unità SI | metro al secondo ( m / s o m s −1 ) |
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Altre unità | CGS : centimetro al secondo ( cm / s o cm s −1 ) |
Dimensione | |
Natura | Quantità scalare |
Simbolo abituale | vs |
Valore | 299.792.458 m/s |
La velocità della luce nel vuoto , comunemente nota c per " celerità ", è una costante fisica universale e un invariante relativistico ( velocità limite delle teorie relativistiche ), importante in molti campi della fisica . Il suo valore esatto è 299.792.458 m/s (circa 3 × 10 8 m/s o 300.000 km/s ). Secondo speciale relatività , la velocità della luce nel vuoto è la velocità massima che qualsiasi forma di materia o informazioni può raggiungere in nell'universo .
Sebbene questa velocità sia più spesso associata alla luce , definisce più in generale la velocità di tutte le particelle prive di massa e i cambiamenti nei loro campi associati nel vuoto (incluse la radiazione elettromagnetica e le onde gravitazionali ). Queste particelle e onde viaggiano a velocità c indipendentemente dal movimento della sorgente emettitrice o dal sistema di riferimento dell'osservatore. Nella teoria della relatività , c è usato per collegare spazio e tempo , e compare anche nella famosa equazione massa-energia E = mc 2 .
La velocità della luce non è la stessa in tutti i media e viaggia attraverso materiali trasparenti (come vetro, aria, acqua) a una velocità inferiore a c . Il rapporto tra c e v (velocità in un mezzo) corrisponde all'indice di rifrazione n del mezzo ( n = c / v ). Ad esempio il vetro ha un indice di rifrazione vicino a 1,5, il che significa che la luce nel vetro viaggia a c /1,5 ≈ 200.000 km/s ; l' indice di rifrazione dell'aria per la luce visibile è di circa 1.0003, quindi la velocità della luce nell'aria è di circa 299.700 km/s .
Nella vita di tutti i giorni, la luce (e altre onde elettromagnetiche) sembrano propagarsi istantaneamente, ma nei calcoli su lunghe distanze la sua velocità ha effetti evidenti. Nelle comunicazioni con le sonde spaziali, ad esempio, un messaggio può impiegare da pochi minuti ad alcune ore per raggiungere la sonda. Allo stesso modo, la luce delle stelle ha lasciato queste stelle per molto tempo, così che possiamo studiare la storia dell'universo osservando questi oggetti lontani: "più guardiamo, più guardiamo al passato" . La velocità finita della luce limita anche la velocità massima teorica dei computer , perché le informazioni inviate da un chip all'altro richiedono un tempo finito incomprimibile.
Nel 1676, Ole Rømer fu il primo a dimostrare che la luce viaggia a velocità finita osservando il moto apparente e le emersioni della luna di Giove , Io . Nonostante il rigore delle sue osservazioni, molti scienziati rimangono scettici su questo risultato. Osservando il fenomeno dell'aberrazione stellare , che si spiega tenendo conto rispettivamente della velocità della luce di una stella osservata e della velocità di rotazione della Terra attorno al Sole, James Bradley confermò comunque nel 1729 il risultato di Rømer e riuscì a dare è un valore accettabile. Nel 1810, l'esperienza del francese Arago dimostra che la velocità della luce è costante (sempre la stessa). Nel 1865, James Clerk Maxwell definì la luce come un'onda elettromagnetica e la sua velocità di movimento come c (notazione presente per la prima volta nella sua teoria sull'elettromagnetismo). Nel 1905, Albert Einstein postulò che la velocità della luce, c , è, in ogni sistema di riferimento, una costante ed è indipendente dal movimento della sorgente luminosa. Esplora le conseguenze di questo postulato descrivendo la teoria della relatività e così facendo mostra che il parametro c è rilevante anche al di fuori dei contesti della luce e dell'elettromagnetismo.
