Mi sono recentemente imbattuto in un articolo di Wikipedia, che spiega come per la velocità della luce sia necessario distinguere tra velocità unidirezionale e velocità bidirezionale che mi ha molto colpito perché porta con sé un dubbio che forse è meglio chiarire.
Citando e traducendo (approssimativamente) le parole di questo articolo, esso afferma che velocità della luce “unidirezionale” è quella che va da una sorgente a un rivelatore, e che non può essere misurata indipendentemente da una convenzione su come sincronizzare gli orologi della sorgente e del rivelatore. Inoltre, afferma che ciò che può essere misurata sperimentalmente è la velocità di andata e ritorno (anche detta velocità “bidirezionale” della luce), ovvero quella che va dalla sorgente al rivelatore e compie il tragitto inverso.
A sinistra, come misurare empiricamente la possibile variazione della velocità della luce lungo assi diversi; a destra, un esempio di aberrazione luminosa.
Questo articolo di Wikipedia afferma inoltre che, nella sua teoria della relatività ristretta, Albert Einstein scelse una specifica convenzione di sincronizzazione nella quale ha posto che la velocità unidirezionale sia pari alla velocità bidirezionale. Infine, l’articolo afferma che la costanza della velocità a senso unico è un postulato della sua teoria della relatività speciale anche se tutte le previsioni sperimentalmente verificabili di questa teoria non dipendono da tale convenzione.
Einstein, nella sua biografia, chiarì questo aspetto della sua teoria della relatività..
Da questo fatto potrebbe discendere l’idea che, poiché Einstein ha postulato la costanza della velocità della luce all’inizio della sua teoria della relatività ristretta, essa sia nulla di più di un’ipotesi: un qualcosa che non è stato poi sottoposto a verifica empirica. Insomma, che tale costanza della velocità della luce non costituisca un fatto perché manchevole di misura diretta.
Ovviamente, non si può negare che, almeno all’inizio della formazione della teoria della relatività ristretta, tale assunto fu preso come postulato. Tuttavia, lo stesso Einstein affermò (nella sua “Autobiografia scientifica” a pag. 86):
[…]se io potessi seguire un raggio di luce a velocità c (la velocità della luce nel vuoto), il raggio di luce mi apparirebbe come un campo elettromagnetico oscillante nello spazio, in stato di quiete. Ma nulla del genere sembra possa sussistere sulla base dell’esperienza o delle equazioni di Maxwell. Fin dal principio mi sembrò intuitivamente chiaro che, dal punto di vista di un tale ipotetico osservatore, tutto debba accadere secondo le stesse leggi che valgono per un osservatore fermo rispetto alla Terra. Altrimenti, come farebbe il primo osservatore a sapere, cioè come potrebbe stabilire, di essere in uno stato di rapidissimo moto uniforme? È chiaro che in questo paradosso è già contenuto il germe della teoria della relatività ristretta.
Una rappresentazione del’esperimento mentale di Einstein…
In altri termini (e sempre per citare Wikipedia), che l’unico principio fondante della teoria può essere considerato in effetti quello di relatività, o indipendenza delle leggi, in quanto l’invarianza della velocità della luce ne è una conseguenza.
Inoltre, una volta che la relatività speciale fu estesa per ricomprendere la gravitazione nella cosiddetta relatività generale, la costanza della velocità della luce assunse un ruolo nuovo: quello di “vincolo” per la descrizione della deformazione dello spazio tempo.
La costanza della velocità della luce diventa un vincolo per le deformazioni spazio-temporali.
Solo se tale velocità è costante è possibile prevedere e calcolare (ad esempio) una traiettoria geodetica, che così viene definita sempre su Wikipedia:
[..] un corpo libero si muove nello spazio-tempo sempre lungo una geodetica, allo stesso modo in cui nella meccanica classica un corpo non sottoposto a forze si muove lungo una retta. Se la struttura dello spazio-tempo in quel punto è piatta, la geodetica sarà proprio una retta, altrimenti assumerà forme diverse, ma il corpo la seguirà comunque. In questo modo, la gravità viene ad essere inglobata nella struttura dello spazio-tempo.
La traiettoria di Mercurio, il pianeta più veloce a compiere la sua rivoluzione intorno al Sole, è influenzato dalle conseguenze della Teoria della relatività.
Questo è alla base della previsione (e relativa misura) della cosiddetta precessione del perielio dell’orbita di Mercurio, in cui il valore dell’avanzamento del perielio è dato proprio dall’applicazione della relatività generale, che va sommato a quello previsto dalle perturbazioni newtoniane. Tale termine, che corregge la traiettoria del corpo celeste, riguarda il quadrato del rapporto fra velocità del corpo e la velocità della luce.
Se la velocità della luce non fosse costante, l’orbita varierebbe in maniera imprevedibile.
A conclusione segnalo che la voce di Wikipedia sui due tipi di velocità della luce viene definita da WikiProject Physics (la Comunità che si occupa delle voci di Fisica) come di “classe C”. Questa è la definizione sommaria di tale valutazione:
The article should have some references to reliable sources, but may still have significant problems or require substantial cleanup. […] [it] would not provide a complete picture for even a moderately detailed study. Considerable editing is needed to close gaps in content and solve cleanup problems.