Qual è la velocità della luce?

La velocità della luce rappresenta il limite di velocità universale? O no?

La velocità della luce che si propaga nel vuoto è pari a 299.792.458 metri al secondo (983.571.056 piedi), ovvero circa 186.282 miglia al secondo. Tale costante universale è indicata con la lettera “c” ed è presente in numerose equazioni fisiche.

Secondo la teoria della relatività speciale di Albert Einstein, su cui si basa gran parte della fisica moderna, nessuna forma di materia può superare la velocità della luce. La teoria prevede che, quando un oggetto si avvicina alla velocità della luce, la sua massa aumenta all’infinito.

Questo significa che la velocità della luce costituisce il limite di velocità dell’intero universo. Tale velocità è così costante che viene utilizzata come riferimento per definire alcune unità di misura internazionali, come il metro (e di conseguenza, il piede, il miglio e il pollice). Inoltre, attraverso opportune equazioni, la velocità della luce contribuisce alla definizione del chilogrammo e dell’unità di temperatura Kelvin.

Nonostante la velocità della luce venga considerata una costante universale, sia gli scienziati che gli scrittori di fantascienza hanno speso del tempo a immaginare viaggi che superino tale limite. Ad oggi, non esiste ancora una dimostrazione pratica di un motore di curvatura, ma ciò non ha impedito la continua ricerca di nuove storie, invenzioni e scoperte nel campo della fisica.

Cos’è un anno luce?

Un anno luce rappresenta la distanza che la luce può percorrere in un anno, pari a circa 6 trilioni di miglia (10 trilioni di chilometri). Questa unità di misura viene impiegata da astronomi e fisici per calcolare le distanze immensurabili all’interno dell’universo.

Ad esempio, la luce impiega circa 1 secondo per viaggiare dalla Luna ai nostri occhi, il che significa che la Luna si trova a circa 1 secondo luce di distanza. Allo stesso modo, la luce solare impiega circa 8 minuti per raggiungere la Terra, il che significa che il Sole si trova a circa 8 minuti luce di distanza. Alpha Centauri, il sistema stellare più vicino al nostro, si trova invece a circa 4,3 anni luce di distanza, in quanto la luce da esso emessa impiega 4,3 anni per raggiungerci.

Per avere un’idea delle dimensioni di un anno luce, il Glenn Research Center della NASA ha suggerito di immaginare di disporre la circonferenza della Terra (24.900 miglia) in linea retta e di moltiplicare la lunghezza della linea per 7,5 (la distanza equivalente a un secondo luce). Il risultato sarebbe una distanza di quasi 6 trilioni di miglia, corrispondente a 31,6 milioni di linee simili disposte da un capo all’altro.

Le stelle e gli oggetti al di fuori del nostro sistema solare possono trovarsi a distanze che vanno da pochi anni luce fino a miliardi di anni luce. Tutto ciò che gli astronomi possono “vedere” dell’universo lontano rappresenta di fatto una porzione di storia, in quanto essi osservano la luce che ha viaggiato fino a raggiungerci, mostrando l’oggetto al momento della sua emissione.

Questa peculiarità consente agli astronomi di osservare l’universo così come appariva subito dopo il Big Bang, circa 13,8 miliardi di anni fa. Infatti, gli oggetti distanti 10 miliardi di anni luce appaiono agli astronomi come erano 10 miliardi di anni fa, poco dopo l’inizio dell’universo, piuttosto che come appaiono oggi.

Come abbiamo scoperto la velocità della luce?

Già nel V secolo a.C., i filosofi greci Empedocle e Aristotele erano in disaccordo sulla natura della velocità della luce. Empedocle suggerì che la luce, fosse essa fatta di qualsiasi cosa, doveva viaggiare e quindi avere una velocità di spostamento. Aristotele confutò tale punto di vista nel suo trattato “Sul senso e il sensibile“, sostenendo che la luce doveva essere istantanea, a differenza del suono e dell’olfatto. Ovviamente, Aristotele si sbagliò, ma ci vollero centinaia di anni prima che qualcuno lo dimostrasse.

Nel 1600, l’astronomo italiano Galileo Galilei, trovandosi su due colline distanti poco più di un chilometro l’una dall’altra, osservò che la luce viaggiava almeno 10 volte più veloce del suono, ma la distanza sperimentale non era sufficiente per registrare con precisione la velocità della luce.

