How the Speed of Light Was First Measured

Fino alla seconda metà del XVII secolo, esistevano due teorie predominanti su quanto velocemente la luce potesse viaggiare. La prima e più popolare delle due era quella supportata fortemente da Renee Deart, secondo cui la luce viaggia a una velocità infinita.

La seconda e meno popolare teoria era che la luce viaggia a una velocità finita, ma è e sarà sempre troppo veloce per essere rilevata o misurata. Nel 1607, Galileo tentò di misurare la velocità della luce con l'aiuto di un assistente lontano. Questo assistente stava su una collina e entrambi avevano una lampada coperta. Galileo scopriva questa lampada e quando il suo assistente vedeva la luce della sua lampada, scopriva la sua. Galileo cercò di calcolare il tempo trascorso dalla scoperta della lampada alla visione della lampada del suo assistente. Tenendo conto del tempo impiegato dal suo assistente per scoprire la lampada, Galileo non riuscì a raggiungere alcun tempo discernibile e concluse quindi che la velocità della luce è o infinita o troppo veloce perché chiunque possa misurarla, senza prendere posizione su nessuna delle teorie opposte.

Questo dibattito sarebbe continuato per circa un altro secolo. Ma la prima prova che la luce avesse una velocità finita sarebbe arrivata nel 1670, quando un astronomo danese ebbe un brillante lampo di intuizione che avrebbe portato al primo calcolo della velocità della luce. Ole Rømer nacque a Århus, Danimarca, nel 1644. Poco si sa della vita iniziale di Rømer, se non il fatto che si iscrisse all'Università di Copenaghen nel 1662 all'età di 18 anni. Il suo mentore a Copenaghen fu Rasmus Bartholin, un medico danese che scoprì la birifrangenza della luce nella calcite. Infatti, Bartholin fece la sua scoperta chiave nel 1668 mentre Rømer viveva con lui in casa sua. Bartholin, mentre era a Copenaghen, ebbe anche il compito di preparare gli articoli di astronomia di Tycho Brahe per la pubblicazione e quindi Rømer ebbe l'opportunità di apprendere matematica avanzata e astronomia dagli articoli di Brahe.

Nel 1672, Rømer si trasferì a Parigi per lavorare nel nuovo osservatorio presso l'Accademia Reale delle Scienze. Vi trascorse nove anni concentrandosi specificamente sulle lune di Giove. Dopo aver effettuato 3 anni di osservazioni della luna più interna di Giove, Io, notò qualcosa di particolare nella sua orbita. Rømer aveva utilizzato un orologio a pendolo inventato da Christian Huygens 18 anni prima per misurare il tempo impiegato da Io per completare un'orbita completa attorno a Giove e notò che quando la Terra si allontanava da Giove, l'orbita di Io era 13 secondi più lunga di quando la Terra si avvicinava a Giove.

C'erano due conclusioni principali a cui Rømer poteva giungere dopo aver osservato questo fenomeno. La prima è che l'orbita di Io è leggermente irregolare e queste lievi variazioni dell'orbita sono perfettamente sincronizzate con l'allontanamento e l'avvicinamento della Terra a Giove. La seconda era che la velocità della luce è finita e impiega più tempo per raggiungere la Terra da Giove quando la Terra si allontana da esso. Per cercare di capire quale delle due possibilità fosse corretta, Rømer iniziò a studiare le eclissi di Io mentre la luna passava dietro Giove.

Più tardi nello stesso anno, Rømer lesse i suoi risultati all'Accademia delle Scienze, dove spiegò i suoi risultati utilizzando questo diagramma qui come segue. Quando la Terra è nel punto L nella sua orbita attorno al Sole, Io sta entrando nella sua eclissi dietro Giove nel punto C. Quando esce dalla sua eclissi nel punto D, la Terra si trova ora nel punto K nella sua orbita. La luce proveniente da Io avrebbe dovuto percorrere questa distanza extra per raggiungere il punto K invece del punto L. Quindi Rømer avrebbe solo dovuto calcolare quanto più tardi Io viene osservato emergere dalla sua eclissi rispetto a quanto previsto attraverso anni di osservazione della sua orbita.

