Qual è la velocità della luce e come viene misurata? La velocità della luce e metodi per determinarla Come trovare la velocità della luce

Veramente come? Come misurare la velocità massima in Universo nelle nostre modeste condizioni terrene? Non abbiamo più bisogno di scervellarci su questo - dopotutto, per diversi secoli, così tante persone hanno lavorato su questo problema, sviluppando metodi per misurare la velocità della luce. Iniziamo la storia in ordine.

Velocità della luce– velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto. Si indica con la lettera latina C. La velocità della luce è di circa 300.000.000 m/s.

All'inizio nessuno pensava alla questione della misurazione della velocità della luce. C'è luce: è fantastico. Quindi, nell'era dell'antichità, l'opinione prevalente tra i filosofi scientifici era che la velocità della luce fosse infinita, cioè istantanea. Poi è successo Medioevo con l’Inquisizione, quando la questione principale per le persone pensanti e progressiste era “Come evitare di rimanere intrappolati nel fuoco?” E solo in epoche Rinascimento E Illuminismo Le opinioni degli scienziati si moltiplicarono e, ovviamente, furono divise.

COSÌ, Cartesio, Keplero E Azienda agricola erano della stessa opinione degli scienziati dell'antichità. Ma credeva che la velocità della luce fosse finita, sebbene molto elevata. Infatti, effettuò la prima misurazione della velocità della luce. Più precisamente, ha fatto il primo tentativo di misurarlo.

L'esperimento di Galileo

Esperienza Galileo Galilei era geniale nella sua semplicità. Lo scienziato ha condotto un esperimento per misurare la velocità della luce, armato di semplici mezzi improvvisati. A una grande e ben nota distanza l'uno dall'altro, su diverse colline, Galileo e il suo assistente stavano con lanterne accese. Uno di loro aprì l'imposta della lanterna, e il secondo dovette fare lo stesso quando vide la luce della prima lanterna. Conoscendo la distanza e il tempo (il ritardo prima che l'assistente apra la lanterna), Galileo prevedeva di calcolare la velocità della luce. Sfortunatamente, affinché l'esperimento riuscisse, Galileo e il suo assistente dovettero scegliere colline distanti diversi milioni di chilometri l'una dall'altra. Ti ricordo che puoi compilare la domanda sul sito.

Esperimenti di Roemer e Bradley

Il primo esperimento riuscito e sorprendentemente accurato nel determinare la velocità della luce fu quello di un astronomo danese Olaf Roemer. Roemer utilizzò il metodo astronomico per misurare la velocità della luce. Nel 1676 osservò il satellite di Giove Io attraverso un telescopio e scoprì che il tempo dell'eclissi del satellite cambia man mano che la Terra si allontana da Giove. Il tempo di ritardo massimo è stato di 22 minuti. Calcolando che la Terra si sta allontanando da Giove a una distanza pari al diametro dell'orbita terrestre, Römer ha diviso il valore approssimativo del diametro per il tempo di ritardo e ha ottenuto un valore di 214.000 chilometri al secondo. Naturalmente, un calcolo del genere era molto approssimativo, le distanze tra i pianeti erano conosciute solo approssimativamente, ma il risultato si è rivelato relativamente vicino alla verità.

L'esperienza di Bradley. Nel 1728 James Bradley stimò la velocità della luce osservando l'aberrazione delle stelle. Abberazioneè un cambiamento nella posizione apparente di una stella causato dal movimento della terra nella sua orbita. Conoscendo la velocità della Terra e misurando l'angolo di aberrazione, Bradley ottenne un valore di 301.000 chilometri al secondo.

L'esperienza di Fizeau

Il mondo scientifico dell'epoca reagì con diffidenza al risultato dell'esperimento di Roemer e Bradley. Tuttavia, il risultato di Bradley fu il più accurato per oltre cento anni, fino al 1849. Quell'anno, uno scienziato francese Armand Fizeau misurato la velocità della luce utilizzando il metodo dell'otturatore rotante, senza osservare i corpi celesti, ma qui sulla Terra. In effetti, questo è stato il primo metodo di laboratorio per misurare la velocità della luce dai tempi di Galileo. Di seguito è riportato un diagramma della configurazione del laboratorio.

La luce, riflessa dallo specchio, passava attraverso i denti della ruota e veniva riflessa da un altro specchio, a 8,6 chilometri di distanza. La velocità della ruota venne aumentata fino a quando la luce divenne visibile nello spazio successivo. I calcoli di Fizeau hanno dato un risultato di 313.000 chilometri al secondo. Un anno dopo, un esperimento simile con uno specchio rotante fu effettuato da Leon Foucault, che ottenne un risultato di 298.000 chilometri al secondo.

Con l'avvento dei maser e dei laser, le persone hanno nuove opportunità e modi per misurare la velocità della luce, e lo sviluppo della teoria ha anche permesso di calcolare la velocità della luce indirettamente, senza effettuare misurazioni dirette.

Il valore più accurato della velocità della luce

L’umanità ha accumulato una vasta esperienza nella misurazione della velocità della luce. Oggi è considerato il valore più accurato per la velocità della luce 299.792.458 metri al secondo, ricevuto nel 1983. È interessante notare che un'ulteriore misurazione più accurata della velocità della luce si è rivelata impossibile a causa di errori nella misurazione metri. Attualmente il valore di un metro è legato alla velocità della luce ed è pari alla distanza che la luce percorre in 1/299.792.458 di secondo.

