Perché la velocità della luce è una pietra miliare della fisica?

È semplicemente strano

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Conosciamo tutti il valore della velocità della luce, 299.792.458 chilometri al secondo – ma perché ha proprio questo valore? Perché non un altro numero? E perché ci preoccupiamo così tanto della velocità casuale delle onde elettromagnetiche? Perché questa velocità è una pietra miliare della fisica?

Bene, è perché la velocità della luce è semplicemente strana.


La prima persona a rendersi conto che la luce ha davvero una velocità fu un astronomo di nome Ole Romer alla fine del 1600. Questi era ossessionato da alcuni strani movimenti compiuti dalla luna di Giove Io. Di tanto in tanto, il grande pianeta bloccava la visuale sua piccola luna, causando un’eclissi, ma il tempo tra le eclissi sembrava cambiare nel corso dell’anno. O qualcosa di strano stava accadendo con l’orbita di Io – che sembrava sospetto – o qualcos’altro era in corso.

Dopo un paio d’anni di osservazioni, Romer trovò il collegamento. Quando vediamo che Io viene eclissato, siamo in una certa posizione nella nostra orbita attorno al Sole. Ma la volta successiva che vedremo un’altra eclissi, pochi giorni dopo, siamo in una posizione leggermente diversa, forse più vicina o più lontana da Giove rispetto all’ultima volta. Se siamo più lontani dell’ultima volta che abbiamo visto un’eclissi, significa che dovremo aspettare un po’ di tempo in più per vedere la prossimo perché ci vuole molto più tempo perché la luce ci raggiunga, e il contrario è vero se ci capita di essere un po’ più vicini a Giove.

L’unico modo per spiegare le variazioni nei tempi delle eclissi di Io è se la luce ha una velocità finita.

Farlo significare qualcosa

Le misurazioni continue nel corso dei secoli successivi migliorarono la misurazione della velocità della luce, ma fu solo alla metà del 1800, quando il fisico James Clerk Maxwell inventò accidentalmente la luce che si cominciò a capire davvero qualcosa.

Maxwell stava giocando con i fenomeni allora poco conosciuti dell’elettricità e del magnetismo quando scoprì un unico quadro unificato che potesse spiegare tutte le disparate osservazioni che faceva, ponendo le basi per quella che ora intendiamo essere la forza elettromagnetica. Nelle sue equazioni Maxwell scoprì che il cambiamento dei campi elettrici può creare campi magnetici e viceversa. Ciò consente alle onde di elettricità di creare onde di magnetismo, che continuano a creare onde di elettricità e avanti e indietro e avanti e indietro, saltando l’una sull’altra, in grado di viaggiare attraverso lo spazio.

Quando andò a calcolare la velocità di queste cosiddette onde elettromagnetiche, Maxwell ottenne lo stesso numero che gli scienziati avevano misurato come velocità della luce per secoli. Ergo, la luce è fatta di onde elettromagnetiche e viaggia a quella velocità, perché è esattamente la velocità con cui le onde di elettricità e magnetismo viaggiano attraverso lo spazio.

Tutto questo andò bene, però, fino a quando arrivò Einstein, qualche decennio dopo, che si rese conto che la velocità della luce non ha nulla a che fare con la luce. Con la sua teoria della relatività speciale, Einstein realizzò la vera connessione tra tempo e spazio, un tessuto unificato noto come spazio-tempo. Come tutti sappiamo, però, lo spazio è molto diverso dal tempo: un metro o un piede hanno un significato molto diverso da un secondo o un anno. Sembrano essere due cose completamente diverse.

Quindi, come possono essere sullo stesso piano?

Doveva esserci una sorta di colla, una connessione che ci permettesse di tradurre tra movimento nello spazio e movimento nel tempo. In altre parole, dobbiamo sapere quanto vale un metro di spazio, ad esempio, nel tempo. Qual è il tasso di cambio? Einstein scoprì che c’era una costante, una certa velocità, che poteva dirci quanto spazio equivaleva a quanto tempo e viceversa.

Le teorie di Einstein non dicevano quale fosse quel numero, ma applicando la relatività speciale alle vecchie equazioni di Maxwell scoprì scoperto che questo tasso di conversione è esattamente la velocità della luce.

Ovviamente, questo tasso di conversione, questa costante fondamentale che unifica lo spazio e il tempo, non sa cosa sia un’onda elettromagnetica e non gliene importa nulla. È solo un numero, ma si scopre che Maxwell aveva già calcolato questo numero e l’aveva scoperto senza nemmeno saperlo. Questo perché tutte le particelle senza massa sono in grado di viaggiare a questa velocità e poiché la luce è senza massa, può viaggiare a quella velocità. E così, la velocità della luce divenne un’importante pietra miliare della fisica moderna.

Ma comunque, perché quel numero, con quel valore, e non qualche altro numero casuale? Perché la natura ha scelto quell’uno e nessun altro? Cosa sta succedendo?

La definizione della velocità della luce è legata alle definizioni di lunghezza e tempo

Bene, il numero in realtà non ha importanza. Dopotutto ha un unità di misura unità: metri al secondo. E in fisica qualsiasi numero a cui sono associate unità può avere qualsiasi valore precedente, perché significa che devi definire quali sono le unità. Ad esempio, per esprimere la velocità della luce in metri al secondo, prima devi decidere cosa sia un metro e cosa sia un secondo. E così la definizione della velocità della luce è legata alle definizioni di lunghezza e tempo.

In fisica, siamo più interessati alle costanti che non hanno unità o dimensioni – in altre parole, costanti che compaiono nelle nostre teorie fisiche che sono solo numeri semplici. Questi sembrano molto più fondamentali, perché non dipendono da altre definizioni. Un altro modo di dire è che, se incontrassimo una civiltà aliena, non avremmo modo di capire la loro misurazione della velocità della luce, ma quando si tratta di costanti senza dimensioni, possiamo essere tutti d’accordo. Sono solo numeri.

Uno di questi numeri è noto come costante di struttura fine, che è una combinazione della velocità della luce, della costante di Planck e qualcosa di noto come permittività dello spazio libero. Il suo valore è di circa 0,007.

0,007 cosa? Solo 0,007. Come ho detto, è solo un numero.

Quindi, da un lato, la velocità della luce può essere qualsiasi cosa voglia essere, perché ha unità e dobbiamo definire le unità. D’altra parte, la velocità della luce non può essere altro che ciò che è, perché se dovessi cambiare la velocità della luce, cambieresti la costante di struttura fine. Ma il nostro universo ha scelto la costante di struttura fine per essere approssimativamente 0,007 e nient’altro. Questo è semplicemente l’universo in cui viviamo e non abbiamo alcuna scelta al riguardo. E poiché questo è fisso e universale, la velocità della luce deve essere esattamente quella che è.

Allora perché la struttura fine è esattamente il numero che è e non qualcos’altro? Buona domanda. Non lo sappiamo.

Fonte: Space.com