Rømer trovò questo tempo di ritardo di circa 10 minuti. Combinando questo con il valore calcolato del diametro orbitale terrestre all'epoca, che fu fatto nel 1671 dal direttore dell'Osservatorio di Parigi, Gian Domenico Cassini, e un po' di geometria aggiuntiva, Rømer giunse alla conclusione che la luce viaggia a circa 230 milioni di m/s, che è circa 3/4 del valore attualmente accettato. La maggior parte dell'errore nei calcoli di Rømer è attribuita a due misurazioni correlate. La prima è il tempo calcolato che impiegherebbe la luce per attraversare l'intero diametro orbitale terrestre. E questo calcolo si è rivelato essere il 38% troppo grande. La seconda è il diametro calcolato dell'orbita terrestre stessa fatto da Cassini. E questo calcolo era il 7% troppo piccolo. Rømer pubblicò i suoi risultati in un breve articolo intitolato "Dimostrazione riguardante la scoperta del movimento della luce" l'anno successivo, nel 1676.

Circa 50 anni dopo che il lavoro di Rømer portò alla luce la prima prova sperimentale della sua velocità finita, l'astronomo inglese James Bradley la affinò ulteriormente utilizzando un metodo completamente diverso, il metodo della parallasse. L'intenzione di Bradley non era quella di calcolare la velocità della luce, ma piuttosto di trovare prove del movimento della Terra attorno al Sole misurando la parallasse stellare annuale. Bradley pensò che se avesse misurato il cambiamento degli angoli delle stelle nel cielo in un periodo di sei mesi, avrebbe ulteriormente convalidato la teoria della rotazione terrestre attorno al Sole. Lo stesso Rømer aveva provato a farlo anni prima, ma gli spostamenti angolari erano così piccoli che non riuscì a rilevarli.

Anche Bradley non riuscì a trovare prove di una parallasse stellare annuale, ma notò un fenomeno diverso, uno spostamento di parallasse su un periodo di 3 giorni in una direzione diversa da quella prevista. Con una geniale intuizione, Bradley determinò che questi strani spostamenti stellari nel cielo erano dovuti al movimento della Terra rispetto alla velocità della luce in un fenomeno noto come aberrazione della luce. Quando la Terra entra nel percorso della luce emessa da una stella, sembra provenire da un punto diverso nel cielo notturno rispetto a dove si trova realmente. La scoperta dell'aberrazione della luce da parte di Bradley non solo fornì la prima prova diretta che la Terra si muove attorno al Sole, ma gli permise anche di calcolare la velocità della luce attraverso la geometria, con notevole precisione. Determinò che la velocità della luce è di circa 295 milioni di metri al secondo, che è fuori solo del 2%, e determinò anche che la luce dal Sole impiega circa 8 minuti e 12 secondi per raggiungere la Terra.

Le prove fornite da Bradley furono cruciali nel determinare che la luce viaggia a una velocità finita. Ci fu molta opposizione alle conclusioni di Rømer dopo la sua pubblicazione iniziale, guidata principalmente da Cassini stesso, che credeva ancora che la velocità della luce fosse infinita. Credeva che queste strane anomalie nell'orbita di Io fossero dovute all'orbita stessa e non alla luce. Cassini aveva cercato prove di una velocità finita della luce anche all'inizio della sua carriera e attraverso gli stessi metodi di Rømer. Ma quando non trovò tali anomalie nelle altre tre orbite delle lune di Giove, adottò la teoria della velocità infinita della luce e la mantenne fino alla sua morte. Bradley fornì ulteriori prove che Rømer aveva ragione nelle sue conclusioni e altri astronomi che vennero dopo Bradley affinarono ulteriormente i suoi risultati.

Nel 1809, l'astronomo francese Jean Baptiste Dumoulin utilizzò un secolo di calcoli dell'orbita di Io per affinare ulteriormente la velocità della luce a circa 300 milioni di m/s. Fino a questo punto, tutte le misurazioni della velocità della luce erano state effettuate tramite osservazioni di corpi celesti. Nessuno aveva ancora effettuato misurazioni terrestri della luce, poiché nessuno aveva un esperimento di successo per cercare di misurarla, o se lo avessero fatto, non avevano la tecnologia per realizzare quell'esperimento. Una volta effettuate le prime misurazioni celesti della velocità della luce, però, molti scienziati si resero conto del grado di velocità con cui stavano lavorando riguardo alla luce e quindi si resero conto della grande scala su cui dovevano realizzare un apparato sperimentale.