Infine, come sempre, suggeriamo la visione di un video didattico. Amici, anche se vi trovate di fronte a un compito come misurare in modo indipendente la velocità della luce utilizzando mezzi improvvisati, potete tranquillamente rivolgervi ai nostri autori per chiedere aiuto. È possibile compilare una domanda sul sito web dello studente di corrispondenza. Ti auguriamo uno studio piacevole e facile!

Molto prima che gli scienziati misurassero la velocità della luce, dovettero lavorare duro per definire il concetto stesso di “luce”. Uno dei primi a pensarci fu Aristotele, che considerava la luce una sorta di sostanza mobile che si diffonde nello spazio. Il suo antico collega e seguace romano Lucrezio Caro insisteva sulla struttura atomica della luce.

Nel XVII secolo si erano formate due teorie principali sulla natura della luce: corpuscolare e ondulatoria. Newton fu uno dei sostenitori del primo. Secondo lui tutte le sorgenti luminose emettono minuscole particelle. Nel processo di "volo" formano linee luminose - raggi. Il suo avversario, lo scienziato olandese Christiaan Huygens, insisteva sul fatto che la luce è un tipo di movimento ondulatorio.

Come risultato di controversie secolari, gli scienziati sono giunti a un consenso: entrambe le teorie hanno diritto alla vita e la luce è uno spettro di onde elettromagnetiche visibili all'occhio.

Un po' di storia Come è stata misurata la velocità della luce?

La maggior parte degli scienziati antichi erano convinti che la velocità della luce fosse infinita. Tuttavia, i risultati delle ricerche di Galileo e Hooke ne hanno consentito la natura estrema, che fu chiaramente confermata nel XVII secolo dall'eccezionale astronomo e matematico danese Olaf Roemer.

Fece le sue prime misurazioni osservando le eclissi di Io, il satellite di Giove, in un momento in cui Giove e la Terra si trovavano su lati opposti rispetto al Sole. Roemer registrò che quando la Terra si allontanava da Giove di una distanza pari al diametro dell'orbita terrestre, il tempo di ritardo cambiava. Il valore massimo era 22 minuti. Come risultato dei calcoli, ha ottenuto una velocità di 220.000 km/s.

50 anni dopo, nel 1728, grazie alla scoperta dell'aberrazione, l'astronomo inglese J. Bradley “perfezionò” questa cifra a 308.000 km/sec. Successivamente, la velocità della luce fu misurata dagli astrofisici francesi François Argot e Leon Foucault, ottenendo una velocità di 298.000 km/sec. Una tecnica di misurazione ancora più accurata è stata proposta dal creatore dell'interferometro, il famoso fisico americano Albert Michelson.

Esperimento di Michelson per determinare la velocità della luce

Gli esperimenti durarono dal 1924 al 1927 e consistevano in 5 serie di osservazioni. L'essenza dell'esperimento era la seguente. Una sorgente luminosa, uno specchio e un prisma ottagonale rotante furono installati sul Monte Wilson nelle vicinanze di Los Angeles, e uno specchio riflettente fu installato 35 km più tardi sul Monte San Antonio. Innanzitutto, la luce attraverso una lente e una fenditura colpisce un prisma che ruota con un rotore ad alta velocità (a una velocità di 528 giri/min).

I partecipanti agli esperimenti potevano regolare la velocità di rotazione in modo che l'immagine della sorgente luminosa fosse chiaramente visibile nell'oculare. Poiché erano note la distanza tra i vertici e la frequenza di rotazione, Michelson determinò la velocità della luce: 299.796 km/sec.

Alla fine gli scienziati decisero sulla velocità della luce nella seconda metà del XX secolo, quando furono creati maser e laser, caratterizzati dalla massima stabilità della frequenza della radiazione. All'inizio degli anni '70 l'errore di misurazione era sceso a 1 km/sec. Di conseguenza, su raccomandazione della XV Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure, tenutasi nel 1975, si decise di assumere che la velocità della luce nel vuoto sia ora pari a 299792,458 km/sec.

La velocità della luce è raggiungibile per noi?

Ovviamente, l'esplorazione degli angoli più remoti dell'Universo è impensabile senza astronavi che volano a velocità enormi. Preferibilmente alla velocità della luce. Ma è possibile?

La velocità della barriera luminosa è una delle conseguenze della teoria della relatività. Come sai, aumentare la velocità richiede una maggiore energia. La velocità della luce richiederebbe un’energia virtualmente infinita.

Purtroppo, le leggi della fisica sono categoricamente contrarie a questo. Alla velocità di 300.000 km/sec dell'astronave, le particelle che volano verso di essa, ad esempio gli atomi di idrogeno, si trasformano in una fonte mortale di potenti radiazioni pari a 10.000 sievert/sec. È più o meno come trovarsi all'interno del Large Hadron Collider.

Secondo gli scienziati della Johns Hopkins University, in natura non esiste una protezione adeguata da tali mostruose radiazioni cosmiche. La distruzione della nave sarà completata dall'erosione dovuta agli effetti della polvere interstellare.

Un altro problema con la velocità della luce è la dilatazione del tempo. La vecchiaia diventerà molto più lunga. Anche il campo visivo sarà distorto, per cui la traiettoria della nave passerà come all'interno di un tunnel, al termine del quale l'equipaggio vedrà un lampo splendente. Dietro la nave ci sarà un'oscurità assoluta.

