Impossibile misurare la velocità della luce in una singola direzione
La relatività speciale è una delle teorie più fortemente validate che l'umanità abbia mai ideato. Essa è centrale in ogni cosa dai viaggi spaziali ai GPS alla nostra griglia energetica elettrica. Centrale per la relatività è il fatto che la velocità della luce nel vuoto sia una costante assoluta. Il problema è che non sia mai stato dimostrato.

Quando Einstein propose la teoria della relatività, c'era da spiegare perché la luce avesse sempre la stessa velocità. Verso la fine del 1800 si sapeva che dato che la luce viaggiava come un'onda doveva essere trasportata da un qualche tipo di materiale invisibile noto come etere luminifero. Il ragionamento era che le onde richiedono un mezzo, come il suono in aria o le onde d'acqua in acqua. Ma se l'etere esisteva, allora la velocità della luce osservata doveva cambiare mentre la Terra si muoveva attraverso l'etere. Ma le misure per osservare la deriva dell'etere sono risultate nulle. La velocità della luce sembrava essere costante.

Einstein trovò che il problema era stato assumere che lo spazio e il tempo fossero assoluti e la velocità della luce potesse variare. Se invece, si assumeva che la velocità della luce era assoluta, spazio e tempo dovevano essere affetti dal moto relativo. È un'idea radicale, ma è supportata da qualsiasi misura della costante di velocità della luce.

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Ma diversi fisici hanno sottilineato che mentre la relatività assume che la velocità della lucea nel vuoto sia una costante universale, è anche dimostrato che la velocità non può mai essere misurata. In particolare, la relatività ti proibisce di misurare il tempo che impiega la luce per viaggiare dal punto A al punto B. Per misurare la velocità della luce in una direzione, avresti bisogno di un cronometro sincronizzato ad ogni estremità, ma il movimento relativo interessa il tasso dei vostri orologi rispetto alla velocità della luce. Non potete sincronizzarli senza conoscere la velocità della luce, che non potete conoscere senza misurare. Quello che potete fare è usare un singolo cronometro per misurare il tempo di andata e ritorno da A a B fino ad A, e questo è ciò che ogni misurazione della velocità della luce fa.


Poiché tutta la velocità di andata e ritorno delle misure della luce danno un risultato costante, potreste calcolare di potere dividere appena il tempo da due e denominarlo un giorno. Questo è esattamente quello che ha fatto Einstein. Ha assunto il tempo lì e indietro era lo stesso. I nostri esperimenti concordano con questa ipotesi, ma concordano anche con l'idea che la velocità della luce che viene verso di noi è dieci volte più veloce della sua velocità di allontanarsi da noi. La luce non deve avere una velocità costante in tutte le direzioni, deve solo avere una velocità costante "media" andata e ritorno. La relatività vale ancora se la velocità della luce è anisotropica.

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Se la velocità della luce varia con la sua direzione di movimento, allora vedremmo l'universo in un modo diverso. Quando guardiamo le galassie lontane guardiamo indietro nel tempo perché la luce richiede tempo per raggiungerci. Se la luce distante ci raggiungesse rapidamente in qualche direzione, vedremmo l'universo in quella direzione come più vecchio e più espanso. Più la luce ci raggiunge, meno "indietro nel tempo" vedremmo. Poiché osserviamo un cosmo uniforme in tutte le direzioni, sicuramente la velocità della luce è costante.

Beh, non proprio, come dimostra un nuovo studio. Si scopre che se la velocità della luce varia con la direzione, così fa la contrazione della lunghezza e la dilatazione del tempo. La squadra ha considerato gli effetti della luce anisotropica su un modello relativistico semplice conosciuto come l'universo di Milne. In pratica è un universo giocattolo simile nella struttura all'osservazione, ma senza tutta la materia e l'energia. Scoprirono che l'anisotropia della luce avrebbe causato effetti di relatività anisotropica nella dilatazione temporale e nell'espansione cosmica. Questi effetti annullerebbero gli aspetti osservabili di una velocità di luce variabile. In altre parole, anche se l'universo era anisotropico a causa di una variata velocità di luce, sarebbe ancora apparire omogeneo.

Sembra che la semplice cosmologia non sia in grado di dimostrare l'ipotesi di Einstein sulla velocità della luce. A volte le idee più basilari della scienza sono le più difficili da dimostrare.

Referimento: Lewis, Geraint F., and Luke A. Barnes. “The One-Way Speed of Light and the Milne Universe.” arXiv preprint arXiv:2012.12037 (2020).
La chimica è una cosa che serve a tutto. Serve a coltivarsi, serve a crescere, serve a inserirsi in qualche modo nelle cose concrete.
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