Anisotropia della velocità della luce

Non è possibile misurare la velocità della luce in una singola direzione

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Anisotropia della velocità della luce

Non è possibile misurare la velocità della luce in una singola direzione.

La relatività speciale è una delle teorie maggiormente convalidate che il genio umano abbia mai concepito. È fondamentale per tante cose, dai viaggi nello spazio al GPS alla rete elettrica. Al centro della relatività c’è una costante assoluta, il valore della velocità della luce nel vuoto.

Il problema è che questo fatto non è mai stato dimostrato.

La teoria della relatività

Einstein propose la teoria della relatività per spiegare perché la luce aveva sempre la stessa velocità. Alla fine del 1800 si pensava che, poiché la luce viaggia come un’onda, deve essere trasportata da un qualche tipo di materiale invisibile che venne chiamato etere luminifero. Si pensava che le onde avessero bisogno di un mezzo, come il suono ha bisogno dell’aria o le onde del mare dell’acqua. Ma se esisteva l’etere, la velocità della luce osservata doveva cambiare mentre la Terra si muove attorno al Sole. Ma le misurazioni per osservare la deriva dell’etere non hanno portato a nulla. La velocità della luce sembrava restare costante.

anisotropia

Einstein scoprì che il problema stava nell’assumere che lo spazio e il tempo fossero assoluti e che la velocità della luce potesse variare. Einstein assunse che la velocità della luce  fosse assoluta, lo spazio e il tempo dovevano perciò essere influenzati dal movimento relativo. L’idea era radicale, ma supportata da molte misurazioni.



Diversi fisici hanno sottolineato che mentre la relatività presume che la velocità del vuoto della luce sia una costante universale, mostra anche che la velocità non può mai essere misurata. La relatività vieta di misurare il tempo impiegato dalla luce per viaggiare dal punto A al punto B. Per misurare la velocità della luce in una direzione, avreste bisogno di un cronometro sincronizzato a ciascuna estremità, ma il movimento relativo influisce sulla velocità degli orologi relativi alla velocità della luce. Non possiamo sincronizzarli senza conoscere la velocità della luce, che non possiamo conoscere senza misurare. Quello che possiamo fare è usare un singolo cronometro per misurare il tempo di andata e ritorno da A a B e di nuovo ad A, e questo è ciò che fa ogni misurazione della velocità della luce.

Poiché tutte le misurazioni della velocità di andata e ritorno nelle misurazioni della luce danno un risultato costante, potremo pensare di poter semplicemente dividere il tempo per due. Questo è esattamente ciò che ha fatto Einstein. Gli esperimenti concordano con questo assunto, ma concordano anche con l’idea che la velocità della luce in una direzione è dieci volte più veloce della sua velocità in una direzione diversa. La luce non deve avere una velocità costante in tutte le direzioni, deve solo avere una velocità di andata e ritorno “media” costante.

La relatività è ancora valida se la velocità della luce è anisotropa

Se la velocità della luce variasse con la sua direzione di movimento, allora vedremmo l’universo in un modo diverso. Quando guardiamo galassie lontane guardiamo indietro nel tempo perché la luce impiega tempo per raggiungerci. Se la luce lontana ci raggiungesse rapidamente in una direzione, vedremmo l’universo in quella direzione come più vecchio e più espanso. Vedremo la luce più veloce raggiungerci, meno “indietro nel tempo”. Poiché osserviamo un cosmo uniforme in tutte le direzioni, sicuramente questo mostra che la velocità della luce è costante.

Come mostra un nuovo studio sembra che non sia proprio cosi. Se la velocità della luce varia con la direzione, anche la contrazione della lunghezza e la dilatazione del tempo mutano.

Il team ha considerato gli effetti della luce anisotropa su un semplice modello relativistico noto come l’universo di Milne. È fondamentalmente un universo simile nella struttura all’osservatore, ma senza tutta la materia e l’energia. Hanno scoperto che l’anisotropia della luce causerebbe effetti di relatività anisotropa nella dilatazione del tempo e nell’espansione cosmica. Questi effetti annullerebbero gli aspetti osservabili di una velocità della luce variabile. In altre parole, anche se l’universo fosse anisotropo a causa di una velocità della luce non costante, apparirebbe comunque omogeneo.

Quindi sembra che la semplice cosmologia non sia in grado di dimostrare nemmeno l’ipotesi di Einstein sulla velocità della luce. A volte le idee più elementari della scienza sono le più difficili da dimostrare.

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