Desidererei sapere perché la natura ha posto un limite alla velocità massima di un oggetto (elettrone, luce ecc.) pari a
300 000 chilometri al secondo?
Presumo che sia da reinterpretare nei termini seguenti: da dove ricaviamo la convinzione che esista in natura una velocità limite, il cui valore coincide con quello della velocità di propagazione della luce nel vuoto?
E la risposta è: da esperimenti specifici.
Consideriamo un dispositivo in grado di sottoporre gruppetti (o "impulsi") di elettroni, emessi da un catodo, a differenze di potenziale (d.d.p.) via via crescenti, per poi immetterli in un tubo a vuoto di lunghezza data nel quale essi si muoveranno, fra due traguardi fissati, di moto rettilineo uniforme. Formuliamo l'ipotesi (ma la cosa può essere — ed è stata — controllata sperimentalmente) che il lavoro compiuto dal campo elettrico, che è pari al prodotto della differenza di potenziale per la carica dell'elettrone, vada tutto in aumento dell'energia cinetica. Secondo la meccanica classica, l'energia cinetica T di una particella di massa m e velocità v è data dall'espressione:
Risolvendo questa relazione per v2 otteniamo:
Possiamo pensare all'energia cinetica come misurata dal prodotto della carica e dell'elettrone per la differenza di potenziale V a cui l'impulso di elettroni è di volta in volta sottoposto; allora
Nell'equazione m ed e sono note; la d.d.p. V è di volta in volta predisposta, e quindi il secondo membro dell'equazione è noto. Il primo membro possiamo invece misurarlo. Si tratterà di misurare il tempo impiegato dagli elettroni a compiere, di moto rettilineo uniforme, un percorso rettilineo di lunghezza data.
Un dispositivo come quello fin qui delineato è fornito di un acceleratore di elettroni. Di esperimenti della natura di quello tratteggiato fin qui per sommi capi è costellato lo sviluppo della fisica delle particelle elementari.
Nel 1964 fu realizzato a puri fini didattici — nel senso che le conclusioni erano state da tempo acquisite in esperimenti di varia natura, pur se non esattamente mirati allo scopo — un esperimento particolarmente efficace per mostrare l'esistenza in natura di una velocità limite (W. Bertozzi, Am. Journal of Phys., 32, p. 551, 1964).
L'esperimento utilizzò un acceleratore lineare di elettroni. Buona parte del tubo a vuoto dell'ecceleratore era utilizzato come base per la misura del tempo di volo. Nell'esperimento impulsi di elettroni erano sottoposti a differenze di potenziale via via crescenti. La misura effettiva era realizzata raccogliendo e inviando via cavo a un oscillografo il segnale corrispondente al passaggio di ogni impulso attraverso una griglia e quello corrispondente all'impatto dell'impulso sulla placca.
Secondo l'ultima formula scritta, l'andamento del quadrato della velocità in funzione di V dovrebbe essere lineare. L'andamento sperimentale è di tutt'altro genere: la curva che interpola i risultati di determinazioni specifiche di V e di v2 mostra scostamenti sensibili dall'andamento previsto dalla fisica classica per differenze di potenziale dell'ordine di grandezza del centinaio di migliaia di volt e ha un asintoto orizzontale. Il corrispondente valore della velocità è determinato dall'intersezione dell'asintoto alla curva con l'asse delle ordinate. Esso ha il significato di una velocità limite, che non si riesce a far superare agli elettroni per quanto alte siano le d.d.p. (fino a decine di milioni di volt) a cui li si sottopone. L'intersezione è intorno a 9·1020 cm2/s2; come dire che la velocità che non si riesce a far superare agli elettroni (velocità limite) è di 300 000 km/s. Questo numero è proprio il valore della velocità della luce nel vuoto, che dunque in questo esperimento appare come una velocità limite. Nessun altro oggetto, con cui ci si è avuto a che fare sperimentalmente nei laboratori di fisica delle particelle elementari in tutto il mondo per decenni, è stato portato a velocità uguali e tanto meno superiori a "c".
Che la velocità della luce nel vuoto sia una velocità limite per la propagazione di tutti i corpuscoli e particelle subnucleari è un fatto sperimentale attualmente comprovato in migliaia di esperimenti. Poiché la materia è fatta di atomi, che a loro volta sono costituiti da tali particelle, sembra una conclusione inevitabile che l'esistenza di una velocità limite col valore c si debba estendere a tutti i corpi materiali.