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

Conosciamo tutti il valore della velocità della luce, 299.792.458 metri 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.

Mettere la luce alla prova

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.

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?

Fonte: www.reccom.org