Nel 1670, l’astronomo danese Ole Rømer, cercando di creare un orario affidabile per i marinai in mare, fornì accidentalmente una stima migliore della velocità della luce.

Registrando i tempi precisi delle eclissi della luna di Giove, Io, dalla Terra per creare un orologio astronomico, Rømer notò che le eclissi sembravano ritardare maggiormente quando Giove e la Terra si allontanavano l’una dall’altra, si presentavano in anticipo quando i pianeti si avvicinavano e si verificavano nei tempi previsti quando i pianeti erano nei loro punti più vicini o più lontani.

Questa osservazione dimostrò quello che oggi conosciamo come effetto Doppler, il cambiamento di frequenza della luce o del suono emessi da un oggetto in movimento che nel mondo astronomico si manifesta come il cosiddetto redshift, lo spostamento verso “più rosse”, lunghezze d’onda più lunghe negli oggetti che si allontanano da noi.

In un balzo d’intuizione, Rømer stimò che la luce impiegava un tempo misurabile per viaggiare da Io alla Terra, dando una stima della velocità della luce di circa 124.000 miglia al secondo (200.000 km/s).

Nel 1728, il fisico inglese James Bradley calcolò la velocità della luce basandosi sul cambiamento nella posizione apparente delle stelle causato dai viaggi della Terra intorno al sole. La sua stima della velocità della luce era di 185.000 miglia al secondo (301.000 km/s), con una precisione dell’1% del valore reale.

Nel XIX secolo, due fisici francesi, Hippolyte Fizeau e Leon Foucault, eseguirono esperimenti indipendenti per misurare la velocità della luce. Fizeau fissò un raggio di luce su una ruota dentata in rapida rotazione, con uno specchio posto a 5 miglia (8 km) di distanza per riflettere il raggio di luce alla sua sorgente.

La variazione della velocità della ruota permise a Fizeau di calcolare quanto tempo impiegasse la luce a viaggiare fuori dal foro, allo specchio adiacente e indietro attraverso lo spazio vuoto. Foucault utilizzò uno specchio rotante per eseguire un esperimento simile. Entrambi i metodi arrivarono a una stima della velocità della luce entro circa 1.000 miglia al secondo (1.609 km/s) dal valore effettivo.

Un altro scienziato che ha investigato sulla velocità della luce è stato Albert A. Michelson, un polacco che è cresciuto in California durante la corsa all’oro dello stato. Egli ha sviluppato il suo interesse per la fisica quando frequentava l’Accademia navale degli Stati Uniti, come riporta l’Università della Virginia.

Nel 1879 ha cercato di riprodurre il metodo di Foucault per determinare la velocità della luce, ma ha incrementato la distanza tra gli specchi e ha utilizzato specchi e lenti di altissima qualità. La sua misura di 186.355 miglia al secondo (299.910 km/s) è stata considerata la più precisa per 40 anni, fino a quando egli stesso l’ha migliorata.

Nel corso dei suoi successivi esperimenti, Michelson ha fatto lampeggiare le luci tra due picchi montuosi a distanze accuratamente misurate per ottenere una stima ancora più precisa. Nel suo terzo tentativo, poco prima della sua morte nel 1931, come riportato dalla rivista Air and Space dello Smithsonian, ha costruito un tubo depressurizzato di un miglio di tubo d’acciaio corrugato.

Il tubo simulava un vuoto quasi completo che avrebbe eliminato qualsiasi effetto dell’aria sulla velocità della luce per una misura ancora più fine, che alla fine si è rivelata solo leggermente inferiore al valore attualmente accettato della velocità della luce.

Inoltre, Michelson ha studiato la natura della luce stessa, come afferma l’astrofisico Ethan Siegal nel blog scientifico di Forbes, Starts With a Bang. Durante gli esperimenti di Michelson, le menti migliori in fisica erano divise: la luce era un’onda o una particella? Michelson, insieme al suo collega Edward Morley, ha lavorato partendo dal presupposto che la luce si muovesse come un’onda, proprio come il suono.

