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Vilucitati dâ luci

A vilucitati dâ luci ntô vacanti, comunimenti innìcata cu lu sìmmulu , dô latinu celeritas ("celeritati, vilucitati"), da quannu ntô 1894 vinni accussi rapprìsintata da lu fisicu tidiscu Paul Drude, eni na custanti fìsica universali mpurtanti 'n assai campi dâ fìsica, u sô vulari prìcisu eni 299 792 458 m/s[1] (~299 Mm) (ossìa circa 3,00 3 × 108  m/s). Chistu valuri eni cunsìdiratu esattu picchì a vilucitati dâ luci ntô vacanti eni na custanti fisica innìpinnenti dâ vilucitati di l'uggettu ca lassa a radiazziuni, e quinni dô sistema di riferimentu inerziali usatu.

Vilucitati dâ luci
Nu raggiu laser ca parti dô Very Large Telescope 'n Cili, direttu versu u centru dâ nostra galassia.
Valuri esatti
Metri ô secunnu299 792 458
Lunchizza di Planck pi Tempu di Planck (vali a diri Unitati di misura di Planck)1
Valuri apprussimativi
Chilòmitri orari1080 miliuni 1.08×109
Migghia ô secunnu186 000
Migghia orari671 miliuni (6.71×108)
Unitati astrunòmiche ô jornu173
Parsec a l'annu0.307
Tempi di percurrenza apprussimativi dû signali luminusu
Nu pedi1.0 ns
Nu metru3.3 ns
Da l'orbita giostazziunaria â Terra119 ms
A lunchizza di l'iquaturi tirrestri134 ms
Da Luna â Terra1.3 s
Dû Suli a Terra (1 UA)8.3 m
Nu annu luci1.0 a.l.
Nu parsec3.26 a.l.
Dâ stidda cchìu vicina ô Suli (1.3 pc)4.2 a.l.
Dâ galassia cchìu vicina â Terra25 000 a.l.
Da na parti a l'avutra dâ Via Lattea100 000 a.l.
Dâ galassia di Andròmida â Terra2.5 miliuni a.l.
Dâ Terra ô limiti di l'Universu osservabbili46.5 miliardi a.l.

Secunnu a tiurìa di la rilativitati spiciali, c eni a vilucitati massima a cui tutta a materia, cunvenzzionali e quinni tutti i formi canusciuti di nfurmazzioni dintra l'universu ponnu viaggiari. Chista vilucitati veni spissu lijata a chidda dâ luci, ma 'n rialtati eni puru a vilucitati di tutti i particeddi sìenza massa e cancìamenti dî campi assucìativi viaggianu ntô vacanti (comu puru i radiazziuni elettrumagnetiche e li unni gravitazziunali). Chisti particeddi e unni viaggianu â vilucitati di c innìpinnentimenti dô muvimentu dâ surgenti o dâ struttura di riferimentu inerziali di chiddi ca talìanu u fenomenu. Nnê tiurii spiciali e ginirali c eni lijatu ô spazziutempu, ed eni prìsenti puru nnà famusa iquazzioni di Albert Einstein ca stabilisci a currìspunnenza e lu fatturi di cunvirsioni tra enirgìa e massa di nu sistema fisicu, E=mc².[2]

A vilucitati dâ luci però nun viaggia sempri â stissa vilucitati, idda si diffunni attraversu matiriali trasparenti, comu vitru o aria, a vilucitati cchìu vasci, e nnò stissu modu puru li unni elettrumagnetiche currìnu nnê cavi a vilucitati cchì lenti, e la sô diminuzzioni di vilucitati attraversu nu matiriali eni dittu innici di rifrazzioni n (n = c / v). Pî esempiu, u valuri di nu raggiu di luci ca viaggia dintra nu vitru eni di circa 1,5, ca significa ca la luci nnô vitru viaggia a 200.000 km/s, mentri nnâ l'aria l'innìci eni di circa 1.0003, ossia 299.700 km/s, cu nu rallentamentu di "suli" 90 km/s.

Pî assai scopi pratici e pâ nostra vita quotidiana, a luci e avutri unni elettrumagnetiche viaggianu vilucimenti, ma pî lonche distanzi e misuri astrunomiche, a vilucitati di chisti custanti appari assai lenta. Pî esempiu, ntô cumunicari cu sundi spazziali luntani, ponnu passari puru minuti o uri prima ca nu missàggiu possa arrivari dâ Terra finu nnê naviceddi, o viceversa. A luci dî stiddi ca talìammu ura, eni vecchia di cintinagghia, migghiaia, miliuna e miliardi anni, e chistu ci duna a pussibilitati di studiari a storia dî l'universu. A vilucitati dâ luci e quinni sì na vilucitati assai avuta dintra u cuntestu umanu, ma assai limitata ntô cuntestu astrunomicu.

U primu a dimustrari câ luci viaggia a na vilucitati finuta (ô cuntrariu di istantaneamenti), fu l'astrònumu danisi Ole Rømer, studiannu u motu apparenti di Io, unu di satèlliti di Giovi, ntô 1676. Ntô 1865 u fisicu scuzzisi James Clerk Maxwell cunsigghìo câ luci fussi na unna elettrumagnetica, e quinni ca viaggiava â vilucitati c, comu appari nnâ sô tiuria dî l'elettrumagnitismu.[3] Ntô 1905 u fisicu tidiscu Albert Einstein postuloni ca a vilucitati dâ luci fussi na custanti innìpinnenti rispetto a qualsiasi struttura inerziali e ô muvimentu dâ surgenti luminusa.[4] Einstein investigoni i cunsicuenzi di sô studi dìrivannu a tiuria dâ rilativitati e facennu chistu vitti ca u parametru c avia mpurtanza fora u cuntestu di elettrumagnitismu e di luci. Doppu seculi di misurazzioni sempri cchìu pricisi, ntô 1975 a vilucitati dâ luci era di 299 792 458 m/s, cu na pussibilitati di sbagghiu di 4 parti pî miliardu. Dô 21 di uttùviru 1983 si cunsìdira u valuri c0 comu pricisu, ossia sìenza sbagghi. e partennu da iddu si dìfinisci a lunchizza dû metru ntô Sistema 'ntirnazziunali di unitati di misura.

Valuri numericu, nutazzioni e unitati

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Lu fisicu Paul Drude, u primu a usari   nnâ sô nova funzioni.

A vilucitati dâ luci ntô vacanti eni sulitamenti arrìcanusciuta câ lettìra c minuscula, ca cignifica appuntu "custanti", dô latinu celeritas (ossia "celeritati, vilucitati"). Ntô 1856 i fisici tidischi Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch avìanu usatu c pî na custanti divìersa 'n secuitu ammùstrata uguali a √2 voti a vilucitatu dâ luci ntô vacanti. Storicamenti, u sìmmulu V jera usatu comu sìmmulu alternativu pâ vilucitati dâ luci, ntruduttu da lu fisicu scuzzisi James Clerk Maxwell ntô 1865, mentri ntô 1894 u fisicu tidiscu Paul Drude eni u primu ca rapprìsenta c cu sô novu significatu. Albert Einstein usoni u sìmmulu V nnê sô studi pâ rilativitati ginirali pî discriviri a vilucitati dâ luci, passannu ntô 1907 ô novu sìmmulu (c), ca a ddu puntu era addìvintatu u sìmmulu standard pâ vilucitati dâ luci.[5]

Alli voti c eni usatu pâ vilucitati di li unni 'n qualsiasi mezzu matiriali, e c0 pâ vilucitati dâ luci ntô vacanti.[6] Chista nutazziuni abbunata, ca eni appruvata dô Bureau international des poids et mesures[7], avi a stissa forma di avutri custanti currìlati: vali a diri μ0 pâ permeabilitati magnetica o "custanti magnetica", ε0 pâ custanti dielettrica dû vacanti, e Z0 pî l'mpidenza carattiristica dû vacanti, chistu ultimu usa c sulu pâ vilucitati dâ luci ntô vacanti.

A partìri dô 1983, tali strumentu eni statu dìfinitu ntô Sistema 'ntirnazziunali di unitati di misura comu a distanza cummìgghiata dâ luci ntô vacanti 'n 1/299 792 458 ô secunnu, fissannu a vilucitati dâ luci cu nu valuri prìcisu di 299,792.458 m/s[8]. Comu custanti fisica, u valuri numericu di c eni divìersu pî li divìersi sistemi di unitati, nnô campu da fìsica 'n cui c eni spissu prisenti, comu nnâ rilativitati, eni cumuni usari sistemi di unitati naturali o unitati geumetrizzati dunni c = 1.[9]. Usannu chisti unitati, c nun cumpari chiaramenti picchì a multiplicazziuni o divisiuni pî 1 nun cancìa u risultatu.

