POMIAR PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA - DAWNIEJ I DZIŚ.

Opracowanie: Andrzej Pragacz

Już w starożytności zastanawiano się, czym jest światło. Zadawano sobie pytanie, czy promienie świetlne mają jakąś prędkość, czy też może jest tak, jak się intuicyjnie zdaje - docierają wszędzie natychmiast. rzymski poeta i filozof Lukrecjusz przekonywał w I wieku p.n.e., że światło biegnie z ogromna prędkością. Jednakże mimo filozoficznych rozważań Arystotelesa, Awicenny, Rogera Bacona, Kartezjusza i innych sprawa prędkości światła była nierozstrzygnięta. Sprawę utrudniał fakt, że nie było wówczas dowodu ani na falową ani na korpuskularną naturę światła, bo to nasuwałoby do razu że światło ma pewną skończoną prędkość.

Eksperyment Galileusza

Spór próbował rozwiązać włoski fizyk Galileusz na początku XVII wieku. Pewnej nocy przeprowadził eksperyment ze swym pomocnikiem, wykorzystując dwie latarnie. Ustawili się na przeciwległych wzgórzach. Eksperyment polegał na tym, że jedna osoba miała odsłonić swoją lampę, zaś druga, gdy promień miał do niej trafić miała zrobić to samo. Osoba pierwsza miała obserwować ewentualną różnicę czasów między odkryciem latarni a otrzymaniem "sygnału zwrotnego". Jeżeli światło miałoby biec ze skończoną prędkością, musiałby upłynąć pewien okres czasu.

Niestety, za każdym razem Galileusz dostrzegał błysk latarni pomocnika równocześnie z odsłonięciem swojej latarni. A więc problem pozostał nierozstrzygnięty. Jednakże eksperyment miał także pozytywne rezultaty. Wywołał burzę wśród filozofów i naukowców. Kartezjusz skrytykował eksperyment, zaś Robert Hooke uznał że brak przerwy wcale nie implikuje nieskończonej prędkości światła. Zaś obliczenie hipotetycznej wówczas prędkości światła stało się jednym z głównych celów fizyków.

Odkrycie Ole Rømera

Rozstrzygnięcie przyniosło w 1676 roku ważne odkrycie dokonane przez Duńczyka Ole Rømera. Opierał się on na swych obserwacjach zaćmień księżyców Jowisza. Planeta ta posiada wiele księżyców - cztery największe, Io, Europę, Ganimedesa i Callisto odkrył, jak na ironię losu, Galileusz. Rømer zauważył, że obserwowane z Ziemi odstępy czasu miedzy dwoma kolejnymi zaćmieniami maleją, gdy Ziemia w swym ruchu po orbicie zbliża się do Jowisza, rosną natomiast, gdy Ziemia się oddala. Na podstawie wielomiesięcznych obserwacji Romer oszacował w ten sposób sumaryczne opóźnienie na około 22 min(1320s).

Wnioski były proste - jeżeli założymy że zaćmienia zdarzają się z tą samą częstotliwością, natomiast na Ziemi obserwowane są jakby czas między nimi wydłużał się i skracał, to mamy niewątpliwy dowód na to, że światło biegnie ze skończona prędkością, jako że potrzebuje czasu aby pokonać pewną odległość (różnice w odległości Ziemi i Jowisza). Znając czas opóźnienia i średnicę orbity Ziemi w jej ruchu wokół Słońca, możemy policzyć prędkość światła, korzystając ze wzoru:

Gdzie delta t - sumaryczne opóźnienie, d1 -dystans maksymalny( miedzi Ziemią a Jowiszem), d2 - dystans minimalny. Rømer korzystając z tego wzoru obliczył prędkość światła równą 214 300 km/s.

Dzisiaj wiadomo, że czas opóźnienia wynosi ok. 1000 s, a średnia odległość Ziemi od Słońca ok. 150 milionów kilometrów. Wykorzystując te dane dochodzimy do wniosku, że prędkość światła wynosi około: 3 *108 m/s.