Lo scienziato francese Armand Fizeau fu il primo a realizzare con successo un tale apparato e successivamente a misurare la velocità della luce basandosi sul suo viaggio sulla Terra e solo sulla Terra. L'allestimento di Fizeau del 1849 procedette come segue. Usò due colline con una distanza di 8 km tra loro. Sulla cima di una collina, posizionò una ruota dentata con una sorgente luminosa dietro di essa. E sulla seconda collina, posizionò uno specchio. Poi iniziò a far ruotare la ruota in modo che la luce che rimbalzava sullo specchio tornasse e fosse vista come una serie di impulsi. La luce di ritorno veniva vista quando passava attraverso le fessure della ruota dentata e raggiungeva l'osservatore e non veniva vista quando colpiva i denti della ruota, che le impedivano di tornare all'osservatore. Fizeau iniziò quindi ad aumentare la velocità di rotazione della ruota, facendola girare sempre più velocemente fino a quando la ruota raggiunse una velocità alla quale tutta la luce che passava attraverso una singola fessura finiva per colpire un dente della ruota al suo ritorno, il che significa che l'osservatore non vedeva alcuna luce. Poi Fizeau utilizzò i valori noti per la velocità di rotazione della ruota, il numero di denti sulla ruota e la distanza dallo specchio per calcolare la velocità della luce. I suoi calcoli produssero un valore solo circa il 5% troppo alto, a 315 milioni di m/s.

È interessante notare che, esattamente nello stesso periodo, un altro fisico francese di nome Léon Foucault stava ideando in modo indipendente un apparato molto simile, ma con alcune lievi differenze. L'allestimento di Foucault includeva anche rotazione e specchi, ma in questo caso, il dispositivo rotante non era una ruota dentata, ma piuttosto un altro specchio. La luce viaggiava da una sorgente allo specchio rotante, rimbalzava su di esso, colpiva lo specchio fisso, poi tornava allo specchio rotante e infine all'osservatore. Lo specchio rotante girava a una velocità sufficientemente elevata in modo che, quando la luce tornava all'osservatore, venisse osservata in un punto diverso rispetto alla sorgente luminosa. Conoscendo le distanze da ciascuno specchio, la velocità alla quale lo specchio ruotava e l'angolo di riflessione, Foucault fu in grado di calcolare la velocità della luce a circa 298 milioni di m/s, che è estremamente vicina al valore accettato oggi. Foucault annunciò i suoi risultati un anno dopo quelli di Fizeau, aggiungendo al pool di prove della velocità finita della luce e affinando ulteriormente il suo elusivo valore reale.

La maggior parte delle misurazioni della velocità della luce fino a questo punto erano state vicine all'accuratezza con un errore del 5% o meno, ma non erano state molto precise. La maggior parte dei valori arrotondava al milione di m/s più vicino. E riempire questi zeri avrebbe richiesto molta più precisione. Questa tecnologia non sarebbe arrivata fino al XX secolo e sarebbe arrivata per mano di un fisico prussiano-americano di nome Albert Michelson. Albert Michelson è più famoso per il suo esperimento del 1887 con Edward Morley, noto come esperimento di Michelson-Morley. È l'esperimento con risultato nullo più famoso di tutta la fisica e fornì forti prove che non esiste l'etere luminifero, un presunto mezzo che ipoteticamente agiva come vettore per le onde luminose. Ho trattato questo esperimento in un video precedente che linkerò nella descrizione se siete interessati. L'esperimento di Michelson-Morley stesso operava confrontando la velocità della luce a diverse angolazioni.

Michelson fu un pioniere negli strumenti di precisione per misurare la velocità della luce e aveva elaborato idee su come affinare la sua misurazione da quando era ufficiale di marina nel 1869. Iniziò cercando modi per migliorare l'allestimento dello specchio rotante di Foucault utilizzando una migliore tecnologia ottica ed espandendo la distanza che la luce avrebbe percorso durante gli esperimenti. Nel 1879, raggiunse un valore per c di 299.910 m/s, più o meno 50.000 m/s. Mentre era in marina, Michelson ebbe come mentore Simon Newcomb. Con migliori finanziamenti sotto Newcomb, affinarono la loro misurazione a 299.853.000 m/s, più o meno 60.000 m/s.