Quindi nel prossimo futuro l’umanità dovrà limitare i suoi “appetiti” di velocità al 10% della velocità della luce. Ciò significa che ci vorranno circa 40 anni per raggiungere la stella più vicina alla Terra, Proxima Centauri (4,22 anni luce).

La misurazione della velocità della luce effettuata da Römer è la prova, scoperta il 7 dicembre 1676, che la velocità della luce è finita, cioè che la luce non viaggia a velocità infinita, come si pensava in precedenza. Vediamo come hanno provato a misurare la velocità della luce prima e dopo Olaf Roemer.

Velocità della luce (C) non misurato nel vuoto. Ha un valore fisso esatto in unità standard. Secondo un accordo internazionale del 1983, un metro è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un tempo di 1/299.792.458 secondi. La velocità della luce è esattamente 299792458 m/s. Un pollice è definito come 2,54 centimetri. Pertanto, in unità non metriche, anche la velocità della luce ha un valore esatto. Questa definizione ha senso solo perché la velocità della luce nel vuoto è costante, e questo fatto deve essere confermato sperimentalmente. È inoltre necessario determinare sperimentalmente la velocità della luce in mezzi come l'acqua e l'aria.

Fino al XVII secolo si credeva che la luce viaggiasse istantaneamente. Ciò è stato confermato dalle osservazioni di un'eclissi lunare. Alla velocità finita della luce dovrebbe esserci un ritardo tra la posizione della Terra rispetto alla Luna e la posizione dell'ombra della Terra sulla superficie della Luna, ma tale ritardo non è stato trovato. Ora sappiamo che la velocità della luce è troppo elevata per notare il ritardo.

Sulla velocità della luce si è ipotizzato e dibattuto fin dall'antichità, ma solo tre scienziati (tutti francesi) sono riusciti a misurarla con mezzi terrestri. Questo era un problema molto antico e molto complesso.

Tuttavia, nel corso dei secoli precedenti, filosofi e scienziati hanno accumulato una quantità piuttosto ampia di informazioni sulle proprietà della luce. 300 anni aC, ai tempi in cui Euclide creò la sua geometria, i matematici greci sapevano già molto sulla luce. Era noto che la luce viaggia in linea retta e che, quando riflessa da uno specchio piano, l'angolo di incidenza del fascio è uguale all'angolo di riflessione. Gli antichi scienziati erano ben consapevoli del fenomeno della rifrazione della luce. Sta nel fatto che la luce, passando da un mezzo, ad esempio l'aria, a un mezzo di diversa densità, ad esempio l'acqua, viene rifratta.

Claudio Tolomeo, astronomo e matematico di Alessandria, compilò tabelle degli angoli misurati di incidenza e rifrazione, ma la legge di rifrazione della luce fu scoperta solo nel 1621 dal matematico olandese di Leida Willebrord Snellius, il quale scoprì che il rapporto dei seni di l'angolo di incidenza e l'angolo di rifrazione sono costanti per due mezzi con densità diverse.

Molti filosofi antichi, tra cui il grande Aristotele e lo statista romano Lucio Seneca, rifletterono sulle ragioni dell'apparizione dell'arcobaleno. Aristotele credeva che i colori apparissero come risultato della riflessione della luce da parte delle goccioline d'acqua; Anche Seneca aveva più o meno la stessa opinione, ritenendo che le nuvole, costituite da particelle di umidità, siano una specie di specchio. In un modo o nell'altro, l'uomo nel corso della sua storia ha mostrato interesse per la natura della luce, come testimoniano i miti, le leggende, le controversie filosofiche e le osservazioni scientifiche che ci sono pervenute.

Come la maggior parte degli scienziati antichi (tranne Empedocle), Aristotele credeva che la velocità della luce fosse infinita. Sarebbe sorprendente se la pensasse diversamente. Dopotutto, una velocità così grande non poteva essere misurata con nessuno dei metodi o degli strumenti allora esistenti. Ma anche in tempi successivi, gli scienziati continuarono a pensare e a discutere su questo argomento. Circa 900 anni fa, lo scienziato arabo Avicenna espresse il presupposto che, sebbene la velocità della luce sia molto elevata, deve essere un valore finito. Questa era anche l'opinione di uno dei suoi contemporanei, il fisico arabo Alhazen, che per primo spiegò la natura del crepuscolo. Né l'uno né l'altro, ovviamente, hanno avuto l'opportunità di confermare sperimentalmente la propria opinione.

L'esperimento di Galileo

Tali controversie potrebbero continuare indefinitamente. Per risolvere la questione era necessaria un'esperienza chiara e inconfutabile. Il primo a intraprendere questa strada fu l'italiano Galileo Galilei, che colpì per la versatilità del suo genio. Propose che due persone in piedi sulla cima di una collina a diversi chilometri di distanza inviassero segnali utilizzando lanterne dotate di persiane. Espresse questa idea, poi attuata dagli scienziati dell'Accademia fiorentina, nella sua opera “Conversazioni e prove matematiche intorno a due nuovi rami della scienza, relativi alla meccanica e al moto locale” (pubblicata a Leida nel 1638).

Galileo ha tre interlocutori che parlano. Il primo, Sagredo, si chiede: “Ma di che tipo e con quale velocità dovrebbe essere questo movimento? Dobbiamo considerarlo istantaneo o avvenuto nel tempo, come tutti gli altri movimenti? Simplicio, il retrogrado, risponde subito: «L'esperienza quotidiana dimostra che la luce della fiamma degli spari si imprime nel nostro occhio senza alcuna perdita di tempo, al contrario del suono, che giunge all'orecchio dopo un tempo considerevole». Sagredo si oppone a ciò con buona ragione: "Da questa ben nota esperienza, non posso trarre altra conclusione se non che il suono arriva alle nostre orecchie ad intervalli più lunghi della luce".

