Velocità della luce: calcolata, ma puoi viaggiare solo alla velocità del suono

Velocità della luce: calcolata, ma puoi viaggiare solo alla velocità del suono

Google celebra oggi il 340esimo anniversario della scoperta della velocità della luce. E lo fa con un doodle molto simpatico che ritrae l’astronomo danese Ole Rømer impegnato in complicate misurazioni.

Ma cos’è la velocità della luce? E perché è così importante? Come è stata scoperta? Come ricorda anche Wikipedia, in origine si è ritenuto a lungo che la luce avesse una velocità infinita. L’esperienza quotidiana sembrerebbe confermarlo: appena si accende una lampada, la luce inonda all’istante lo spazio. Tuttavia, già nel XVII secolo l’astronomo danese Ole Rømer ipotizzava che la luce avesse una velocità enorme, ma non infinita. Fu proprio Rømer a determinare la velocità della luce nel 1676 mentre lavorava all’osservatorio reale di Parigi diretto al tempo da Giovanni Domenico Cassini.

Vediamo di fare chiarezza. La velocità della luce, in fisica, è la velocità di propagazione di un’onda elettromagnetica. Nel vuoto ha un valore di 299 792 458 m/s ovvero circa 3 × 108  m/s, arrotondato per eccesso a 300mila chilometri al secondo, velocità ormai diventata celebre in tutti i libri di fantascienza e scienza che si rispettino.

La velocità della luce nel vuoto è una costante fisica indipendente dalla velocità dell’oggetto che emette la radiazione. Qualunque sia la velocità della “lampada” che la emani, la luce avrà sempre nello spazio quella velocità costante.  Secondo la relatività ristretta, teoria elaborata da Albert Einstein, c0 è inoltre la velocità massima a cui può viaggiare tutta l’informazione nell’universo (energia e/o materia), ed è la velocità nel vuoto di tutte le particelle senza massa e dei relativi campi, tra cui la radiazione elettromagnetica stessa. Questo Ole Rømer non lo sapeva ancora. È inoltre prevista dalla teoria corrente della velocità di gravità, cioè, delle onde gravitazionali. Nella teoria della relatività, c0 interrelaziona le grandezze fisiche classiche spazio e tempo introducendo definitivamente il concetto di spaziotempo, e appare nella famosa equazione di equivalenza massa-energia. Talvolta accade che la velocità di un oggetto in un mezzo sia superiore alla velocità della luce nel mezzo e ciò è responsabile dell’effetto Cherenkov.

La velocità della luce può essere superata? Dall’uomo no, ma in natura sì. Allo stato attuale della conoscenza scientifica, c 0, come sopra detto, è la velocità massima nell’universo. Un particolare fenomeno fisico, l’effetto Cherenkov, è dovuto a particelle che si trovano a viaggiare al di sotto di c0 ma al di sopra della c del mezzo in cui si muovono, e “frenano” emettendo radiazione. Il limite imposto dalla relatività ristretta per la velocità quindi non è un limite sulla velocità di propagazione di oggetti e segnali ma è un limite sulla velocità a cui si può propagare l’informazione. Sebbene queste due cose coincidano quasi sempre questa sottile distinzione permette, in alcuni casi particolari, di ottenere effetti cosiddetti superluminali. In questi casi, si possono vedere brevi impulsi di luce che superano degli ostacoli con una velocità apparentemente maggiore di della formula matematica. Eccedere la velocità di gruppo della luce in questo modo è paragonabile a eccedere la velocità del suono sistemando una fila di persone opportunamente distanziate, e facendogli urlare “Sono qui!”, una dopo l’altra a brevi intervalli temporizzati da un orologio, in modo che non debbano sentire la voce della persona precedente prima di poter urlare. In questo tipo di fenomeni, tuttavia, la velocità di fase di un pacchetto (più frequenze) è minore di quella della luce.

Velocità del suono. Ben diversa, invece, dalla velocità della luce, e ampiamente superata da tempo, è la velocità del suono. La velocità del suono è la velocità con cui un suono si propaga in un certo ambiente, detto mezzo. La velocità del suono varia a seconda del mezzo (ad esempio, il suono si propaga più velocemente nell’acqua che non nell’aria), e varia anche al variare delle proprietà del mezzo, specialmente con la sua temperatura. Nell’aria, la velocità del suono è di 191,60 km/h e 1 237,68 km/h) a 20 °C. Il suono si propaga in modi diversi a seconda che sia in un solido, in cui tutte le molecole sono collegate solidamente fra loro, oppure in un fluido (liquido o gas), che invece è incoerente. Nei fluidi, la velocità del suono segna il confine tra due regimi di moto completamente diversi, per l’appunto detti regime subsonico e regime supersonico. Questa grandezza è molto importante, perché è anche la velocità con cui si propagano l’energia cinetica e le sollecitazioni meccaniche in una determinata sostanza.