Ruolo funnamintali 'n fìsica

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Comu dittu, a vilucitati di luci e unni elettrumagnetiche ntô vacanti sunnu na custanti fisica innìpinnenti dâ vilucitati di l'uggettu ca lassa a radiazziuni, e quinni dô sistema di riferimentu inerziali usatu, tuttavia a friquenza dâ luci poni dipennìri dô muvimentu dâ surgenti dunni s'attrova l'osservaturi dû fenomenu, a causa dî l'effettu Doppler. Chista nvarianza dâ vilucitati dâ luci vinni cunsigghìata da Albert Einstein 1905, doppu essìri stata mutivata dâ tiuria dî l'elettrumagnitismu di James Clerk Maxwell e dâ mancanza di provi pî l'etiri luminiferu;[10] da allura eni statu custantimenti cunfirmatu da assai spirimenti. Eni pussibbili virificari spirimentalmenti ca â vilucitati dâ luci a dui vii (pî esempiu, da na surgenti a nu specchiu e viceversa) eni innìpinnenti, picchì eni mpossibbili misurari a vilucitati dâ luci a na dirizziuni (pî esempiu, da na surgenti a nu rilevaturi remotu) sìenza alcuni cunvinzioni su comu sincrunizzari i rulòggi â surgenti e ô rilevaturi. Tuttavia, aduttannu a sincronizzazzioni di Einstein pî rulòggi, a vilucitati dâ luci a sensu unicu addìventa uguali â vilucitati bidirezziunali dâ luci pî definizzioni.[11]. A tiurìa di la rilativitati spiciali sturìa i cunsicuenzi di chista nvarianza di c câ tiuria ca li liggi dâ fìsica sianu i stissi 'n tutti i sistemi di riferimentu inerziali.[12] Una dî cunsicuenzi eni ca c eni a vilucitati standard ca veni cummìgghiata da tutti i particeddi e li unni elettrumagnetiche (puru a luci) sìenza massa ntô vacanti.

 
Classicu esempiu di effettu Doppler, a friquenza acchìana ntô versu dû motu.

A rilativitati spiciali avi assai mplicazzioni cuntrari e spirimentalmenti virificati.[13] Chisti cumprennìnu a currìspunnenza di enirgìa e massa (E=mc²), a cuntrazzioni dî lunchizzi (li uggetti 'n muvimenti si accurzanu), e la dilatazzioni dû tempu (î rulòggi 'n muvimenti si movinu cchìu lentamenti). U fatturi γ cu cui i lunchizzi e li tempi si dilatanu eni famusu comu u fatturi di Lorentz ed eni datu da γ = (1-v2/c2)-1/2, dunni v eni a vilucitati dî l'uggettu. A diffìrenza di γ da 1 eni nsignificanti pî vilucitati assai cchìu lenti di c, comu a granni parti dî vilucitati ca pruvammu ogni jornu nnâ Terra -nto quali casu a rilativitati spiciali eni assai vicinu a rilativitati galileiana - ma acchìana a vilucitati rilativistiche e s'alluntana a l'infinitu quannu v si avvicina a c. Pî esempiu, nu fatturi di dilatazzioni tempurali di γ = 2 si verifica a na vilucitati rilativa di l'86,6% dâ vilucitati dâ luci (v = .866 c). Ugualmenti, nu fatturi di dilatazzioni temporali di γ = 10 si verifica in v = 99,5% c '.

I risultati dâ rilativitati spiciali ponnu essìri riassunti trattannu u spazziu e lu tempu comu na struttura unificata canuscìuta comu spazziutempu (cu c rilativa a li unitati di spazziu e tempu) e arrìchierinu ca li tiurii fisichi accuntentinu na spiciali simmetria chiamata covarianza di Lorentz, dunni dintra a sô formulazzioni matimàtica eni prisenti u paramitru c. Chidda di Lorentz eni na tiuria quasi universali tra li tiurii fisichi muderni, comu pî esempiu elettrudinamica quantistica, cromudinamica quantistica, u mudellu standard, a fìsica dî particeddi e la rilativitati ginirali. 'N quantu tali, u paramitru c eni sempri prìsenti nnâ fìsica muderna, appari 'n assai cuntesti nun lijati â luci, pî esempiu a rilativitati ginirali priviri ca c sia puru a vilucitati di gravitati e di li unni gravitazziunali. Ntô sistema di riferimentu nun inerziali (spazziutempu gravitazzionalmeti curvi o fotugrammi di riferimentu accilirati), a vilucitati lucali dâ luci eni custanti e uguali a c, ma loncu na traiuttoria di lunchizza finuta poni cancìari da c, a secunna di comu sunnu difiniti i distanti e li tempi.[14]

Giniralmenti si pensa ca li custanti funnamintali comu c hannu u stissu valuri duranti tuttu u spazziutempu, facennu pinsari ca nun dipennìnu dâ posizzioni e ca nun cancìanu ntô tempu. Tuttavia, eni statu suggìritu 'n divìersi tiurii câ vilucitati variabbili dâ luci putissi essìri cancìata ntô tempu.[15]. Accamùora nun sunnu stati attruvati provi conclusivi di tali cancìamenti, ma arrèstanu uggettu di ricerca 'n corsu. Si pensa puru câ vilucitati dâ luci sia isutropica, ossia ca avi u stissu valuri innìpinnenti dâ dirizziuni 'n cui veni misurata. Li osservazzioni di li emissioni pruvinenti da liveddi di enirgìa nucliari 'n funzioni di lì'orientamentu dî nuclii emettituri 'n nu campu magnèticu (talìa sperimentu Hughes–Drever) e dî cavitati ottici firrìantii hannu misu limiti rigurusi ncapu a pussibbili anisotrupia bidirezzionali.[16]

Limiti supiriuri a c

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Secunnu a rilativitati spìciali, l'enirgìa di nu uggettu cu massa a riposu m e vilucitati v eni data da γmc2, dunni γ eni u fatturi di Lorentz supra dìfinitu. Quannu v eni zeru, γ eni uguali a unu, putennu dari urigini â famusa formula E=mc² pû fatturi di cunvirsioni tra enirgìa e massa. U fatturi γ si avvicina a l'infinitu quannu v si avvicina a c, ma ci vulissi na quantitati nfinita di enirgìa pî accilirari nu uggettu cu na massa â vilucitati dâ luci, idda eni u limiti supiriuri pî vilucitati di uggetti cu massa di riposu pusitivi, e li sinculi fotoni nun ponnu viaggiari cchìu vilucimenti dâ vilucitati dâ luci.[17]. Chistu limiti eni spirimentalmenti certu tramiti test di enirgìa relativistica e quantitati di motu.[18] Cchìu giniralmenti, eni normalmenti mpussibbili ca nfurmazzioni o enirgìi putissìru viaggiari cchìu viluci di c.

 
U campu di curvatura secunnu a tiuria di Miguel Alcubierre.

Nnô tempu criscìu sempri chiossài a dumanna ncapu l'implicazzioni contru-intuitiva dâ rilativitati spìciali, canusciuta comu rilativitati dâ simultaneitati. Chistu cuncettu dici ca se a distanza spazziali tra dui eventi (A e B) eni maggiuri di l'intervaddu di tempu tra ri iddi multiplicatu pî c, allura ci sunnu strutturi di riferimentu 'n cui A prìceri B, avutri 'n cui B prìceri A e avutri 'n cui sunnu sincruni. Di cunsicuenza, se qualcosa viaggiava cchìu viluci di c rispettu a nu sistema di riferimentu inerziali, fussi comu viaggiari rarrèri nnô tempu rispettu a n'avutra struttura, e a casualitati vinissi viulata. Pigghìannu comu bonu chistu fenomenu, nu effettu putissi essìri vistu ancùora prima di succeriri, ma na tali violazzioni dâ casualitati nun eni mia stata rìgistrata e putissi purtari a paradossi comu l'antitelephone tachionicu.

Ntô 1994 u fisicu messicanu Miguel Alcubierre pubbricò nnâ rivista scintifica Classical and Quantum Gravity l'articulu scintificu "The Warp Drive: Hyper-fast travel within general relativity".[19] In chistu articulu u fisicu discriviu la unitati Alcubierre, nu modu tioricu ca putissi dari a pussibilitati di viaggiari cchìu viluci dâ luci sìenza viulari u principiu fisicu ca dici ca nenti poni viaggiari cchìu viluci dâ luci. Ntô l'articulu veni discrittu nu mudellu pî cui si putissi traspurtare nu vulumi di spazziu piattu dintra na "bulla" di spazziu curvu. Chista bulla, chiamata Hyper-relativistic local-dynamic space, eni muvuta 'n avanti da na espanzioni dû spazziutempu rarreri di idda, e da na cuntrazzioni diffìrenti davanti, 'n modu ca tioricamenti na navicedda spazziali fussi mossa da li forzi gìnirati da li muddifichi appurtati ô spazziutempu.

