La velocità della luce

Come abbiamo già visto, le teorie che si presentarono nel corso degli anni sulla natura della luce furono diverse, e spesso contraddittorie tra loro. Alcune di esse non riguardano soltanto la natura della luce, ma anche la sua velocità e il modo in cui essa si propaga.

In questo caso, infatti, troviamo l’opposizione di due teorie, una formulata nell’ambito della meccanica, e l’altra nell’ambito dell’elettromagnetismo.

 

Le trasformazioni di Galileo 

Nel primo caso, il sostenitore della teoria è Galileo Galilei, secondo il quale la velocità della luce dipende dal sistema di riferimento che stiamo considerando. Infatti, anche se in sistemi di riferimento diversi valgono le stesse leggi della meccanica, è possibile che il moto di un corpo possa essere descritto da leggi diverse nei due sistemi di riferimento.

Consideriamo due sistemi di riferimento S ed S’, quest’ultimo in moto rispetto ad S, entrambi sistemi di riferimento inerziali. Indichiamo con t il tempo misurato in S, con t’ il tempo misurato in S’. Dato che S’ si muove in S, supponiamo a velocità costante, indichiamo con V tale velocità.

Le trasformazioni di Galileo permettono di passare dalle grandezze misurate in S’ a quelle che si misurano in S, e viceversa:

 

${ (vec s = vec s’ + vec V * t’) , (t = t’  ):}          ,        { (vec s’ = vec s – vec V * t’) , (t’ = t):}$

 

Come possiamo vedere, le equazioni sono equazioni vettoriali, e i vettori s e s’ indicano la posizione di un punto P rispetto alle origini dei due sistemi di riferimento.

Se il punto P è in movimento, è possibile determinare la sua velocità nei due sistemi di riferimento che stiamo considerando. Indichiamo con v la velocità di P in S e con v’ la sua velocità misurata in S’; è possibile dimostrare che tra le due velocità sussistono le seguenti relazioni:

$ vec v = vec v’ + vec V          ,          vec v’ = vec v – vec V $

Dove V indica la velocità con cui si muove il sistema di riferimento S’ rispetto a S.

All’inizio, molti scienziati sostenevano l’idea che la luce non avesse velocità, e che potesse compiere qualsiasi distanza senza impiegare tempo.

Galileo, invece, sosteneva che la luce avesse una velocità propria, ed elaborò un esperimento per dimostrarlo.

 

L’esperimento di Galileo

L’esperimento consisteva nel posizionare due uomini, ognuno dei quali con una lanterna, sulla cima di due collinette, ad una certa distanza l’una dall’altra.

All’inizio le due lanterne erano coperte, poi uno dei due uomini avrebbe dovuto scoprire la sua lanterna; l’altro avrebbe fatto altrettanto nel momento in cui avrebbe notato la luce sulla collinetta opposta.

In questo modo, Galileo avrebbe misurato il tempo trascorso dall’emissione del fascio di luce dal primo uomo alla ricezione del secondo, e conoscendo la distanza tra essi, avrebbe determinato la velocità della luce.

 

esperimenti-galilei
L’esperimento di Galilei

 

L’esperimento, però, non ebbe i risultati sperati; oggi sappiamo, infatti, che la velocità della luce è una grandezza troppo elevata perché possa essere confrontata con grandezze terrestri;  i tempi di reazione degli uomini nell’esperimento sono assai maggiori del tempo che la luce impiega a percorre la distanza tra essi.

Secondo Galileo, però, le leggi ricavate dalle trasformazioni erano valide anche per la velocità della luce; di conseguenza, se un raggio di luce (che si propaga a velocità c) viene emesso da una navicella che si muove a velocità v, secondo Galileo la luce avrebbe viaggiato ad una velocità pari a c + v.

 

La teoria di Maxwell

Le equazioni di Maxwell, che descrivono il comportamento dei fenomeni elettrici e magnetici, hanno permesso di determinare con precisione il valore della velocità di propagazione della luce, pari a 299 792 458 m/s.

Tali equazioni permisero anche di dimostrare che il valore di questa velocità è indipendente dal sistema di riferimento che si sta considerando; tale valore, quindi, è lo stesso in qualunque sistema.

Di conseguenza, se un raggio di luce viene emesso da una navicella in movimento, la velocità di propagazione della luce non è influenzata dalla velocità della navicella, ma vale sempre c.

 

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