Velocità della luce - Una costante universale

In questo appunto di fisica si affronta un argomento sicuramente affasciante: la velocità della luce. Una breve escursione storica sulle teorie riguardo la sua natura e sugli esperimenti finalizzati alla misurazione del suo valore da Galileo a Fizeau. I fenomeni quotidiani che dipendono dalla luce e brevi cenni di ottica geometrica su diffusione, riflessione e diffrazione, completano la trattazione.

Luce, più veloce non si può

La velocità della luce è veramente sbalorditiva ed è la più alta velocità che si conosca.

In un secondo, un raggio di luce percorre la distanza di 300.000 km, la distanza media fra la Terra e la Luna. Questo valore è una costante fisica ed è indicato con c minuscolo, usando la notazione scientifica:

Il Sole dista in media dalla Terra 150 milioni di chilometri, alla luce occorrono 8 minuti e 13 secondi per giungere sulla Te4rra. Molti fenomeni della vita quotidiana dipendono dalle proprietà della luce. Ad esempio, le piante attraverso la fotosintesi convertono l’energia del sole in energia chimica. La luce è il mezzo principale per trasmettere e ricevere informazioni dagli oggetti che ci circondano, da quelli più vicini a quelli lontanissimi nell’universo.
Ma che cos’è la luce?
La luce è una radiazione elettromagnetica che si propaga anche nel vuoto, viaggiando alla velocità di 300.000 chilometri al secondo e trasporta energia. Il Sole la nostra stella ci illumina e ci riscalda emanando radiazione elettromagnetica.

Teorie sulla natura della luce

Prima dell’inizio del XIX secolo si pensava che la luce fosse costituita da un flusso di particelle emesse dall'oggetto che si stava osservando. Un’esponente di questa teoria, nota come teoria corpuscolare della luce, fu Newton, la sua idea era che delle particelle emesse da una sorgente di luce fossero in grado di entrare nell'occhio dell'osservatore e quindi di stimolare la sensazione visiva. Nel 1678 Huygens, si fece promotore di un’altra teoria quella ondulatoria con la quale riuscì a spiegare le leggi della riflessione e della rifrazione. Soltanto nel 1801 Thomas Young verificò che, in opportune condizioni, la luce dà origine a fenomeni di interferenza e quindi riuscì a dimostrare la natura ondulatoria della luce. Successivamente Maxwell nel corso dell’800 affermò che la luce era una forma di onda elettromagnetica di alta frequenza, teoria confermata sperimentalmente da Hertz, che riuscì a produrre e a rilevare le onde elettromagnetiche. Esiste però un fenomeno che è in contraddizione con la teoria ondulatoria della luce si tratta dell’effetto fotoelettrico, scoperto sempre da Hertz. Il fisico, nei suoi esperimenti osservo che quando la luce colpiva una superficie metallica, in determinate circostanze venivano emessi degli elettroni dalla superficie e che l'energia cinetica di un elettrone emesso era indipendente dall'intensità della luce. Questo fenomeno era in piena contraddizione con la teoria delle onde, la quale prevedeva che un fascio di luce più intenso dovesse cedere più energia all’elettrone.
Sulla base del modello dell’energia quantizzata si ipotizzava che l’energia di un’onda elettromagnetica fosse distribuita in pacchetti di energia chiamati fotoni e quindi in accordo con la teoria di Einstein l'energia di un fotone risultava proporzionale alla frequenza dell'onda elettromagnetica.
La luce va quindi intesa come caratterizzata da una doppia natura o natura duale, in alcuni casi si comporta come onda e in altri casi si comporta come particella.

Misurare la velocità della luce, esperimento di Galilei

Uno dei primi esperimenti per misurare la velocità della luce fu eseguito da Galileo Galilei. Egli fece posizionare due osservatori su due torri distanti 10 km, ciascun osservatore aveva una lanterna munita di un otturatore; nell’esperimento un osservatore avrebbe aperto la sua lanterna e il secondo osservatore avrebbe fatto lo stesso nel momento in cui avesse osservato la luce proveniente dalla prima lanterna. Galileo era convinto di poter ricavare la velocità misurando il tempo di transito del fascio di luce tra le due lanterne poiché la distanza era nota. L’esperimento non andò a buon fine perché, come Galileo stesso concluse, il tempo di transito della luce è molto più piccolo dei tempi di reazione degli osservatori.

Roemer e Fizeau misurano il valore di c

Nel 1675 l’astronomo danese Roemer, riuscì ad ottenere una prima misura realistica del valore della velocità della luce. I suoi calcoli si basavano sulle osservazioni astronomiche di un satellite di Giove, la luna Io. Il periodo di rivoluzione di Io intorno a Giove di circa 42,5 ore e Giove ha un periodo di rivoluzione intorno al sole di circa 12 anni. L'astronomo raccolse dati per più di un anno e notò che i periodi erano maggiori della media quando la Terra si allontanava da Giove minori quando la Terra si avvicinava. Attribuì questa variazione di periodo alia posizione dell’osservatore. Huygens, elaborò i dati di Roemer e stimò un valore della velocità c, prossimo a quello ufficialmente riconosciuto. L’esperimento ha una importanza storica perché stabilisce che la luce ha una velocità finita per quanto grande essa sia.
Il fisico Fizeau, nel 1849 ideò un apparato molto semplice costituito da una ruota dentata posta a distanza fissa da uno specchio; la ruota trasformava un fascio continuo di luce in una serie di impulsi luminosi, conoscendo la distanza, il numero di denti della ruota e la velocità angolare della ruota, misurò il tempo totale impiegato dalla luce per andare e tornare dallo specchio riflettente. Trovo un valore di c di 310.000 km al secondo. Altri sperimentatori con apparati simili stimarono valori della velocità della luce più accurati e prossimi al valore corrente accettato.

Diffusione e riflessione della luce

. Con questa approssimazione un raggio luminoso è praticamente un fascio di luce molto sottile che viene rappresentato con un tratto di retta.
Quando siamo in una stanza al buio, non siamo in grado di distinguere gli oggetti che ci circondano. È sufficiente la luce della fiamma di una candela per vedere gli oggetti che sono intorno a noi; noi vediamo gli oggetti quando la luce proveniente da essi colpisce i nostri occhi.
Il fenomeno della diffusione è responsabile della visione dei colori degli oggetti investiti da luce bianca cioè da una sovrapposizione di onde elettromagnetiche di tutte le lunghezze d'onda. Ad esempio noi percepiamo il colore rosso di una mela perché la sua superficie riflette in maniera diffusa la radiazione di lunghezza d'onda che corrisponde al colore rosso mentre assorbe tutte le altre lunghezze, la diffusione spiega anche il colore blu del cielo oppure Il rosso e l’arancio che sono i colori dell’alba e del tramonto.
La nostra immagine allo specchio o le immagini di altri veicoli nello specchietto retrovisore dell'automobile sono dovute al fenomeno della riflessione della luce. Quando i raggi luminosi colpiscono una superficie come quella di uno specchio vengono riflessi di un certo angolo secondo le leggi dell’ottica geometrica.

Diffrazione della luce

La diffrazione è un altro comportamento caratteristico delle onde, per il quale esse sono in grado di superare gli ostacoli deviando dalla linea retta. Per la luce questo fenomeno consiste nel produrre delle ombre dai contorni che non sono sempre netti, facendo passare un raggio di luce attraverso una sottilissima fenditura e posizionando uno schermo ad una certa distanza dalla fenditura si osserva una figura di diffrazione che è formata da frange luminose alternate a frange scure.

Per ulteriori approfondimenti sulla luce vedi anche qua.