Pomiar Jamesa Bradleya

Teoria o nieskończonej prędkości światła upadła ostatecznie wraz z kolejnym odkryciem naukowym. James Bradley zauważył, że światło pochodzące od gwiazd ulega odchylaniu w cyklu rocznym, nie tworząc jednego punktu, lecz elipsę. Zjawisko to nazwane zostało aberracją (odchyleniem) światła, i jest niczym innym jak efektem względności ruchu. Znając prędkość Ziemi, oraz odchylenie w kącie padania światła w porównaniu z obserwatorem spogląjącym ze Słońca można zmierzyć jego prędkość. Bradley obliczył ją na podstawie posiadanych danych i wyszedł mu wynik: 301 000 km/s.

Metoda Armanda Fizeau

Po raz pierwszy prędkość światła w warunkach ziemskich zmierzył w 1849 roku francuski fizyk Armand Hoppolyte Fizeau. W metodzie Fizeau promienie świetlne odbite przez półprzepuszczalne zwierciadło przechodzą przez szczeliny między zębami obracającego się koła zębatego. Następnie padają na zwierciadło umieszczone w określonej odległości od koła (w oryginalnym eksperymencie odległość miedzy zwierciadłem a zębatką wynosiła 8630m - dlatego eksperyment został dokonany jedynie w powietrzu). Po odbiciu się od zwierciadła światło powinno ponownie trafić na szczelinę między zębami koła. Jeśli koło obraca się powoli, promienie odbite od zwierciadła można zobaczyć. Obserwator może zmierzyć prędkość c przez zwiększanie prędkości kątowej koła od zera do wartości, przy której zniknie obraz źródła. Niech będzie odległością kątową między środkiem przerwy a środkiem zęba. Czas potrzebny na to, by koło obróciło się o kąt, ma być równy czasowi przelotu 2l/c. W ten sposób otrzymujemy:

, czyli

Fizeau opierając się na tym wzorze obliczył że prędkość światła równa się 315 300 km/s.

Metoda Jeana Foucaulta

W 1862 roku J. Foucault opracował metodę, w której zastosował wirujące zwierciadło, co pozwoliło na zmniejszenie odległości między zwierciadłem płaskim, a kołem z 8 km do kilku metrów. To udoskonalenie pozwoliło na pomiar prędkości światła nie tylko w powietrzu, ale również w innych ośrodkach materialnych, na przykład przeźroczystych cieczach, jak również i w próżni.




Przyrząd Foucaulta składa się ze źródła S, półprzeźroczystego zwierciadła P, wirującego zwierciadła Z1 oraz zwierciadła sferycznego Z2. Wiązka biegnie ze źródła S do Z2. Gdy zwierciadło R jest w spoczynku to wiązka światła biegnąca ze źródła S przez P i Z1 do Z2 wraca po odbiciu tą samą drogą do P i jest widziana w punkcie obserwacyjnym O. Jeśli zwierciadło Z1 wiruje, to światło biegnące ze źródła S przez Z1 do Z2, po odbiciu od Z2 powraca do wirującego zwierciadła, gdy jest ono już w nowym położeniu. W ten sposób pojawia się przesunięcie w punkcie końcowym O'.

Foucault wyznaczył prędkość światła znając odległość między Z1 i Z2, przesunięcie obrazu i prędkość kątową wirującego zwierciadła. Najlepsza wartość prędkości światła w powietrzu, uzyskaną przez Foucaulta w 1862 roku wynosiła: c = 289 000 +- 500 km/s.

Metoda Alberta Michelsona

Michelson swoje pomiary zapoczątkował w listopadzie 1877 roku. Zbudowane przez niego urządzenie było w gruncie rzeczy modyfikacją metody Foucalta. Zastąpił wklęsłe zwierciadło płaskim lustrem i soczewką.Michelson posłużył się dwoma płaskimi zwierciadłami oddalonymi od siebie o 150 m. W kwietniu 1879 roku po dwóch latach wytężonej pracy opublikował swój wynik - 298 413 km/s na łamach American Journal of Science.