Tuttavia, anche con una misurazione più precisa, Michelson non era soddisfatto. 33 anni dopo l'esperimento di Michelson-Morley, nel 1920, Albert iniziò a pianificare un nuovo esperimento che avrebbe misurato la luce dall'Osservatorio di Mount Wilson a Los Angeles, California, fino a Lookout Mountain, a circa 22 miglia di distanza. Utilizzando ancora la stessa tattica impiegata da Foucault 70 anni prima e con l'aiuto di un processo di misurazione della linea di base durato due anni dal United States Coast and Geodetic Survey, Michelson raggiunse un valore per la velocità della luce di 299.796.000 m/s con un errore di soli 4.000 m/s.

Questo non fu ancora l'ultimo tentativo di Michelson di affinare ulteriormente il suo valore calcolato per c. C'erano alcune fonti di errore con questo esperimento di Lookout. Il primo fu un terremoto che si verificò nel 1925 a Santa Barbara mentre il rilevamento geodetico era ancora in corso. Questo terremoto compromesse in qualche modo la linea di base e, unito a immagini sfocate causate dalla foschia dell'atmosfera di Los Angeles a causa degli incendi boschivi, è comprensibile che Michelson non fosse ancora soddisfatto delle sue misurazioni.

Il suo prossimo e ultimo sforzo continuò per il resto della sua vita e non si concluse fino a dopo la sua morte. Per questo ultimo tentativo, collaborò con Francis G. Pease e Fred Pearson. E nel 1929, inventarono un nuovo e ingegnoso dispositivo. Questo dispositivo era essenzialmente un tubo lungo 1,6 km o 1 m di lunghezza e 1 m di larghezza. Forse l'aspetto più impressionante di questo tubo non era la sua dimensione, ma il fatto che l'intero fosse reso quasi un vuoto perfetto. Michelson, frustrato dalla foschia che influenzava le sue misurazioni negli anni precedenti, voleva che l'atmosfera non avesse assolutamente alcun effetto sulle sue misurazioni successive. All'interno del tubo c'era una serie di specchi che riflettevano una sorgente luminosa in successione, oltre 10 volte. Questo allestimento fu in grado di estendere il percorso della luce all'interno del tubo da 1,6 km a poco più di 8 prima che tornasse allo specchio rotante e poi all'osservatore per misurare l'angolo di deflessione. I tre scienziati pianificarono una serie di 233 misurazioni nel corso di diversi anni per ottenere la misurazione più precisa possibile.

Sfortunatamente, Michelson morì nel 1931 dopo che furono effettuate solo 36 di quelle misurazioni. Il tubo lungo un miglio non era immune da errori. Poiché il trio era ancora in California, era ancora soggetto a terremoti, che spostavano parti del tubo a volte. Era in costante necessità di manutenzione a causa di ciò e anche a causa di problemi di condensa che influivano sulla visibilità della luce durante i loro esperimenti. Ciononostante, i risultati furono pubblicati nel 1935, 4 anni dopo la morte di Michelson, da Pease e Pearson, con una misurazione della velocità della luce di 299.744.000 m/s con un errore di 11.000 m/s.

Dal calcolo del 1935, la velocità della luce è stata ulteriormente affinata a 299.792.458 m/s. È sorprendente quanto bene abbia funzionato il metodo dello specchio rotante e come sia stato il metodo principale di calcolo fino al 1950 circa, quando il metodo del risonatore a cavità fu utilizzato da Essen e Gordon Smith. Nel 1983, il valore della velocità della luce è stato fissato come unità SI ufficiale e la definizione del metro è stata modificata nella distanza percorsa dalla luce in 1/299.792.458 di secondo. Ciò significa che oggi misurare la luce non influisce sul valore accettato della velocità della luce, ma piuttosto affina ulteriormente la definizione del metro man mano che vengono effettuate misurazioni sempre più precise.

La velocità della luce nel vuoto è una velocità incredibilmente elevata rispetto a noi, ma rispetto alla scala dell'universo è incredibilmente lenta. È il nostro limite di velocità universale e viaggiare a quella velocità è un ottimo esempio di spingere la relatività ai suoi limiti. Il semplice fatto che gli scienziati nel XVII secolo siano stati in grado di prendere ciò che sembrava infinito per loro prima e trasformarlo in un valore quantificabile è oltre il notevole. Grazie a secoli di innovazione e al lavoro di molti scienziati brillanti, la nostra comprensione della luce è cresciuta significativamente insieme ai limiti fondamentali che si trovano nel nostro universo. Se ti è piaciuto questo video, considera di mettere mi piace e iscriverti. Clicca qui se vuoi vedere altri progressi scientifici compiuti durante questo periodo. Grazie per aver guardato e ci vediamo nel prossimo video.