Chris Oates, un fisico nella divisione di tempo e frequenza del National Institute of Standards and Technology (NIST), spiega.

Nonostante le differenze tra luce e suono, gli stessi due metodi di base sono stati utilizzati nella maggior parte delle misurazioni delle rispettive velocità., Il primo metodo si basa sulla semplice misurazione del tempo impiegato da un impulso di luce o suono per attraversare una distanza nota; dividendo la distanza per il tempo di transito si ottiene quindi la velocità. Il secondo metodo fa uso della natura ondulatoria comune a questi fenomeni: misurando sia la frequenza (f) che la lunghezza d’onda () dell’onda propagante, si può ricavare la velocità dell’onda dalla semplice relazione d’onda, velocità = f×. (La frequenza di un’onda è il numero di creste che passano al secondo, mentre la lunghezza d’onda è la distanza tra le creste)., Sebbene i due fenomeni condividano questi approcci di misurazione, le differenze fondamentali tra luce e suono hanno portato a implementazioni sperimentali molto diverse, così come diversi sviluppi storici, nella determinazione delle loro velocità.

Nella sua forma più semplice, il suono può essere pensato come un’onda longitudinale costituita da compressioni ed estensioni di un mezzo lungo la direzione di propagazione., Poiché il suono richiede un mezzo attraverso il quale propagarsi, la velocità di un’onda sonora è determinata dalle proprietà del mezzo stesso (come densità, rigidità e temperatura). Questi parametri devono quindi essere inclusi in tutte le misurazioni riportate. In effetti, si possono trasformare tali misurazioni e utilizzarle effettivamente per determinare le proprietà termodinamiche del mezzo (il rapporto tra calore specifico, ad esempio).,

Il primo trattato teorico conosciuto sul suono fu fornito da Sir Isaac Newton nei suoi Principia, che predisse un valore per la velocità del suono nell’aria che differisce di circa il 16% dal valore attualmente accettato. I primi valori sperimentali erano basati su misurazioni del tempo impiegato dal suono delle esplosioni di cannoni per coprire una data distanza ed erano buoni a meglio dell ‘ 1% del valore attualmente accettato di 331,5 m/s a 0 gradi Celsius. Daniel Colladon e Charles-Francois Sturm eseguirono per la prima volta misurazioni simili nell’acqua nel lago di Ginevra nel 1826. Hanno trovato un valore solo 0.,2 per cento al di sotto del valore attualmente accettato di ~1.440 m/s a 8 gradi C. Tutte queste misurazioni hanno sofferto di variazioni nei media stessi su lunghe distanze, quindi la maggior parte delle determinazioni successive sono state eseguite in laboratorio, dove i parametri ambientali potrebbero essere controllati meglio e una maggiore varietà di gas e liquidi potrebbe essere studiata. Questi esperimenti utilizzano spesso tubi di gas o liquido (o barre di materiale solido) con lunghezze calibrate con precisione. Si può quindi ricavare la velocità del suono da una misurazione del tempo che un impulso del suono impiega per attraversare il tubo., In alternativa (e di solito più accuratamente), si possono eccitare le frequenze risonanti del tubo (molto simili a quelle di un flauto) inducendo una vibrazione ad un’estremità con un altoparlante, un diapason o un altro tipo di trasduttore. Poiché le corrispondenti lunghezze d’onda risonanti hanno una semplice relazione con la lunghezza del tubo, si può quindi determinare la velocità del suono dalla relazione d’onda e apportare correzioni per la geometria del tubo per il confronto con le velocità nello spazio libero.

La natura ondulatoria della luce è molto diversa da quella del suono., Nella sua forma più semplice, un’onda elettromagnetica (come luce, radio o microonde) è trasversale, costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti perpendicolari alla direzione di propagazione. Inoltre, sebbene il mezzo attraverso il quale la luce viaggia influenzi la sua velocità (riducendola dell’indice di rifrazione del materiale), la luce può anche viaggiare attraverso il vuoto, fornendo così un contesto unico per definire la sua velocità., Infatti, la velocità della luce nel vuoto, c, è un elemento fondamentale della teoria della relatività di Einstein, perché stabilisce il limite superiore per le velocità nell’universo. Di conseguenza, appare in una vasta gamma di formule fisiche, forse la più famosa delle quali è E=mc2. La velocità della luce può quindi essere misurata in vari modi, ma a causa del suo valore estremamente elevato (~300.000 km/s o 186.000 mi/s), inizialmente era notevolmente più difficile da misurare rispetto alla velocità del suono., I primi sforzi come la coppia di osservatori di Galileo seduti su colline opposte che lampeggiavano lanterne avanti e indietro mancavano della tecnologia necessaria per misurare con precisione i tempi di transito di pochi microsecondi. Sorprendentemente, le osservazioni astronomiche nel 18 ° secolo hanno portato a una determinazione della velocità della luce con un’incertezza di solo l ‘ 1 percento. Misurazioni migliori, tuttavia, richiedevano un ambiente di laboratorio., Louis Fizeau e Leon Foucault sono stati in grado di eseguire versioni aggiornate dell’esperimento Galileos attraverso l’uso di ingegnose combinazioni di specchi rotanti (insieme a una migliore tecnologia di misurazione) e hanno fatto una serie di belle misurazioni della velocità della luce. Con ulteriori miglioramenti, Albert A. Michelson ha eseguito misurazioni buone a quasi una parte su diecimila.

La metrologia della velocità della luce è cambiata radicalmente con una determinazione fatta qui al NIST nel 1972., Questa misurazione è stata basata su un laser elio-neon la cui frequenza è stata fissata da un ciclo di feedback per corrispondere alla frequenza corrispondente alla scissione tra due livelli di energia quantizzata della molecola di metano. Sia la frequenza che la lunghezza d’onda di questo laser altamente stabile sono state misurate con precisione, portando così a una riduzione di 100 volte dell’incertezza per il valore della velocità della luce. Questa misurazione e le successive misurazioni basate su altri standard atomici / molecolari erano limitate non dalla tecnica di misurazione, ma dalle incertezze nella definizione del misuratore stesso., Poiché era chiaro che le misurazioni future sarebbero state ugualmente limitate, la 17a Confrence Gnrale des Poids et Mesures (Conferenza generale sui pesi e misure) ha deciso nel 1983 di ridefinire il misuratore in termini di velocità della luce. La velocità della luce divenne così una costante (definita come 299.792.458 m / s), da non misurare mai più., Di conseguenza, la definizione del misuratore è direttamente collegata (tramite la relazione c= f×) a quella della frequenza, che è di gran lunga la quantità fisica misurata più accuratamente (attualmente i migliori orologi atomici a fontana di cesio hanno un’incertezza di frequenza frazionaria di circa 1×10-15).