Ragionavano che la luce dovesse avere una sorta di mezzo attraverso cui muoversi, come avviene per il suono. Questa sostanza invisibile e non rilevabile è stata chiamata “etere luminifero” (noto anche come “etere”).

Nonostante Michelson e Morley abbiano costruito un sofisticato interferometro (una versione molto semplice dello strumento utilizzato oggi nelle strutture LIGO), Michelson non è riuscito a trovare prove di alcun tipo di etere luminifero. Egli ha stabilito che la luce può viaggiare attraverso il vuoto.

“L’esperimento – e il lavoro di Michelson – è stato così rivoluzionario che egli è diventato l’unica persona nella storia ad aver vinto un premio Nobel per una scoperta negativa“, ha scritto Siegal. “L’esperimento in sé potrebbe essere stato un completo fallimento, ma quello che abbiamo appreso da esso ha rappresentato un vantaggio maggiore per l’umanità e la nostra comprensione dell’universo rispetto a qualsiasi successo!”

Relatività Ristretta e velocità della luce

La teoria della relatività ristretta di Einstein ha unificato energia, materia e velocità della luce in un’equazione famosa: E = mc^2. Tale equazione descrive la relazione tra massa ed energia. Le piccole quantità di massa (m) contengono o sono costituite da una quantità intrinsecamente enorme di energia (E), che spiega il motivo per cui le bombe nucleari sono così potenti: convertono la massa in esplosioni di energia.

La velocità della luce è un fattore di conversione, poiché l’energia è uguale alla massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato. Questo implica che anche piccole quantità di massa equivalgono a grandi quantità di energia poiché la velocità della luce è un numero enorme.

Per descrivere accuratamente l’universo, la teoria di Einstein richiede che la velocità della luce sia una costante immutabile. Einstein ha affermato che la luce si muove attraverso il vuoto e non attraverso un qualsiasi tipo di etere luminifero, e si muove sempre alla stessa velocità indipendentemente dalla velocità dell’osservatore.

In altre parole, Einstein ha proposto che la velocità della luce non varia nel tempo, né nel luogo in cui viene misurata, né in base alla velocità dell’osservatore. Ad esempio, gli osservatori seduti su un treno che guarda un treno in movimento lungo un binario parallelo potrebbero pensare al suo movimento relativo come zero rispetto a loro.

Tuttavia, gli osservatori che si muovono a velocità prossime a quella della luce percepiranno comunque la luce che si allontana da loro a oltre 670 milioni di miglia all’ora. Ciò è dovuto al fatto che muoversi molto velocemente è uno dei pochi metodi confermati di viaggio nel tempo, il che significa che il tempo rallenta per quegli osservatori che invecchieranno più lentamente e percepiranno meno momenti rispetto a un osservatore che si muove lentamente.

Pertanto, gli oggetti con massa non possono mai raggiungere la velocità della luce. Se un oggetto raggiungesse mai la velocità della luce, la sua massa diventerebbe infinita, e quindi anche l’energia necessaria per muovere l’oggetto diventerebbe infinita, il che è impossibile.

Ciò significa che se basiamo la nostra comprensione della fisica sulla relatività speciale (cosa che fanno la maggior parte dei fisici moderni), la velocità della luce rappresenta il limite di velocità immutabile del nostro universo, il più veloce che qualsiasi cosa possa viaggiare.

Cosa è più veloce della velocità della luce?

Nonostante la velocità della luce sia comunemente considerata il limite di velocità dell’universo, in realtà l’universo si sta espandendo ad un ritmo ancora più veloce. Secondo quanto riportato dall’astrofisico Paul Sutter in un articolo pubblicato su Space.com, l’universo si sta espandendo ad una velocità di poco più di 42 miglia (68 chilometri) al secondo per ogni megaparsec di distanza dall’osservatore. (Un megaparsec corrisponde a circa 3,26 milioni di anni luce, un’immensa distanza.)

In altre parole, una galassia situata ad un megaparsec di distanza sembrerà allontanarsi dalla Via Lattea ad una velocità di 42 miglia al secondo (68 km/s), mentre una galassia situata a due megaparsec si allontanerà ad una velocità di quasi 86 miglia al secondo (136 km/s), e così via.

Secondo Sutter, la relatività speciale stabilisce un limite di velocità assoluto all’interno dell’universo, ma la relatività generale di Einstein, formulata nel 1915, consente un comportamento differente quando si analizza la fisica non più “locale”.

Come spiega Sutter, “una galassia dall’altra parte dell’universo? Questo è il dominio della relatività generale, e la relatività generale dice: ‘Chi se ne frega! Quella galassia può avere la velocità che vuole, fintanto che rimane molto lontana e non troppo vicina alla tua faccia‘”. In altre parole, la relatività speciale non si preoccupa della velocità – superluminale o altro – di una galassia lontana, e neanche dovresti farlo tu.

La velocità della luce può essere rallentata?

È comunemente accettato che la luce viaggi a una velocità assoluta nel vuoto, tuttavia la velocità della luce che attraversa qualsiasi materiale può essere rallentata. L’indice di rifrazione è la quantità di cui un materiale rallenta la luce. Quando la luce entra in contatto con le particelle, si piega e la sua velocità diminuisce.

Ad esempio, la luce che attraversa l’atmosfera terrestre si muove quasi alla stessa velocità della luce nel vuoto, rallentando di appena tre decimillesimi. Tuttavia, la luce che passa attraverso un diamante può rallentare fino a meno della metà della sua velocità tipica, come segnalato da un articolo di PBS NOVA. Nonostante ciò, la luce si muove attraverso la gemma a oltre 277 milioni di miglia all’ora (quasi 124.000 km/s), una velocità incredibilmente rapida.

È stato dimostrato che la luce può essere intrappolata – e persino fermata – all’interno di nubi di atomi ultrafreddi, come evidenziato da uno studio del 2001 pubblicato sulla rivista Nature. Più recentemente, uno studio del 2018 pubblicato sulla rivista Physical Review Letters ha proposto un nuovo metodo per fermare la luce nei suoi “punti eccezionali”, ovvero luoghi in cui due emissioni luminose separate si intersecano e si fondono in una sola.

Gli scienziati hanno anche cercato di rallentare la luce mentre viaggia nel vuoto. Nel loro studio del 2015 pubblicato sulla rivista Science, un team di scienziati scozzesi è riuscito a rallentare un singolo fotone, o particella di luce, mentre si muoveva nel vuoto. La differenza nella velocità tra il fotone rallentato e uno “normale” era di pochi milionesimi di metro, ma ha dimostrato che la luce nel vuoto può essere più lenta della velocità ufficiale della luce.

Possiamo viaggiare più veloci della luce?

L’idea della “velocità di curvatura” è molto amata dalla fantascienza. I viaggi più veloci della luce hanno reso possibili numerose saghe fantascientifiche, permettendo ai personaggi di spostarsi agevolmente tra i sistemi stellari, accorciando le distanze nello spazio infinito.

Anche se il viaggio più veloce della luce non è ancora stato considerato impossibile, sarebbe necessario utilizzare una fisica estremamente avanzata per realizzarlo. Fortunatamente, ci sono diverse possibilità per gli appassionati di fantascienza e per i fisici teorici.

L’unico problema da risolvere sarebbe quello di capire come “non muoverci”, poiché la relatività ristretta ci impedirebbe di raggiungere una velocità sufficientemente elevata senza essere distrutti. Invece, potremmo muovere lo spazio intorno a noi. Sembra facile, vero?

Una teoria proposta prevede l’uso di un’astronave in grado di ripiegare una bolla spazio-temporale su se stessa, un’idea affascinante sia nella realtà che nella fantasia.

Secondo Seth Shostak, astronomo del Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) Institute di Mountain View, in California, “Se il Capitano Kirk fosse costretto a muoversi alla velocità dei nostri razzi più veloci, gli ci vorrebbero centomila anni solo per arrivare al sistema stellare successivo. Quindi la fantascienza ha postulato a lungo un modo per battere la velocità della barriera luminosa in modo che la storia possa muoversi un po’ più velocemente“.

Senza il viaggio più veloce della luce, qualsiasi racconto di “Star Trek” (o “Guerra stellare”, per citarne un altro) sarebbe impossibile. Sarà compito dei fisici del futuro spingersi coraggiosamente dove nessuno è mai giunto prima, per raggiungere gli angoli più remoti e in continua espansione del nostro universo.

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A cura di Ufoalieni.it

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