Dopo secoli di migliori misurazioni, nel 1975 la velocità della luce è stata stimata in 299.792.458 m/s con un'incertezza di misura di circa 1 m/s . Nel 1983 il metro è stato ridefinito nel Sistema Internazionale di Unità (SI) come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299 792 458 secondi ; quindi, il valore numerico di c in metri al secondo è ora esatto, come risulta dalla definizione del metro.
Il nome di questa costante è spesso fonte di confusione. È importante capire che la velocità della luce non è una costante fisica in sé : coincide con la costante fisica.vsa patto che i fotoni abbiano massa identica nulla e che la propagazione avvenga nel vuoto assoluto.
Inoltre, è necessario definire con attenzione la velocità di cui stiamo parlando. Infatti, quando viene emesso un impulso luminoso, la descrizione della sua propagazione può coinvolgere diverse nozioni quali velocità di fase (velocità di propagazione di una componente spettrale monocromatica), velocità di gruppo (velocità di propagazione del massimo di l impulso luminoso, talvolta erroneamente considerata come la velocità di propagazione dell'informazione), la velocità del fronte d'onda (velocità del punto iniziale dell'onda), ecc. In realtà non ha sempre un semplice significato fisico; può essere maggiore divso anche negativo; la velocità di trasporto dell'energia non è direttamente misurabile e pone anche problemi di semplice significato fisico.
Secondo Sylvan C. Bloch, almeno otto diverse velocità possono essere utilizzate per caratterizzare la propagazione della luce, vale a dire: le velocità (1) di fase, (2) di gruppo, (3) di energia, (4) segnale, ( 5) costante di velocità relativistica , (6) tasso di rapporto unitario, (7) centro-velocità e (8) tasso di correlazione. Nel vuoto, tutte queste velocità sono uguali alla costantevs, ma in un altro mezzo, solo la velocità del fronte d'onda mantiene questo valore.
A rigor di termini, la questione della costanza della velocità della luce nel vuoto, osservata dai quanti di energia trasportati dai fotoni, non può essere completamente risolta poiché è teoricamente possibile che i fotoni abbiano massa diversa da zero: le misurazioni possono solo chiudere questa ipotetica massa e non dimostrare che è rigorosamente zero. Tuttavia, anche se fosse dimostrato che i fotoni hanno una massa, ciò non rimetterebbe in discussione il principio della costantevs, ma preferirebbe dare un limite di precisione della sua osservabilità nei modelli di riferimento; manterremmo con c un limite di velocità assoluto che i fotoni osservati non potrebbero raggiungere da soli nel vuoto.
La velocità della luce nel vuoto è comunemente indicata con c , iniziale di costante e velocità . La sua velocità in qualsiasi altro mezzo è comunemente indicata con v , velocità iniziale .
Breve storiaIl simbolo V fu usato per la velocità della luce da James Clerk Maxwell nel 1865 . Nel 1856 , Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch usarono c per denotare un'altra costante uguale alla velocità della luce nel vuoto moltiplicata per la radice quadrata di due . Nel 1894 , Paul Drude ha ridefinito la c come simbolo della velocità delle onde elettromagnetiche. Nel 1905 , Albert Einstein utilizzò V nelle sue pubblicazioni sulla relatività speciale . Ma, nel 1907 , optò per il c .
notazioni alternativeA volte si nota la velocità della luce in un mezzo trasparente c . La sua velocità nel vuoto viene quindi annotata c 0 , secondo la raccomandazione dell'Ufficio internazionale dei pesi e delle misure . L'indice 0 indica che il mezzo è il vuoto, come nelle usuali notazioni della permeabilità magnetica del vuoto μ 0 , della permittività dielettrica del vuoto ε 0 (abbiamo ε 0 μ 0 c 0 2 = 1 ) e di l' impedenza dello spazio libero Z 0 .
Nell'analisi dimensionale , la velocità della luce, nel vuoto o in un mezzo, ha la dimensione di una velocità.
La sua equazione dimensionale è:
[ c ] = [ V ] = LT -1 .Nel Sistema Internazionale di Unità , è espresso in metri al secondo ( m s -1 ).
