c = 299 792 458 m/s

dnia 18/06/2016
Źródło: bigthink

Źródło: bigthink

O tym, z jaką prędkością światło przemierza głuchą, wodorową próżnię Kosmosu wie chyba każdy uczeń podstawówki. No dobrze – niech będzie gimnazjalista. Trzysta tysięcy kilometrów na sekundę to tempo dla nas niewyobrażalne, w naszej małej skali Ziemi, gdzie jedynie niektóre samoloty przekraczają „zaledwie” prędkość dźwięku z łatwością – to wręcz nieskończoność. Sto pięćdziesiąt milionów kilometrów dzielących nas od Słońca to tylko trochę ponad osiem minut świetlnych, a do Księżyca to już niewiele ponad sekunda. To akurat nie jest nowością dla Was, wszak czytelnicy Pulsu to mądry naród. Jestem jednak ciekaw czy, podobnie jak ja, zastanawialiście się kiedyś nad historią badań nad tak niewyobrażalnie wielkimi wartościami. Jak zmierzyć coś, co jest najszybsze we Wszechświecie? Historia badań nad prędkością światła to interesująca historia kilku wieków badań i rozwoju techniki i myśli ludzkiej.

Opowieść tą warto rozpocząć od człowieka, którego nazwiskiem można zacząć niemal każdy artykuł dotyczący historii nauki. Galileusz nie bez powodu nazywany jest obecnie ojcem współczesnej nauki. Księżyce Jowisza, fazy Wenus, obserwacje plam słonecznych, jego wojskowy kompas, czy pierwsze eksperymenty z wahadłem, to wręcz kanon jego dokonań. Jednym z mniej znanych jego eksperymentów jest próba zmierzenia prędkości światła, której dokonał w 1638 roku. Otóż ustawił on dwóch obserwatorów z latarniami, przed którymi znajdowały się przesłony. Zadaniem ich było odsunięcie przesłony latarni, gdy tylko zauważą światło z lampy na przeciwko. Niestety, Galileusz uznał rezultaty eksperymentu za… „niejednoznaczne”. Nic dziwnego, obie lampy dzieliła niecała mila. Po śmierci uczonego Accademia del Cimento (Akademia Eksperymentu) z Florencji kilkukrotnie powtórzyła jego eksperyment, tym razem z odległości większych (nieznacznie) od mili. Rezultat? Oczywiście – „niejednoznaczny”. Dzisiaj wiemy, że odległości te są znacznie za małe, by zmierzyć tak wielką prędkość. Jednak sam pomysł można uznać za dziadka eksperymentów nad światłem, ponieważ w zmienionej formie był on wykorzystywany jeszcze nie raz.

Giovanni Cassini przez kilka lat zajmował się obserwacją księżyców Jowisza. Zauważył on rozbieżności w swoich obserwacjach, co tłumaczył skończoną prędkością światła. To właśnie Cassini jako pierwszy zasugerował ten fakt, a teoria ta jeszcze przez długo czas pozostawała co najmniej kontrowersyjna. Pierwszych ilościowych pomiarów światła dokonał duński astronom Ole Romer. Uzyskał on wynik około dwustu dwudziestu dwóch tysięcy kilometrów na sekundę. Całkiem nieźle, biorąc pod uwagę, że Romer nie mierzył światła doświadczalnie. Duński astronom pracował w Paryżu jako asystent Cassiniego w królewskim obserwatorium. Oboje zajmowali się obserwacjami zaćmień księżyców Jowisza. Po porzuceniu tego zajęcia przez swojego mentora, Romer kontynuował pracę na własną rękę. Przez dwa lata odnotowywał on czas „wynurzania” i „zanurzania” się Io za tarczę Jowisza. Oczywiście, w jego czasach znana była pozycja Jowisza względem Ziemi, uwzględnił więc ten fakt w swoich obliczeniach. Sprawa sprowadzała się przede wszystkim do trygonometrii. Ole Romer zauważył, że czas, gdy Io jest schowana za Jowiszem zmienia się, w zależności od dystansu dzielącego Ziemię i Jowisza. Okres orbitalny Io wokół swojej planety nie mógł się zmieniać, wytłumaczeniem tego faktu miała zostać mierzalna, skończona prędkość światła. Wynik przez niego osiągnięty to wspomniane dwieście dwadzieścia tysięcy kilometrów na sekundę i jest on zaniżony o trochę ponad 20% z faktyczną wartością, jednak możemy go uznać za naprawdę niezłe osiągnięcie. W czasach Romera (opublikował on swoje obliczenia w 1676 roku) nie była znana dokładna odległość Ziemi od Słońca, nie znano też zjawiska aberracji światła, które tłumaczyło wahania czasów zakryć Io. Dopiero dwie dekady po śmierci Romera zjawisko to odkrył i wytłumaczył James Bradley.

Aberracja światła (nazywana również aberracją gwiezdną) polega na pozornej zmianie położenia kątowego względem Ziemi. Jest to efekt nutacji (drgań osi obrotu, spowodowanej przez Księżyc), oraz precesji (zmiany kierunku osi obrotu). James Bradley badał zmiany położenia Gamma Draconis, gwiazdy typu widmowego K w gwiazdozbiorze Smoka. Tak mówi oficjalna wersja, jednak mówi się, że Bradley zrozumiał istotę ruchu światła siedząc na łódce. Zauważył on wtedy, że mimo zmiany orientacji, chorągiewka trzepocze wraz z kierunkiem wiatru, niezależnie od tego, w którą stronę skierowana była sama łódź. Bradley próbował obliczyć prędkość światła na podstawie swoich odkryć i ustalił go na trzysta jeden tysięcy kilometrów na sekundę. Póki co, był to wynik najbliższy rzeczywistemu, jednak nie to było tutaj najważniejsze.

