Prędkość światła i metody jej pomiaru

Prędkość światła jest stałą uniwersalną. Wynosi tyle samo w próżni, niezależnie od względnego ruchu źródła i obserwatora. W obliczeniach oznaczana jest symbolem c.

Jednak nie zawsze panował taki pogląd na prędkość światła. Dawniej sądzono, że światło porusza się z nieskończoną prędkością. Tym bardziej, że zwyczajny człowiek na co dzień nie obserwuje żadnych zjawisk, które miałyby temu przeczyć. Dopiero gdy powstała druga teoria na temat natury światła, mianowicie teoria korpuskularna, podjęto próby pomiarów tej prędkości.

Pierwszym uczonym, który zapragnął zmierzyć prędkość światła był Galileusz. W swojej książce "Two New Scence" przedstawił pomysł na urzeczywistnienie tego zamiaru. Pisał mianowicie, że dwóch ludzi musi stanąć w nocy naprzeciw siebie w pewnej odległości. Każdy z nich musi trzymać w rękach latarnię, tak aby była możliwość jej zasłaniania i odsłaniania. Dalej eksperyment polegał na tym, że jeden z badaczy odsłonił swoją latarnię. W chwili gdy światło zobaczył stojący naprzeciw niego drugi badacz, odsłonił swoją latarnię. Ten pierwszy usiłował dokonać pomiaru czasu jaki upłynął od momentu odsłonięcia jego latarni do momentu ujrzenia światła z latarni kolegi. Eksperyment ten został przeprowadzony osobiście przez samego Galileusza. Jednak nie powiódł się z oczywistych względów. Dla prędkości , z jaką porusza się światło przebycie tak krótkiej odległość, czyli około 1.6 kilometra to zaledwie 11 mikrosekund. W takim czasie człowiek nawet nie zdąży zareagować.

Pierwsza udana próba oszacowania prędkości światła została przeprowadzona prawie 40 lat później.

W roku 1675 mianowicie jeden z duńskich astronomów, Olaf Roemer zajmował się obserwacją księżyców Jowisza. Na tej podstawie wywnioskował, że prędkość ta może wynosić około m/s.

Warto przedstawić na jakiej podstawie Roemer wyciągnął swoje wnioski. Obserwował mianowicie zjawisko zaćmienia w przypadku satelitów Jowisza, który jest największa planetą w Układzie Słonecznym. Roemer wybrał do obserwacji jeden obiekt - księżyc Io. 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.

Po jakimś czasie znowu był widoczny. Podstawą pomiaru Roemera był czas upływający od jednego pojawiania się księżyca do drugiego pojawienia. Wynosił on 48 h i 28 minut. Takich pomiarów Roemer dokonał wiele. Początkowe wyniki dotyczyły sytuacji, gdy Ziemia była zlokalizowana najbliżej Jowisza. Kolejne pomiary przeprowadzone były w czasie gdy odległość między Ziemią a Jowiszem wzrosła o długość średnicy orbity ziemskiej. I tutaj otrzymał zaskakujący wynik. Okazał się, że pojawienie się księżyca było opóźnione o piętnaście minut w stosunku do pierwszych pomiarów. Ten czas potrzebny był promieniowi świetlnemu na przebycie 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.

Po sukcesie odniesionym przez duńskiego astronoma stało się jasne dlaczego wszelkie próby zmierzenia prędkości światła na powierzchni ziemi zakończyły się fiaskiem. Światło potrzebuje bowiem tylko jednej sekundy, aby przebyć dystans równy ośmiu długościom równika.

Natomiast po raz pierwszy metodami nie związanymi z astronomią prędkość światła zmierzył francuski fizyk Louis Fizeau. Dokonał tego w roku 1849. Przeprowadził następujący eksperyment. Mianowicie zainstalował w swojej aparaturze źródło światła, układ soczewek, zwierciadła półprzepuszczalne oraz koło zębate.

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. Gdy koło zaczynało poruszać się szybciej to światło zanikało. Ale przy kolejnym wzroście prędkości światło znowu można było zobaczyć. Zależało to czy światło trafi na szczelinę czy na ząb koła. A to z kolei było uzależnione od prędkości koła. I teraz wiedząc ile wynosi odległość między kołem a zwierciadłem oraz znając czas można obliczyć prędkość promienia świetlnego.

Wartość prędkości jaką otrzymał Fizeau wynosiła m/s.

Metoda koła zębatego Fizeau została udoskonalona przez jego rodaka Foucaulta. W skład jego aparatury pomiarowej wchodziło: źródło światła, półprzezroczyste zwierciadło z posrebrzaną powierzchnią oraz zwierciadło sferyczne i zwierciadło wirujące. Promienie świetlne biegły najpierw ze źródła do zwierciadła sferycznego przechodząc przez zwierciadło półprzezroczyste i zwierciadło wirujące. Jeśli zwierciadło wirujące znajdowało się w spoczynku to promień świetlny mógł wrócić tą sama drogą i być widoczny w punkcie wyjścia. W sytuacji jednak, gdy zwierciadło wirowało to w czasie powrotu promienia natrafiał on już na nowe położenie zwierciadła. Powodowało to tworzenie się przesuniętego obrazu w punkcie wyjścia. I teraz na podstawie tego przesunięcia obrazu oraz prędkości kątowej zwierciadła, które wirowało i odległości można było obliczyć prędkość światła.

W roku 1950 w Anglii Essen dokonał pomiaru prędkości fali elektromagnetycznej wykorzystując do tego celu wnękę rezonansową. Wnęka ta miała kształt cylindra. Ponieważ znane były wymiary tejże wnęki oraz wyznaczona przez Essena częstotliwość rezonansowa, dlatego możliwe było wyznaczenie najpierw ile połówek fali znalazło się we wnęce, a potem można było obliczyć prędkość światła wykorzystując zależność między częstotliwością a długością fali.

Najbardziej nowoczesną i najbardziej dokładną metoda pomiaru prędkości światła jest metoda oparta na wykorzystaniu detektora światła modulowanego.

Uzyskiwana w czasach współczesnych prędkość światła to 299729.5 km / s. Jest to prędkość maksymalna, żadne ciało nie może zostać przyspieszone do prędkości większej od prędkości światła.