Quanto velocemente viaggia leggera? | La velocità della luce

La velocità della luce che viaggia nel vuoto è esattamente di 299.792.458 metri (983.571.056 piedi) al secondo. Si tratta di circa 186.282 miglia al secondo, una costante universale nota nelle equazioni come "c" o velocità della luce.

Secondo la teoria della relatività speciale del fisico Albert Einstein , su cui si basa gran parte della fisica moderna, nulla nell'universo può viaggiare più veloce della luce. La teoria afferma che quando la materia si avvicina alla velocità della luce, la massa della materia diventa infinita. Ciò significa che la velocità della luce funziona come limite di velocità per l'intero universo . La velocità della luce è così immutabile che, secondo il National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti (si apre in una nuova scheda), viene utilizzata per definire misure standard internazionali come il metro (e per estensione, il miglio, il piede e il pollice ). Attraverso alcune astute equazioni, aiuta anche a definire il chilogrammo e l'unità di temperatura Kelvin .

Ma nonostante la reputazione della velocità della luce come costante universale, scienziati e scrittori di fantascienza allo stesso modo trascorrono il tempo contemplando viaggi più veloci della luce. Finora nessuno è stato in grado di dimostrare una vera spinta a curvatura, ma ciò non ha rallentato la nostra corsa collettiva verso nuove storie, nuove invenzioni e nuovi regni della fisica.

Cos'è un anno luce?

Un anno luce è la distanza che la luce può percorrere in un anno di circa 6 trilioni di miglia (10 trilioni di chilometri). È un modo in cui astronomi e fisici misurano immense distanze nel nostro universo.

La luce viaggia dalla luna ai nostri occhi in circa 1 secondo, il che significa che la luna è a circa 1 secondo luce di distanza. La luce del sole impiega circa 8 minuti per raggiungere i nostri occhi, quindi il sole dista circa 8 minuti luce. La luce di Alpha Centauri , che è il sistema stellare più vicino al nostro, richiede circa 4,3 anni per arrivare qui, quindi Alpha Centauri si trova a 4,3 anni luce di distanza.

"Per avere un'idea della dimensione di un anno luce, prendi la circonferenza della Terra (24.900 miglia), disponila in linea retta, moltiplica la lunghezza della linea per 7,5 (la distanza corrispondente è un secondo luce ), quindi posiziona 31,6 milioni di linee simili end-to-end", afferma il Glenn Research Center della NASA sul suo sito Web (si apre in una nuova scheda). "La distanza risultante è di quasi 6 trilioni (6.000.000.000.000) di miglia!"

Stelle e altri oggetti al di là del nostro sistema solare si trovano ovunque da pochi anni luce a pochi miliardi di anni luce. E tutto ciò che gli astronomi "vedono" nel lontano universo è letteralmente storia. Quando gli astronomi studiano oggetti che sono lontani, vedono la luce che mostra gli oggetti come esistevano nel momento in cui la luce li ha lasciati.

Questo principio consente agli astronomi di vedere l'universo come si presentava dopo il Big Bang , avvenuto circa 13,8 miliardi di anni fa. Gli oggetti che si trovano a 10 miliardi di anni luce da noi appaiono agli astronomi come apparivano 10 miliardi di anni fa relativamente presto dopo l'inizio dell'universo, piuttosto che come appaiono oggi.

Come abbiamo imparato la velocità della luce?

Aristotele, Empedocle, Galileo (qui illustrato), Ole Rmer e innumerevoli altri filosofi e fisici della storia hanno contemplato la velocità della luce. (Credito immagine: NASA)

Già nel V secolo filosofi greci come Empedocle e Aristotele non erano d'accordo sulla natura della velocità della luce. Empedocle proponeva che la luce, di qualunque cosa fosse fatta, doveva viaggiare e quindi doveva avere una velocità di viaggio. Aristotele scrisse una confutazione del punto di vista di Empedocle nel suo trattato, Sul senso e il sensibile (si apre in una nuova scheda), sostenendo che la luce, a differenza del suono e dell'olfatto, deve essere istantanea. Aristotele aveva torto, ovviamente, ma ci sarebbero voluti centinaia di anni prima che qualcuno lo dimostrasse.