Osservazioni e spìrimenti cchìu viluci dâ luci

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Ci sunnu situazzioni 'n cui pô pariri câ materia, l'enirgìa o li nfurmazzioni putissiru viaggiari a vilucitati supiriuri a c, ma 'n rialtati nun succèri. Pî esempiu, a vilucitati di fasi dî raggi X attraversu a maggìuri parti di li ucchiali poni normalmenti supirari c,[20] ma a vilucitati di fasi nun determina a vilucitati cu cui li unni trasmettinu nfurmazziuni.[21]

Si nu raggiu laser veni vilucimenti spustatu ncapu nu uggettu luntanu, u puntu di luci poni muvirisi cchìu vilucimenti di c, puru se u muvimentu inizziali dû puntu sia ritardatu a causa dû tempu ca ci metti a luci pîî arrivari nnâ l'uggettu distanti â vilucitati c. Tuttavia, i suli entitati fisichi ca si movinu sunnu u laser e la sô luci emessa, ca viaggia a vilucitati c da lu laser a divìersi pusizzioni dû puntu. Ntô stissu modu, na ùmmira pruittata ncapu nu uggettu distanti poni essìri fatta muviri cchìu vilucimenti di c, doppu nu ritardu ntô tempu.[22]. 'N nuddu dî dui casi, materia, enirgìa o nfurmazziuni viaggianu cchìu vilucimenti dâ luci.[23] U tassu di cancìamentu dâ distanza tra dui uggetti 'n a struttura di riferimentu rispettu ô quali tutti e dui sunnu 'n muvimentu (vilucitati di chiujuta) poni aviri nu valuri supiriuri a c. Tuttavia, chistu nun rapprìsenta a vilucitati di ogni sinculu uggettu misuratu 'n na sincula trama inerziali.

 
Nu gettu relativisticu pruvinenti dâ Galassia Virgo A.

Alcuni effetti quantistici parinu essìri trasmessi istantaneamenti e quinni cchìu vilucimenti di c, comu ntô paradossu di Einstein-Podolsky-Rosen. Nu esempiu arrìguarda li stati quantici di dui particeddi cha ponnu essìri ncastrati. Finu a quannu nuddu dî dui particeddi veni talìata, iddi esistinu 'n na suvrapposizzioni di dui stati quantici, si li particeddi sunnu siparati e si talìa u statu quanticu di na particedda, u statu quanticu di l'avutra particedda veni spicificatu subbìtu (ossìa, cchìu viluci dâ luci putissi spustarisi da na particedda a l'avutra). Tuttavia, eni mpussibbili cuntrullari quali statu quanticu poni pigghìari a prima particedda quannu veni talìata, quinni li nfurmazziuni nun ponnu essìri trasmessi 'n chistu modu. N'avutru effettu quantisticu ca prìceri u verificarisi di vilucitati cchì viluci dâ luci eni chiamatu effettu Hartman: 'n certi cunnìzziuni u tempu nicìssariu pî na particeda virtuali a effettu tunnel attraversu na barriera eni custanti, innìpinnentimenti dô spissuri dâ barriera.[24]. Chistu putissi cumpurtari na particedda virtuali ca attraversa nu larcu spazziu cchìu viluci dâ luci, ma tuttavia nudda nfurmazziuni poni essìri inviata usannu chistu effettu.[25]

L'accussìdittu motu superluminali eni vistu 'n certi uggetti astrunomici, comu i getti relativistici, i radiugalassii e li quasar. Tuttavia, chisti getti nun si movinu a vilucitati supiriuri a chidda dâ luci: u muvimentu apparentimenti superluminali eni nu effettu di pruizzioni causatu da uggetti ca si movinu vicinu â vilucitati dâ luci e ca si avvicinanu â Terra cu nu nicu anculu rispettu â linea di visuali: cunsìdiratu câ luci ca vinia lassata quannu u gettu cchìu luntanu ci mitteva cchìu tempu pî arrivari nnê nuavutri, u tempu tra dui osservazzioni succissivi currispunninu a nu tempu cchìu loncu tra li istanti 'n cui i raggi luminusi vinianu emessi.[26]

Nnê mudelli di l'universu 'n espansiuni, chìossai i galassi sunnu luntani l'una da l'avutra, cchìu vilucimenti s'alluntananu. Chistu alluntanamentu nun eni duvutu ô muvimentu attraversu u spazziu, ma cchìuttostu a l'espansiuni dû spazziu stissu. Pî esempiu, i galassi luntani dâ Terra parinu alluntanarisi cu na vilucitati pruporzzionali nta iddi distanzi. Oltri nu cunfini chimatu vulumi di Hubble, a vilucitati cu ccui acchiana a loru distanza dâ Terra addìventa maggiuri dâ vilucitati dâ luci.[27]

Diffusioni dâ luci

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Nnâ fìsica classica, a luci eni discritta comu nu tipu di unna elettrumagnetica. U cumpurtamentu classicu dû campu elettrumagneticu eni discrittu nnê l'iquazzioni di Maxwell, ca anticipanu ca a vilucitati c cu cui li unni elettrumagnetiche (comu a luci) s'allarganu attraversu u vacanti eni currìlata â custanti dielettrica dû vacanti ε0 e la permeabilitati magnetica μ0 da l'iquazzioni:[28]

 

Nnâ miccànica quantìstica, u campu elettrumagneticu eni discrittu dâ tiuria di l'elettrudinamica quantistica (accurzatu 'n "QED"). 'N chista tiuria, a luci eni discritta da l'eccitazioni funnàmintali (o quanti) dû campu elettrumagneticu, chiamatu futuni. 'N QED, i futunu sunnu particeddi sìenza massa e quinni, secunnu tiurìa di la rilativitati spiciali, viaggianu â vilucitati dâ luci ntô vacanti.

Foru stati pigghìati 'n cunsìdirazzioni sviluppi di QED 'n cui u futuni avi na massa. 'N na tali tiuria, a sô vilucitati putissi dipennìri dâ sô friquenza, e la custanti vilucitati c dâ rilativitati spiciali putissi essìri quinni u litimi supiriuri dâ vilucitati dâ luci ntô vacanti, ma nuddu cancìamentu dâ vilucitati dâ luci cu friquenzi eni stata talìata 'n rigurusi test,[29] punennu limiti assai stritti ncapu a massa dû futuni. U limiti ca si avi dipenni dô mudellu usatu: se lu futunu massicciu eni discrittu dâ tiuria lagrangiana di Proca, u limiti supiriuri spirimintali pâ sô massa eni di circa 10−57 grammi;[30] si la massa di futuni eni gìnirata dô meccanismu di Higgs, u limiti supiriuri spirimintali addìventa menu chiaru; m ≤ 10−14 eV/c2 (circa 2 × 10−47 g).[31]

N'avutru mutivi pî cui a vilucitati dâ luci cancìa cu la sô friquenza, pari essìri u fallimentu dâ rilativitati spiciali usata 'n scali arbitrariamenti nichi, comu privistu da alcuni tiurii cunsigghìati ncapu a gravitati quantistica. Ntô 2009, l'osservazzioni dû spettru di lampi gamma di GRB 090510 nun avi truvatu alcuna diffìrenza nnê vilucitati dî futuni, cunfirmannu câ covarianza di Lorentz eni verificabbili almenu finu â scala dâ lunchizza di Planck (lP = √ħG/c3 ≈ 1,6163 × 10-35 ) divisu pî 1.2.[32]

'N nu mezzu

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Rifrazzioni di nu raggiu laser.

'N nu mezzu, a luci di solitu nun viaggia a na vilucitati uguali a c; oltretuttu, divìersi tipi di unni luminusi ponnu viaggiari a vilucitati diffìrenti. A vilucitati a cui sinculi cimi e nfussamenti di na unna chiana (na unna ca jìnchi l'interu spazziu, cu na sula friquenza) si prupaganu eni chiamata vilucitati di fasi vp. Nu signali fisicu effettivu cu na estinsiuni finuta (nu mpulsu di luci) viaggia a na vilucitati divìersa. A maggiuri parti di l'impulsu viaggia â vilucitati di ruppu vg, e la sô parti cchìu vecchia viaggia â vilucitati antiriuri vf.

A vilucitati di fasi eni mpurtanti pî capìri comu na unna luminusa viaggia attraversu nu matiriali o da nu matiriali a l'avutru. Eni spissu rapprìsintatu 'n termini di innici di rifrazzioni. L'innici di rifrazzioni di nu matiriali eni dìfinitu comu u rapportu tra c e vilucitati di fasi vp ntô matiriali: innìci di rifrazzioni maggiuri innìcanu vilucitati nfiriuri. L'innici di rifrazzioni di nu matiriali poni dipennìri dâ friquenza, intensistati, polarizzazzioni o dirizziuni dâ luci; in assai casi, tuttavia, poni essìri cunsìdirata na custanti innìpinnenti dô matiriali. Pî esempiu, l'innici di rifrazzioni di l'aria eni di circa 1.0003,[33], mentri chiddi di acqua, vitru e diamanti hannu innìci di rifrazzioni di circa 1,3, 1,5 e 2,4. 'N matiriali esotici comu i cundinsati di Bose-Einstein vicinu ô zeru assulutu, a vilucitati effettiva dâ luci poni essìri sulu di piccha metri ô secunnu. Comu esempiu estremu di "rallentamentu" dâ luci nnâ materia, si ponnu citari i travagghi di dui squatri innìpinnenti di fisici ca hannu dittu di putiri purtari â luci a nu "cumpletu arrestu" facennula passari attraversu nu cundinsatu di Bose-Einstein furmatu da àtumi di rubidiu. Tuttavia, a pupulari discrizzioni dâ luci "ferma" 'n chisti spirimenti si rifirisci sulu â memorizzazioni dâ luci nnê stati eccitati dî l'àtumi, quinni misi arrìeri 'n circulu 'n un mumentu succìssivu, comu stimulatu da nu secunnu mpulsu laser. Duranti u tempu 'n cui veni "firmata" a luci, idda avia cissatu di essìri lìggera. Chistu tipu di cumpurtamentu eni gìniralmeti micruspopicamenti veru pî tutti i mezzi trasparenti ca "rallentanu" a vilucitati dâ luci.[34]

