La velocità universale della luce

appunti e considerazioni dal libro:  "L'enigma della gravitazione"

di Peter G. Bergmann edizioni scientifiche Mondadori

Per definire la quiete assoluta e il moto assoluto, bisogna essere in grado di distinguere, fra tutti i sistemi inerziali, quel particolare sistema di riferimento che sia non solo accelerato, ma che abbia inoltre alcune speciali proprietà, non possedute da latri sistemi di riferimento, che lo rendano il sistema al quale riferire tutti i processi dell'universo. Presumibilmente, nell'universo ideato da Newton non vi era nulla con cui poter selezionare questo particolare sistema di riferimento. Durante il XIX secolo, ebbe un notevole sviluppo la scienza dell'elettricità e del magnetismo grazie a: il danese Hans C. Orsted (1777-1851), Gli inglesi Michael Faraday (1791-1867) e James Clerck Maxwell (1831-1879), e il tedesco Heinrich Hertz (1857-1894). Maxwell in particolare notò che i fenomeni dell'elettromagnetismo non si adattavano allo schema della meccanica newtoniana. Mentre da una parte si riteneva che solo la distanza fra due oggetti determinasse la forza che essi esercitano uno sull'altro, d'altro canto si trovava che le cariche elettriche in moto, come nelle correnti elettriche, producono effetti che non si verificano quando le cariche sono a riposo. I corpi celesti si attraggono solamente; le cariche elettriche in quiete si attraggono o si respingono, ma in ogni caso le forze prodotte si esercitano sulla direzione delle congiungenti. Oersted scoperse che una corrente elettrica (che consiste di cariche elettriche in moto) esercita su un magnete una forza perpendicolarmente alla direzione della congiungente. Le osservazioni astronomiche avevano mostrato che la forza di due corpi dipendeva solo dalla loro configurazione istantanea, ma Hertz dimostrò sperimentalmente che le perturbazioni elettromagnetiche si propagano come onde, con velocità finita. Quindi le forze che agiscono su un corpo possono essere capite e spiegate soltanto in funzione della storia passata dell'altro corpo. Maxwell riuscì a dare a tutti i fenomeni elettromagnetici una forma matematica che vale tuttora. L'intera teoria è ridotta a un piccolo numero di equazioni,conosciute con il nome di equazioni del campo di Maxwell. Basandosi sui lavori precedenti di Faraday, Maxwell introdusse la nozione di campo,in contrasto con la tendenza newtoniana considerare l'azione diretta dei corpi, l'uno sull'altro, attraverso spazi vuoti (azione a distanza). Secondo Faraday e Maxwell, l'azione di un corpo elettricamente carico ha luogo tramite la produzione di sforzi nelle immediate vicinanze di questo. A loro volta questi sforzi ne producono altri su cerchi sempre più grandi, ma di intensità sempre minore all'allontanarsi della sorgente originale. Il totale degli sforzi, che si pensano capaci di esistere anche negli spazi vuoti, si chiama Campo. Le particelle, secondo Faraday e Maxwell, in presenza di campi sono soggette a forze; i campi sono così gli intermediari fra le particelle materiali e sostituiscono l'azione a distanza di Newton. Le equazioni di Maxwell descrivono matematicamente le relazioni fra cariche e correnti elettriche e i risultanti campi elettrici e magnetici, nonché le relazioni fra i campi stessi. Per es. una delle equazioni di Maxwell descrive il fatto che in presenza di un campo magnetico variabile nel corso del tempo, viene a formarsi un campo elettrico che non è generato dalla presenza di cariche elettriche. Questa legge, detta di induzione elettromagnetica, è utilizzata nei generatori elettrici, negli avvolgimenti nei quali, una volta che siano stati immersi in campi magnetici variabili, vengono prodotte differenze di potenziale. Sulla base di questa teoria, Maxwell non solo previde che i campi elettromagnetici si propagano a avelocità finita, ma ne determinò la velocità stessa, 300.000 Km/s in cifra tonda, la stessa velocità di propagazione della luce. Ne trasse la conclusione che la luce fosse una specie di fenomeno elettromagnetico. Hertz, influenzato dalle idee di Maxwell,  compì esperimenti di laboratorio che stabilirono l'esistenza di onde elettromagnetiche e che, per inciso, fu l'inzio dellamoderna tecnologia delle comunicazioni.Le leggi della meccanica riguardano solo accelerazioni, non velocità; nelle leggi dell'elettromgnetismo entra in gioco una velocità universale, la velocità di tutte le onde elettromagnetiche nello spazio vuoto. Il suo valore, calcolato è lo stesso per tutte le lunghezze d'onda, onde radio, luce o raggi X. Se esiste una velocità universale, diventa necessario rivedere la scelta di un sistema di riferimento nella meccanica newtoniana. Fintanto che le leggi della fisica hanno a che fare solo con accelerazioni, allora tutti i sistemi inerziali di riferimento sono ugualmente adatti per una descrizione della natura, e infatti, nell'ambito della meccanica, non è realizzabile alcun esperimento con il quale si possa scegliere un particolare sistema di riferimento come fondamentale.