A metà del 1600, l'astronomo italiano Galileo Galilei stava due persone su colline a meno di un miglio di distanza. Ogni persona teneva una lanterna schermata. Uno ha scoperto la sua lanterna; quando l'altra persona ha visto il flash, ha scoperto anche il suo. Ma la distanza sperimentale di Galileo non era abbastanza lontana per consentire ai suoi partecipanti di registrare la velocità della luce. Poteva solo concludere che la luce viaggiasse almeno 10 volte più velocemente del suono.

Nel 1670, l'astronomo danese Ole Rmer cercò di creare un orario affidabile per i marinai in mare e, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda), fornì accidentalmente una nuova stima migliore per la velocità della luce. Per creare un orologio astronomico, ha registrato la tempistica precisa delle eclissi della luna di Giove , Io, dalla Terra . Nel corso del tempo, Rmer ha osservato che le eclissi di Io spesso differivano dai suoi calcoli. Ha notato che le eclissi sembravano ritardare di più quando Giove e la Terra si stavano allontanando l'una dall'altra, si presentavano in anticipo quando i pianeti si stavano avvicinando e si verificavano nei tempi previsti quando i pianeti erano nei punti più vicini o più lontani. Questa osservazione ha dimostrato quello che oggi conosciamo come l'effetto Doppler, il cambiamento nella frequenza della luce o del suono emesso da un oggetto in movimento che nel mondo astronomico si manifesta come il cosiddetto redshift , lo spostamento verso "più rossi", lunghezze d'onda più lunghe negli oggetti che accelerano lontano da noi. In un salto di intuizione, Rmer stabilì che la luce impiegava un tempo misurabile per viaggiare da Io alla Terra.

Rmer ha usato le sue osservazioni per stimare la velocità della luce. Dal momento che le dimensioni del sistema solare e l'orbita terrestre non erano ancora note con precisione, sosteneva un articolo del 1998 sull'American Journal of Physics (si apre in una nuova scheda), era un po' fuori di testa. Ma alla fine, gli scienziati avevano un numero con cui lavorare. Il calcolo di Rmer ha messo la velocità della luce a circa 124.000 miglia al secondo (200.000 km / s).

Nel 1728, il fisico inglese James Bradley basò una nuova serie di calcoli sul cambiamento nella posizione apparente delle stelle causato dai viaggi della Terra intorno al sole. Ha stimato la velocità della luce a 185.000 miglia al secondo (301.000 km / s) con una precisione di circa l'1% del valore reale, secondo l' American Physical Society (si apre in una nuova scheda).

Due nuovi tentativi a metà del 1800 riportarono il problema sulla Terra. Il fisico francese Hippolyte Fizeau ha impostato un raggio di luce su una ruota dentata in rapida rotazione, con uno specchio posizionato a 5 miglia (8 km) di distanza per rifletterlo alla sua fonte. La variazione della velocità della ruota ha permesso a Fizeau di calcolare quanto tempo impiegava la luce a viaggiare fuori dal foro, allo specchio adiacente e tornare indietro attraverso lo spazio vuoto. Un altro fisico francese, Leon Foucault, ha utilizzato uno specchio rotante anziché una ruota per eseguire essenzialmente lo stesso esperimento. I due metodi indipendenti arrivavano ciascuno a circa 1.000 miglia al secondo (1.609 km/s) dalla velocità della luce.

