Se non vado errato, io che sono fermo rispetto alla terra vedo la luce a velocità c in qualsiasi caso. Supponiamo che un faro di una macchina che va a 200.000Km/s si accenda; io che sono fermo lo dovrei vedere a 300.000 + 200.000 Km/s no? In realtà non è così! Come può essere resa l’idea di ciò che accade?

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Poiché la velocità della luce è invariante in tutti i sistemi di riferimento, questa avrà velocità di 300.000Km al secondo sia nel sistema di riferimento solidale alla macchina sia in quello solidale all’osservatore fermo. La
comprensione di questi concetti non è affatto semplice perché nella vita di tutti i giorni noi rimaniamo ben al di sotto di queste velocità e la meccanica Newtoniana risulta essere la più adatta per spiegare i fenomeni fisici della vita quotidiana. Le leggi di Lorentz (vedi anche qui) sono molto diverse da quelle della meccanica classica a velocità molto alte (prossime alla luce) ma sono praticamente coincidenti a velocità basse (già una velocità di 1/10 rispetto a quella della luce può essere considerata “bassa”).

Il problema della scarsa intuibilità della relatività ristretta (leggi di Lorentz) e soprattutto della relatività generale è stato alla base di molte dispute fra scienziati e, tuttora, la relatività generale non è ancora
stata accettata del tutto (infatti si parla sempre di TEORIA della relatività generale) e molti scienziati aspettano ansiosi dal cielo la verifica di questa teoria che dovrebbe arrivare dalle cosiddette onde gravitazionali.

La relatività ristretta è invece stata moltissime volte verificata sperimentalmente.

Come ho già scritto nel problema della nostra macchina, noi misuriamo la velocità della luce uguale in entrambe i sistemi di riferimento: l’unica differenza che si osserva tra le due luci, è il tipo di luce: cioè, la luce che si osserva dall’interno della macchina è di colore diverso rispetto a quella percepita dall’osservatore fermo. La spiegazione di ciò risiede nel fatto che la luce è composta da particelle senza massa
(fotoni) che hanno energia:

1) E=hf

dove h è la costante di Plank e f è la frequenza della luce (o dell’onda elettromagnetica in genere).

Quindi se si osserva la luce dalla macchina io potrò misurare un’energia E=hf, mentre se osservo la luce nel sistema solidale all’osservatore fermo si misurerà una energia:

2) E=hf+miv2=hf’

dove mi è la massa inerziale del fotone (cioè la massa che dovrebbe avere se fosse una particella massiva con energia cinetica hf e velocità v=200.000Km/s nel nostro caso) che vale:

3) mi=hf/c2

Dalla formula 2 si nota che la frequenza f’ è legata alla velocità della macchina.

In sostanza quindi, i fotoni che vengono “sparati” dalla macchina “trasformano” la loro velocità iniziale
in energia (dato che la velocità della luce è un limite insormontabile).

Se invece la macchina viaggia nella direzione opposta ed emana luce verso l’osservatore, questi misurerà
sempre una velocità pari a quella della luce, ma una energia pari a:

E=hf-miv2=hf’

Queste che sono state illustrate altro non sono che semplici applicazioni dell’effetto Doppler: l’effetto Doppler è quel fenomeno che spesso percepiamo per strada quando una autoambulanza con la sirena accesa si avvicina e, in seguito, ci sorpassa. Il suono che percepiamo una volta che l’autoambulanza ci ha sorpassato è più basso (e quindi di frequenza più bassa) rispetto a quello che aveva quando si stava avvicinando, ma la velocità del suono è uguale in entrambe i sistemi di riferimento (dentro l’autoambulanza o fermi). La differenza tra la velocità del suono e quella della luce è che mentre la prima rappresenta un limite invalicabile solo per le onde sonore in aria, la seconda rappresenta un limite invalicabile per tutti
i corpi, con o senza massa.

Questo effetto è di straordinaria importanza: tramite l’osservazione della luce delle stelle si è scoperto che l’universo è in espansione, infatti questa luce risultava essere di frequenza più bassa rispetto a quella aspettata (cioè le frequenze di emissione tipiche di alcuni elementi) proprio per effetto
Doppler.