mostra stelle, gas, radiazioni e buchi neri, tra le altre fonti. Ma la luce proveniente da tutte queste fonti, dai raggi gamma al visibile alla luce radio, si muove sempre alla stessa velocità attraverso lo spazio vuoto: la velocità della luce nel vuoto. NASA / ESA / SSC/CXC / STScI
Non importa quanto velocemente vai, c’è sempre una cosa che non sarai mai in grado di catturare: la luce. La velocità della luce non è solo la velocità più veloce che qualsiasi cosa nell’Universo può viaggiare, è considerata una costante universale. Se brilliamo una torcia elettrica, guardiamo la Luna o il Sole, o misuriamo una galassia da miliardi di anni luce di distanza, la velocità della luce è l’unica cosa che non cambia mai. Ma è proprio vero? Questo è ciò che Violet Brettschneider vuole sapere:
La luce si muove sempre alla stessa velocità? Se è rallentato da qualcosa, sarà rimanere più lento dopo che non è più essere rallentato? Sarà velocità di nuovo fino alla velocità della luce?
Iniziamo con quale luce è a un livello fondamentale: una particella.
i campi che si propagano alla velocità della luce definiscono cos’è la radiazione elettromagnetica. La più piccola unità (o quantum) della radiazione elettromagnetica è nota come fotone. Immagine di dominio pubblico
Potrebbe non sembrare una particella quando la vedi provenire da una fonte di luce come una lampadina, una torcia elettrica, un puntatore laser o persino il Sole, ma questo perché non siamo ben attrezzati per vedere le singole particelle. Se usiamo fotorivelatori elettronici invece dei nostri occhi, scopriamo che tutta la luce nell’Universo è composta dallo stesso tipo di particella: il fotone. Ha alcune proprietà che sono le stesse tra tutti i fotoni:
- la sua massa (che è 0),
- la sua velocità (che è sempre c, la velocità della luce),
- il suo spin (che è sempre 1, una misura del suo momento angolare intrinseco),
e uno molto importante che varia: la sua energia. La luce viola ha la maggior energia di qualsiasi fotone visibile agli occhi umani, mentre il rosso ha la minore energia di qualsiasi fotone visibile. A energie ancora più basse sono fotoni infrarossi, microonde e radio, mentre i fotoni ultravioletti, raggi X e raggi gamma possono essere trovati a energie più elevate.
che corrispondono a varie parti dello spettro elettromagnetico. NASA e Wikimedia Commons user Inductiveload
Attraverso il vuoto dello spazio, non importa quale sia la loro energia, viaggiano sempre alla velocità della luce. Non importa quanto velocemente insegui o corri verso la luce; quella velocità a cui la vedi viaggiare sarà sempre la stessa. La cosa che cambia, invece della sua velocità, sarà l’energia della luce. Si muovono verso la luce e appare più blu, aumentando ad energie superiori. Allontanati da esso e sembra più rosso, spostato verso energie più basse. Ma niente di tutto questo, non importa come ti muovi, come fai muovere la luce, o come cambi l’energia, causerà il cambiamento della velocità della luce. Il fotone a più alta energia e il fotone a più bassa energia mai osservato viaggiano entrambi esattamente alla stessa velocità.
luce, tra cui il fotone, il gluone e le onde gravitazionali, che trasportano rispettivamente le interazioni elettromagnetiche, nucleari forti e gravitazionali. NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet
Ma se siete disposti a uscire da un vuoto e in un materiale, è possibile rallentare la luce verso il basso. Qualsiasi materiale trasparente alla luce farà viaggiare quei fotoni attraverso di esso, tra cui acqua, acrilico, cristalli, vetro e persino aria. Ma perché ci sono particelle cariche in questi materiali-elettroni in particolare-interagiscono con i fotoni in modo tale che li rallentano. La luce, anche se non è carica, si comporta come un’onda. Mentre un fotone si muove attraverso lo spazio, esibisce campi elettrici e magnetici oscillanti e può interagire con particelle cariche. Queste interazioni lo rallentano e lo fanno muovere a una velocità inferiore alla velocità della luce finché sono in un materiale.
prism dimostra come la luce di diverse energie si muova a velocità diverse attraverso un mezzo, ma non attraverso un vuoto. University of Iowa
Diversi fotoni hanno energie diverse, il che significa anche che i loro campi elettrici e magnetici oscillano a velocità diverse. Mentre la velocità di tutti i diversi tipi di luce è la stessa nel vuoto, tali velocità possono essere diverse in qualsiasi tipo di mezzo. Brillare la luce bianca (composta da tutti i colori) attraverso una goccia d’acqua o un prisma, e i fotoni più energetici rallenteranno ancora di più di quelli meno energetici, causando la separazione dei colori.
