Tutte le risposte

0462. La luce ha sempre viaggiato alla stessa velocità?


luce velocita
La luce ha sempre viaggiato alla stessa velocità? abbiamo evidenza del fatto che “c" sia veramente costante? (Federico)

sem_esperto_giallo

Per vedere se abbiamo una risposta a questa domanda, partiamo da un fatto che viene spesso confuso, o dimenticato: la Relatività Speciale non dice nulla sul valore della velocità della luce (indicato con “c”, dal latino celeritas), né sul fatto che questo valore debba essere “costante”, cioè lo stesso in ogni luogo e in ogni tempo.

L’assunzione su cui si fonda la Relatività Speciale non è che “c” sia costante, ma che esso sia “invariante”, cioè che abbia stesso valore (299792.458 km/sec) se misurato da osservatori diversi in moto rettilineo uniforme l’uno rispetto all’altro (osservatori inerziali).

Da questa sola assunzione, unita al “Principio di Relatività di Galilei” (che dice che quiete e moto uniforme sono concetti relativi e non assoluti), Einstein derivò la conseguenza della dilatazione del tempo e della contrazione dello spazio, che avviene tra osservatori a diversa velocità.

La necessità di questa assunzione deriva dal fatto che le equazioni dell’elettromagnetismo di Maxwell devono valere per qualunque osservatore inerziale (cioè devono essere invarianti) e le equazioni che si derivano per calcolare il valore della dilatazione del tempo e della contrazione dello spazio prendono il nome di “trasformazioni di Lorentz”. Esse mostrano come “c” venga ad essere una velocità limite, che non può essere superata  .

Queste equazioni di Lorentz possono essere derivate in un modo ancor più generale di come ha fatto Einstein, usando il “Principio di Uniformità di Spazio e Tempo” (cioè l’assunzione che lo spazio sia uguale in ogni punto e il tempo sia lo stesso in ogni istante) al posto dell’invarianza della velocità della luce.

Non entriamo nei dettagli (che il lettore interessato può trovare in questo articolo: «Derivation of the Lorentz Transformation», Victor Yakovenko, Department of Physics, University of Maryland, College Park, 15 November 2004, http://www2.physics.umd.edu/~yakovenk/teaching/Lorentz.pdf), ma la conclusione di questa generalizzazione è che “in qualsiasi universo in cui valgono il Principio di Uniformità di Spazio e Tempo e il Principio di Relatività di Galilei deve esistere una velocità limite Vlimite il cui valore non viene determinato dalle equazioni, ma può essere finito o infinito ed è invariante per trasformazioni inerziali”.

Se questa Vlimite è infinita, allora siamo in un universo di Newton, in cui lo spazio e il tempo sono assoluti (non si dilatano e contraggono con la velocità) e in cui non c’è un limite fisico alle velocità (cioè la velocità limite è infinita).

Se invece Vlimite è finita, allora siamo in un universo di Einstein, in cui spazio e tempo sono relativi e c’è un limite fisico alle velocità.

Nel nostro Universo, per motivi che ignoriamo, accade che questa Vlimite sia finita e valga 299792.458 km/sec, cioè “c”.

Ora facciamo un discorso qualitativo. Il secondo principio della dinamica, cioè la famosa formula “F=ma”, ci dice che se un oggetto ha una massa “m” piccolissima, basta una minima forza “F” per accelerarlo con una grande accelerazione. A quel punto basta che questa forza duri per un brevissimo tempo per portare l’oggetto a una velocità molto elevata. Possiamo convincerci facilmente che una particella di massa “m” infinitesima non potrebbe che trovarsi a un’enorme velocità, poiché basterebbe la minima perturbazione per farla schizzar via. Al limite, se la massa fosse zero, come quella della luce, la particella dovrebbe andare per forza alla massima velocità possibile, Vlimite, infinita in un universo di Newton, finita in un universo di Einstein.

Questo è anche il risultato della Relatività Speciale: se una particella ha massa nulla va necessariamente a velocità “c”.

Perciò NON è la velocità della luce a stabilire la velocità limite, ma il contrario!

La velocità della luce NON può cambiare: la luce va sempre, e soltanto, alla velocità limite dell’Universo.

La domanda del titolo dunque va riformulata in questo modo: “La velocità limite dell’Universo è stata sempre la stessa? E se nel passato fosse stata diversa, come potremmo saperlo?”.