Dal 1983 , la velocità della luce nel vuoto è esatta, per definizione del metro . Essendo definita come "la lunghezza del percorso percorso nel vuoto dalla luce durante un periodo di 1/299 792 458 secondi " , la velocità della luce nel vuoto è la seguente:
Possiamo ricordare il valore di vssostituendo ad ogni parola della frase seguente il numero di lettere che la compongono: "La costante luminosa resterà d'ora in poi, nel tuo cervello" , cioè 2 9 9 7 9 2 4 5 8 m/s .
Nelle unità geometriche e di Planck , la velocità della luce nel vuoto è, per definizione, ridotta a uno: c = 1 .
Anno | Autore/i | Tecnico | Valore (in km/s) |
Incertezza (in km/s) |
Riferimenti) |
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<1638 | Galileo | Lanterne mascherate | Inconcludente | - | |
<1667 | Accademia del Cimento | Lanterne mascherate | Inconcludente | - | |
1675 | Ole Rømer e Christiaan Huygens | Osservazione delle lune di Giove | 220.000 | ? | |
1729 | James Bradley | Aberrazione della luce | 301.000 | ? | |
1849 | Hippolyte Fizeau | Ruota dentata | 315.000 | ? | |
1862 | Leon Foucault | Specchio rotante | 298.000 | 500 | |
1907 | Bennett Rosa e Noah Dorsey | Costanti elettromagnetiche | 299.710 | 30 | |
1926 | Albert A. Michelson | Specchio rotante | 299.796 | 4 | |
1950 | Louis Essen e Albert Gordon-Smith | Cavità risonante | 299,792,5 | 3.0 | |
1958 | KD Froome | Interferometria radio | 299.792.50 | 0.10 | |
1972 | Evenson et al. | Interferometria laser | 299.792.456 2 | 0.001 1 | |
1978 | Woods, Shotton e Rowley | Interferometria laser | 299.792.458 8 | 0.000 2 | |
1983 | Conferenza Generale Pesi e Misure (definizione del metro) | 299.792.458 | 0 (per costruzione) |
La storia delle misurazioni della velocità della luce ha non meno di dodici metodi per determinare il valore di c . Dopo le speculazioni di Empedocle , Alhazen o Ruggero Bacone , e gli sfortunati tentativi di Galileo con aiutanti a smascherare lanterne, la prima stima sperimentale si deve all'astronomo danese Ole Christensen Rømer : studiando il ciclo delle eclissi di Io , satellite di Giove , ha rileva che quaranta rivoluzioni osservate durante una quadratura di Giove con la Terra sono spostate nel tempo rispetto alle altre quaranta osservate quando i due pianeti sono più vicini. Ne deduce che quando Giove e la Terra sono in posizioni opposte rispetto al sole, la luce di Giove impiega 22 minuti in più per raggiungerci rispetto a quando i due pianeti sono più vicini, questo ritardo corrisponde al tempo aggiuntivo di viaggio della luce proveniente dal diametro dell'orbita terrestre.
Nel settembre 1676, prevede quindi per un'emersione di Io, un ritardo di 10 minuti (osservato il 9 novembre ) rispetto alla tabella stabilita da Cassini . La luce impiegava quindi 11 minuti per percorrere il raggio dell'orbita terrestre, ma questo raggio era poco conosciuto, le misurazioni essendo disperse tra 68 e 138 milioni di chilometri, tutti valori falsi. Quest'opera è pubblicata sul Journal des sçavans , la più antica rivista letteraria e scientifica.
Rømer (che poi trovò 7 min ), Cassini, Newton e molti altri migliorarono la precisione del tempo di viaggio, ma fu solo quando Delambre analizzò un migliaio di eclissi , distribuite su 140 anni, per trovare il valore di 8 min 13 s ( il valore corretto è 8 min 19 s ).