Ntô 1999 na squatra di scinzati dî l'univirsitati di Harvard guidata da lu fisicu danisi Lene Hau arrìnisciu a rallintari a vilucitati dâ luci finu a na vilucitati di circa 17 m/s (ossìa 61 km/h), mentri ntô 2001 arrìnisceru a firmari nu raggiu.[35] Chistu risultatu vinni raggiuntu nviannu nu raggiu luminusu versu nu cundinsatu di Bose-Einstein; dintra u cundinsatu eranu prìsenti dui nubbi di atumi di sodiu gassosu raffriddati a tali puntu da arrivari a picca miliunesisi di gradu supra u zeru assulutu (currìspunnenti -273,15 °C), nu primu raggiu laser vinni fattu passari attraversu i nubbi pî preparari l'azzioni, subbutu doppu nu viluci mpulsu laser vinni futtu passari attraversu a prima nubbi dunni vinni schiacciatu e rallintatu a na vilucita di 17 m/s. Ntô vacanti nu mpulsu luminusu eni loncu circa 1 km, ma dintra a nubbi di sodiu veni accurzatu finu a na lunchizza di 0,02 mm, cchìu nicu dû spissuri di nu capiddu umanu, accussì nicu da putiri essìri circunnatu da nubbi di atumi.

 
Nu machinariu simili a chiddu usatu da Lene Hau pî rallintari e firmari a luci.

L'impronta luminusa ca si ferma nnâ nubbi di atumi di sodiu eni nca copia pirfetta dî l'impulsu uriginali, chistu impulsu poni essìri bluccatu ntô spazziu vacanti tra li dui nubbi, mentri quannu trasi nnâ secunna nubbi n'avutru raggiu laser u fa allargari arrìeri a diminsioni, a formi e vilucitati ca avìa prima dû spirimentu. Chistu eni nu effettu simili ô teletrasportu. Pî mannari uggetti ntô spazziu luntanu, chiddu ca si fa eni firmari e astutari nu mpulsu luminusu 'n na parti di spazziu e purtarlu 'n n'avutra parti di spazziu, facennu cuntinuari u sô viaggiu. Vistu câ luci e li unni elettrumagnetiche (comu li unni radiu) ponnu traspurtari nfurmazzioni, chista tecnoluggia putissi purtari a futura supercomputer libbìri da cavi e chip, cu cunnissioni di dati cchìu viluci, cumpatti e sicuri di quantu ùoggi ponnu essìri, oppuru fari viaggiari istantaneamenti missaggi radiu a pussibbili missioni umani su Marti o curreggìri nu eventuali erruri di navigazzioni di na sunda spazziali luntana uri luci.

Nnê matiriali trasparenti, l'innìci di rifrazzioni eni ginìralmenti maggiuri di 1, chistu significa câ vilucitati di fasi eni nfiriuri a c. 'N avutri matiriali, eni pussibbili che l'innìci di rifrazzioni addìventi nfiriuri a 1 pî alcuni friquenzi; 'n alcuni matiriali esotici eni pirsinu pussibbili cha l'innìci di rifrazzioni addìventi negativu.[36] U requisitu câ casualitati nun eni viulata implica ca li dui parti riali e immaginari dâ permittivitati rilativa di qualsiasi matiriali, currìspunnenti rispettivamenti a l'innìci e a lu coefficienti di assorbimentu, sianu lijati dâ rilazziuni di Kramers-Kronig.[37] 'N termini pratici, chistu significa ca 'n nu matiriali cu innìci di rifrazzioni nfiriuri a 1, l'assorbimentu di l'unna eni accussì viluci ca nuddu signali poni essìri nviatu cchìu vilucimenti di c.

Nu mpulsu cu divìersi vilucitati di fasi e di ruppu (ca si virifica se a vilucitati di fasi nun eni a stissa pî tutti i friquenzi dî l'impulsu) si spalma ntô tempu nu prucessu canuscìutu comu dispersioni ottica. Alcuni matiriali hannu na vilucitati di ruppu assai vascìa (o addirittura nulla) pî li unni luminusi, nu fenomenu chiamatu luci dèbbuli. ca eni statu cunfìrmatu 'n vari spirimenti.[38], comu puru vilucitati di ruppu supiriuri a c foru stati ammùstrati 'n spirimenti.[39]. Si pensa ca putissi essìri pussibbili câ vilucitati di ruppu addìventi nfinita o nigativi, cu mpulsi ca viaggianu istantaneamenti o rarrèri ntô tempu.[36] Nuddu di chisti opzioni, però, cunsenti di nviari nfurmazzioni cchìu viluci di c

Eni mpossibbili nviari nfurmazzioni cu nu mpulsu di luci qualsiasi cchìu viluci dâ vilucitati dâ prima parti dî l'impulsu (a vilucitati anteriuri). Si poni dimustrari ca chistu eni (sutta certi tiurii) sempri uguali a c. Eni possibbli ca na particedda viaggi attraversu nu mezzu cchìu viluci dâ vilucitati di fasi dâ luci 'n chiddu mezzu (ma ancùora cchìu lentamenti di c). Quannu na particedda carica u fa 'n nu matiriali dielettricu, veni diffusu l'equivalenti elettrumagneticu di na unna d'urtu, canùsciuta comu effettu Čerenkov.

Effetti pratici di c

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A vilucitati dâ luci eni mpurtanti pî lu sitturi dî telecumunicazzioni: u round Trip Time di annata e ritornu eni maggiuri di zeru. Chistu vali pî scali di misura sia nichi ca astrunomiche. D'altra parti, alcuni tecniche dipennìnu dâ vilucitati finuta dâ luci, comu pî esempiu u campu di misurazzioni dâ distanza.

Scali nichi

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Nnê supercomputer, a vilucitati dâ luci ordina nu limiti â vilucitati cu cui i dati ponnu essìri nviati tra li prucissura. Se nu prucissura funziona a 1 gigahertz, nu signali poni viaggiari sulu pî nu massimu di circa 30 cm 'n nu sinculu ciclu. I prucissura hannu a essìri pusizziunati l'unu vicinu a l'avutru pî arrìdurri ô minimu i latenzi di cumunicazzioni; chistu poni causari difficultati cu lu raffriddamentu. Si li friquenzi di clock cuntinuano ad aumintari, a vilucitati dâ luci addìventa nu fatturi limitanti pî la prugettazzioni nterna di sinculi chip.[40]

Granni distanti nnâ Terra

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Vistu câ circunfirenza iquaturiali tirrestri eni di circa 40 075 km e câ vilucitati di c eni di circa 300 000 km/s, u tempu tiuricanenti cchìu curtu pî nu pezzu di nfurmazzioni di cummighìari mitati dâ Terra loncu a supirficii eni di circa 67 millisecunnu. Quannu a luci viaggia ntornu â Terra 'n na fibbra ottica, u tempu di transitu effettivu eni cchìu loncu, 'n parti picchì a vilucitati dâ luci eni cchìu lenta dû 35% circa nnê fibbri ottiche, a secunna di l'innìci di rifrazzioni (u valuri tipicu pî l'innìci di rifrazzioni dâ fibbra ottica eni cumpresu tra 1.518 e 1.538). Oltretuttu, i linii retti sunnu assai rari 'n situazioni di cumunicazzioni tirrestri, quinni vennu crìati ritardi quannu u signali passa attraversu nu ntirrutturi elettronicu o nu riginiraturi di signali.[41]

Volu spazziali e astronumìa

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Ntô stissu modu, i cumunicazzioni tra Terra e li naviceddi spazziali nun sunnu istantanii, eni prìsenti nu brevi ritardu dâ surgenti ô ricivituri, ca addìventa sempri cchìu granni cu l'aumintari dî distanzi. Chistu ritardu era significativu pî li cumunicazzioni tra lu controllu tirrestri e l'Apollo 8 quannu addìvintoni u primu veiculu spazziali cu equipaggiu a orbitari ntornu â Luna: pî ogni dumanna, a stazzioni di cuntrollu tirrestri duvia attennìri almenu tri secunni prima ca arrivassi a rispusta.[42] U ritardu dî cumunicazzioni tra Terra e Marti poni variari tra cinqu e vinti minuti a secunna dî pusizzioni rilativi dî dui pianeti, di cunsicuenza, se nu robot ncapu a supirfici marziana avissi ncuntrari prubblemi, i sô cuntrulluri umani nun ni putissìru a essìri nfurmati prima di cinqu o vinti minuti, e pi fari arrivari i novi istruzzioni ô robot ci vulissiru avutri cinqu o vinti minuti. A NASA avi aspìttari divìersi uri pî aviri nfurmazzioni da na sonda spazziali ca òrbita ntornu a Giovi e, si avissi bìsognu di currèggiri nu erruri di navigazzioni, a currizzioni nun putissi arrivari nnê vicinanzi dû veiculu spazziali pî nu uguali piriudu di tempu, criannu u rischiu ca manovra putissi arrivari tardu.

