esperimento Michelson-Morley