Il 15 agosto 1930 a Santa Ana, in California, il dottor Albert A. Michelson si trovava accanto al tubo a vuoto lungo un miglio che sarebbe stato utilizzato nella sua ultima e più accurata misurazione della velocità della luce. (Credito immagine: Getty/Bettman)

Un altro scienziato che ha affrontato il mistero della velocità della luce è stato il polacco Albert A. Michelson, cresciuto in California durante il periodo della corsa all'oro nello stato, e ha affinato il suo interesse per la fisica mentre frequentava l'Accademia navale degli Stati Uniti, secondo l' Università della Virginia ( si apre in una nuova scheda) . Nel 1879 tentò di replicare il metodo di Foucault per determinare la velocità della luce, ma Michelson aumentò la distanza tra gli specchi e utilizzò specchi e lenti di altissima qualità. Il risultato di Michelson di 186.355 miglia al secondo (299.910 km / s) è stato accettato come la misurazione più accurata della velocità della luce per 40 anni, fino a quando Michelson non l'ha rimisurato lui stesso. Nella sua seconda serie di esperimenti, Michelson ha fatto lampeggiare le luci tra due cime di montagne con distanze accuratamente misurate per ottenere una stima più precisa. E nel suo terzo tentativo appena prima della sua morte nel 1931, secondo la rivista Smithsonian's Air and This Web (opens in new tab), costruì un tubo depressurizzato lungo un miglio di tubo d'acciaio corrugato. Il tubo simulava un quasi vuoto che avrebbe eliminato qualsiasi effetto dell'aria sulla velocità della luce per una misurazione ancora più fine, che alla fine era solo leggermente inferiore al valore accettato della velocità della luce oggi.

Michelson ha anche studiato la natura della luce stessa, ha scritto l'astrofisico Ethan Siegal nel blog scientifico di Forbes, Starts With a Bang (si apre in una nuova scheda). Le migliori menti della fisica al tempo degli esperimenti di Michelson erano divise: la luce era un'onda o una particella?

Michelson, insieme al suo collega Edward Morley, ha lavorato partendo dal presupposto che la luce si muovesse come un'onda, proprio come il suono. E proprio come il suono ha bisogno delle particelle per muoversi, ragionarono Michelson e Morley e altri fisici dell'epoca, la luce deve avere una sorta di mezzo attraverso cui muoversi. Questa sostanza invisibile e non rilevabile era chiamata "etere luminifero" (noto anche come "etere").

Sebbene Michelson e Morley abbiano costruito un sofisticato interferometro (una versione molto semplice dello strumento utilizzato oggi nelle strutture LIGO ), Michelson non è riuscito a trovare prove di alcun tipo di etere luminifero di sorta. La luce, ha determinato, può viaggiare e viaggia attraverso il vuoto.

"L'esperimento e il corpo di lavoro di Michelson sono stati così rivoluzionari che è diventato l'unica persona nella storia ad aver vinto un premio Nobel per una precisa non scoperta di nulla", ha scritto Siegal. "L'esperimento stesso potrebbe essere stato un completo fallimento, ma quello che abbiamo imparato da esso è stato un vantaggio per l'umanità e la nostra comprensione dell'universo più grande di qualsiasi successo!"

Relatività speciale e velocità della luce

Albert Einstein alla lavagna. (Credito immagine: NASA)

La teoria della relatività speciale di Einstein unificava l'energia, la materia e la velocità della luce in una famosa equazione: E = mc^2. L'equazione descrive la relazione tra massa ed energia piccole quantità di massa (m) contengono o sono costituite da una quantità intrinsecamente enorme di energia (E). (Questo è ciò che rende le bombe nucleari così potenti: stanno convertendo la massa in esplosioni di energia.) Poiché l'energia è uguale alla massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato, la velocità della luce funge da fattore di conversione, spiegando esattamente quanta energia deve essere all'interno della materia. E poiché la velocità della luce è un numero così grande, anche piccole quantità di massa devono equivalere a grandi quantità di energia.

Per descrivere accuratamente l'universo, l'elegante equazione di Einstein richiede che la velocità della luce sia una costante immutabile. Einstein affermò che la luce si muoveva attraverso il vuoto, non un qualsiasi tipo di etere luminifero, e in modo tale che si muovesse alla stessa velocità indipendentemente dalla velocità dell'osservatore.