Possiamo saperlo proprio sfruttando il fatto che dalla velocità limite dipende la velocità della luce, cioè della propagazione del campo elettromagnetico, e dalla velocità della luce dipende il valore di una costante fisica, detta “costante di struttura fine”, che esprime l'intensità dell'interazione elettromagnetica.

Una misura del valore di questa costante nel lontano passato ci direbbe quant’era a quel tempo la velocità della luce e quindi la velocità limite dell’Universo.

Questa costante è un numero, chiamato "α", che attualmente vale circa 1/137. Se questo valore fosse diverso sarebbe diversa, per esempio, la forza di accoppiamento tra elettroni e nuclei atomici, quindi sarebbero diverse le dimensioni degli atomi e quindi sarebbero diverse le separazioni in frequenza della luce emessa, o assorbita, dai diversi orbitali elettronici di un dato elemento chimico.

Quello che si può fare perciò è misurare, tramite uno spettroscopio, le frequenze di emissione o assorbimento prodotte dall’idrogeno, presente ovunque nell’Universo, in nubi di gas idrogeno lontane miliardi di anni luce da noi e che quindi vediamo com’erano miliardi di anni fa.

Per farlo, gli astronomi osservano sorgenti ai confini dell’Universo, chiamate “quasar”, la cui luce viene assorbita dalle numerose nubi di idrogeno che man mano il segnale incontra nel percorrere l’enorme distanza per arrivare fino a noi.

Ogni assorbimento crea una riga scura nello spettro del quasar, ma la posizione di questa riga è ogni volta diversa, a causa dello spostamento Doppler dovuto all’espansione dell’Universo per la quale ognuna di queste nubi si allontana da noi a velocità tanto maggiore quanto maggiore è la sua distanza.

La misura dello spostamento Doppler delle righe spettrali ci dice quindi quanto è distante da noi ogni nube di idrogeno tra la Terra e il quasar.

Ma ogni nube ha anche una distanza diversa dallo stesso quasar e così riceve la sua luce in tempi diversi. Se la costante di struttura fine “α" variasse con l’età dell’Universo, le orbite degli elettroni dell’idrogeno sarebbero diverse a età diverse e di conseguenza la separazione in frequenza della serie di righe spettrali sarebbe diversa per ogni nube, indicando un diverso valore di α e quindi un diverso valore della velocità della luce “c”.

In conclusione, misurando le serie di righe di assorbimento dell’idrogeno degli spettri dei quasar lontani possiamo calcolare quant’era la velocità della luce nel passato.

Le misure effettuate ad oggi non ci danno ancora una risposta precisa, poiché si tratta di segnali estremamente deboli, anche se propendono per una variazione (dell'ordine del centomillesimo) della costante “α", e quindi della velocità della luce “c”, ma non è detto che non sia un effetto spurio dovuto ad altri fenomeni sovrapposti, o ad artefatti strumentali.

Sono in costruzione spettroscopi più sensibili per risolvere l'enigma, si tratta solo di attendere la loro messa in opera e proseguire le osservazioni.

Gianluca Li Causi, fisico

ultimo aggiornamento giugno 2017

Utilizza il filtro dei tags anche digitando le lettere della parola che stai cercando

© 2002 - 2018 ScienzaPerTutti - Grafica Francesca Cuicchio Ufficio Comunicazione INFN - powered by mspweb

NOTA! Questo sito utilizza i cookie e tecnologie simili.

Se non si modificano le impostazioni del browser, l'utente accetta. Per saperne di piu'

Approvo

Informativa sulla Privacy e Cookie Policy

Ultima modifica: 28 maggio 2018

IL TITOLARE

L’INFN si articola sul territorio italiano in 20 Sezioni, che hanno sede in dipartimenti universitari e realizzano il collegamento diretto tra l'Istituto e le Università, 4 Laboratori Nazionali, con sede a Catania, Frascati, Legnaro e Gran Sasso, che ospitano grandi apparecchiature e infrastrutture messe a disposizione della comunità scientifica nazionale e internazionale e 3 Centri Nazionali dedicati, rispettivamente, alla ricerca di tecnologie digitali innovative (CNAF), all’alta formazione internazionale (GSSI) ed agli studi nel campo della fisica teorica (GGI). Il personale dell'Infn conta circa 1800 dipendenti propri e quasi 2000 dipendenti universitari coinvolti nelle attività dell'Istituto e 1300 giovani tra laureandi, borsisti e dottorandi.