Il passo successivo si deve a James Bradley : nel 1727, studiando le variazioni di declinazione della stella Gamma del Drago , scopre il fenomeno dell'aberrazione della luce , dovuto alla combinazione della velocità della luce con quella della Terra ; ne deduce che la velocità della luce è pari a 10.188 volte quella della Terra. Ma la velocità della Terra non era ben nota, poiché dipende dal raggio della sua orbita.
La prima misurazione, indipendente da un'altra misurazione, fu fatta da Hippolyte Fizeau , nel 1849. Operando tra Suresnes e Montmartre con un dispositivo a ruota dentata , trovò 315.000 km/s (aumentati quindi con un errore del solo 5%), un risultato già impressionante per l'epoca, così come la strumentazione costruita da Gustave Froment , con una ruota composta da 720 denti lavorati al centesimo di millimetro.
Un nuovo progresso è compiuto da Léon Foucault con un dispositivo a specchio rotante, che gli consente di operare senza lasciare il laboratorio. Nel 1850 dimostrò che la luce viaggia più lentamente nell'acqua , in accordo con la teoria delle ondulazioni. All'Osservatorio di Parigi , insettembre 1862, trova il valore di 298.000 km/s .
Le misure (e i metodi) si moltiplicheranno quindi. Senza citarli tutti:
Michelson immaginava di fare l'esperimento nel vuoto . Nel 1929, iniziò a costruire un tubo d'acciaio lungo un miglio vicino a Pasadena per l'ultima esperienza. Morì nel 1931 senza vedere i risultati. Nonostante errori di misurazione dovuti a effetti geologici e problemi di costruzione del tubo, i risultati finali, 299.774 ± 11 km / s , erano in accordo con le misurazioni elettro-ottiche dell'epoca.
Dopo la seconda guerra mondiale, il geodimetro , la cavità risonante , il radar , il radiointerferometro , la spettrometria a banda, e soprattutto il laser , consentiranno un salto di precisione:
Con quest'ultima definizione, la comunità scientifica avalla la definizione della velocità della luce nel vuoto assoluto (un vuoto teorico perché solo approssimato e simulato negli attuali modelli sperimentali) come una costante universale, su cui si basano tutte le misure dello spazio e del tempo.
Ha anche il conseguente vantaggio di non essere più basato sulle righe spettrali degli elementi atomici (in precedenza una riga krypton 86 dal 1960, già difficile da purificare e isolare in stati stabili su campioni sufficientemente significativi per ottenere la precisione desiderata. ), che a allo stesso tempo elimina da un lato le fonti di imprecisione o incertezza relative alle varietà isotopiche o subatomiche (che influenzano l'ampiezza delle righe spettrali ancora attualmente misurate) e dall'altro la necessità di riprodurre più esattamente le condizioni di misura sulla base di un modello (condizioni che ora possono evolvere indipendentemente da questa definizione e migliorare in precisione a un costo inferiore, a seconda delle nuove scoperte), in particolare utilizzando la misurazione della frequenza (o equivalente) delle lunghezze d'onda caratteristiche della riga spettrale (che restano da studiare per mettere questa definizione in pratica).
Tuttavia, presuppone ancora l'esistenza di un modello sperimentale per stabilire la definizione del secondo, da cui dipende poi quella del metro poiché la velocità della luce nel vuoto da cui dipende anche questa definizione è ormai stabilita come una costante universale. Si tratta comunque di un miglioramento del sistema poiché è stato eliminato uno dei due elementi di variabilità, e anche perché è nel campo della misurazione del tempo (o delle frequenze) che si sono ottenuti i progressi più importanti. di precisione.
Una definizione simile riguardante l'unità di massa (o in modo equivalente a quella di energia) potrebbe eventualmente utilizzare anche la definizione di costante universale, quando il fenomeno della gravitazione sarà meglio conosciuto e controllato per specificare meglio la velocità della luce in un vuoto non ideale (poiché spazio e tempo sono influenzati dalla gravitazione, che influenza la velocità della luce effettivamente misurata nel vuoto reale che si osserva sempre).