Przez te wszystkie wieki światła nie badano doświadczalnie, w warunkach ziemskich. Ówczesna technika nie pozwalała na wykonanie eksperymentu, który mógłby nam pomóc w obserwacji jego natury i prędkości. Wiek XIX przyniósł ze sobą (przede wszystkim) rewolucję przemysłową. Powszechny już dostęp do bardziej zaawansowanych maszyn zmienił nie tylko gospodarkę światową, lecz także naukę.

Dwóch wybitnych francuskich fizyków, Leon Foucault i Hipolit Fizeau pracowali wspólnie nad konstrukcją, dzięki której mieli spróbować ostatecznie zmierzyć prędkość światła. Ostatecznie przed samym eksperymentem panowie się poróżnili. Foucault chciał wykorzystać w ich maszynie ruchome lustra, Fizeau ostatecznie zdecydował się na obracające się koło z wyciętymi siedemset dwudziestoma zębatkami. Koło to było umiejscowione między lustrami i mogło poruszać się nawet kilkaset razy na sekundę. Było także regulowane tak, by jego obrót można było synchronizować ze światłem odbitym z drugiego lustra. Przypomina to trochę pomysł Galileusza, prawda? Galileusz umieścił jednak swoje latarnie w odległości w zasadzie kilkuset metrów, lustra w eksperymencie Fizeau były oddalone od siebie o około osiem kilometrów. Całkiem słuszna odległość, opóźnienie w eksperymencie Galileusza było zbyt małe, by można je było zaobserwować bez technologii dostępnej w 1849 roku. Fizeau obliczył wartość prędkości światła na trzysta piętnaście kilometrów na sekundę. Wynik zawyżony, póki co najbliżej był Bradley, jednak eksperyment ten był istotny dla nauki o tyle, że zapoczątkował erę współczesnej nauki. Nauki, gdzie przy wykorzystaniu techniki jesteśmy w stanie dokonywać pomiarów coraz dokładniejszych.

Eksperyment z lustrami był inspiracją dla Alberta Michelsona, urodzonego w Strzelnie Amerykanina, pierwszego noblisty (1907 rok, za wynalezienie interferometru) z tego kraju w dziedzinie fizyki. Michelson w młodości studiował w U.S. Naval Academy w Annapolis, gdzie pierwszy raz spotkał się z astronomią. Po służbie w marynarce został wykładowcą tej uczelni. Podobno był on na szarym końcu kandydatów, a rektora uczelni miała ująć jego determinacja, gdy osobiście udał się do władz uczelni z prośbą o przyjęcie.

W 1887 roku wraz ze swoim kolegą Edwardem Wilsonem przeprowadził eksperyment, który miał udowodnić zależność prędkości światła od ruchu obrotowego Ziemi, a także miał potwierdzić istnienie eteru, hipotetycznego medium, w którym poruszało się światło. Panowie wykorzystali w nim dwa lustra, pływające w basenie wypełnionym rtęcią. Według teorii eteru prędkość światła powinna być różna, w zależności od kierunku ustawienia luster. Eksperyment nie niósł za sobą takich wniosków, mimo powtarzania go wielokrotnie z coraz większą precyzją. Doświadczenie to było przyczynkiem do rozpoczęcia pracy przez Lorentza, a także miało wpływ na teorię względności Einsteina.

Równocześnie Michelson starał się uściślić pomiar prędkości światła, udoskonalając pomysł Fizeau i Foucaulta i przez wiele lat przeprowadzając kolejne badania. Sztuka polegała przede wszystkim na zwiększaniu odległości między lustrami. Odległości te dochodziły do trzydziestu pięciu kilometrów – taka odległość bowiem dzieli obserwatorium w Mount Wilson i Mount San Antonio w Kalifornii. Wynik przez niego uzyskany to 299 796 kilometrów na sekundę.

Michelson przeprowadzał także próby w rurze próżniowej, by wyeliminować wpływ atmosfery. W swoich eksperymentach używał rury o długości 1,6 kilometra i średnicy 91 centrymetrów. Współpracowali z nim Francis Pease i Fred Pearson. Tym razem eksperyment, a właściwie ich seria, odbył się w Santa Ana w Kalifornii. Niestety, Michelson zmarł w jego trakcie, zaledwie po 36 próbach. Wynik osiągnięty za pomocą próżniowej rury został opublikowany w 1935 roku, z wynikiem 299 774 tysięcy metrów na sekundę.

Michelson mierzył światło metodami mechanicznymi. W latach późniejszych wykorzystano zjawisko Kerra, które polega na podwójnym załamywaniu światła pod wpływem pola elektrycznego.

Obecnie tą metodą jesteśmy w stanie zmierzyć prędkość światła z dokładnością do kilometrów na sekundę. Osobiście jednak chylę czoła przed Michelsonem, Fizeau, czy Romerem. Wykorzystując tylko własne dane, pochodzące z setek własnych obliczeń, dochodzili do rezultatów, które nawet dziś nie odbiegają znacznie od rzeczywistej wartości. Jak pokazuje nam historia badań nad światłem, historia nauki jest pełna pasjonatów, czy wręcz romantyków, którzy żmudnie pracowali nad pojedynczymi zagadnieniami, często nie mając pełnych danych czy pełnej wiedzy o zależnościach rządzących fizyką.

Dodaj komentarz