 
Tempu impiegatu dâ luci pi cummigghiari a distanza dâ Terra â Luna

Rìciviri luci e avutri signali da funti astrunomiche luntani poni vulìri assai cchìu tempu. Pî esempiu, ci sunnu vuluti 13 miliardi (13 × 109) di anni picchì a luci putissi viaggiari finu a nuavutri da galassii luntani visti nnê mmàggini dû Campu ultra prufunnu di Hubble.[43] Chiddi fotugrafìi, scattati ùoggi, rapprìsentanu galassii comu apparivanu 13 miliardi di anni fa, quannu l'universu avia menu di 1 miliardu di anni.[44] U fattu ca uggetti cchìu distanti parìnu cchìu giovani, a causa dâ vilucitati limitata dâ luci, cunsenti a li astrònumi di iputizzari l'evoluzzioni dî stiddi, dî galassii e dî l'universu stissu. I distanzi astrunomiche sunnu alli voti espressi 'n anni luci, specialmente nnê pubbricazzioni e nnê media scientifici pupulari. Nu annu luci eni a distanza pircurruta dâ luci 'n nu annu, uguali a rica 9461 miliardi di km[45] (ossìa 0,3066 parsec). Proxima Centauri, a stidda cchìu vicina â Terra doppu u Suli, si trova a circa 4,2 anni luci di distanza.[46]

Misurazzioni dâ distanza

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Nu retruriflitturi nstallatu nnâ Luna duranti a missioni Apollo 11, grazzi a chistu strumentu eni pussibbili riflettiri i signali laser e accussì misurari a distanza dû satèlliti dâ Terra.

I sistemi radar misuranu a distanza da nu obbiettivu entru u tempu nicissariu ô ritornu di l'impulsu radiu-unna a l'antinna radar doppu essìri stati riflittuti dô birsaggìu: a distanza di l'obbiettivu eni mitati dû tempu di transitu di annata e ritornu multiplicatu pâ vilucitati dâ luci. Nu ricivituri GPS misura a distanza da li satèlliti artificiali 'n basi a quantu tempu ci metti nu signali radiu pî arrìvari da ognunu dî satèlliti e da chisti distanzi calcula a posizzioni dû ricivituri. Vistu ca luci viaggia a circa 300 000 km/s, chisti misurazzioni di nichi frazziuni di secunnu hannu a essìri assai prìcisi. U spirimentu Lunar Laser Ranging, l'astronumìa radar e lu Deep Space Network determinanu i distanzi dâ Luna, pianeti e veiculi spazziali, misurannu i tempi di transitu di annata e ritornu.

Trading ad avuta friquenza

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A vilucitati dâ luci eni addìvintata mpurtanto ntô l'High-frequency trading, dunni i "trader" cercanu di aviri nichi vantaggi cunsignannu i propri scanci nnê frazziuni di scanciu di nu secunnu prima di avutri trader. Pî esempiu, li upiraturi cummirciali stannu passannu a cumunicazzioni a microunni tra hub cummirciali, a causa dû vantaggiu ca li microunni viaggianu vicinu a chidda dâ luci nnâ l'aria, hannu signali 'n fibbra ottica ca viaggianu u 30-40% cchìu lentamenti â vilucitati dâ luci attraversu u vitru.[47]

Misurazzioni

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Esistinu divìersi modi pî determinari u valuri di c, nu modu eni chiddu di misurari a vilucitati effettiva a cui si allarganu li unni luminusi, ca poni essìri fattu 'n vari cunfigurazzioni astrunomiche e tirrestri. Tuttavia, eni puru pussibbili determinari c da avutri liggi fisichi dunni appari, pî esempiu, determinannu i valuri dî custanti elettrumagnetiche ε0 e μ0 e usannu a loru rilazzioni cu c. Storicamenti, i risultati cchìu accurati sunnu stati uttìnuti determinannu separatementi a friquenza e la lunchizza d'unna di nu fasciu di luci, cu loru pruduttu pari a c.

Ntô 1983 chista misurazzioni eni stata dìfinuta ntô Sistema 'ntirnazziunali di unitati di misura comu "a lunchizza dû percorsu dâ luci ntô vacanti 'n nu intervaddu ti tempu di 1/299 792 458 di nu secunnu",[48], ca fissa u valuri dâ vilucitati dâ luci a 299 792 458 m/s pî definizzioni. Di cunsìcuenza, misurazzioni prìcisi dâ vilucitati dâ luci pruducìnu na rializzazzioni accurata dû metru cchìuttostu ca nu valuri prìcisu di c.

Misuri astrunomiche

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Ole Rømer, u primu a misurari quantitativamenti a vilucitati dâ luci ntô 1676.

U spazziu esternu eni na commìra mpustazzioni pî misurari a vilucitati dâ luci a causa dâ sô granni scala e dû vacanti quasi perfettu. 'N genìri, si misura u tempu nìcissariu â luci pî attravirsari na certa distanza di riferimentu ntô sistema sulari, comu u raggiu dî l'orbite tirrestri. Storicamenti, chisti misurazzioni putissiru essìri fatti 'n modu abbastanza prìcisu, rispettu a quantu eni prìcisu a lunchizza dâ distanza di riferimentu nnê unitati tirrestri. Eni usanza esprimiri i risultati 'n unitati astrunomiche (AU) ô jornu.

L'astrònumu danisi Ole Rømer usò na misura astrunomica pî fari a prima stima quantitativa dâ vilucitati dâ luci.[49]. U fisicu taliò i pirìudi dî luni ca firrìanu ntornu nu pianeta luntanu e capìu ca chisti addìvintavanu cchìu curtu quannu â Terra s'avvicinava ô pianeta rispettu a quannu nveci s'alluntanava da iddu. A distanza cummìgghiata dâ luci dû pianeta (o dà sô luna) nnâ Terra eni cchìu curta quannu u pianeta si trova ntô puntu dâ sô orbita cchìu vicina ô sô pianeta rispettu a quannu a Terra si trova ntô puntu cchìu luntanu dâ sô òrbita, a diffìrenza di distanza essennu u diamitru dî l'òrbita tirrestri ntornu ô Suli. U cancìamentu talìatu ntô pìriudu orbitali dâ luna eni causatu dâ diffìrenza ntô tempu ca ci metti a luci pî cummìgghiari a distanza cchìu curta o cchìu lonca. Rømer vitti chistu effettu pâ luna cchìu granni di Giovi, Io, e ipotizzò câ luci ci mittìa 22 minuti pî cummìgghiari u diamitru dî l'orbita tirrestri.

N'avutru modu eni usari aberrazzioni dâ luci, scuperta e spiegata dâ l'astrònumu ngrisi James Bradley ntô sèculu XVIII.[50] Chistu effettu dìriva dâ l'agghiunta vetturiali dâ vilucitati dâ luci pruvinenti da na surgenti distanti (comu na stidda e dâ vilucitati dû sô osservaturi. Nu osservaturi 'n muvimentu vidi accussì a luci arivari da na dirizziuni leggermenti divìersa e di cunsicuenza vidi a surgenti 'n na pusizzioni spustata dâ sô pusizzioni uriginali. Vistu câ dirizzioni dâ vilucitati dâ Terra cancìa cuntinuamenti mentri idda firrìa ntornu u Suli, chistu effettu fa moviri a pusizzioni apparenti dî stiddi. Dâ diffìrenza anculari nnâ pusizzioni dî stiddi (massimu 20,5 secunni d'arcu),[51] eni pussibbili esprimiri a vilucitati dâ luci 'n termini di vilucitati dâ Terra ntornu ô Suli, ca cu la durata canuscìuta di nu annu poni essìri cunvirtita ntô tempu nicissariu pî viaggiari da lu Suli â Terra. Ntô 1729, Bradley usoni chistu metudu pî ricavari chidda luci cummìgghiata 10.210 voti cchìu vilucimenti dâ Terra nnâ sô orbita (a cifra muderna eni 10.066 voti cchìu viluci) oppuru, ugualmenti, ci vulissìru 8 minuti e 12 secunni pî viaggiari da lu Suli â Terra.

Unitati astrunòmica

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Na unitati astrunòmica (sìmmulu UA) eni circa a distanza media ca sìpara u Suli dâ Terra. Tali unitati di misura eni stata ridefinuta ntô 2012 cû valuri esattu di 149 597 870 700 m.[52] 'N prìcirenza chista unitati nun era basata ntô Sistema 'ntirnazziunali di unitati di misura, ma 'n termini di forza gravitazziunali esercitata dô Suli ntô campu dâ mìccanica classica, mentri a sô dìfinizzioni currenti usa u valuri cunsigghìatu 'n metri pâ prìcirenti dìfinizzioni di l'unitati astrunòmica, ca eni stata determinata dâ misurazzioni.[53] Chista definizzioni eni sumigghìanti a chidda dû misuraturi, e nnô stissu modu avi l'effettu di fissari a vilucitati dâ luci a nu valuri esattu 'n unitati astrunòmiche ô secunnu (tramiti l'esatta vilucitati dâ luci 'n metri ô secunnu).