Secondo le teorie della fisica moderna, ed in particolare le equazioni di Maxwell , la luce visibile, ed anche la radiazione elettromagnetica in genere, ha velocità costante nel vuoto ; è questa velocità che chiamiamo velocità della luce nel vuoto .
È quindi una costante fisica fondamentale. Si segnala c (dal latino celeritas , “velocità”). Non solo è costante ovunque (ea qualsiasi età) nell'Universo ( principi cosmologici deboli e forti, rispettivamente); è anche costante da un sistema inerziale all'altro ( Principio di relatività ). In altre parole, qualunque sia il sistema di riferimento inerziale di un osservatore o la velocità dell'oggetto che emette la luce, qualsiasi osservatore otterrà la stessa misura.
Si nota la velocità della luce nel vuoto c (valore esatto consigliato dal 1975, divenuto esatto per definizione dal 1983):
c = 299.792.458 metri al secondoQuesto valore è esatto per definizione. Infatti, dal 1983 , il metro è definito dalla velocità della luce nel vuoto nel Sistema Internazionale di Unità , come la lunghezza del cammino percorso nel vuoto dalla luce durante un periodo di 1/299 792 458 di secondo . Ciò significa che il metro è ora definito dal secondo, tramite la velocità fissata per la luce.
Si potrebbe obiettare che la costanza della velocità della luce qualunque sia la direzione, pilastro della fisica, è vera per costruzione, per scelta delle definizioni delle unità del sistema internazionale. Questa obiezione è falsa perché la scelta di una definizione del metro basata sul secondo e sulla luce è infatti conseguenza dell'assoluta fiducia dei fisici nella costanza della velocità della luce nel vuoto; questa fiducia si esprimeva mentre la definizione del metro del 1960 si basava su un fenomeno radiativo indipendente da quello che definisce il secondo.
Tuttavia, è stato suggerito in varie teorie che la velocità della luce potrebbe essere variata nel tempo . Nessuna prova conclusiva di tali cambiamenti è stata ancora portata alla luce, ma rimane oggetto di ricerca fino ad oggi.
La differenza nella velocità di propagazione della luce nei diversi mezzi è all'origine del fenomeno della rifrazione . La velocità in un dato mezzo rispetto alla velocità nel vuoto è uguale all'inverso dell'indice di rifrazione (quest'ultimo dipende invece dalla lunghezza d'onda):
o :Tuttavia, la velocità della luce, senza ulteriori specificazioni, è generalmente intesa come la velocità della luce nel "vuoto".
Si noti che se nessun oggetto in qualsiasi mezzo può superare la velocità della luce nel vuoto, è possibile superare la velocità della luce nello stesso mezzo: ad esempio nell'acqua, i neutrini vanno notevolmente più veloci della luce (che è essa stessa notevolmente rallentata ). Nel caso di particelle cariche, come gli elettroni o positroni derivanti da β decadimento, ciò causa l'equivalente del boom supersonico per luce, è l' effetto Cherenkov che "riflessi" il fondo delle piscine contenenti blu di materiale radioattivo..
Infine, in un mezzo cosiddetto birifrangente , la velocità della luce dipende anche dal suo piano di polarizzazione . Questo fenomeno molto particolare viene utilizzato in un gran numero di campi, come in microscopia o per occhiali da sole .
La velocità della luce nel vuoto non è un limite di velocità nel senso convenzionale. Siamo abituati ad aggiungere velocità, ad esempio considereremo normale che due auto che viaggiano a 60 chilometri orari in direzioni opposte si vedano avvicinarsi ad una velocità di 60 km/h + 60 km/h = 120 km/h . E questa formula approssimativa è perfettamente legittima per velocità di questo ordine ( 60 km/h ≈ 16,67 m/s ).
Ma, quando una delle velocità è vicina a quella della luce nel vuoto, un calcolo così classico si discosta troppo dai risultati osservati; infatti, alla fine del XIX ° secolo , vari esperimenti (in particolare, quello di Michelson ) e osservazioni appaiono lasciato un velocità della luce nello stesso vuoto in tutti i perni inerziali.