Qui interviene Salviati (esprimendo l'opinione di Galileo): “Le poche prove di queste e di altre osservazioni simili mi hanno costretto a pensare a qualche modo per assicurarmi inequivocabilmente che l'illuminazione, cioè. La propagazione della luce è veramente istantanea. L'esperimento a cui ho pensato è il seguente. Due persone reggono ciascuna un fuoco, racchiuso in una lanterna o qualcosa di simile, che può essere aperto e chiuso con il movimento della mano davanti agli occhi del compagno; stando uno di fronte all'altro “a una distanza di diversi gomiti, i partecipanti iniziano a praticare la chiusura e l'apertura del fuoco davanti agli occhi del loro compagno in modo tale che non appena uno nota la luce dell'altro, apre immediatamente la propria.. Riuscii a produrla solo a breve distanza - meno di un miglio - per cui non potevo essere sicuro se l'apparizione della luce opposta fosse realmente avvenuta all'improvviso. Ma se ciò non avviene all’improvviso, almeno con estrema rapidità”.

I mezzi a disposizione di Galileo in quel momento, ovviamente, non consentivano di risolvere la questione così facilmente, e lui ne era pienamente consapevole. Il dibattito è continuato. Robert Boyle, il famoso scienziato irlandese che diede la prima definizione corretta di elemento chimico, credeva che la velocità della luce fosse finita, e un altro genio del XVII secolo, Robert Hooke, credeva che la velocità della luce fosse troppo veloce per essere determinata sperimentalmente. . D'altro canto, l'astronomo Giovanni Keplero e il matematico René Descartes sostenevano il punto di vista di Aristotele.

Römer e il satellite di Giove

La prima breccia in questo muro fu praticata nel 1676. Ciò è avvenuto in una certa misura per caso. Un problema teorico, come è accaduto più di una volta nella storia della scienza, è stato risolto svolgendo un compito puramente pratico. Le esigenze di espansione del commercio e la crescente importanza della navigazione spinsero l'Accademia francese delle Scienze a iniziare a perfezionare le mappe geografiche, che, in particolare, richiedevano un modo più affidabile per determinare la longitudine geografica. La longitudine è determinata in modo abbastanza semplice: dalla differenza di tempo in due diversi punti del globo, ma a quel tempo non sapevano ancora come realizzare orologi sufficientemente precisi. Gli scienziati hanno proposto di utilizzare alcuni fenomeni celesti osservati ogni giorno alla stessa ora per determinare l'ora di Parigi e l'ora a bordo della nave. Da questo fenomeno un navigatore o un geografo poteva regolare il suo orologio e scoprire l'ora di Parigi. Un fenomeno del genere, visibile da qualsiasi luogo sul mare e sulla terra, è l'eclissi di una delle quattro grandi lune di Giove, scoperta da Galileo nel 1609.

Tra gli scienziati che lavorarono su questo tema c'era il giovane astronomo danese Ole Roemer, che quattro anni prima era stato invitato dall'astronomo francese Jean Picard a lavorare al nuovo osservatorio di Parigi.

Come altri astronomi dell'epoca, Roemer sapeva che il periodo tra due eclissi della luna più vicina a Giove variava durante l'anno; le osservazioni effettuate dallo stesso punto, separate da sei mesi, danno una differenza massima di 1320 secondi. Questi 1320 secondi erano un mistero per gli astronomi e nessuno riusciva a trovarne una spiegazione soddisfacente. Sembrava esserci una sorta di relazione tra il periodo orbitale del satellite e la posizione della Terra in orbita rispetto a Giove. E così Roemer, dopo aver controllato attentamente tutte queste osservazioni e calcoli, inaspettatamente ha semplicemente risolto l'enigma.

Roemer ipotizzò che 1320 secondi (o 22 minuti) fosse il tempo impiegato dalla luce per viaggiare dalla posizione della Terra più vicina a Giove nella sua orbita alla posizione più lontana da Giove, dove la Terra finisce dopo sei mesi. In altre parole, la distanza aggiuntiva percorsa dalla luce riflessa dalla luna di Giove è pari al diametro dell'orbita terrestre (Fig. 1).

Riso. 1. Schema del ragionamento di Roemer.
Il periodo orbitale del satellite più vicino a Giove è di circa 42,5 ore. Pertanto, il satellite doveva essere oscurato da Giove (o lasciare la fascia dell'eclissi) ogni 42,5 ore. Ma nel corso dei sei mesi, quando la Terra si allontanò da Giove, le eclissi furono osservate ogni volta con un ritardo sempre maggiore rispetto alle date previste. Roemer giunse alla conclusione che la luce non viaggia istantaneamente, ma ha una velocità finita; pertanto, impiega sempre più tempo per raggiungere la Terra mentre questa si muove nella sua orbita attorno al Sole e si allontana da Giove.

Ai tempi di Römer, si pensava che il diametro dell'orbita terrestre fosse di circa 182.000.000 di miglia (292.000.000 di km). Dividendo questa distanza per 1320 secondi, Roemer scoprì che la velocità della luce è di 138.000 miglia (222.000 km) al secondo.