W 1923 roku Michelson nadal był ogarnięty obsesją wyznaczenia jeszcze dokładniejszej wartości prędkości światła. Tym razem postanowił przeprowadzić pomiary na dłuższej odległości: wykorzystując szczyt Mount Wilson i odległy od niego o 35 km szczyt Mount San Antonio. Skomplikowany system zwierciadeł umieszczono na Mount Wilson, nieruchome zwierciadło natomiast znajdować się miało na Mount San Antonio. Od 1924 do początków 1927 roku dokonano pięciu niezależnych pomiarów. Otrzymano ostateczny wynik: 299 798 km/s

Pragnąc jednak dokonać jeszcze bardziej dokładniejszego pomiaru Michelson skorzystał z zaproszenia do Pasadeny. Do tej wielkiej, ostatniej w życiu Michelsona próby, wybrano punkt na Irvine Ranch koło Santa Ana w południowej Kalifornii. Chcąc aby pomiar był bardzo dokładny skonstruowano olbrzymią rurę próżniową o długości 1,5 km. Obracające się zwierciadła stalowe miały po 8, 16 i 32 ścianki. Za pomocą wielokrotnego odbicia drogę światła zwiększono do około 18 km. Z 2885 przeprowadzonych pomiarów otrzymano średnią wartość prędkości światła, a mianowicie 299 774 km/s.

Michelson jest też znany z powodu doświadczenia, które wykonał razem z Morleyem: przy pomocy przyrządu zwanego interferometrem wykazał, że hipotetyczny eter nie istnieje (nie odkryto żadnego "wiatru eteru" w którym Ziemia miałaby się poruszać)

Detektor światła modulowanego Bergstranda

Jest to jedna z najbardziej współczesnych metod wyznaczania prędkości światła i jednocześnie jedna z najbardziej dokładnych. Światło zostaje odbite przez zwierciadło na detektor fotoelektryczny. Natężenie światła wysyłanego ze źródła jest modulowane przez oscylator o częstości radiowej. Oscylator ten moduluje z tą samą częstością czułość fotokomórki. Sygnał dawany przez detektor będzie największy, jeżeli światło o maksymalnym natężeniu dojdzie do fotokomórki w momencie, gdy czułość jej będzie największa.

Droga wiązki światła w eksperymencie Bernstranda była rzędu 10 kilometrów. Zmierzył on tą metodą wartość c otrzymując c = 299 793 +-0,3 km/s.

Można zmniejszyć częstotliwość modulacji nawet do 50 Hz, lecz wtedy pomiar prędkości nie jest wykonywany się bezpośrednio. Obserwuje się wtedy różnice faz sygnału na podstawie krzywych Lissajous (wyglądają jak elipsy, w ekstremalnych przypadkach jak koła i odcinki)

Rezonator wnękowy Essena

Louis Essen wymyślił inny sposób. Polega on na wyznaczeniu rezonansu fal o długości rzedu kilku centymetrów (czyli fal mikrofalowych) w rezonatorze wnękowym zwykle z odpompowanym powietrzem lub na pomiarze długości fali interferometrem mikrofalowym, analogicznym do optycznego interferometru Michelsona.

Można bardzo dokładnie wyznaczyć częstość, przy której rezonator wnękowy o znanych wymiarach zawiera znaną liczbę połówek długości fali promieniowania. Prędkość światła możemy obliczyć z teoretycznej zależności pomiędzy długością fali i częstotliwością. Fale elektromagnetyczne wnikają na pewną nie-wielką głębokość w ścianki pudełka, dlatego też konieczna jest poprawka uwzględniająca ten efekt. Essen w roku 1950 stosował częstości 5960, 9000 oraz 9500 MHz i znalazł: c = 299 792,5 km/s. +- 1 km/s.

Interferometr radiowy Frooma

W roku 1958. brytyjski fizyk Keith Davy Froome użył interferometru radiowego, podobnego do interferometru Michelsona i uzyskał wynik: c = 299 792,5 km/s

Inne

Prędkość fotonów w próżni można także policzyć wykorzystując równania Maxwella, podstawiając odpowiednie wartości do wzoru:

Wystarczy tylko znać μ0, czyli współczynnik przenikalności magnetycznej próżni(1,257*10-6) oraz ε0 - współczynnik przenikalności elektrycznej próżni (8,854*10-12). W ten sposób postąpili Rosa i Dorsay, wyznaczając w 1907 roku wartość c równą 299 788 +-30 km/s

Dziś

Dzisiejsza definicja prędkości światła c to wartość zatwierdzona przez siedemnasty międzynarodowy kongres wag i miar w 1983 roku, która to wartość wynosi 299 792 458 m/s.

Wartość ta jest używana do definicji metra.

prędkości światła znane w XIX i XX wieku

Bibliografia



Last update 07-03-2007     Copyleft © by Andrzej Pragacz       XHTML 1.0 / CSS valid            Skin