Pensala in questo modo: gli osservatori seduti su un treno potrebbero guardare un treno che si muove lungo un binario parallelo e pensare al suo movimento relativo a se stessi come zero. Ma gli osservatori che si muovono quasi alla velocità della luce percepirebbero comunque la luce mentre si allontana da loro a più di 670 milioni di miglia orarie. (Questo perché muoversi molto, molto velocemente è uno degli unici metodi confermati di viaggio nel tempo che il tempo rallenta effettivamente per quegli osservatori, che invecchieranno più lentamente e percepiranno meno momenti di un osservatore che si muove lentamente.)

In altre parole, Einstein ha proposto che la velocità della luce non varia con il tempo o il luogo in cui la si misura, o con la velocità con cui ci si muove.

Pertanto, gli oggetti con massa non possono mai raggiungere la velocità della luce. Se un oggetto raggiungesse mai la velocità della luce, la sua massa diventerebbe infinita. E di conseguenza, anche l'energia necessaria per muovere l'oggetto diventerebbe infinita: un'impossibilità.

Ciò significa che se basiamo la nostra comprensione della fisica sulla relatività speciale (cosa che fa la maggior parte dei fisici moderni), la velocità della luce è il limite di velocità immutabile del nostro universo, il più veloce che qualsiasi cosa possa viaggiare.

Cosa va più veloce della velocità della luce?

Sebbene la velocità della luce sia spesso indicata come il limite di velocità dell'universo, l'universo in realtà si espande ancora più velocemente. L'universo si espande a poco più di 42 miglia (68 chilometri) al secondo per ogni megaparsec di distanza dall'osservatore, ha scritto l'astrofisico Paul Sutter in un precedente articolo per Space.com . (Un megaparsec è davvero lungo 3,26 milioni di anni luce.)

In altre parole, una galassia distante 1 megaparsec sembra allontanarsi dalla Via Lattea a una velocità di 42 miglia al secondo (68 km/s), mentre una galassia distante due megaparsec si allontana a quasi 86 miglia al secondo (136 km/s). s), e così via.

"Ad un certo punto, a una distanza oscena, la velocità supera la bilancia e supera la velocità della luce, tutto a causa della naturale e regolare espansione di This Web", ha spiegato Sutter. "Sembra che dovrebbe essere illegale, vero?"

La relatività speciale fornisce un limite di velocità assoluto all'interno dell'universo, secondo Sutter, ma la teoria di Einstein del 1915 sulla relatività generale consente comportamenti diversi quando la fisica che stai esaminando non è più "locale".

"Una galassia dall'altra parte dell'universo? Questo è il dominio della relatività generale, e la relatività generale dice: chi se ne frega! Quella galassia può avere qualsiasi velocità voglia, purché stia molto lontano, e non vicino al tuo faccia", ha scritto Sutter. "La relatività speciale non si preoccupa della velocità superluminale o meno di una galassia lontana. E nemmeno a te."

La luce rallenta mai?

La luce si muove più lentamente quando viaggia attraverso il diamante rispetto a quando si muove nell'aria, e si muove nell'aria leggermente più lentamente di quanto possa viaggiare nel vuoto. (Credito immagine: Shutterstock)

Si ritiene generalmente che la luce nel vuoto viaggi a una velocità assoluta, ma la luce che viaggia attraverso qualsiasi materiale può essere rallentata. La quantità di un materiale che rallenta la luce è chiamata indice di rifrazione. La luce si piega quando entra in contatto con le particelle, il che si traduce in una diminuzione della velocità.

Ad esempio, la luce che viaggia attraverso l'atmosfera terrestre si muove quasi alla stessa velocità della luce nel vuoto, rallentando di appena tre decimillesimi della velocità della luce. Ma la luce che passa attraverso un diamante rallenta a meno della metà della sua velocità tipica, ha riportato PBS NOVA (si apre in una nuova scheda). Anche così, viaggia attraverso la gemma a oltre 277 milioni di mph (quasi 124.000 km/s) sufficienti per fare la differenza, ma comunque incredibilmente veloce.