A prima vista può sembrare che ottenere un risultato numerico con un errore del genere (quasi 80.000 km al secondo) non sia un grande risultato. Ma pensa a ciò che Roemer ha ottenuto. Per la prima volta nella storia dell'umanità è stato dimostrato che il movimento, considerato infinitamente veloce, è accessibile alla conoscenza e alla misurazione.

Inoltre, al primo tentativo, Roemer ottenne un valore dell'ordine corretto. Se consideriamo che gli scienziati stanno ancora lavorando per chiarire il diametro dell’orbita terrestre e i tempi delle eclissi dei satelliti di Giove, l’errore di Roemer non sarà una sorpresa. Ora sappiamo che il ritardo massimo di un'eclissi satellitare non è di 22 minuti, come pensava Roemer, ma di circa 16 minuti e 36 secondi, e il diametro dell'orbita terrestre non è di circa 292.000.000 di km, ma di 300.000.000 di km. Se queste correzioni vengono apportate al calcolo di Roemer, si scopre che la velocità della luce è di 300.000 km al secondo e questo risultato è vicino alla cifra più accurata ottenuta dagli scienziati del nostro tempo.

Il requisito principale per una buona ipotesi è che possa essere utilizzata per fare previsioni corrette. Basandosi sul calcolo della velocità della luce, Römer riuscì a prevedere con precisione alcune eclissi con diversi mesi di anticipo. Ad esempio, nel settembre 1676, predisse che a novembre un satellite di Giove sarebbe apparso con circa dieci minuti di ritardo. Il minuscolo satellite non ha deluso Roemer ed è apparso all'ora prevista con una precisione di un secondo. Ma i filosofi parigini non furono convinti nemmeno da questa conferma della teoria di Roemer. Tuttavia, Isaac Newton e il grande astronomo e fisico olandese Christiaan Huygens si pronunciarono a sostegno del danese. E qualche tempo dopo, nel gennaio 1729, l'astronomo inglese James Bradley, in modo leggermente diverso, arrivò alla stessa conclusione di Roemer. Non c'era spazio per dubbi. Roemer pose fine alla convinzione prevalente tra gli scienziati secondo cui la luce viaggia istantaneamente, indipendentemente dalla distanza.

Roemer dimostrò che, sebbene la velocità della luce sia molto elevata, è tuttavia finita e può essere misurata. Tuttavia, pur rendendo omaggio al risultato di Roemer, alcuni scienziati non erano ancora completamente soddisfatti. Misurare la velocità della luce con il suo metodo era basato su osservazioni astronomiche e richiedeva molto tempo. Volevano effettuare misurazioni in laboratorio con mezzi puramente terreni, senza oltrepassare i confini del nostro pianeta, in modo che tutte le condizioni sperimentali fossero sotto controllo. Il fisico francese Marin Marsenne, contemporaneo e amico di Cartesio, riuscì a misurare la velocità del suono trentacinque anni fa. Perché non possiamo fare lo stesso con la luce?

La prima dimensione con mezzi terreni

Tuttavia, la soluzione a questo problema dovette attendere quasi due secoli. Nel 1849, il fisico francese Armand Hippolyte Louis Fizeau inventò un metodo abbastanza semplice. Nella fig. La Figura 2 mostra uno schema di installazione semplificato. Fizeau diresse un raggio di luce da una sorgente verso uno specchio IN, quindi questo raggio si rifletteva sullo specchio UN. Uno specchio è stato installato a Suresnes, nella casa di padre Fizeau, e l'altro a Montmartre a Parigi; la distanza tra gli specchi era di circa 8,66 km. Tra gli specchi UN E INè stato posizionato un ingranaggio che poteva essere ruotato ad una determinata velocità (principio dello stroboscopio). I denti della ruota rotante interrompevano il fascio luminoso scomponendolo in impulsi. In questo modo veniva inviata una catena di brevi flash.

Riso. 2. Installazione di Fizeau.
174 anni dopo che Roemer aveva calcolato la velocità della luce dalle osservazioni delle eclissi della luna di Giove, Fizeau costruì un dispositivo per misurare la velocità della luce in condizioni terrestri. Ingranaggio C spezzò il raggio di luce in lampi. Fizeau misurò il tempo impiegato dalla luce per percorrere la distanza C allo specchio UN e ritorno, pari a 17,32 km. Il punto debole di questo metodo era che il momento di massima luminosità della luce veniva determinato dall'osservatore ad occhio. Tali osservazioni soggettive non sono sufficientemente accurate.

Quando l'ingranaggio era fermo e nella sua posizione originale, l'osservatore poteva vedere la luce proveniente dalla sorgente attraverso lo spazio tra i due denti. Poi la ruota si mise in moto con velocità sempre crescente, e arrivò il momento in cui l'impulso luminoso, dopo essere passato attraverso lo spazio tra i denti, tornò, riflesso dallo specchio UN, ed è stato ritardato dal dente. In questo caso, l'osservatore non ha visto nulla. Man mano che l'ingranaggio ruotava ulteriormente, la luce riappariva, diventava più brillante e infine raggiungeva la sua massima intensità. L'ingranaggio utilizzato da Fizeau aveva 720 denti e la luce raggiungeva la sua massima intensità a 25 giri al secondo. Sulla base di questi dati, Fizeau calcolò la velocità della luce come segue. La luce percorre la distanza tra gli specchi e ritorno durante il tempo impiegato dalla ruota per girare da uno spazio tra i denti all'altro, cioè per 1/25? 1/720, ovvero 1/18000 di secondo. La distanza percorsa è pari al doppio della distanza tra gli specchi, cioè 17,32 km. Quindi la velocità della luce è 17,32 · 18.000, ovvero circa 312.000 km al secondo.