Prìcirentimenti, u cuntrariu di c espressu 'n secunni pî unitati astrunòmica eni statu misuratu cunfruntannu u tempu pû signali radiu pî raggiungiri divìersi veiculi spazziali ntô sistema sulari, cu la loru pusizzioni calculata da li effetti gravitazzionali dû Suli e di vari pianeti. Cummìnannu assai di chisti misuri, eni pussibbili aviri nu valuri ottimali pû tempu di luci pî unitati di distanza. Pî esempiu, ntô 2009, a migghìuri stima, appruvata da l'International Astronomical Union, jera di:[54]

  • tempu di luci pî distanza unitati: tau = 499,004 783 836 (10) s
  • c = 0,002 003 988 804 10 (4) AU/s173,144 632 674 (3) AU/jornu

La nsicurizza rilativa di chisti misurazzioni eni di 0,02 parti pî miliardu (2×10−11), equivalenti â ncirtizza nnê misurazzioni dâ lunchizza dâ Terra tramiti ntirferomitria.[55] Vistu ca u misuraturi eni dìfinitu comu a lunchizza dâ luci 'n nu determinatu ntirvaddu di tempu, a misurazzioni dû tempu di illuminazzioni 'n termini dâ prìcirenti difinizzioni dî l'unitati astrunòmica poni puru essìri vista comu misura dâ lunchizza di na unitati astrunòmica 'n metri.

Avutri tecniche di misurazzioni

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Esempiu praticu dî l'apparatu di Fizeau-Foucault.

Nu metodu pî misurari a vilucitati dâ luci eni misurari u tempu ca ci metti a luci pî viaggiari versu nu specchiu tra na distanza e na distanza canuscìuti. Chistu eni u principiu di funzionamentu rarrèri l'apparatu di Fizeau-Foucault, nvintatu da li fisici francisi Hippolyte Fizeau e Léon Foucault. U strumentu cunsisti 'n nu raggiu di luci direttu versu nu specchiu a 8 chilòmiti di distanza, mentri u raggiu di luci cummògghia chista distanza pî arrìvaru ô specchiu, a surgenti passa attraversu na rota dintata firrìanti. A na certa vilucitati di firrìamentu, u raggiu passa na fissura nnâ via di niscìuta e n'avutra nnâ via d'arritornu, ma a vilucitati liggirmenti cchìu avuti e cchìu vasci, u raggiu culpisci ne denti e nun passa attraversu a rota. Canuscennu a distanza tra rota e specchiu, u nùmmaru di denti ncapu a rota e la vilucitati di firrìamentu, eni pussibbili calculari a vilucitati dâ luci.[3]

U strumentu veni successìvamenti migghìuratu ntô 1850 da Léon Foucalt, ca sustituisci a rota dintata cu nu specchiu firrìanti. Vistu ca u specchiu cuntinua a firrìari mentri a luci viaggia versu ri iddu, a luci veni riflittuta dô specchiu firrìanti cu na anculazzioni divìersa rispettu a chidda ca sta cummìgghiannu. Da chista diffìrenza di anculu, a vilucitati canusciuta di firrìamentu e la distanza dô specchiu distanti poni essiri calculata a vilucitati dâ luci.[56] Uoggi, usannu oscilloscopi cu risoluzzioni timpurali nfiriuri a nu nanosecunnu, a vilucitati dâ luci poni essiri misurata direttamenti tempurizzannu u ritardu di nu mpulsu luminusu da nu laser o nu LED riflittutu da nu specchiu. Chistu metodu eni menu prìcisu (cu sbagghi nnâ l'ordini di l'1%) rispettu ad avutri tecniche muderne, ma alli voti veni usatu comu spirimentu di labburatoriu nnê lizzioni di fìsica di l'univirsitati.

Custanti elettrumagnetiche

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Na opzioni pî dirivari c ca nun dipenna direttamenti da na misura dâ prupagazzioni di unni elettrumagnetiche cunsisti nnâ l'usari a rilazzioni tra c e la custanti dielettrica dû vacanti ε0 e la permeabilitati magnetica μ0 stabilita dâ tiuria di Maxwell: c2 = 1 (ε0 μ0). A custanti dielettrica dû vacanti poni essìri accìrtata misurannu a capacitati elettrica e li diminsioni di nu cundensaturi, mentri u valuri dâ permeabilitati magnetica eni fissatu esattamenti a 4π 10−7 H⋅m−1 attraversu a difinizzioni di l'ampere.

Cavitati di risunanza

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Unni stazziunarii elettrumagnetiche 'n na cavitati.

N'avutru modu pì misurari a vilucitati dâ luci eni misurari innìpinnentimenti a friquenza f e la lunchizza d'unna λ di na unna elettrumagnetica ntô vacanti. U valuri c poni quinni essìiri attruvatu usannu a rilazzioni c = fλ. Na opzioni cunsisti ntô misurari a friquenza di risunanza di nu risunaturi a cavitati. Si nun si canuscìnu puru i dimìnsiuni dâ cavitati di risunanza, chisti ponnu essìri usati pî determinari a lunchizza d'unna. Ntô 1946 i fisici ngrisi Louis Essen e Ac Gordon-Smith stabilirinu a friquenza pî na varietati di modalitati nurmali di cavitati a microunni dî diminsioni scanusciuti. I diminsioni foru stati stabiliti cu na pricisioni di circa ± 0,8 μm usannu calibbri calibbrati medianti ntirferomitria. Vistu câ lunchizza d'unna dî modi era canuscìuta dâ giometrìa dâ cavitati e dâ tiuria elettrumagnetica, a canuscenza dî friquenzi assuciati accunsintia u calculu dâ vilucitati dâ luci.[57] U risultatu di Essen-Gordon-Smith eni statu di 299 792 ± 9 km/s, sostanzialmenti cchìu prìcisu di chiddi rilivati da tecniche ottiche, mentri ntô 1950, misurazzioni rìpituti di Essen purtarunu a nu risultatu finali di 299 792 0,5 ± 3,0 km/s.

Na dimostrazzioni familiari di chista tecnica eni pussibbili usannu nu furnu a microunni e cosi di manciari comu marshmallow o margarina: se u giradischi veni livatu 'n modu ca u manciari nun si possa moviri, còcirà assai cchìu viluci a li antinodi (i punti 'n cui a grannizza di l'unna eni cchìu granni), dunni inizzierà a squagghiari. A distanza tra dui di chisti punti currìspunni â mitati dâ lunchizza d'unna dî microunni; misurannu chista distanza e multiplicannu a lunchizza d'unna pâ friquenza dî microunni (giniralmenti vìruta rarrèri ô furnu, tipicamenti a 2450 MHz), eni pussibbili calculari u valuri c, "spissu cu menu dû 5% dû sbagghìu".[58]

Ntirferomitria

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La ntirferomitria eni n'avutru modu pî truvari a lunchizza d'unna dâ radiazziuni elettrumagnetica pî determinari a vilucitati dâ luci. Nu raggiu di luci cuirenti (pî esempiu da nu laser), cu na friquenza canuscìuta (f), veni divisu pî secuiri dui strati e quinni lijatu arrìeri. Regulannu a lunchizza dû tracciatu talìannu u mudellu di nterfirenza e misurannu attentamenti i cancìamenti dâ lunchizza du tracciatu, eni pussibbili determinari a lunchizza d'unna dâ luci (λ). A vilucitati dâ luci veni quinni calculata usannu l'iquazzioni c = λf.

Prima dâ cumparsa dâ ticnoluggìa laser, sunnu stati usati surgenti radiufriquenza cuirenti pî misuri di ntirferomitria dâ vilucitati dâ luci. Tuttavia, a determinazzioni ntirferometrica dâ lunchizza d'unna addìvventa menu prìcisa câ lunchizza d'unna e li spirimenti sunnu quinni limitati 'n pricisioni dâ lunchizza d'unna lonca (~ 0,4 cm dî l'unni radiu. A pricisiuni poni essìri migghìurata usannu a luci cu na lunchizza d'unna cchìu curta, ma addìventa difficili misurari direttamenti a friquenza dâ luci. Nu modu pî mbrugghiari chistu prubblema eni inizziari cu nu signali a vascia friquenza di cui a friquenza poni essìri misurata cu pricisioni, e da chistu signali sintetizzari chianu chianu signali a friquenza cchìu avuta la cui friquenza quinni poni essìri lijata ô signali uriginali. Nu laser poni quinni essìri bloccatu nnâ friquenza e la sô lunchizza d'unna poni essìri determinata usannu la ntirferomitria. Chista tecnica era duvuta a nu ruppu ô National Bureau of Standards (cchìu tardu cànusciutu comu NIST). Chista misurazzioni vinni usata ntô 1972 pî misurari a vilucitati dâ luci ntô vacanti cu na ncirtizza frazziunaria di 3.5×10−9.[59]

Storia

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Finu ô sèculu XVI nun si sapìa si la luci viaggiava istantaneamenti oppuru a na vilucitati finuta assai avuta. U primu esami rigistratu esistenti su chistu argumentu eni prìsenti già nnâ Grecia antica, e nzemi a li antichi greci, puru studiusi musulmani e scienziati europei classici hannu discussu a loncu dâ vera vilucitati dâ luci, finu a quannu l'astrònumu danisi Ole Rømer nun furnìu u primu calculu dâ vilucitati dâ luci ntô 1676, mentri Ntô 1905 a tiurìa di la rilativitati spiciali di Albert Einstein misi a parola fini ncapu a vilucitati dâ luci, dicennu ca idda eni na custanti innìpinnenti dô propriu schema di rifirimentu. Da allura, li scienziati hannu furnitu misurazzioni sempri cchìu prìcisi.