Minkowski , Lorentz , Poincaré ed Einstein introdussero questa domanda nella teoria galileiana, e videro la necessità di sostituire un principio implicito e impreciso con uno compatibile con le osservazioni:
Dopo la modellazione computazionale, è emerso che la nuova formula di composizione includeva un termine correttivo in 1 / (1 + v w / c 2 ) , dell'ordine di 2,7 × 10 -10 solo alla velocità del suono .
L'effetto diventa maggiore quando le velocità superano c / 10 , e sempre più evidente man mano che v / c si avvicina a 1: due astronavi che viaggiano l'una verso l'altra alla velocità di 0,8 c (rispetto ad un terzo osservatore), non percepiranno un velocità di avvicinamento (o velocità relativa ) pari a 1,6 c , ma solo 0,98 c (vedi tabella a lato).
Questo risultato è dato dalla trasformazione di Lorentz :
o :Quindi, qualunque sia la velocità con cui un oggetto si muove rispetto a un altro, ciascuno misurerà la velocità dell'impulso luminoso ricevuto come avente lo stesso valore: la velocità della luce; d'altra parte, la frequenza osservata della radiazione elettromagnetica trasmessa tra due oggetti in movimento relativo (nonché il quanto di energia associato tra la radiazione emessa e la radiazione percepita dall'oggetto bersaglio) sarà modificata dall'effetto Doppler-Fizeau .
Albert Einstein ha unito il lavoro dei suoi tre colleghi in una teoria della relatività omogenea, applicando queste strane conseguenze alla meccanica classica . Le conferme sperimentali della teoria della relatività c'erano, con la precisione delle misurazioni del tempo vicino.
Nell'ambito della teoria della relatività, le particelle sono classificate in tre gruppi:
Le masse a riposo combinate con il fattore moltiplicativo danno energia reale per ciascuno dei gruppi definiti in precedenza.
Ciò che la relatività ristretta proibisce è di violare la causalità: è dunque l'informazione nel senso causale del termine che non può andare più veloce di c . Uno dei problemi è riuscire a definire questa nozione di informazione. Infatti, è ad esempio possibile che un impulso luminoso abbia una velocità di gruppo maggiore di c senza che questa violi la causalità perché il fronte d'onda si propaga alla velocità c .
È stato infatti dimostrato che l'informazione si propaga sempre a velocità c : le velocità della luce infra o superluminale possono trasportare un segnale, ma non l'informazione in senso causale. In generale è quindi importante prestare attenzione alla definizione della velocità considerata. Oltre alla velocità dell'informazione (il concetto di informazione è a volte difficile da definire), possiamo quindi considerare diverse velocità che possono assumere valori minori o maggiori di c , o anche valori negativi:
Il paradosso EPR ha anche mostrato che la fisica quantistica fornisce esempi per i quali le particelle si comportano come se potessero coordinarsi, mentre le deviazioni nello spazio e nel tempo richiederebbero che questo superivs. Tuttavia, questo fenomeno non può essere utilizzato per trasmettere informazioni.
Nel settembre 2011, la collaborazione dei fisici che lavorano all'esperimento OPERA annuncia che il tempo di volo misurato dei neutrini prodotti al CERN è di 60,7 ns inferiore a quello previsto per le particelle che si muovono alla velocità della luce. Il8 giugno 2012, gli scienziati dell'esperimento OPERA annunciano che l'anomalia era infatti legata ad un errore di misura dovuto al collegamento difettoso di un cavo ottico di sincronizzazione degli orologi atomici, e che la velocità misurata dei neutrini era compatibile con quella della luce.
“La possibilità che le costanti fondamentali possano variare durante l'evoluzione dell'universo offre una finestra eccezionale su teorie dimensionali superiori ed è probabilmente collegata alla natura dell'energia oscura che fa accelerare l'universo oggi. "