I primi raggi del sole esplodono sull'orizzonte terrestre durante un'alba orbitale mentre la Stazione Spaziale Internazionale orbita sopra l'Oceano Indiano a sud-ovest dell'Australia. Fonte: https://www.nasa.gov/image-feature/the-suns-first-rays-burst-over-the-earths-horizon

Da Galileo a Rømer: la storia della velocità della luce

La velocità della luce è una delle grandezze più importanti in fisica, ad esempio tramite essa è possibile convertire la massa in energia e viceversa. A lungo si è ritenuto che fosse infinita a causa dell’apparente istantaneità con la quale si propaga. Basti pensare alla luce del Sole che per raggiungere la Terra impiega circa 8 minuti, mentre ai nostri occhi il processo appare immediato. Ma com’è stato misurato il suo valore?

I primi raggi del sole esplodono sull’orizzonte terrestre durante un’alba orbitale mentre la Stazione Spaziale Internazionale orbita sopra l’Oceano Indiano a sud-ovest dell’Australia – Fonte: Nasa.gov

La questione se la luce richieda tempo per propagarsi è stata più volte affrontata. Sulla base di semplici esperienze, legate per lo più al senso comune, è prevalsa l’idea che la luce dovesse propagarsi istantaneamente. Questa convinzione è stata rafforzata da alcune considerazioni legate alla fisica aristotelica; poiché la propagazione della luce non rappresentava un moto materiale, non dovendo essa subire resistenza nel mezzo, doveva propagarsi in un istante. A questa concezione aderirono per secoli quasi tutti gli studiosi di ottica, tra i quali Keplero e Cartesio, con qualche eccezione costituita ad esempio da Alhazen e dai suoi sostenitori.

L’esperimento di Galileo Galilei

Il primo a cimentarsi nella misura della velocità della luce fu Galileo Galilei. Nel 1638, egli pubblicò il trattato Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attinenti alla meccanica e ai moti locali dove proponeva che la velocità della luce potesse essere misurata tramite delle lanterne.

Il suo esperimento prevedeva di porre due lanterne a circa 2 chilometri di distanza e di calcolare il tempo che la luce impiegava ad arrivare da un punto all’altro. Quando Galileo scopriva la sua lanterna, il suo assistente doveva scoprire la propria non appena vedeva la luce. Misurando il tempo necessario per vedere la luce proveniente dalla lanterna del suo assistente, Galileo avrebbe potuto ricavare la velocità della luce.

Esperimento di Galileo Galilei – Fonte: INFN Sezione di Ferrara

L’esperienza però non portò a nessun risultato. La luce per percorrere 2 chilometri impiega circa 0,000005 secondi, un valore impossibile da misurare con gli strumenti a disposizione di Galileo.

Ole Rømer e l’orbita di Io

Tuttavia, per distanze maggiori e possibile ricavare una stima della velocità anche con strumenti meno sofisticati. Nel 1676 l’astronomo danese Ole Rømer riuscì a determinare un valore veritiero osservando l’orbita di Io, il più interno dei quattro grandi satelliti di Giove, scoperti da Galileo nel 1610.

Il periodo orbitale di Io è ora noto per essere 1,769 giorni terrestri (42 ore). Il satellite è eclissato da Giove una volta ogni orbita, visto dalla Terra. Osservando queste eclissi per molti anni, Rømer notò qualcosa di particolare: l’intervallo di tempo tra le eclissi successive divenne costantemente più breve man mano che la Terra si avvicinava a Giove e divenne costantemente più lungo man mano che il nostro pianeta si allontanava.

Dai suoi dati, Rømer ha stimato che quando la Terra era più vicina a Giove, le eclissi di Io si sarebbero verificate circa undici minuti prima di quanto previsto sulla base del periodo orbitale medio. Mentre 6 mesi e mezzo dopo, quando la Terra era più lontana, le eclissi si sarebbero verificate circa undici minuti più tardi del previsto.

Rømer capì che il periodo orbitale di Io non aveva nulla a che fare con le posizioni relative della Terra e di Giove. In un’intuizione brillante, si rese conto che la differenza di tempo doveva essere dovuta alla velocità finita della luce.

L’Eclissi

L’ipotesi di Rømer lasciò perplesso il direttore dell’osservatorio, Gian Domenico Cassini. Allora per convincere quest’ultimo, annunciò che l’eclissi di Io, prevista per il 9 novembre 1676, sarebbe avvenuta 10 minuti prima dell’orario che tutti gli altri astronomi avevano dedotto dai precedenti transiti della luna.

La previsione si verificò e Cassini dovette ricredersi. Rømer spiegò che la velocità della luce era tale che aveva impiegato 22 minuti per percorrere il diametro dell’orbita terrestre. Purtroppo, avendo un valore impreciso del diametro dell’orbita terrestre, il valore ottenuto fu 210.800.000 m/s.

Rømer comunicò la sua scoperta alla Accademia delle Scienze e la notizia venne poi pubblicata il 7 dicembre 1676, data che oggi viene ricordata come quella della prima determinazione della velocità della luce.

Eclissi di Io – Fonte: Focus.it

Altri studi

Lo scienziato olandese Christiaan Huygens, nel 1790, riuscì a trovare un valore per la velocità della luce equivalente a 210.824.061,37 m/s. La differenza era dovuta agli errori nella stima di Rømer per il ritardo massimo (il valore corretto è 16,7, non 22 minuti), e anche ad una conoscenza imprecisa del diametro orbitale della Terra. Più importante della risposta esatta, tuttavia, era il fatto che i dati di Rømer fornivano la prima stima quantitativa per la velocità della luce.

In seguito, la velocità della luce è stata misurata dai fisici con precisione assoluta: un raggio luminoso viaggia nel vuoto a 299.792.458 m/s. In un secondo potrebbe compiere sette giri e mezzo della Terra seguendo la linea dell’equatore.

Serena Muscarà

 

Bibliografia

https://www.focus.it/scienza/scienze/velocita-della-luce-news

http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109N/lectures/spedlite.html

https://www.amnh.org/learn-teach/curriculum-collections/cosmic-horizons-book/ole-roemer-speed-of-light#:~:text=The%20speed%20of%20light%20could,is%20186%2C000%20miles%20per%20second.

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