Come abbiamo misurato la velocità della luce?
La luce è infinitamente veloce?
Accendi una lampada e tutta la stanza si illumina all’istante. Per molto tempo si è pensato che la luce non si muovesse, che fosse semplicemente dappertutto nello stesso momento. Come si misura se viaggia davvero?
L’esperimento delle lanterne
Galileo ci provò con le lanterne: due persone su due colline a circa un chilometro di distanza. Una scopre la lanterna e, appena l’altra la vede, scopre la sua. Ma misurò solo quanto ci mettono le persone a reagire, perché la luce percorre quei due chilometri tra andata e ritorno in sette milionesimi di secondo.
Un orologio nel cielo
Nel cielo c’erano sia una lunga distanza sia un orologio. Io, una luna di Giove, fa il giro del pianeta ogni 42,5 ore e ogni volta sparisce per un po’ nella sua ombra. Queste eclissi sono regolari e si possono prevedere.
L’orologio ritarda
Nel 1676 l’astronomo danese Ole Rømer si accorse che le eclissi di Io non arrivavano sempre in orario. Quando la Terra è più vicina a Giove arrivano come previsto, ma man mano che la Terra si allontana ritardano sempre di più. Dall’altra parte dell’orbita terrestre il ritardo è di circa 17 minuti.
La luce attraversa tutta l’orbita della Terra
Rømer capì perché: la luce impiega un po’ di tempo ad arrivare da Io fino a noi. Dall’altra parte dell’orbita deve percorrere in più tutto il suo diametro, circa 300 milioni di chilometri. Rømer stimò che ci mettesse 22 minuti; oggi sappiamo che sono circa 17 minuti, cioè circa 1000 secondi, quindi la luce percorre circa 300.000 chilometri al secondo.
La ruota dentata
Sulla Terra la misurò per primo Hippolyte Fizeau, nel 1849. Mandava la luce di una lampada attraverso uno spazio tra i denti di una ruota dentata verso uno specchio a 8,6 chilometri. Lo specchio la rifletteva e la luce tornava all’occhio attraverso lo stesso spazio. Ma come si capisce da questo quanto è veloce?
Quando la ruota gira
Poi fece girare la ruota. Finché girava piano, prima che la luce tornasse si spostava solo di poco, e la luce ripassava dallo stesso spazio. Man mano che accelerava, la luce di ritorno urtava sempre di più il bordo di un dente e si affievoliva. A 12 giri e mezzo al secondo sparì del tutto: nel frattempo la ruota era avanzata di un dente intero e la luce colpiva un dente invece dello spazio. Per avanzare di un dente la ruota impiegava 1/18.000 di secondo, e in quel tempo la luce percorreva 17 chilometri tra andata e ritorno: quindi va a circa 310.000 chilometri al secondo.
Verifica da solo
Anche le microonde sono luce, solo che non la vediamo. Togli il piatto girevole dal forno a microonde e scaldaci dentro una tavoletta di cioccolato per 20 secondi. Le microonde rimbalzano sulle pareti e scaldano di più in punti distanti esattamente mezza onda: il cioccolato si scioglie circa ogni 6 centimetri, quindi un’onda intera è lunga 12 cm. La velocità di un’onda è la sua lunghezza per il numero di oscillazioni al secondo, scritto sull’etichetta del forno: 2450 MHz, cioè 2,45 miliardi. 12 cm × 2,45 miliardi fa circa 300.000 chilometri al secondo.
Com’è oggi
Negli anni ’70 la si misurò con un laser e con la stessa formula del cioccolato: lunghezza d’onda per numero di oscillazioni. Il risultato fu 299.792.458 metri al secondo, e dal 1983 questo numero è fissato: in base a esso si definisce perfino la lunghezza del metro. Per questo oggi la velocità della luce non si misura più, ma si misura con essa: un laser riflesso dagli specchi lasciati sulla Luna dagli astronauti impiega 2,5 secondi tra andata e ritorno, e da qui sappiamo quanto dista la Luna, al centimetro.
Allora, come l’abbiamo misurata?
La luce è così veloce che per misurarla serve una distanza enorme o un orologio molto preciso. Rømer prese l’orbita della Terra e come orologio le eclissi di Io, Fizeau prese 17 chilometri e come orologio una ruota che girava veloce. Entrambi mostrarono che la luce viaggia a una velocità enorme, ma finita.