Come si calcola la velocità della luce?

La comprensione e la misurazione della velocità della luce è una delle conquiste più straordinarie della scienza. Questo viaggio affascinante attraverso i secoli vede il contributo di grandi menti, esperimenti ingegnosi e teorie rivoluzionarie.

Antichità e Medioevo

La questione della velocità della luce ha affascinato i pensatori fin dall’antichità. Nella Grecia antica, filosofi come Empedocle (V secolo a.C.) credevano che la luce fosse un fenomeno che si muoveva, mentre altri, come Aristotele, ritenevano che la luce fosse istantanea. Empedocle fu uno dei primi a suggerire che la luce avesse una velocità finita, basando la sua intuizione sulla natura ondulatoria della luce.

Durante il Medioevo, il dibattito continuò. Il filosofo arabo Alhazen (Ibn al-Haytham, 965-1040 d.C.) fu uno dei pionieri nell’ottica e propose che la luce si muovesse a una velocità finita, sebbene non fosse in grado di misurarla. Alhazen sviluppò anche la teoria della visione attraverso l’uso di esperimenti scientifici, un approccio innovativo per il suo tempo.

Rinascimento e Illuminismo

Il Rinascimento e l’Illuminismo videro un rinnovato interesse per la scienza e la natura della luce. Galileo Galilei (1564-1642) fu uno dei primi a tentare una misurazione della velocità della luce nel 1638. Galileo propose un esperimento basato sull’uso di lanterne, ma la velocità della luce era troppo elevata per essere misurata con la tecnologia disponibile all’epoca.

Nel 1676, il danese Ole Rømer realizzò la prima misurazione quantitativa della velocità della luce. Studiando le eclissi dei satelliti di Giove, Rømer osservò che il tempo delle eclissi variava a seconda della posizione della Terra rispetto a Giove. Da queste osservazioni, dedusse che la luce impiegava circa 22 minuti per attraversare il diametro dell’orbita terrestre, portandolo a stimare una velocità di circa 220.000 km/s.

XVIII e XIX secolo

Nel XVIII secolo, il fisico britannico James Bradley scoprì l’aberrazione della luce stellare nel 1728, un fenomeno che confermava ulteriormente la finitezza della velocità della luce. Bradley stimò la velocità della luce a circa 301.000 km/s.

Il XIX secolo portò ulteriori progressi significativi. Armand Fizeau, nel 1849, utilizzò un dispositivo con una ruota dentata rotante per misurare la velocità della luce in un esperimento terrestre. Egli inviò un fascio di luce attraverso una ruota dentata verso uno specchio distante; la luce riflessa tornava indietro attraverso la stessa ruota. Variando la velocità di rotazione della ruota, Fizeau calcolò la velocità della luce a circa 313.000 km/s.

Pochi anni dopo, Léon Foucault migliorò l’esperimento di Fizeau sostituendo la ruota dentata con uno specchio rotante. Questo perfezionamento permise una misurazione più precisa, determinando la velocità della luce a circa 298.000 km/s.

Teoria della Relatività e XX secolo

L’avvento della teoria della relatività di Albert Einstein nel 1905 rivoluzionò la comprensione della luce. La teoria della relatività ristretta postulava che la velocità della luce nel vuoto fosse una costante universale e rappresentasse il limite massimo di velocità nell’universo. Questa teoria non solo confermò l’importanza della velocità della luce, ma la posizionò al centro della fisica moderna.

Nel corso del XX secolo, tecniche sempre più sofisticate permisero misurazioni estremamente precise. Negli anni ’70, l’uso di laser e tecnologie interferometriche portò a una misurazione della velocità della luce con una precisione senza precedenti. Nel 1983, la Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure definì il metro come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299.792.458 secondi, fissando la velocità della luce a esattamente 299.792.458 metri al secondo.

Calcolo della Velocità della Luce

Per calcolare la velocità della luce in un esperimento moderno, si possono usare varie tecniche, tra cui:

1. Metodo del Tempo di Volo: Misura il tempo che la luce impiega per percorrere una distanza nota. Utilizzando un raggio laser e cronometri ad alta precisione, si può determinare la velocità dividendo la distanza per il tempo.
2. Interferometria: Utilizza l’interferenza dei fasci di luce per misurare la velocità con elevata precisione. Questo metodo sfrutta le proprietà ondulatorie della luce per determinare la velocità tramite la variazione delle frange di interferenza.
3. Misura della Frequenza e della Lunghezza d’Onda: La velocità della luce può essere calcolata conoscendo la lunghezza d’onda e la frequenza di una sorgente luminosa, usando la relazione c=λ⋅ν dove $c$ è la velocità della luce, $\lambda$ è la lunghezza d’onda e $\nu$ è la frequenza.

La costante velocità della luce è fondamentale per la comprensione di molte leggi fisiche e resta un pilastro nella ricerca scientifica. Il percorso storico verso la sua misurazione è un tributo alla capacità umana di svelare i segreti dell’universo.