Prędkość światła, metody pomiaru

Od najdawniejszych czasów ludzie zdawali sobie sprawę, że światło porusza się z niewyobrażalna prędkością. W zasadzie była to dla nich prędkość nieskończona.

Na początku warto zastanowić się czym naprawdę jest światło. Wprawdzie doświadczenia wskazują na jego dwoistą czyli korpuskularno - falową naturę, ale tak do końca jego fenomen nie został poznany.

Prędkość światła w próżni stanowi ważną , uniwersalna stałą fizyczną. Oznaczana jest ona literą "c" i wynosi około 300000 km/s. Stała ta pojawia się w wielu wzorach fizycznych i chemicznych, a najsłynniejszy z nich to wzór Einsteina traktujący o równoważności masy i energii, E = mc. Prędkość światła w próżni jest największą znaną prędkością. Żaden obiekt obdarzony niezerową masą spoczynkową nie może poruszać się z prędkością większą od prędkości światłą w próżni. Może natomiast osiągać prędkości większe od prędkości światła ale w danym ośrodku materialnym. Podczas takiego ruchu dochodzi do emisji przez te obiekty promieniowania zwanego promieniowaniem Czerenkowa.

Pierwszym uczonym, który zapragnął zmierzyć prędkość światła był Galileusz. Był on autorem pomysłu na metodę pomiaru prędkości światła na powierzchni Ziemi. Koncepcję ta przedstawił w swojej książce "Dwie nowe umiejętności". Pisał mianowicie, że dwóch ludzi musi stanąć w nocy naprzeciw siebie w pewnej odległości. Każdego z nich należy zaopatrzyć w latarnię. Musi istnieć również możliwość jej zasłaniania i odsłaniania. Na początku obaj musza latarnie zasłonić. Następnie jeden z nich odsłania swoją latarnię. Jest on obserwowany cały czas przez drugiego badacza i w momencie gdy on zobaczy światło odsłoniętej latarni musi odsłonić swoją. Pomiar czasu między odsłonięciem pierwszej latarni a ujrzeniem przez pierwszego uczestnika eksperymentu światła drugiej latarni powinien pozwolić na obliczenie prędkości światła.

Sam Galileusz przeprowadził ten eksperyment i był niestety zawiedziony jego rezultatem. Przy ówczesnym poziomie techniki Uczony nie miał najmniejszych szans na zmierzenie prędkości światła taka metodą. Gdyby bowiem obaj eksperymentatorzy znaleźli się w odległości jednego kilometra od siebie to Galileusz musiałby mierzyć czas rzędu jednej stutysięcznej sekundy.

Galileusz wprawdzie nie zmierzył prędkości światła, ale był autorem pierwszej i w dodatku nienajgorszej metody pomiarowej. Rozwiązanie tego problemu byłoby możliwe, gdyby obaj obserwatorzy znaleźli się w bardzo dużej odległości od siebie, znacznie większej niż wynoszą odległości na Ziemi.

Jest to związane z ogromną wartością prędkości światła. Eksperyment zatem powiódłby się jeśli pomiary wykonywane byłyby na odległościach porównywalnych z odległością Ziemi od innej planety Układu Słonecznego. Inne wyjście to ulepszenie samej techniki eksperymentalnej.

Badacze poszli obydwoma drogami i udało im się z mniejszą lub większą dokładnością zmierzyć prędkość światła.

Metodę polegającą na zwiększeniu odległości wybrał Olaf Roemer. W 1675 ten duński astronom rozpoczął obserwację księżyców Jowisza. Na tej podstawie wywnioskował, że prędkość ta może wynosić około m/s.

Roemer dokładnie interesował się zaćmieniem księżyców Jowisza. Szczególnie zaintrygował go księżyc Io. Astronom śledził ruch tego księżyca w trakcie jego przemieszczania się. Początkowo Jowisz znajdował się w jego tle, a potem księżyc stawał się niewidoczny w cieniu planety.