Il miglioramento di Foucault

Quando Fizeau annunciò il risultato della sua misurazione, gli scienziati dubitarono dell'affidabilità di questa cifra colossale, secondo la quale la luce raggiunge la Terra dal Sole in 8 minuti e può fare il giro della Terra in un ottavo di secondo. Sembrava incredibile che l'uomo potesse misurare una velocità così enorme con strumenti così primitivi. La luce percorre più di otto chilometri tra gli specchi Fizeau in 1/36000 di secondo? Impossibile, dicevano in molti. Tuttavia, il risultato ottenuto da Fizeau era molto vicino al risultato di Roemer. Difficilmente potrebbe trattarsi di una semplice coincidenza.

Tredici anni dopo, mentre gli scettici ancora dubitavano e facevano commenti ironici, Jean Bernard Leon Foucault, figlio di un editore parigino e che un tempo si preparava a diventare medico, determinò la velocità della luce in un modo leggermente diverso. Ha lavorato con Fizeau per diversi anni e ha pensato molto a come migliorare la sua esperienza. Invece della ruota dentata, Foucault utilizzò uno specchio rotante.

Riso. 3. L'installazione di Foucault.
Dopo alcuni miglioramenti, Michelson utilizzò questo dispositivo per determinare la velocità della luce. In questo dispositivo la ruota dentata (vedi Fig. 2) è sostituita da uno specchio piatto rotante C. Se lo specchio C immobile o gira molto lentamente, la luce si riflette su uno specchio traslucido B nella direzione indicata dalla linea continua. Quando lo specchio ruota rapidamente, il raggio riflesso si sposta nella posizione indicata dalla linea tratteggiata. Guardando attraverso l'oculare, l'osservatore poteva misurare lo spostamento del raggio. Questa misurazione gli ha dato il doppio dell'angolo?, cioè angolo di rotazione dello specchio durante il tempo da cui proviene il fascio luminoso C allo specchio concavo UN e ritorno a C. Conoscere la velocità di rotazione dello specchio C, distanza da UN Prima C e angolo di rotazione dello specchio C Durante questo periodo è stato possibile calcolare la velocità della luce.

Foucault godeva della reputazione di ricercatore di talento. Nel 1855 gli fu assegnata la Medaglia Copley della Royal Society of England per il suo esperimento con un pendolo, che fornì la prova della rotazione della Terra attorno al suo asse. Costruì anche il primo giroscopio adatto all'uso pratico. La sostituzione di una ruota dentata con uno specchio rotante nell'esperimento di Fizeau (questa idea fu proposta nel 1842 da Dominico Arago, ma non fu realizzata) permise di accorciare il percorso percorso da un raggio luminoso da più di 8 chilometri a 20 m. specchio (Fig. 3) ha deviato il raggio di ritorno con una leggera angolazione, il che ha permesso di effettuare le misurazioni necessarie per calcolare la velocità della luce. Il risultato ottenuto da Foucault fu di 298.000 km/sec, cioè circa 17.000 km in meno rispetto al valore ottenuto da Fizeau. (In un altro esperimento, Foucault pose un tubo d'acqua tra uno specchio riflettente e uno rotante per determinare la velocità della luce nell'acqua. Si scoprì che la velocità della luce nell'aria è maggiore.)

Dieci anni dopo, Marie Alfred Cornu, professoressa di fisica sperimentale all'École Polytechnique Supérieure di Parigi, tornò di nuovo alla ruota dentata, ma questa aveva già 200 denti. Il risultato di Cornu è stato vicino a quello precedente. Ha ottenuto la cifra di 300.000 km al secondo. Fu così nel 1872, quando al giovane Michelson, studente dell'ultimo anno dell'Accademia navale di Annapolis, fu chiesto durante un esame di ottica di parlare dell'apparato di Foucault per misurare la velocità della luce. Non venne mai in mente a nessuno allora che nei libri di testo di fisica su cui avrebbero studiato le future generazioni di studenti, a Michelson sarebbe stato dato molto più spazio di Fizeau o Foucault.

Nella primavera del 1879, il New York Times riferì: “Una nuova stella brillante è apparsa sull’orizzonte scientifico americano. Un giovane tenente del servizio navale, diplomato all'Accademia navale di Annapolis, Albert A. Michelson, che non ha ancora ventisette anni, ha ottenuto uno straordinario successo nel campo dell'ottica: ha misurato la velocità della luce. In un editoriale intitolato “Science to the People”, il Daily Tribune scrive: “Il giornale locale di Virginia City, una città mineraria nel lontano Nevada, riporta con orgoglio: “Il sottotenente Albert A. Michelson, figlio di Samuel Michelson, deposito di merci secche proprietario della nostra città, attirò l'attenzione dell'intero Paese con una notevole conquista scientifica: misurò la velocità della luce."

Filippo Gibbs , 1997

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È noto che la velocità della luce nel vuoto è finita ed è pari a ≈300.000 km/s. Tutta la fisica moderna e tutte le moderne teorie spaziali si basano su questi dati. Ma proprio di recente, gli scienziati erano sicuri che la velocità della luce fosse infinita e vediamo immediatamente cosa sta succedendo negli angoli più remoti dello spazio.

