Velocità della luce e misure fisiche

In questo appunto di Fisica si descrive la transizione dal concetto classico di spazio assoluto alla fisica moderna e alla relatività. Verranno esposti i concetti-chiave che stanno alla base della relatività, con un focus sulla velocità della luce e sulle principali misure fisiche coinvolte.

Il concetto di spazio assoluto
Lo spazio assoluto non è un fenomeno osservabile, piuttosto è una "convenzione" da noi adottata per meglio percepire il mondo che ci circonda.

Il concetto di spazio assoluto è legato alla distanza delle cose, le quali generalmente si estendono lungo

dimensioni, andando ad occupare dunque un volume ed una posizione.
La definizione geometrica di spazio assoluto si effettua andando a precisare un punto di riferimento di osservazione, e stabilendo la misura e le direzioni per le distanze.
Il primo tentativo di una descrizione logica di spazio consiste nelle nozioni di geometria euclidea. Il concetto fu poi ripreso da Isaac Newton, padre della fisica classica e a cui si devono le nozioni di Tempo Assoluto e Spazio Assoluto. Quest'ultimo veniva inteso come punto di riferimento assoluto e immobile rispetto al quale ogni oggetto si muove.
Grazie alle trasformazioni di Galileo è stato poi possibile individuare delle relazioni in termini delle

coordinate spazio-temporali (

coordinate spaziali e

temporale), per spostarsi fra sistemi di riferimento fissi e sistemi di riferimento mobili, a velocità uniforme o uniformemente accelerata.
Dopo Newton la fisica ha continuato ad accettare l'esistenza dello spazio assoluto; anzi questo era stato identificato con un fluido imponderabile, l'etere, che negli ultimi anni dell'Ottocento era stato posto alla base delle teorie ottiche, elettriche e magnetiche.
Il campo elettromagnetico maxwelliano, per esempio, era pensato come un insieme di perturbazioni che si propagano in un etere che si estende occupando tutto lo spazio. A quei tempi non esisteva ancora il concetto di vuoto, e per i fisici era infatti impensabile che un'onda elettromagnetica (analogamente a quanto accadeva per le onde sonore) potesse propagarsi senza un mezzo che avesse la funzione di trasmettere le vibrazioni. Appurato che la luce ha una natura ondulatoria, lo spazio occupato dall'etere si identificava dunque ancora con lo spazio assoluto newtoniano.

Dall'etere all'idea del vuoto

Il concetto di etere come tutto ciò che andava aldilà dell'atmosfera terrestre, come già pensato da Aristotele, tuttavia, destava ancora molti dubbi tra gli studiosi. Quest'ultimi, infatti, si ponevano molte domande; si chiedevano come, ad esempio, fosse costituito quest'etere per permettere di far giungere la luce alle stelle e inoltre ci si chiedeva in che termini quest'etere interagisse e influenzasse il moto dei pianeti.
Per rispondere a queste domande, gli scienziati di quei tempi ipotizzarono che proprio come l'atmosfera, l'etere seguisse il moto della Terra nel verso opposto. In questo contesto, molti furono gli esperimenti che tentavano di misurare la velocità del vento d'etere, intesa proprio come quella velocità che permettesse alla luce di raggiungere le stelle.
In questo contesto si inserisce il famoso esperimento di Albert Abraham Michelson ed Edward Morley nel

per mezzo di un interferometro, anche conosciuto come il fallimento più importante della storia della fisica. Questo perchè, l'esperimento di Michelson-Morley dimostrò l'indipendenza della velocità della luce rispetto il vento d'etere ipotizzato, in quanto la luce non richiede un mezzo per la propagazione. Questa poté considerarsi quindi la prima forte e solida prova contro la teoria dell'etere, che pose le basi per la concezione del vuoto.
L'esplosione delle scienze avvenuta in questo periodo, quindi, ha rivoluzionato non solo il modo in cui pensiamo al nostro mondo, ma anche il tempo e lo spazio stessi.

La velocità della luce

Con l'introduzione della relatività ristretta, la velocità della luce nel vuoto, indicata con la lettera

(dal latino, celeritas), diventa una costante fisica universale indipendente dal sistema di riferimento scelto. Da qui ne deriva che le grandezze fisiche classiche di spazio e tempo assoluti vengano soppiantati da quelli di spazio e tempo relativi, i quali poi, in realtà, convergono in un unico ente quadridimensionale, lo spaziotempo.
Einstein mostrò che la relatività del concetto di simultaneità comporta la relatività rispetto all'osservatore anche dei concetti di lunghezza e di intervallo temporale. In questo modo le strane proprietà matematiche delle formule di Lorentz diventavano conseguenze logiche di procedimenti di misura fisici compiuti ammettendo il postulato della costanza della velocità della luce.
Poiché le nozioni di lunghezza e di tempo sono fondamentali per qualsiasi considerazione scientifica di qualsiasi evento naturale, la teoria di Einstein comportava una radicale modificazione dell'intera fisica e dava l'avvio a una nuova fisica relativistica che, lasciati cadere i concetti assoluti di spazio e di tempo, considerava gli eventi fisici rispetto a spazi e tempi relativi all'osservatore. Con l'abbandono dello spazio assoluto e del tempo assoluto, veniva a crollare il quadro concettuale in cui era iscritto il grande universo-macchina newtoniano.
Con la teoria della relatività ristretta, Einstein rivoluzionò i paradigmi della fisica classica (basata sulla relatività galileiana) conosciuta fino ad allora. Questo sancì la fine della fisica classica e l'inizio della fisica moderna.
I postulati della relatività ristretta sanciscono che le leggi della fisica hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziali; inoltre, la velocità della luce nel vuoto è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali.

Ripartendo dalla definizione di velocità della luce, nonché, quella velocità di propagazione di un'onda magnetica e di una particella libera e senza massa, sappiamo che nel vuoto ha un valore costante pari a:

Quest'ultima risulta essere indipendente dal moto della sorgente e da quello dell'osservatore. Inoltre, consiste nella massima velocità raggiungibile. In altre parole, è la velocità massima alla quale viaggia qualsiasi informazione nell'Universo. Da questa teoria ne derivano dei concetti del tutto rivoluzionari quali il concetto di dilatazione del tempo e contrazione delle lunghezze.

Per ulteriori approfondimenti sui concetti generali della relatività vedi qui
Per ulteriori approfondimenti sulla relatività ristretta vedi qui