Fattori che influenzano la velocità della luce

FATTORI CHE FAVORISCONO IL RALLENTAMENTO

Come primo esperimento si può misurare la velocità della luce che attraversi un mezzo diverso, per esempio acqua.
Si sa che le onde di superficie di un liquido si propagano meno velocemente, per esempio, nell'olio che nell'acqua.
Se queste onde possono rappresentare un'analogia ragionevole per la propagazione della luce, allora c'è da aspettarsi che la velocità della luce dipenda dal mezzo nel quale si propaga.
L'esperimento vero e proprio può essere fatto misurando il tempo impiegato da un impulso di luce per attraversare un recipiente di vetro, nel quale si sia posto il liquido in esame.
I risultati mostrano che la luce viaggia in tutti i mezzi trasparenti più lentamente che nel vuoto: nell'acqua, per esempio, la velocità è rallentata di un fattore 1,33, nell'aria di 1,0003.
Perciò, per una soluzione ideale, tutte le informazioni dovrebbero venir trasmette nel vuoto.

Un secondo problema è di osservare se la misura della velocità della luce dipende dal moto della sorgente della luce stessa. Nel XIX° secolo molti studiosi si erano convinti che tutta la materia, anche nello spazio siderale, era immersa nell'ETERE, un mezzo perfettamente trasparente, nel quale la luce si propaga come un moto ondulatorio, come il suono nell'aria.

FATTORI CHE NE FAVORISCONO L'INCREMENTO

In accordo con la relatività galileiana, un oggetto messo lanciato nella direzione in cui si muove l'osservatore in moto deve avere per l'osservatore in quiete una velocità v= v' + v_o , come si evince da tutti gli esperimenti effettuati.
Lo stesso deve accadere anche quando l'oggetto lanciato dall'osservatore in moto e un impulso luminoso, ossia un fotone. La dimostrazione più convincente dell'effetto del moto della sorgente si ha in un esperimento con particelle subnucleari chiamate mesoni.
Per il momento tutto ciò che occorre sapere è che questo tipo di particella può decadere emettendo due brevi impulsi di radiazione (detti fotoni). In alcuni esperimenti si è potuto osservare che mesoni m con una velocità maggiore del 99,98% della velocità della luce, nel decadere, producono fotoni che si muovono ad una velocità misurata di (2,9977 ± 0,0004)x 10⁸ m /s, che è in ottimo accordo con la velocità della luce misurata nel caso di sorgente ferma.
Perché non si osserva il propagarsi di due fotoni uno alla velocità di quasi 2c e l'altra alla velocità prossima allo 0?
Si osserva pertanto che la velocità di propagazione è indipendente dalla velocità dell'osservatore?

Siccome la Terra ruota attorno al Sole alla velocità di circa 3 x 10⁴ Km/s è molto più realistico suggerire di osservare una stella lontana e fissa a sei mesi di distanza: se per esempio la Terra in gennaio si muove verso la stella, in luglio se ne allontana.
Perciò la luce che proviene dalla stella potrebbe apparire più veloce in gennaio che in luglio.
Va sottolineato che questo effetto non può essere rivelato in modo diretto, in quanto anche la velocità della Terra di 3 x 1 0⁴ m sec^-1 risulta pur sempre 10⁴ volte inferiore a quella della luce.
Esistono però degli strumenti, chiamati interferometri ottici, che sono in grado di rivelare variazioni di 1 su 10⁶ nella velocità della luce.

INTERFEROMETRO DI MICHELSON. I due tratti scuri devono essere visti come lamine di vetro parzialmente riflettenti. La luce incidente sulla prima lamina viene scomposta in due raggi il primo inviato allo specchio mobile che lo riflette facendolo passare di nuovo dalla lamina che lo rifrangerà per farlo giungere all’occhi dell’osservatore. Le due lastre trasparenti di uguale sezione vengono utilizzate per mantenere in fase i raggi quando i due specchi sono perpendicolari ai raggi incidenti. Ruotando lo specchio mobile si ottiene lo stesso effetto dell’interferenza da una lamina d’aria a forma di cuneo( vedi sotto). Calcolando l’angolo di rotazione dello specchio rotante che determina il passaggio dalla frangia chiara a quella scura, possiamo determinare la variazione di cammino fra i due raggi che sarà uguale a ¼ di lunghezza d’onda. Conoscendo la frequenza della luce incidente avremo che il prodotto della lunghezza d’onda così determinato e della frequenza sarà uguale alla velocità della luce. Utilizzando detto apparato dopo aver verificato che era abbastanza sensibile da poter rilevare la differenza fra le velocità della luce nei due casi precedentemente menzionati, dimostrò che la velocità era sempre la stessa ossia di 299.792 km/s. Con grande sorpresa Michelson e Morley non riuscirono a trovare l'attesa dipendenza: la velocità della luce risulta indipendente dalla velocità dell'osservatore. In altre parole, gli esperimenti di interferenza ottica (come quelli effettuati da Michelson e Morley) non danno nessuna indicazione che il laboratorio, o più strettamente l'apparato di misura, stia muovendosi nello spazio. Infatti tutti gli esperimenti ottici non sono riusciti a mettere in evidenza alcun moto uniforme del laboratorio nello spazio.

Per riassumere:

1. La velocità della luce dipende dal mezzo nel quale propaga, con un valore massimo nel vuoto;

2. in ogni laboratorio la velocità della luce è indipendente dalla velocità della sorgente;

3. gli esperimenti di ottica compiuti in laboratorio (nel nostro caso la terra) non danno alcuna informazione sul moto uniforme del laboratorio stesso. Questa conclusione, che tra breve si vedrà valida anche per esperimenti di meccanica, vale in realtà per ogni tipo di esperimento.