La gente ha iniziato a pensare a cosa sia la luce nei tempi antichi. La luce della fiamma di una candela che si diffondeva istantaneamente in tutta la stanza, i lampi nel cielo, l'osservazione delle comete e di altri corpi cosmici nel cielo notturno davano la sensazione che la velocità della luce fosse infinita. In effetti, è difficile credere che, ad esempio, guardando il Sole, lo osserviamo non nel suo stato attuale, ma com'era circa 8 minuti fa.

Ma alcune persone mettono ancora in dubbio la verità apparentemente accertata sull’infinità della velocità della luce. Una di queste persone era Isaac Bengman, che nel 1629 tentò di condurre un esperimento per determinare la velocità finale della luce. Naturalmente non aveva a disposizione né computer, né laser altamente sensibili, né orologi ad alta precisione. Invece, lo scienziato ha deciso di creare un'esplosione. Dopo aver riempito il contenitore con una sostanza esplosiva, installò grandi specchi a varie distanze da esso e chiese agli osservatori di determinare in quale degli specchi sarebbe apparso per primo il lampo dell'esplosione. Considerando che in un secondo la luce può fare il giro della terra 7,5 volte, si può supporre che l'esperimento sia finito con un fallimento.

Poco dopo, il famoso Galileo, che metteva in dubbio anche l'infinità della velocità della luce, propose il suo esperimento. Pose il suo assistente con una lanterna su una collina e si fermò con una lanterna su un'altra. Quando Galileo sollevò il coperchio della sua lanterna, il suo assistente sollevò immediatamente il coperchio della lanterna opposta. Naturalmente, anche questo esperimento non ha potuto essere coronato da successo. L'unica cosa che Galileo poteva intuire era che la velocità della luce è molto più veloce della reazione umana.

Si scopre che l'unica via d'uscita dalla situazione era la partecipazione all'esperimento di corpi abbastanza lontani dalla Terra, ma che potevano essere osservati utilizzando i telescopi dell'epoca. Tali oggetti erano Giove e i suoi satelliti. Nel 1676 l'astronomo Ole Römer cercò di determinare la longitudine tra diversi punti su una mappa geografica. Per fare ciò, ha utilizzato un sistema per osservare l’eclissi di una delle lune di Giove, Io. Ole Roemer condusse le sue ricerche da un'isola vicino a Copenaghen, mentre un altro astronomo, Giovanni Domenico Cassini, osservò la stessa eclissi da Parigi. Confrontando l'ora di inizio dell'eclissi tra Parigi e Copenaghen, gli scienziati hanno determinato la differenza di longitudine. Per diversi anni consecutivi, Cassini osservò le lune di Giove dallo stesso punto sulla Terra e notò che il tempo tra le eclissi dei satelliti diventava più breve quando la Terra era più vicina a Giove e più lungo quando la Terra era più lontana da Giove. Sulla base delle sue osservazioni, ipotizzò che la velocità della luce fosse finita. Questa è stata una decisione assolutamente corretta, ma per qualche ragione Cassani ha presto ritrattato le sue parole. Ma Roemer accettò l'idea con entusiasmo e riuscì persino a creare formule ingegnose che tengono conto del diametro della Terra e dell'orbita di Giove. Di conseguenza, calcolò che la luce impiega circa 22 minuti per attraversare il diametro dell'orbita terrestre attorno al Sole. I suoi calcoli erano sbagliati: secondo i dati moderni, la luce percorre questa distanza in 16 minuti e 40 secondi. Se i calcoli di Ole fossero accurati, la velocità della luce sarebbe di 135.000 km/s.

Successivamente, basandosi sui calcoli di Roehner, Christian Huyens sostituì nelle formule dati più accurati sul diametro della Terra e sull'orbita di Giove. Di conseguenza, ha ricevuto la velocità della luce pari a 220.000 km/s, che è molto più vicina al valore corretto.

Ma non tutti gli scienziati ritenevano corretta l’ipotesi sulla velocità finita della luce. Il dibattito scientifico continuò fino al 1729, quando fu scoperto il fenomeno dell'aberrazione della luce, che confermò l'ipotesi che la velocità della luce sia finita e permise di misurarne con maggiore precisione il valore.

Questo è interessante: scienziati e storici moderni giungono alla conclusione che, molto probabilmente, le formule di Roemer e Huyens erano corrette. L'errore era nei dati sull'orbita di Giove e sul diametro della Terra. Si scopre che non sono stati i due astronomi a sbagliarsi, ma le persone che hanno fornito loro informazioni sull'orbita e sul diametro.

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La velocità della luce nel vuoto è “esattamente 299.792.458 metri al secondo”. Oggi possiamo dare un nome preciso a questa cifra perché la velocità della luce nel vuoto è una costante universale, misurata utilizzando un laser.

Quando si tratta di utilizzare questo strumento in un esperimento, è difficile discutere con i risultati. Quanto al motivo per cui la velocità della luce viene misurata con un numero così intero, non sorprende: la lunghezza di un metro è determinata utilizzando la seguente costante: “La lunghezza del percorso percorso dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo di 1 /299.792.458 di secondo."

Un paio di secoli fa si decise, o almeno si presumeva, che la velocità della luce non avesse limiti, quando in realtà è semplicemente molto elevata. Se la risposta determinasse se sarebbe diventata la fidanzata di Justin Bieber, un'adolescente moderna risponderebbe a questa domanda con: "La velocità della luce è leggermente inferiore alla cosa più veloce nell'universo".

