Per Maxwell le onde elettromagnetiche hanno bisogno di un mezzo di propagazione detto ETERE rispetto al quale si muovono ad una velocità pari a c=3∙10⁸ m/s. La situzione è analoga al suono che si muove nell'aria.
OSSERVAZIONE: Misuriamo la velocità del suono muovendoci con velocità v verso la sorgente ferma. Il suono ci viene incontro con velocità c. La velocità da noi misurata è pari a v+c per la legge di composizione delle velocità. Se ci allontaniamo misuriamo una velocità del suono c-v. In questo modo misurando la velocità del suono rispetto al nostro sistema possiamo evidenziare il moto del nostro sistema rispetto all'aria.
Ad esempio misuro una velocità di u=200m/s posso dedurre che mi sto allontanando dalla sorgente con velocità (u=c-v) v=c-u=330-200=130m/s rispetto alla sorgente ferma. Attenzione : possiamo dedurre la velocità relativa del mio sistema rispetto all'aria dove si muove il suono. Non possiamo determinare chi si muove e cioè il moto assoluto.
OSSERVAZIONE: Misuriamo la velocità del suono muovendoci con velocità v verso la sorgente ferma. Il suono ci viene incontro con velocità c. La velocità da noi misurata è pari a v+c per la legge di composizione delle velocità. Se ci allontaniamo misuriamo una velocità del suono c-v. In questo modo misurando la velocità del suono rispetto al nostro sistema possiamo evidenziare il moto del nostro sistema rispetto all'aria.
Ad esempio misuro una velocità di u=200m/s posso dedurre che mi sto allontanando dalla sorgente con velocità (u=c-v) v=c-u=330-200=130m/s rispetto alla sorgente ferma. Attenzione : possiamo dedurre la velocità relativa del mio sistema rispetto all'aria dove si muove il suono. Non possiamo determinare chi si muove e cioè il moto assoluto.
Nasce l'idea dell'esperimento di Michelson-Morley 1887.
Lo scopo dell’esperimento: misurare la velocità della Terra rispetto all’ETERE considerato fermo.
NB: In quel momento storico era considerato sicuramente vero il Principio di relatività Galileiano. Il principio afferma che i sistemi inerziali sono equivalenti da un punto di vista dinamico. Dire che sono equivalenti significa affermare che le leggi della dinamica sono identiche in ogni sistema inerziale. La conseguenza è che un generico fenomeno dinamico si presenta allo stesso modo se visto rispetto a diversi sistemi inerziali. Una goccia che cade in verticale rispetto ad un sistema inerziale S continuerà a cadere in verticale anche in un sistema S'. Quando siamo in aereo che si muove con moto rettilineo uniforme non abbiamo la percezione del suo moto perchè non accade nulla di diverso di quello che accade quando siamo a Terra. E' anche il motivo per cui non ci accorgiamo del moto della Terra.
E' quindi impossibile dedurre da un fenomeno di meccanica il moto assoluto del proprio sistema.
Una domanda sorge spontanea. Il principio di relatività si può estendere anche ai fenomeni elettromagnetici? E' vero che i fenomeni elettromagnetici si manifestano in modo identico in tutti i sistemi inerziali e che da un fenomeno elettromagnetico è impossibile dedurre lo stato di moto del proprio sistema? L'ipotesi dell'esistenza dell'etere considerato come sistema fermo andava naturalmente contro la validità del principio di relatività esteso ai fenomeni elettromagnetici.
Si pensava che la velocità di un fascio di luce rispetto all’etere dipendesse dalla velocità della Terra per la legge di composizione della velocità. L'idea è semplice: se mi muovo con la Terra a velocità v e "lancio" un raggio di luce (che nell'etere ha velocità c) rispetto a me avrà una velocità v' data dalla legge di composizione vettoriale delle velocità. (vedi figura sotto)
Lo strumento utilizzato per la misura della velocità della luce: interferometro
Un fascio di luce è suddiviso i due fasci che percorrono spazi uguali L+L in direzioni perpendicolari per poi convergere in uno schermo dove interferiscono.
Se la velocità dei due fasci è la stessa l'interferenza è solo costruttiva .
Se la velocità è diversa arrivano sfasati e si OSSERVA anche INTERFERENZA distruttiva. In base allo sfasamento si può dedurre la velocità della Terra rispetto all'etere.
Per comodità pensiamo all'interferometro che si muove con velocità v rispetto all'etere . Vedi la figura sotto che mostra la composizione delle velocità nei due casi di un fascio di luce che si muove nella stessa direzione di v e in direzione perpendicolare.
Per comodità pensiamo all'interferometro che si muove con velocità v rispetto all'etere . Vedi la figura sotto che mostra la composizione delle velocità nei due casi di un fascio di luce che si muove nella stessa direzione di v e in direzione perpendicolare.
Secondo la fisica classica se il raggio si muove parallelo alla direzione del moto del sistema Terra impiega un tempo diverso rispetto al fascio che si muove perpendicolarmente.
L'animazione sopra mostra il percorso del raggio di luce che si muove nella direzione di moto dell'interferometro. Secondo la fisica classica il raggio all'andata ha una velocità c-v mentre al ritorno ha una velocità c+v. Quindi all'andata impiega un tempo L/(c-v) mentre al ritorno impiega L/(c+v). In totale dovrebbe impiegare un tempo :
Il tempo impiegato dal fascio di luce perpendicolare è maggiore perché è maggiore il percorso (vedi animazione sotto)
Infatti se c è la velocità della luce rispetto all'etere, v è la velocità della Terra allora la velocità della luce si ottiene componendo i due vettori tra loro :
Il tempo impiegato dal raggio verticale per andata e ritorno è:
E' facile dimostrare che 𝛥t₂ > 𝛥t₁.
Quindi il secondo raggio di luce dovrebbe arrivare al rilevatore in ritardo rispetto al primo (secondo la fisica classica) e quindi sfasato.
ESITO DELL'ESPERIMENTO: anche ruotando l'apparato non si riuscì a trovare nessuno sfasamento.
Il fatto che l'esperimento sia clamorosamente fallito non poteva far altro che smentire le ipotesi di partenza, mostrando che la luce ha sempre la stessa velocità per tutti gli osservatori e che evidentemente le trasformazioni di Galileo NON sono valide per tutti i sistemi di riferimento in moto relativo l'uno rispetto all'altro.
Il tempo impiegato dal raggio verticale per andata e ritorno è:
Quindi il secondo raggio di luce dovrebbe arrivare al rilevatore in ritardo rispetto al primo (secondo la fisica classica) e quindi sfasato.
ESITO DELL'ESPERIMENTO: anche ruotando l'apparato non si riuscì a trovare nessuno sfasamento.
Il fatto che l'esperimento sia clamorosamente fallito non poteva far altro che smentire le ipotesi di partenza, mostrando che la luce ha sempre la stessa velocità per tutti gli osservatori e che evidentemente le trasformazioni di Galileo NON sono valide per tutti i sistemi di riferimento in moto relativo l'uno rispetto all'altro.
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