gli arcobaleni sono dovuti alla luce solare che interagisce con le gocce d’acqua, mentre gli arcobaleni rimanenti derivano da ulteriori riflessi nell’acqua sottostante. I colori si separano a causa delle diverse velocità della luce dei fotoni di diverse energie attraverso un mezzo, in questo caso l’acqua. Terje O. Nordvik tramite Astronomy Picture of the Day della NASA
Questo è il modo in cui la luce splendente attraverso le goccioline d’acqua crea un arcobaleno, perché i fotoni di diverse energie interagiscono con le particelle cariche in un mezzo (e rallentano) di quantità diverse.
gocciolina risultato in luce separazione ad una varietà di angoli, con luce rossa in movimento più veloce e luce viola in movimento più lento attraverso il mezzo di acqua. Science Learning Hub / public domain
Ciò che è importante ricordare, però, in tutto questo, è che nulla sta cambiando sulla luce stessa. Non sta perdendo energia; non sta cambiando le sue proprietà intrinseche fondamentali; non si sta trasformando in nient’altro. Tutto ciò che sta cambiando è lo spazio intorno ad esso. Quando quella luce esce dal mezzo e torna nel vuoto, torna a muoversi alla velocità della luce nel vuoto: 299.792.458 metri al secondo. Infatti, la definizione stessa che abbiamo di distanza e tempo — ciò che definisce un “metro” o un “secondo” — viene dalla luce stessa. Gli atomi possono assorbire o emettere luce, a seconda di come gli elettroni all’interno di una transizione atomo.
Delta_f1, è la transizione che definisce il metro, secondo e la velocità della luce. A. Fischer et al., The Journal of the Acoustical Society of America (2013)
Il cesio, il 55 ° elemento sulla tavola periodica, ha 55 elettroni in un singolo atomo neutro stabile. I primi 54 elettroni in genere vivono nello stato di energia più basso, ma il 55 ha due possibili livelli di energia che può occupare che sono estremamente vicini tra loro. Se passa da quello leggermente più alto a quello leggermente più basso, quell’energia entra in un fotone di un’energia molto particolare e ben definita. Se prendi 9.192.631.770 cicli di quel fotone, è così che definiamo un secondo. Se prendi la distanza percorsa in 30,663319 cicli (che è 9,192,631,770 diviso per 299,792,458), ottieni la definizione di un metro.
Questo ci insegna qualcosa di fenomenale profondo: finché gli atomi sono uguali ovunque nell’Universo, allora le nostre definizioni di tempo, lunghezza e velocità della luce non cambieranno mai, non importa dove o quando guardiamo nell’Universo.
Universo, la fisica che governa gli atomi, e quindi le nostre definizioni di lunghezza, tempo e velocità della luce, sono esattamente le stesse. NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields
Quindi cosa impariamo, mettendo tutto questo insieme?
- La luce, non importa quanto sia alta o bassa energia, si muove sempre alla velocità della luce, purché viaggi attraverso il vuoto dello spazio vuoto.
- Nulla che tu faccia al tuo movimento o al movimento della luce cambierà quella velocità.
- Passando quella luce in un mezzo non vuoto, puoi cambiare la sua velocità finché è in quel mezzo.
- La luce di diversa energia cambierà la sua velocità di quantità leggermente diverse, a seconda delle proprietà di quel mezzo.
- Una volta che si lascia quel mezzo e tornare nel vuoto di nuovo, che la luce torna a muoversi alla velocità della luce.
- E al meglio delle nostre conoscenze e misurazioni, la velocità della luce ha lo stesso valore di 299,792,458 m/s in ogni momento e in tutte le posizioni dell’Universo.
In molti modi, la luce è la particella più semplice dell’Universo. Anche se si muove sempre alla velocità della luce, non sempre si muove attraverso uno spazio completamente vuoto. Finché c’è materia nell’Universo che è trasparente alla luce, non sarai in grado di evitare di rallentarla. Ma non appena quella luce torna di nuovo nello spazio vuoto, torna alla velocità della luce nel vuoto,con ogni fotone che si muove come se non si fosse mai mosso a nessuna altra velocità!
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