Il primo ad affrontare la questione dell'infinità della velocità della luce fu il filosofo Empedocle nel V secolo a.C. Un altro secolo dopo, Aristotele non sarebbe stato d'accordo con l'affermazione di Empedocle e la disputa sarebbe continuata per più di 2000 anni.

Lo scienziato olandese Issac Backman fu il primo scienziato conosciuto a proporre un vero esperimento per verificare se la luce avesse una velocità, nel 1629. Vivendo a un secolo di distanza dall'invenzione del laser, Backman si rese conto che la base dell'esperimento doveva essere un'esplosione di qualsiasi origine, quindi nei suoi esperimenti usò la detonazione della polvere da sparo.

Backman ha posizionato degli specchi a diverse distanze dall'esplosione e in seguito ha chiesto alle persone che guardavano se vedevano una differenza nella percezione del lampo di luce riflesso in ciascuno degli specchi. Come puoi immaginare, l'esperimento è stato "inconcludente". Un esperimento simile e più famoso, ma senza l'uso dell'esplosione, potrebbe essere stato effettuato, o almeno inventato, da Galileo Galilei solo un decennio dopo, nel 1638. Galileo, come Backman, sospettava che la velocità della luce non fosse infinita, e in alcune delle sue opere fece riferimento alla continuazione dell'esperimento, ma con la partecipazione di torce elettriche. Nel suo esperimento (se mai ne ha fatto uno!) ha posizionato due luci a un miglio di distanza e ha provato a vedere se c'era un ritardo. Anche il risultato dell'esperimento fu inconcludente. L'unica cosa che Galileo poteva suggerire era che se la luce non era infinita, allora era troppo veloce, e gli esperimenti condotti su scala così piccola erano destinati al fallimento.

Ciò continuò fino a quando l'astronomo danese Olaf Roemer iniziò seri esperimenti con la velocità della luce. Gli esperimenti di Galileo sulla Lantern Hill sembravano un progetto di scienze del liceo rispetto agli esperimenti di Roemer. Decise che l'esperimento avrebbe dovuto essere condotto nello spazio. Pertanto concentrò la sua attenzione sull'osservazione dei pianeti e presentò le sue visioni innovative il 22 agosto 1676.

In particolare, studiando una delle lune di Giove, Roemer ha notato che il tempo tra le eclissi varia durante l'anno (a seconda se Giove si sta avvicinando o allontanando dalla Terra). Interessato a questo, Roemer prese nota attentamente degli orari in cui la luna che stava osservando, Io, appariva alla vista, e confrontò come quegli orari rispetto ai tempi in cui normalmente ci si aspetterebbe. Dopo un po' di tempo, Roemer notò che proprio mentre la Terra si allontanava da Giove mentre orbita attorno al Sole, il tempo in cui Io appariva alla vista sarebbe rimasto indietro rispetto al tempo precedentemente annotato nei registri. Roemer (correttamente) ha teorizzato che ciò è dovuto al fatto che la luce impiega più tempo per percorrere la distanza dalla Terra a Giove man mano che la distanza stessa aumenta.

Sfortunatamente, i suoi calcoli andarono perduti nell'incendio di Copenaghen del 1728, ma abbiamo molte informazioni sulla sua scoperta dalle storie dei suoi contemporanei, così come dai resoconti di altri scienziati che usarono i calcoli di Roemer nei loro lavori. Il succo è che, attraverso molti calcoli relativi al diametro della Terra e all'orbita di Giove, Roemer è riuscito a concludere che la luce impiegherebbe circa 22 minuti per percorrere una distanza pari al diametro dell'orbita della Terra attorno al Sole. Christiaan Huygens converte successivamente questi calcoli in cifre più comprensibili, mostrando che Roemer stima che la luce viaggi a circa 220.000 chilometri al secondo. Questa cifra è ancora molto diversa dai dati moderni, ma torneremo su di essi tra breve.

Quando i colleghi universitari di Roemer espressero preoccupazione per la sua teoria, egli disse loro con calma che l'eclissi del 9 novembre 1676 sarebbe avvenuta 10 minuti dopo. Quando ciò accadde, gli scettici rimasero stupiti, perché il corpo celeste confermò la sua teoria.

I colleghi di Roemer rimasero estremamente stupiti dai suoi calcoli, poiché ancora oggi la sua stima della velocità della luce è considerata sorprendentemente accurata, considerando che è stata effettuata 300 anni prima dell'invenzione dei laser e di Internet. Sebbene 80.000 chilometri siano troppo lenti, tenendo conto dello stato della scienza e della tecnologia dell'epoca, il risultato è davvero impressionante. Inoltre, Roemer si affidava solo alle proprie ipotesi.

Ciò che è ancora più sorprendente è che la ragione della velocità troppo bassa non risiede nei calcoli di Roemer, ma nel fatto che al momento in cui effettuò i suoi calcoli non esistevano dati precisi sulle orbite della Terra e di Giove. Ciò significa che lo scienziato ha commesso un errore solo perché altri scienziati non erano intelligenti come lui. Quindi, se si inseriscono i dati moderni esistenti nei calcoli originali, i calcoli della velocità della luce sono corretti.

Sebbene i calcoli fossero tecnicamente errati e James Bradley trovò una definizione più accurata della velocità della luce nel 1729, Roemer passò alla storia come la prima persona a dimostrare che la velocità della luce poteva essere determinata. Lo ha fatto osservando il movimento di una gigantesca palla gassosa situata a una distanza di circa 780 milioni di chilometri dalla Terra.