Ma se nel vuoto la luce si muove a una velocità di 300.000 Km/s = "c", allora una precisa determinazione della velocità apparente della luce rispetto agli strumenti di laboratorio rivelerà quale è la velocità  di quegli strumenti rispetto al resto dell'universo, e dovrà esistere un sistema di riferimento rispetto al quale la luce, in qualsiasi direzione si muova, ha velocità c;  lo si chiami sistema di quiete assoluta (una volta erroneamente "etere"). Allora, rispetto a un qualsiasi altro sistema di riferimento, la velocità apparente della luce, sarà minore di c (vedi figura fondo pagina)  se questo sistema si muove verso il sistema di riferimento di quiete assoluta, e sarà maggiore di c  se si muove nella direzione opposta: nella figura il cerchio rappresenta la distanza alla quale è arrivato dopo un secondo il segnale luminoso partito da O; se, durante lo stesso secondo, un osservatore percorre la distanza v verso sinistra, allora, rispetto a lui, il segnale avrà percorso, sempre verso sinistra, la distanza (c - v), mentre verso destra avrà percorso la distanza (c + v). Scoprire lo stato di quiete assoluta richiedeva determinazioni prcise di fenomeni elettromagnetici: di conseguenza, esperimenti a questo scopo furono immediatamente progettati da un buon numero di scienziati, fra i quali i fisici americani Albert A. Michelson (1852-1931) e Edward W. Morley (1838 - 1923). Non è il caso di entrare nei particolare di queste ricerche; è sufficente dire che con molta ingegnosità entrò in questi tentativi di scoprire deviazioni della velocità della luce dall'uniformità in tutte le direzioni; tutti gli strumenti erano progettati con una precisione tale da permettere di scoprire anche una frazione dell'effetto che si supponeva esistesse. Tutti i tentativi fallirono e condussero al risultato, difficile da accettare a quei tempi, che la terra non possedeva un moto assoluto rispetto a un sistema di riferimento privilegiato. Il fisico olandese Hendrik Anton Lorentz (1853 - 1928) ideò uno schema teorico secondo cui il movimento assoluto degli oggetti fisici, compresi i regoli per misurare le lunghezze, doveva comprimere questi in modo tale da rendere impossibile scoprire differenze di velocità  nella propagazione della luce, qualunque fosse lo strumento usato. Jules Henri Poincaré (1854-1912), suggerì l'idea che l'impossibilità di identificare il sistema di riferimento in quiete assoluta indicava che tale sistema non esisteva e che quindi, in fondo, lo schema newtoniano di molteplice esistenza di sistemi inerziali doveva valere ancora. Nel 1905, Einstein unì le idee di Poincaré e di Lorentz in una visione del problema dei sistemi di riferimento e riuscì così a dimostrare  perché nessun esperimento poteva rivelare il movimento assoluto della Terra, senza tuttavia contraddire la tepria di Maxwell dell'elettromagnetismo. Einstein dimostrò che, modificando le idee tradizionali sullo spazio e sul tempo, si poteva, senza contraddizioni, accettare sia l'equivalenza dei sistemi inerziali di riferimento, sia la validità della teoria di Maxwell.

Se un osservatore O si muove rispetto "all'etere" con velocità v, il segnale luminoso partito da O percorrerà, in un secondo, verso sinistra, la distanza c - v e verso destra la distanza c + v (c  è la velocità della luce)