La luce può essere intrappolata e persino fermata all'interno di nuvole di atomi ultrafredde, secondo uno studio del 2001 pubblicato sulla rivista Nature (si apre in una nuova scheda). Più recentemente, uno studio del 2018 pubblicato sulla rivista Physical Review Letters (si apre in una nuova scheda) ha proposto un nuovo modo per fermare la luce nelle sue tracce in "punti eccezionali" o luoghi in cui due emissioni luminose separate si intersecano e si fondono in una sola.

I ricercatori hanno anche cercato di rallentare la luce anche quando viaggia nel vuoto. Un team di scienziati scozzesi ha rallentato con successo un singolo fotone, o particella di luce, anche se si muoveva nel vuoto, come descritto nel loro studio del 2015 pubblicato sulla rivista Science (si apre in una nuova scheda). Nelle loro misurazioni, la differenza tra il fotone rallentato e un fotone "normale" era di pochi milionesimi di metro, ma ha dimostrato che la luce nel vuoto può essere più lenta della velocità ufficiale della luce.

Possiamo viaggiare più veloci della luce?

Ecco come appare la velocità della luce al rallentatore

Perché la velocità della luce è così com'è?

La fantascienza ama l'idea della "velocità di curvatura". I viaggi più veloci della luce rendono possibili innumerevoli franchise di fantascienza, condensando le vaste distese di This Web e lasciando che i personaggi saltino avanti e indietro tra i sistemi stellari con facilità.

Ma mentre viaggiare più veloce della luce non è garantito impossibile, avremmo bisogno di sfruttare una fisica piuttosto esotica per farlo funzionare. Fortunatamente sia per gli appassionati di fantascienza che per i fisici teorici, ci sono molte strade da esplorare.

Tutto quello che dobbiamo fare è capire come non muoverci poiché la relatività speciale assicurerebbe che saremmo stati distrutti a lungo prima di raggiungere una velocità sufficientemente elevata, ma invece, muovere questa ragnatela intorno a noi. Facile, vero?

Un'idea proposta riguarda un This Webship che potrebbe piegare su se stesso una bolla di This Web-time. Suona benissimo, sia in teoria che in finzione.

"Se il capitano Kirk fosse costretto a muoversi alla velocità dei nostri razzi più veloci, gli ci vorrebbero centomila anni solo per arrivare al prossimo sistema stellare", ha detto Seth Shostak, astronomo del Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) Institute a Mountain View, in California, in un'intervista del 2010 con il sito gemello di Space.com, LiveScience . "Quindi la fantascienza ha postulato a lungo un modo per superare la velocità della barriera luminosa in modo che la storia possa muoversi un po' più velocemente".

Senza un viaggio più veloce della luce, qualsiasi "Star Trek" (o "Star War", se è per questo) sarebbe impossibile. Se l'umanità vuole raggiungere gli angoli più remoti e in continua espansione del nostro universo, spetterà ai futuri fisici andare coraggiosamente dove nessuno è mai arrivato prima.

Risorse addizionali

Per ulteriori informazioni sulla velocità della luce, dai un'occhiata a questo divertente strumento di Academo (si apre in una nuova scheda) che ti consente di visualizzare la velocità con cui la luce può viaggiare da qualsiasi luogo sulla Terra a qualsiasi altro. Se sei più interessato ad altri numeri importanti, acquisisci familiarità con le costanti universali che definiscono i sistemi di misura standard in tutto il mondo con il National Institute of Standards and Technology (si apre in una nuova scheda). E se vuoi saperne di più sulla storia della velocità della luce, dai un'occhiata al libro " Lightspeed: The Ghostly Aether and the Race to Measure the Speed ​​of Light (opens in new tab)" (Oxford, 2019) di John CH Spence.

Ricerche precedenti per questo articolo fornite da Nola Taylor Redd, collaboratrice di This Web.com.

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