Storia antica

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U filosufu siciliota Empedocli fu u primu a cunsigghìari na tiuria ncapu a vilucitati dâ luci,[60] sustinennu ca avia na vilucitati finuta.[61] Iddu sustinìa câ luci fussi qualcosa 'n custanti muvimentu, e quinni duvìa usari u tempu pî viaggiari, mentri Aristòtili sustinìa, ô cuntariu, câ "luci eni duvuta â prìsenza di qualcosa, ma nun eni nu muvimentu".[62] Euclidi e Tulumeu nveci avìanu avanzatu a tiuria di Empedocli, 'n cui a luci veni diffusa da l'occhiu, cunsintennu accussì a vista. Ncapu a basi di chista tiuria, Eroni di Alissandria sustìnia câ vilucitati dâ luci duvìa essìri nfinita picchì uggetti luntani comu i stiddi cumparinu subbìtu quannu si rapìnu l'occhi.

I primi filosufi àrabbi inizzialmenti cuncurdavanu câ visioni aristotelica câ luci nun avìa vilucitati di viaggiu, ma ntô 1021 u fisicu e astrònumu àrabbu Alhazen pubbrìcò u libbru dî l'ottica, dunni prìsintò na serie di argumenti cha rispincevanu a tiuria dâ visiuni dî l'emissioni 'n favuri dâ tiuria dî li ntromissioni ormai accìttata, 'n cui a luci si spusta da nu uggettu a l'occhiu.[63] Chistu spincìu Alhazen a cunsigghìari câ luci avissi na vilucitati finuta,[64] e câ vilucitati dâ luci fussi variabbili, diminuennu nnê corpi cchìu densi. Secunnu Alhazen a luci eni matiria sustanziali, la cui diffusioni addumanna tempu, puru si chistu eni ammuccìatu a li nostri sensi.[65] Duranti u XI sèculu, puru u scinzatu persianu Al-Biruni si vitti d'accordu cu Alhazen, dicennu câ luci avi na vilucitati finuta, virennu câ vilucitati dâ luci eni assai cchìu viluci dâ vilucitati dû sonu.[66] Ntô sèculu XIII u scinzatu ngrisi Roger Bacon sustìnia câ vilucitati dâ luci nnâ l'aria nun era nfinitia, usannu argumentazziuni filusofiche sustinuti da li studi di Alhazen e Aristòtili,[67] mentre ntô 1270 u monacu cristianu e fisicu pulaccu Witelo cunsìdirò a pussibilitati câ luci viaggiassi a vilucitati nfinita ntô vacanti, ma rallìntannu nnê corpi cchìu densi.[68]

Duranti l'inizziu dû sèculu XVII, Johannes Kepler pinsava câ vilucitati dâ luci fussi nfinita, vistu ca u spazziu vacanti nun prìsenta alcunu mpirimentu, mentri Cartesiu sustìnia ca si la vilucitati dâ luci duvissi essìri finuta, u Suli, a Terra e la Luna avìssiru a essìri fora allineamentu duranti na eclissi lunari, e vistu ca tali fenomenu nun era statu mai talìatu, Cartesiu cunclusi câ vilucitati dâ luci jera finuta. U scinzatu francisi iputizzava ca si la vilucitati dâ luci fussi arrìsultata finuta, u sô nteru sistema filusoficu putìa essìri dimulitu. Ntô principiu di Cartesiu ddâ liggi di snell, dissi ca puru si la vilucitati dâ luci era istantanea, cchìu densa era a media, cchìu viluci era a vilucitati dâ luci.[69] U matimàticu francisi Pierre de Fermat tiurizzò tramiti a liggi di Snell, usannu l'ipotisi cuntraria a chidda di Cartesiu, de Fermat pìnsava ca cchìu densu era u mezzu e cchìossai era lenta a luci, sustinennu puru a tiuria di na vilucitati limitata dâ luci.

Primi tintativi di misura

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Nu diagramma di Giovi (B) ca eclissa unu di sô satèlliti, Io (DC), vistu da divìersi punti dî òrbita tirrestri ntornu ô Suli.

Ntô 1629, u fisicu ulannìsi Isaac Beeckman cunsigghìò nu spìrimentu 'n cui nu cristianu talìava u lampu di nu cannuni ca si riflitteva ncapu nu specchiu a circa nu migghiu (1,6 km) di distanza. Ntô 1638, Galileo Galilei cunsigghìa nu spirimentu, dicennu di avillu esecuitu quarchi annu prima, pî misurari â vilucitati dâ luci talìannu u ritardu tra la scuperta di na lanterna cummìgghiata e la sô percezzioni a na certa distanza, lu astrònumu e fisicu talianu nun eni statu 'n gradu di arrìcunusciri se u viaggiu fussi istantaniu oppuri no, ma avi cunclusu ca, si nun lu fussi, avi a essìri cumunqui assai viluci.[70] Ntô 1667 l'Accademia del cimento di Firenze dissi ca avìa esecuitu u spirimentu di Galileo Galilei, cu li lanterni cummìgghiati e siparati da circa nu chilòmitru e mezzu, ma nuddu ritardu vinni talìauta, u ritardu effettivu 'n chistu spirimentu putissi essìri statu di circa 11 microsecunni.

A prima stima quantitativa dâ vilucitati dâ luci vinni fatta ntô 1676 da l'astrònumu danisi Ole Rømer, tramti a adeterminazzioni dâ vilucitati dâ luci di Rømer.[71] Talìannu i piriudi dâ luna di Giovi, Io, Rømer s'addùnò ca parevanu essìri cchìu curti quannu a Terra s'avvicinava a Giovi rispettu a quannu s'alluntanava da iddu, finennu pî pinsari câ luci viaggia a na vilucitati finuta, stimannu ca ci vulìanu 22 minuti luci pî cummìgghiari u diamitru di l'orbita tirrestri. U fisicu ulannisi lijò a stima di Rømer cu na stima dû diamitru di l'orbite tirrestri pî aviri na stima dâ vilucitati dâ luci di 220 000 km/s, nfiriuri dû 26% ô valuri effettivu.[72]

Ntô 1704 u fisicu e astrònumu ngrisi Isaac Newton pubbrìcò Opticks, nu trattatu scintificu dunni arrìpurtava i calculi di Rømer ncapu a vilucitati finuta dâ luci e retti nu valuri di "setti o ottu minuti" pû tempu ca ci metti a luci pî viaggiari dô Suli â Terra (u valuri mudernu eni di 8 minuti e 19 secunni).[73] Newton s'addùmannò si li ùmmiri di ecclissi di Rømer fussìru culurati; sintennu ca nun lu eranu, cunclusi ca i divìersi culuri viaggiavanu â stissa vilucitati. Ntô 1729 l'astrònumu ngrisi James Bradley scuprìu l'aberrazzioni dâ luci, da chistu effettu avi stabbilitu câ luci avi a viaggiari 10.210 voti cchìu vilucimenti dâ Terra nnâ sô orbita (a cifra muderna eni 10.066 voti cchìu viluci) o, ugualmenti, ca ci vulissiru 8 minuti e 12 secunni pî viaggiari dô Suli â Terra.

Lijamenti cu l'elettrumagnitismu

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Duranti u sèculu XIX u fisicu francisi Hippolyte Fizeau sviluppò nu metodu pî determinari a vilucitati dâ luci 'n basi a misurazzioni dû tempu di volu nnâ Terra e arrìpurtò nu valuri di 315 000 km/s.[74] U sô metodu fu succissìvamenti migghìuratu dô cunnazziunali Léon Foucault c'arrìnisciu ad avìri nu valuri di 298 000 km/s ntô 1862, mentri quarchi annu prima (nto 1856) i fisici tidischi Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch misurarunu u rapportu di li unitati elettrumagnetiche ed elettrustatiche di carica (1/√ε0μ0), scaricannu na buttigghia di Leidae scuprìrunu ca lu sô valuri jera assai vicinu â vilucitati dâ luci misurata direttamenti da Fizeau.

