Giusto ieri, come ci ha ricordato il Doodle di Google, era il 340° anniversario della prima misurazione della velocità della luce effettuata dall’Astronomo Danese Ole Rømer nel 1676.
Una tematica già dibattuta in tempi più antichi, ma cheche divenne più accesa durante il XVII secolo, in epoca di importanti scoperte scientifiche. La velocità ha dunque la luce, è una misura finita o infintita?
Naturalmente oggi si ha una misura della velocità della luce pari a c=299.792,458 km/s , valore estremamente elevato, ma nulla se confrontato con le distanze dell’universo. Ad esempio pensate che, come ben spiegato nel video qua sotto, la luce del sole impiega 8minuti e 20 seconti per giungere sulla terra.
Ma ritornando all misura della velocità della luce, alle domande di cui dicevo sopra tentò di dare risposta Galileo Galilei, che fu il primo che cercò di misurare sperimentalmente la velocità della luce.
L’esperimento di Galileo
Questo l’esperimento da lui ideato: Galileo (G) e il suo assistente (A) si sistemano su luoghi distanti tra loro). L’importante è che siano reciprocamente visibili. G accende una lampada al tempo t1. A vede il segnale luminoso al tempo t2 e immediatamente accende la sua lampada. G riceve il segnale inviato da A al tempo t3.
Dal momento che i due sono posti a distanza relativamente ravvicinata, la misura dell’intervallo di tempo è solo la misura del tempo che passa tra l’istante in cui un osservatore percepisce la luce dell’ altra lanterna e l’istante in cui percepisce la propria.
Dopo aver misurato questo tempo di relazione, Galileo rifece l’esperimento a una distanza più elevata, rilevando così l’intervallo di tempo in questo caso: la differenza tra i due tempi rilevati rappresenta il tempo che impiega la luce a percorrere due volte la distanza tra una lanterna e l’altra.
velocità della luce = 2d/(t3 – t1).
Galileo, però, non trovò alcuna differenza tra i due intervalli di tempo rilevati: da tale risultato egli dedusse che la luce si propaga istantaneamente, ovvero con una velocità infinita.
La prima misurazione di Rømer
Come si diceva, fu l’astronomo danese Ole Rømer nel 1676 a misurare per la prima volta la velocità della luce. L’opportunità si presentò mentre stava conducendo degli studi sui satelliti di Giove, dei quali si conoscevano i tempi di rivoluzione attorno al pianeta.
Rømer unì le sue osservazioni di 140 eclissi di Io, ottenute tra il 1672 e 1675, con quelle condotte dal matematico Giovanni Domenico Cassini di 6 anni prima. Calcolando con le eclissi osservate in comune la differenza di longitudine tra Parigi (dove osservava Cassini) e Copenhagen. Rømer scoprì che le eclissi di Io sembravano anticipare quando la Terra era più vicina a Giove di quando era più lontana.
La spiegazione era semplice: la velocità della luce non era infinita. E la differenza di tempo tra le eclissi più distanti era per forza il tempo che la luce impiegava a percorrere il diametro dell’orbita terrestre.
Rømer calcolò questo ritardo in 22 minuti circa, poco più dei 16’40” reali, determinando quindi una velocità di 220.000 km/s rispetto alla velocità della luce oggi accettato di 299.792,458 km/s (approssimato a 300 mila km/s).
Nel video qua sotto Richard Feynman descrive il processo che condusse alla prima deduzione della velocità della luce di Rømer.
Dagli esperimenti di Fizeau a Michelson
Il valore dedotto dagli esperimenti di Rømer fu oggetto di revisioni ed altrettanti esperimenti volti a definire in modo più preciso la velocità della luce.
Prima Fizeau nel 1849, con un esperimento interamente terrestre volto a determinare la velocità della luce, realizzato con un sistema vicino come concetto a quello utilizzato da Galileo.
Un fascio luminoso, proveniente da una sorgente, dopo essere stato in parte trasmesso e in parte riflesso da uno specchio, prosegue attraversando un vano del disco dentato rotante .
Quest’ultimo gira a forte velocità intorno al proprio asse, fino a incontrare, a una certa distanza, lo specchio. Quando la ruota dentata è ferma, il raggio di luce che torna passa attraverso lo stesso vano della ruota dentata e colpisce lo specchio iniziale. A questo punto la luce viene parzialmente trasmesso a all’osservatore. Se la ruota dentata gira con una velocità angolare w per cui, nel tempo Δ t necessario alla luce per compiere un percorso pari a 2 volte la distanza dallo specchio alla ruota dentata e, in rotazione, a un vano si sostituisce il dente successivo della ruota, il raggio riflesso incontra un dente della medesima e dunque non può più giungere all’osservatore.
Da questo esperimento Fizeau dedusse che la velocità di propagazione della luce nell’aria (e non nel vuoto ndr) era di 313.300 Km/sec.
Nel 1923 Michelson perfezionò la misurazione della luce, riprendendo un esperimento realizzato anni prima dal fisico francese Foucault, che sostituì a sua volta la ruota dentata di Fizeau con uno specchio.
Nel suo esperimento Michelson, utilizza uno specchio ottagonale.
La luce proveniente da una sorgente S viene diretta su una delle facce dello specchio ottagonale e successivamente riflessa da altri specchi su un’altra faccia dello specchio ottagonale. Per riflessione la luce viene trasmessa all’occhio dell’osservatore realizzando uno specchio ottagonale in rotazione osserva che cambiando gli angoli di riflessione, l’immagine scompare. Aumentando la velocità di rotazione dello specchio ottagonale la luce viene nuovamente percepita.
Attraverso misurazioni di questo tipo, Michelson giunse a determinare una velocità della luce nel vuoto molto prossimo a 299.792,5 Km/sec misurato successivamente e oggi comunemente accettato.