Roemer zaobserwował, że po pewnym czasie księżyc znowu wyłania się zza planety. Swoje pomiary astronom oparł na czasie upływającym między kolejnymi pojawieniami się księżyca na tle tarczy planety. Czas ten wynosił 48 godzin i 28 minut. Takich pomiarów Roemer dokonał wiele. Początkowe wyniki dotyczyły sytuacji, gdy Ziemia była zlokalizowana najbliżej Jowisza. Dalsze pomiary przeprowadził po okresie pół roku. W tym czasie odległość między Ziemią a Jowiszem wzrosła o długość średnicy orbity ziemskiej. I tutaj otrzymał zaskakujący wynik.

Mianowicie zaobserwował on piętnastominutowe opóźnienie w wyłonieniu się księżyca zza tarczy planety w stosunku do pierwszych pomiarów.

W tym właśnie czasie światło przebyło drogę równą odległości między miejscem, gdzie były dokonywane pierwsze pomiary a miejscem obecnym. Roemer na podstawie znanej odległości oraz wartości opóźnienia obliczył po raz pierwszy prędkość światła. Rozbieżność między wynikiem Roemera, przedstawionym wcześniej, a rzeczywistą wartością prędkości świata wynikała z nieznajomości dokładnych rozmiarów orbity ziemskiej.

Niemniej jednak Roemer udowodnił, że światło porusza się ze skończoną prędkością. Gdyby tak nie było ni zaobserwowałby on żadnych opóźnień.

Metoda opracowana przez Roemera jest bardzo prosta, ale też bardzo czasochłonna i wymagająca dużo pracy i cierpliwości. Konieczna jest również znajomość niektórych wielkości astronomicznych jak np. rozmiar ziemskiej orbity.

Inną metodę pomiaru prędkości światła opracował francuski fizyk Louis Fizeau. Dokonał tego w roku 1849. Poszedł on nie w kierunku zwiększania odległości ale ulepszania doświadczalnej aparatury.

W swoim eksperymencie użył następującej aparatury pomiarowej: źródła światła, układu soczewek , zwierciadeł półprzepuszczalnych oraz koła zębatego. Sam przebieg eksperymentu wyglądał następująco:

Światło zanim padło na umieszczone w odległości kilku kilometrów zwierciadło przechodziło między zębami koła, które obracało się z pewną prędkością. Następnie dochodziło do odbicia światła od zwierciadła i jego powrót do koła zębatego. Promienie świetlne powinny z powrotem dostać się w przestrzeń między zębami koła. I faktycznie tak było ale tylko dla małych prędkości koła.

Okazywało się , że przy zwiększonej prędkości obrotowej koła następował zanik światła. Ale już przy następnym zwiększeniu prędkości promień świetlny z powrotem mógł przejść przez otwór w kole zębatym.

Zależało to czy światło trafi na szczelinę czy na ząb koła. Na to wpływ miała prędkość samego koła. Na podstawie danych , a mianowicie dystansu między kołem zębatym a zwierciadłem oraz czasu możliwe było wyznaczenie prędkości promienia świetlnego. Według Fizeau prędkość ta wynosiła m/s.

Metodę powyższą udoskonalił Foucault w roku 1862. Innowacja polegała na wprowadzeniu wirującego zwierciadła do układu pomiarowego. Dzięki temu dystans między kołem a zwierciadłem płaskim zmniejszył się z ponad ośmiu kilometrów do kilku metrów. Takie udoskonalenie metody pozwoliło na pomiar prędkości światła także w cieczach a nie jak do tej pory tylko w ośrodku, jakim było powietrze.

Kolejnego pomiaru prędkości światła dokonał Michelson w roku 1924, wykorzystując łuk elektryczny.

Innym naukowcem, który również podjął się pomiaru prędkości fali elektromagnetycznej był Anglik Essen . Było to w roku 1950. Uczony ten w swojej metodzie wykorzystał cylindryczną wnękę rezonansową. Z zależności długości fali i częstotliwości można było dokonać pomiarów prędkości fali.

Obecnie metoda pomiaru prędkości światła najbardziej nowoczesna i dokładna to ta wykorzystująca detektory światła modulowanego.

Od momentu pierwszego pomiaru prędkości światła do czasów teraźniejszych uzyskiwano różne jej wartości. Obecnie obowiązująca jest wartość 299729.5 km / s.