QUAL è LA VELOCITà DELLA LUCE?

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Sin dai tempi antichi, filosofi e studiosi hanno cercato di comprendere la luce. Oltre a cercare di discernere le sue proprietà di base (cioè di cosa è fatta - particella o onda, ecc.) Hanno anche cercato di fare misurazioni finite della velocità con cui viaggia. Dalla fine del 17 ° secolo, gli scienziati hanno fatto proprio questo, e con crescente precisione.

In tal modo, hanno acquisito una migliore comprensione della meccanica della luce e dell'importante ruolo che svolge in fisica, astronomia e cosmologia. In parole povere, la luce si muove a velocità incredibili ed è la cosa che si muove più velocemente nell'Universo. La sua velocità è considerata una barriera costante e infrangibile e viene utilizzata come mezzo per misurare la distanza. Ma quanto velocemente viaggia?

Velocità della luce (c):

La luce viaggia a una velocità costante di 1.079.252.848,8 (1,07 miliardi) km all'ora. Quello funziona a 299.792.458 m / s, o circa 670.616.629 mph (miglia all'ora). Per dirlo in prospettiva, se potessi viaggiare alla velocità della luce, sarai in grado di circumnavigare il globo circa sette volte e mezzo in un secondo. Nel frattempo, una persona che vola a una velocità media di circa 800 km / h (500 mph) impiegherebbe più di 50 ore a girare il pianeta una sola volta.

Per dirlo in una prospettiva astronomica, la distanza media dalla Terra alla Luna è di 384.398,25 km (238.854 miglia). Quindi la luce attraversa quella distanza in circa un secondo. Nel frattempo, la distanza media dal Sole alla Terra è di ~ 149.597.886 km (92.955.817 miglia), il che significa che la luce impiega solo circa 8 minuti per compiere quel viaggio.

Non c'è da stupirsi quindi perché la velocità della luce sia la metrica utilizzata per determinare le distanze astronomiche. Quando diciamo che una stella come Proxima Centauri è a 4,25 anni luce di distanza, stiamo dicendo che ci vorrebbe - viaggiando a una velocità costante di 1,07 miliardi di km all'ora (670.616.629 mph) - circa 4 anni e 3 mesi per arrivarci. Ma come siamo arrivati a questa misurazione altamente specifica per la "velocità della luce"?

Storia dello studio:

Fino al 17 ° secolo, gli studiosi non erano sicuri se la luce viaggiasse a velocità finita o istantaneamente. Dai tempi degli antichi greci agli studiosi e scienziati islamici medievali del primo periodo moderno, il dibattito andava avanti e indietro. Non è stato fino al lavoro dell'astronomo danese Øle Rømer (1644-1710) che è stata effettuata la prima misurazione quantitativa.

Nel 1676, Rømer osservò che i periodi della luna più interna di Giove, Io, sembravano essere più brevi quando la Terra si avvicinava a Giove rispetto a quando si stava allontanando da essa. Da ciò, ha concluso che la luce viaggia a una velocità finita e ha stimato che occorrono circa 22 minuti per attraversare il diametro dell'orbita terrestre.

Christiaan Huygens ha usato questa stima e l'ha combinata con una stima del diametro dell'orbita terrestre per ottenere una stima di 220.000 km / s. Isaac Newton ha anche parlato dei calcoli di Rømer nel suo lavoro fondamentale Opticks (1706). Regolandosi per la distanza tra la Terra e il Sole, calcolò che ci sarebbero voluti sette o otto minuti di luce per viaggiare l'uno dall'altro. In entrambi i casi, avevano un margine relativamente piccolo.

Le misurazioni successive effettuate dai fisici francesi Hippolyte Fizeau (1819-1896) e Léon Foucault (1819-1868) perfezionarono ulteriormente queste misurazioni, ottenendo un valore di 315.000 km / s (192.625 mi / s). E nella seconda metà del XIX secolo, gli scienziati hanno preso coscienza della connessione tra luce ed elettromagnetismo.

Ciò è stato realizzato dai fisici che misurano le cariche elettromagnetiche ed elettrostatiche, che hanno poi scoperto che il valore numerico era molto vicino alla velocità della luce (misurata da Fizeau). Basato sul suo lavoro, che ha dimostrato che le onde elettromagnetiche si propagano nello spazio vuoto, il fisico tedesco Wilhelm Eduard Weber ha proposto che la luce fosse un'onda elettromagnetica.

La successiva grande svolta avvenne all'inizio del XX secolo / Nel suo documento del 1905, intitolato "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento ”, Albert Einstein ha affermato che la velocità della luce nel vuoto, misurata da un osservatore non accelerante, è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali e indipendente dal movimento della sorgente o dell'osservatore.

Utilizzando questo e il principio di relatività di Galileo come base, Einstein derivò la teoria della relatività speciale, in cui la velocità della luce nel vuoto (c) era una costante fondamentale. Prima di questo, il consenso operativo tra gli scienziati sosteneva che lo spazio era pieno di un "etere luminifero" che era responsabile della sua propagazione - cioè che la luce che viaggiava attraverso un mezzo mobile sarebbe stata trascinata dal mezzo.

