La velocità della luce è stata studiata per secoli da numerosi scienziati il cui valore nel vuoto è una costante fisica universale esattamente uguale a 299.792.458 metri al secondo ovvero circa 300.000 chilometri al secondo noto come limite di velocità cosmica
La luce che viaggia in una sostanza o in un mezzo uniforme si propaga in linea retta a una velocità relativamente costante, a meno che non venga rifratta, riflessa, diffratta o perturbata in qualche altro modo. Questo fatto scientifico ben consolidato fu originariamente proposto dall’antico studioso greco Euclide, intorno al 350 a.C. nel suo storico trattato Optica.
Il valore della velocità della luce nel vuoto che ha un indice di rifrazione di 1.0 diminuisce a seconda del mezzo attraversato in base all’indice di rifrazione di quel mezzo. L’indice di rifrazione di un mezzo materiale è dato dal rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce in quel mezzo.
Pertanto essa vale 225.000.000 metri al secondo nell’acqua che ha un indice di rifrazione di 1.3 e 200.000.000 metri al secondo nel vetro che ha un indice di rifrazione 1.5.
Nel diamante, con un indice di rifrazione piuttosto alto di 2.4 la velocità della luce è ridotta a 125.000.000 metri al secondo essendo circa il 60 percento inferiore alla sua velocità massima nel vuoto.
I primi tentativi di misurazione della velocità della luce
Nel 1638, il fisico, astronomo, filosofo e matematico italiano, considerato il padre della scienza moderna italiano Galileo Galilei tentò di determinare la velocità della luce misurando il tempo necessario alla luce per viaggiare tra due osservatori. Galileo e un suo discepolo si posero su due collinette a una distanza di circa un miglio, con le due lanterne schermate.
Quando Galileo scopriva la sua lanterna, anche l’allievo avrebbe fatto lo stesso. In tal modo si riteneva di poter misurare il tempo trascorso tra l’accensione di una lanterna e la visione della luce di risposta e di conseguenza la velocità della luce. Tuttavia i risultati furono deludenti infatti oggi sappiamo che i tempi di reazione degli osservatori erano assai maggiori del tempo di viaggio della luce tra le due persone.
Galileo però tentò nuovamente l’esperimento a una distanza doppia ma non trovò alcuna differenza tra i due intervalli di tempo rilevati e da tale risultato egli dedusse che la luce si propaga istantaneamente, ovvero con una velocità infinita.
La prima vera misurazione della velocità della luce avvenne circa mezzo secolo dopo, nel 1676, ad opera dell’astronomo danese Ole Römer utilizzando la luna di Giove, Io, scoperta, peraltro dallo stesso Galileo. Questa luna veniva eclissata da Giove a intervalli regolari, mentre Io girava attorno al pianeta secondo un’orbita circolare a velocità costante.
Studiando la luna di Giove e le sue eclissi, Römer riuscì a prevedere la periodicità dell’eclissi. Tuttavia, dopo diversi mesi, notò che le sue previsioni diventavano sempre meno accurate a intervalli di tempo progressivamente più lunghi, raggiungendo un errore massimo di circa 22 minuti.
Poi le sue previsioni sono diventate di nuovo più accurate nel corso di diversi mesi, con il ciclo che si ripeteva e si rese presto conto che le differenze osservate erano causate da variazioni nella distanza tra la Terra e Giove, dovute ai percorsi orbitali dei pianeti. Mentre Giove si allontanava dalla Terra, la luce aveva una distanza maggiore da percorrere, impiegando più tempo per raggiungere la Terra.
Applicando i calcoli relativamente imprecisi relativi alle distanze tra la Terra e Giove all’epoca disponibili fu in grado di stimare la velocità della luce a circa 220.000.000 metri al secondo.
Einstein e velocità della luce
Dopo stime sempre più accurate ad opera di numerosi scienziati le equazioni del matematico e fisico scozzese James Clerk Maxwell, evidenziarono che tutte le onde elettromagnetiche viaggiavano esattamente alla stessa velocità della luce nello spazio vuoto, e che la luce stessa era un tipo di onda.
Maxwell concluse che la luce e altre onde elettromagnetiche dovrebbero viaggiare a una certa velocità fissa rispetto a un mezzo ambientale non confermato che chiamò etere. Gli esperimenti di Michelson e Morley del 1887 dimostrarono che la luce viaggia alla stessa velocità indipendentemente dal fatto che sia stata misurata nella direzione del moto terrestre o normale a esso.
Fu il genio del giovane Einstein a spiegare perché la velocità della luce è costante e non dipende dalla velocità della sua sorgente o del suo osservatore. Nel 1905 Einstein si rese conto che l’idea dell’etere come mezzo per la luce di viaggiare era del tutto superfluo se si fosse stati disposti ad abbandonare l’idea del tempo assoluto e ipotizzò che la velocità della luce avesse il ruolo di velocità infinita nel nostro universo, e che in realtà nulla avrebbe mai potuto viaggiare più veloce della luce.
La velocità costante della luce sarebbe diventata uno dei due assi principali della sua Teoria della Relatività Speciale. Nel frattempo, gli scienziati sperimentali hanno continuato ad applicare strumenti sempre più sofisticati per individuare un valore corretto per la velocità della luce e ridurre l’errore nella sua misurazione.