L’INFN con sede legale in Frascati, Roma, via E. Fermi n. 40, Roma, email: presidenza@presid.infn.it, PEC: amm.ne.centrale@pec.infn.it in qualità di titolare tratterà i dati personali eventualmente conferiti da coloro che interagiscono con i servizi web INFN

IL RESPONSABILE DELLA PROTEZIONE DEI DATI PERSONALI NELL’INFN

Ai sensi degli artt. 37 e ss. del Regolamento UE 2016/679 relativo alla protezione delle persone fisiche con riguardo al trattamento dei dati, l’INFN con deliberazione del Consiglio Direttivo n. 14734 del 27 aprile 2018 ha designato il Responsabile per la Protezione dei Dati (RPD o DPO).

Il DPO è contattabile presso il seguente indirizzo e.mail: dpo@infn.it

Riferimenti del Garante per la protezione dei dati personali: www.garanteprivacy.it

Il TRATTAMENTO DEI DATI VIA WEB

L'informativa è resa solo per i siti dell'INFN e non anche per altri siti web eventualmente raggiunti dall'utente tramite link.

Alcune pagine possono richiedere dati personali: si informa che il loro mancato conferimento può comportare l’impossibilità di raggiungere le finalità cui il trattamento è connesso

Ai sensi dell'art. 13 del Regolamento UE 2016/679, si informano coloro che interagiscono con i servizi web dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, accessibili per via telematica sul dominio infn.it, che il trattamento dei dati personali effettuato dall'INFN tramite web attiene esclusivamente ai dati personali acquisiti dall'Istituto in relazione al raggiungimento dei propri fini istituzionali o comunque connessi all’esercizio dei compiti di interesse pubblico e all’esercizio di pubblici poteri cui è chiamato, incluse le finalità ricerca scientifica ed analisi per scopi statistici.

In conformità a quanto stabilito nelle Norme per il trattamento dei dati personali dell’INFN e nel Disciplinare per l’uso delle risorse informatiche nell’INFN, i dati personali sono trattati in modo lecito, corretto, pertinente, limitato a quanto necessario al raggiungimento delle finalità del trattamento, per il solo tempo necessario a conseguire gli scopi per cui sono stati raccolti e comunque in conformità ai principi indicati nell’art. 5 del Regolamento UE 2016/679.

Specifiche misure di sicurezza sono osservate per prevenire la perdita dei dati, usi illeciti o non corretti ed accessi non autorizzati.

L’INFN tratta dati di navigazione perché i sistemi informatici e le procedure software preposte al funzionamento di questo sito web acquisiscono, nel corso del loro normale esercizio, alcuni dati la cui trasmissione è prevista dai protocolli di comunicazione impiegati. Questi dati - che per loro natura potrebbero consentire l'identificazione degli utenti - vengono utilizzati al solo fine di ricavare informazioni statistiche anonime sull'uso del sito e per controllarne il corretto funzionamento. Gli stessi potrebbero essere utilizzati per l'accertamento di responsabilità in caso di compimento di reati informatici o di atti di danneggiamento del sito; salva questa eventualità, non sono conservati oltre il tempo necessario all'esecuzione delle verifiche volte a garantire la sicurezza del sistema.

UTILIZZO DI COOKIE

Questo sito utilizza esclusivamente cookie “tecnici” (o di sessione) e non utilizza nessun sistema per il tracciamento degli utenti.

L'uso di cookie di sessione è strettamente limitato alla trasmissione di identificativi di sessione (costituiti da numeri casuali generati dal server) necessari per consentire l'esplorazione sicura ed efficiente del sito. Il loro uso evita il ricorso ad altre tecniche potenzialmente pregiudizievoli per la riservatezza della navigazione e non prevede l'acquisizione di dati personali dell'utente.

DIRITTI DEGLI INTERESSATI

Gli interessati hanno il diritto di chiedere al titolare del trattamento l'accesso ai dati personali e la rettifica o la cancellazione degli stessi o la limitazione del trattamento che li riguarda o di opporsi al trattamento secondo quanto previsto dagli art. 15 e ss. del Regolamento UE 2016/679. L'apposita istanza è presentata contattando il Responsabile della protezione dei dati presso l’indirizzo email: dpo@infn.it.

Agli interessati, ricorrendone i presupposti, è riconosciuto altresì il diritto di proporre reclamo al Garante quale autorità di controllo.

Il presente documento, pubblicato all'indirizzo: http://www.infn.it/privacy costituisce la privacy policy di questo sito, che sarà soggetta ad aggiornamenti.