Questo a sua volta significava che la velocità misurata della luce sarebbe una semplice somma della sua velocità attraverso il mezzo più la velocità di quel mezzo. Tuttavia, la teoria di Einstein ha effettivamente reso inutile il concetto di etere stazionario e ha rivoluzionato i concetti di spazio e tempo.

Non solo ha avanzato l'idea che la velocità della luce è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali, ma ha anche introdotto l'idea che si verifichino cambiamenti importanti quando le cose si avvicinano alla velocità della luce. Questi includono il frame spazio-tempo di un corpo in movimento che sembra rallentare e contrarsi nella direzione del movimento quando misurato nel frame dell'osservatore (cioè dilatazione del tempo, in cui il tempo rallenta con l'avvicinarsi della velocità della luce).

Le sue osservazioni hanno anche riconciliato le equazioni di Maxwell per l'elettricità e il magnetismo con le leggi della meccanica, hanno semplificato i calcoli matematici eliminando le spiegazioni estranee utilizzate da altri scienziati e accordandosi con la velocità della luce osservata direttamente.

Durante la seconda metà del 20 ° secolo, misurazioni sempre più accurate usando inferometri laser e tecniche di risonanza della cavità raffinerebbero ulteriormente le stime della velocità della luce. Nel 1972, un gruppo del National Bureau of Standards degli Stati Uniti a Boulder, in Colorado, usò la tecnica dell'inferometro laser per ottenere il valore attualmente riconosciuto di 299.792.458 m / s.

Ruolo nell'astrofisica moderna:

La teoria di Einstein secondo cui la velocità della luce nel vuoto è indipendente dal movimento della sorgente e il quadro di riferimento inerziale dell'osservatore è stato da allora costantemente confermato da molti esperimenti. Stabilisce anche un limite superiore alle velocità alle quali tutte le particelle e le onde prive di massa (che include la luce) possono viaggiare nel vuoto.

Uno degli esiti di questo è che i cosmologi ora trattano lo spazio e il tempo come un'unica struttura unificata nota come spazio-tempo - in cui la velocità della luce può essere utilizzata per definire valori per entrambi (cioè "anni luce", "minuti luce" e “Secondi luce”). Anche la misurazione della velocità della luce è diventata un fattore importante nel determinare il tasso di espansione cosmica.

A partire dagli anni '20 con le osservazioni di Lemaitre e Hubble, scienziati e astronomi si sono resi conto che l'Universo si sta espandendo da un punto di origine. Hubble osservò anche che più lontana è una galassia, più velocemente sembra muoversi. In quello che ora viene chiamato Parametro di Hubble, la velocità con cui l'Universo si sta espandendo viene calcolata a 68 km / s per megaparsec.

Questo fenomeno, che è stato teorizzato nel senso che alcune galassie potrebbero effettivamente muoversi più velocemente della velocità della luce, potrebbe porre un limite a ciò che è osservabile nel nostro Universo. In sostanza, le galassie che viaggiano più velocemente della velocità della luce attraverserebbero un "orizzonte degli eventi cosmologici", dove non ci sono più visibili.

Inoltre, negli anni '90, le misurazioni del redshift di galassie distanti hanno mostrato che l'espansione dell'Universo ha accelerato negli ultimi miliardi di anni. Ciò ha portato a teorie come "Energia Oscura", in cui una forza invisibile sta guidando l'espansione dello spazio stesso invece che gli oggetti si muovono attraverso di essa (senza porre vincoli alla velocità della luce o violando la relatività).

Insieme alla relatività speciale e generale, il valore moderno della velocità della luce nel vuoto ha continuato a informare la cosmologia, la fisica quantistica e il modello standard della fisica delle particelle. Rimane una costante quando si parla del limite superiore al quale le particelle senza massa possono viaggiare e rimane una barriera irraggiungibile per le particelle che hanno massa.

Forse, un giorno, troveremo un modo per superare la velocità della luce. Sebbene non abbiamo idee pratiche su come ciò possa accadere, i soldi intelligenti sembrano essere su tecnologie che ci consentiranno di aggirare le leggi dello spazio-tempo, sia creando bolle di curvatura (alias Alcubierre Warp Drive), sia scavando un tunnel attraverso di essa ( aka. wormholes).

Fino a quel momento, dovremo solo essere soddisfatti dell'Universo che possiamo vedere e continuare ad esplorare la parte di esso raggiungibile con metodi convenzionali.

Abbiamo scritto molti articoli sulla velocità della luce per Space Magazine. Ecco quanto è veloce la velocità della luce? In che modo le galassie si allontanano più velocemente della luce? In che modo lo spazio può viaggiare più veloce della velocità della luce? E distruggere la velocità della luce.

Ecco un fantastico calcolatore che ti consente di convertire molte unità diverse per la velocità della luce, ed ecco un calcolatore della relatività, nel caso in cui volessi viaggiare quasi alla velocità della luce.

Il cast di astronomia ha anche un episodio che affronta le domande sulla velocità della luce - Show Show: Relatività, Relatività e più Relatività.

fonti: