Velocità della luce

Quanto è veloce la luce?

La luce che si muove nello spazio vuoto percorre esattamente 299.792.458 metri ogni secondo. Sono circa 299.792 km al secondo, ovvero più o meno 1,08 miliardi di km all'ora.

La parola esattamente qui è importante. Dal 1983 il metro stesso è definito tramite la luce: un metro è la distanza che la luce percorre in 1/299.792.458 di secondo. Quindi questa velocità non è più qualcosa che misuriamo con precisione sempre maggiore anno dopo anno. È un numero fisso, e i nostri righelli sono costruiti attorno a esso.

La luce rallenta quando attraversa i materiali. Nell'acqua si muove a circa tre quarti della sua velocità nel vuoto, nel vetro a circa due terzi. Quando gli scienziati parlano di velocità della luce senza altri dettagli, intendono la velocità nel vuoto, di solito indicata con la lettera c.

Rømer e le lune di Giove

Per gran parte della storia si è pensato che la luce arrivasse istantaneamente. La prima prova seria del contrario arrivò nel 1676 dall'astronomo danese Ole Rømer, che lavorava all'Osservatorio di Parigi.

Rømer cronometrava Io, la più interna delle grandi lune di Giove. Io entra nell'ombra di Giove con una cadenza regolare, circa ogni 42,5 ore. Rømer notò che queste eclissi arrivavano un po' in anticipo quando la Terra si avvicinava a Giove e un po' in ritardo quando se ne allontanava.

La sua spiegazione fu semplice e audace. Quando la Terra è più lontana da Giove, la luce di Io deve percorrere una distanza maggiore, quindi la notizia di ogni eclissi ci raggiunge più tardi. Rømer stimò il ritardo sull'intera ampiezza dell'orbita terrestre in circa 22 minuti; il valore reale è più vicino a 17. Lo scienziato olandese Christiaan Huygens combinò quel ritardo con le dimensioni stimate dell'orbita terrestre e ottenne circa 211.000 km al secondo. Il numero era troppo basso, ma l'idea chiave era giusta: la luce ha una velocità finita.

Fizeau, Michelson e i numeri precisi

Nel 1849 il fisico francese Hippolyte Fizeau misurò per la prima volta la velocità della luce sulla Terra. Fece passare un fascio di luce tra i denti di una ruota dentata in rapida rotazione, verso uno specchio distante circa 8 km. Alla giusta velocità di rotazione, la luce di ritorno veniva bloccata dal dente successivo. Dalla velocità della ruota e dalla distanza ricavò un valore entro circa il 5 per cento di quello moderno.

Più avanti, tra la fine dell'Ottocento e gli anni Venti del Novecento, il fisico statunitense Albert Michelson perfezionò il metodo con specchi rotanti. In una celebre serie di misure inviò la luce tra due montagne della California distanti circa 35 km. I suoi risultati si scostavano da quello odierno di meno di un chilometro al secondo. Michelson fu il primo statunitense a vincere il premio Nobel per la fisica, nel 1907, in gran parte per questo tipo di lavoro di ottica di precisione.

Perché nulla con massa può raggiungerla

La teoria della relatività ristretta di Einstein, pubblicata nel 1905, spiega perché la velocità della luce fa da limite di velocità cosmico. Una delle sue idee centrali è che la luce si muove alla stessa velocità per ogni osservatore, per quanto velocemente si stia muovendo quell'osservatore.

Una conseguenza è che spingere un oggetto dotato di massa diventa sempre più difficile man mano che accelera. Vicino alla velocità della luce, ogni spinta in più aggiunge sempre meno velocità. Per raggiungere esattamente la velocità della luce, l'oggetto avrebbe bisogno di una quantità infinita di energia, che nessun razzo e nessun acceleratore di particelle può fornire.

La luce non ha massa, quindi viaggia sempre a c. Il Large Hadron Collider porta i protoni a oltre il 99,9999 per cento della velocità della luce, eppure non ci arrivano mai del tutto.

Tempi di viaggio della luce nello spazio

Poiché lo spazio è così vasto, anche la luce ha bisogno di tempo per attraversarlo. La luce lascia il Sole e raggiunge la Terra circa 8 minuti e 20 secondi dopo. La luce riflessa dalla Luna impiega solo circa 1,3 secondi.

Marte è un buon esempio di come questo influisca sulle missioni reali. A seconda della posizione dei due pianeti lungo le loro orbite, un segnale radio impiega da circa 3 a 22 minuti per un viaggio di sola andata. Chi guida un rover dalla Terra non può sterzare in tempo reale, quindi i rover eseguono comandi pianificati e usano il proprio software per evitare i pericoli.

Più lontano, i ritardi crescono. Voyager 1, la sonda più distante, è così lontana che i suoi segnali impiegano quasi un giorno intero per raggiungerci.

Guardare il cielo significa guardare nel passato

Ogni volta che vedi qualcosa in cielo, lo vedi com'era quando la sua luce è partita. Il Sole che vedi è il Sole di circa 8 minuti fa. Una stella brillante come Sirio appare com'era più di 8 anni fa.

Per le galassie l'effetto diventa enorme. La luce della Galassia di Andromeda è partita circa 2,5 milioni di anni fa. Il telescopio spaziale James Webb raccoglie luce che ha iniziato il suo viaggio più di 13 miliardi di anni fa, così gli astronomi possono studiare galassie giovani com'erano poco dopo l'inizio dell'universo.

È uno degli strumenti più utili dell'astronomia. Distanza e tempo sono legati, quindi il cielo profondo funziona come un libro di storia a strati, con i capitoli più antichi più lontani.