L'annu doppu u fisicu e matimàticu tidiscu Gustav Kirchhoff calculoni ca nu signali elettricu 'n nu filu viaggia loncu u filu stissu a chista vilucitati.[75], mentri nnê primi anni dû 1860 James Clerk Maxwell addìmustrava ca, secunnu a tiuria di l'elettrumagnitismu su cui stava travagghìannu, li unni elettrumagnetiche si allargavanu ntô spazziu vacanti.[76] a na vilucitati uguali ô rapportu Weber/Kohrausch, e attìrannu l'attinzioni ncapu a vicinanza nùmmerica di chistu valuri â vilucitati dâ luci, misurata da Fizeau, cunsigghìoni câ luci fussi 'n rialtati na unna elettrumagnetica.[77]

L'etiri luminiferu

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Raffigurazzioni di l'etiri luminiferu:si pinsava câ Terra si muvìa attraversu nu "mezzu" fattu di etiri ca trasoirta a luci.

Finu ô sèculu XIX si pinsava ca lu spazziu vacanti fussi jinchiutu cu nu supportu di funnu chiamatu etiri luminiferu 'n cui u campu elettrumagneticu esistiva. Alcuni fisici pìnsavanu ca chistu etiri si cumpurtava comu na strutura di riferimentu pâ prupugazzioni dâ luci e quinni avissi a essìri pussibbili misurari u motu dâ Terra rispettu a chistu mezzu, misurannu l'isotrupia dâ vilucitati dâ luci. Versu a fini dû XIX sèculu foru cumpiuti divìersi spirimenti pî circari di attruvari chistu muvimentu, u cchìu famusu fu chiddu cunnùttu da li fisici mèricani Albert Abraham Michelson e Edward Morley ntô 1887.[78]. U muvimentu rìlivatu era sempri nfiriuri a lu sbagghìu di osservazzioni. Spirimenti muderni innìcanu câ vilucitati dâ luci a dui vii eni isotrupa (a stissa 'n tutti i dirizziuni) entru 6 nanometri ô secunnu[79] A causa di chistu spirimentu, u fisicu ulannisi Hendrik Antoon Lorentz cunsigghìau ca u muvimentu dî l'apparatu attraversu l'etiri putissi fari cuntrarri l'apparecchiu loncu la sô lunchizza nnâ dirizzioni dû muvimentu, e oltrituttu dissi ca puru a variabbili tempurali pî sistemi 'n muvimentu duvia essìri cancìata di cunsìcuenza ("ura lucali"), ca avi purtatu â furmulazzioni dâ trasfurmazzioni di Lorentz. Ntô 1900, basannusi ncapu a tiuria di l'etiri di Lorentz, u fisicu e matimàticu francisi Henri Poincaré ammùstrò ca chistu tempu lucali (ô primu ordini 'n v/c) eni innìcatu da rulòggi ca si movinu nnâ l'etiri, ca sunnu sincrunizzati sutta l'assunzioni di vilucitati dâ luci custanti. Quattru anni cchìu tardu ipotizzoni câ vilucitati dâ luci putissi essìri na vilucita limitanti nnê dinamichi, a cunnìzziuni ca tutti li ipotisi dâ tiuria di Lorentz fussiru cunfirmati. Ntô 1905, Poincaré purtoni a tìuria eterica di Lorentz 'n chinu accordu osservazziunali cû principiu di rilativitati.[80]

Rilativitati spiciali

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Ntô 1905 Albert Einstein pinsò finu da l'inizziu câ vilucitati dâ luci ntô vacanti, misurata da nu osservaturi nun accìliratu, fussi innìpinnenti dô muvimentu dâ surgenti o dî l'osservaturi. Usannu chistu e lu prìncipiu di rilativitati comu basi havi dìrivatu a tiurìa di la rilativitati spiciali, 'n cui a vilucitati dâ luci ntô vacanti c si prìsintava comu na custanti funnamintali, apparennu puru 'n cuntesti nun lijati â luci. Chistu fici addìvintari inutili u cuncettu dî l'etiri stazziunariu (tiurìa appuiata da Lorentz e Poincarè) e havi rivuluzziunatu i cuncetti di spazziu e tempu.[81]

Pricisioni aumintata di c e rivisioni dû metru e dû secunnu

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Nnâ secunnu mitati du sèculu XX sunnu stati fatti assai prugressi ntô migghiuramentu dî misuri dâ vilucitati dâ luci, prima cu tecniche di cavitati di risunanza e successivamenti cu tecniche laser nterferumetriche. Chisti tecniche aiutarunu assai u campu scintificu pî novi e cchìu pricisi difinizzioni dû metru e dû secunnu. Ntô 1950, u fisicu ngrisi Louis Essen innìcau a vilucitati dâ luci 'n 299 792.5 ±1 km/s, usannu cavitati di risunanza. Chistu valuri vinni aduttatu dâ 12° Assimbrea gìnirali dî l'International Union of Radio Science ntô 1957. Ntô 1960 u metru vinni ridifinitu 'n termini di lunchizza d'unna di na particulari linea spittrali di kripton 86 e, ntô 1967, u secunnu vinni ridifinitu 'n termini dî friquenza di transizzioni iperfina dô statu funnamintali cesiu-133.

Ntô 1972, usannu u metodu nterferometru laser e li novi difinizzioni, nu gruppu dû NIST di Boulder, 'n Coloradu, stabiliu câ vilucitati dâ luci ntô vacanti fussi c = 299 792 456.2 ±1.1 m/s. Chistu valuri jera 100 voti menu ncertu dû valuri prìcirentimenti accìttatu. La ncirtizza rimanenti jera principalmenti lijata â difinizzioni dû metru. Vistu ca spìrimenti simili avianu truvatu risultati cumparabbili pî c, ntô 1975 a 15° Conférence générale des poids et mesures raccumannava l'usu dû valuri 299 792 458 m/ss pâ vilucitati dâ luci.[82]

Difiniri a vilucitati dâ luci comu na custanti esplicita

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Ntô 1983 a 17° Conférence générale des poids et mesures havi rilivatu ca li lunchizzi d'unni duvuti a li misuri di friquenza e nu datu valuri pâ vilucitati dâ luci sunnu cchìu ripruducibbili rispettu ô standard prìcirenti. Mantìnennu a difinizzioni dû secunnu dû 1967, quinni a friquenza iperfina dû cesiu difinirebbi ura sia u secunnu ca u metru. Pî fari chistu, hannu ridifinitu u metru comu: "U metru eni a lunchizza pircurruta dâ luci duranti nu ntirvaddu di tempu di 1/299 792 458 di secunnu".[48] Comu risultatu di chista difinizzioni, u valuri dâ vilucitati dâ luci ntô vacanti eni esattamenti 299 792 458 m/s [83] ed eni addìvintata na custanti dìfinita ntô Sistema 'ntirnazziunali di unitati di misura. Tecniche spìrimintali migghìurati ca prima dû 1983 avissìru misuratu a vilucitati dâ luci, nun nfruenzanu cchìu u valuri canusciutu dâ vilucitati dâ luci nnê u Sistema 'ntirnazziunali di unitati di misura, ma cunsentinu nveci na rializzazzioni cchìu prìcisa dû metru misurannu cchìu prìcisamenti a lunchizza d'unna di Krypton-86 e avutri funti di luci.[84]

Ntô 2011, u Conférence générale des poids et mesures havi dichiaratu a sô ntinzioni di ridifiniri tutti e setti li unitati basi dû SI usannu chidda ca difinisci "a furmulazzioni a custanti esplicita", dunni ogni "unitati eni difinita ndirettamenti spicificannu esplicitamenti nu valuri esattu pî na custanti funnamintali beni arrìcanusciuta", comu eni statu fattu pâ vilucitati dâ luci. Havi puru suggìritu na nova, ma cumpretamenti uguali, furmulazzioni dâ difinizzioni dû metru: "U metru, sìmmulu m, eni la unitati di lunchizza, a sô grannizza eni mpustata fissannu u valuri nùmmericu dâ vilucitati dâ luce ntô vacanti pî essìri esattamenti uguali a 299 792 458 quannu eni prununciata nnâ l'unitati SI m s−1.[85]

Note

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  2. ↑ (EN)The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants
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  4. ↑ (EN)Einstein from 'B' to 'Z'
  5. ↑ (EN)Why is c the symbol for the speed of light?
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  8. ↑ (EN)Speed of light in vacuum
  9. ↑ (EN)A Broader View of Relativity: General Implications of Lorentz and Poincare Invariance
  10. ↑ (EN)On the Electrodynamics of Moving Bodies
  11. ↑ (EN)Special Relativity and Its Experimental Foundation
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  14. ↑ (EN)Is The Speed of Light Constant?
  15. ↑ (EN)Variations of the Fine Structure Constant in Space and Time
  16. ↑ (EN)Astrophysical Formulae: Volume I & Volume II
  17. ↑ (EN)HKUST Professors Prove Single Photons Do Not Exceed the Speed of Light
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  84. ↑ (EN)Relativity: An Introduction to Spacetime Physics
  85. ↑ (EN)The "explicit-constant" formulation

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