Metody wyznaczania prędkości światła

Od wieków panowało przekonanie, że prędkość światła jest nieskończona. Skoro zapalając lampę czy latarkę od razu robi się jasno, czy gdy otwieramy okno wpuszczając do pomieszczenia "trochę słońca" bez żadnych opóźnień robi się widno, to dlaczego światło miałoby posiadać jakąś prędkość? Później zaczęto zdawać sobie sprawę, że prędkość taka musi istnieć, oraz że musi być bardzo duża. Próbowano zmierzyć dokładnie czas, w którym światło przebywa duże odległości (rzędu kilku kilometrów). Jednakże wszystkie te usiłowania nie dały rezultatów. Dopiero dużo później udało się potwierdzić to przekonanie doświadczalnie. Uznaje się, że pierwszym uczonym, który stwierdził, że prędkość światła jest skończona był Rmer w 1676 roku. Jego doświadczenie polegało na obserwacji ruchu księżyca Jowisza. Po nim do pomiaru wartości prędkości światła stosowano także wiele innych metod.

1. Doświadczenie Rmera

Po raz pierwszy prędkość światła wyznaczona została w roku 1676 przez duńskiego uczonego Olafa Rmera. Rmer był astronomem. Pomyślny wynik jego prac tłumaczymy właśnie tym, że odległości między ciałami, dla których mierzył on prędkość światła, były bardzo duże. Były to bowiem odległości między planetami Układu Słonecznego. Rmer obserwował zaćmienia księżyców Jowisza - największej planety Układu Słonecznego. Jowisz, w odróżnieniu od Ziemi, ma dwanaście księżyców. Obiektem obserwacji Rmera był księżyc Io. Astronom widział, jak księżyc przesuwał się na tle planety, pogrążał w jej cień i znikał z pola widzenia. Potem pojawiał się ponownie jak nagle zapalona lampa. Czas, który upływał między dwoma kolejnymi pojawieniami się Io zza tarczy Jowisza był równy 48 godzin i 28 minut. W ten sposób księżyc spełniał rolę ogromnego zegara niebieskiego, który w równych odcinkach czasu przesyłał sygnały na Ziemię. Pierwszych pomiarów czasu obiegu księżyca dokonał Rmer w chwili, kiedy Ziemia, krążąc wokół Słońca znajdowała się najbliżej Jowisza. Podobne pomiary dokonane 6 miesięcy później, kiedy Ziemia zwiększyła odległość od Jowisza o odcinek równy średnicy swej orbity, wykazały nieoczekiwanie, że Io wynurzał się z cienia Jowisza o 15 minut później niż należałoby oczekiwać, znając czas jego obiegu. Rmer wytłumaczył to w następujący sposób: "Jeśli mógłbym pozostać po przeciwnej stronie orbity ziemskiej, to Io zawsze wynurzałby się z cienia w przedziwnym czasie; obserwator znajdujący się tam zobaczyłby Io 15 minut wcześniej. W naszym przypadku opóźnienie spowodowane jest tym, że światło potrzebuje 15 minut na przebycie drogi dzielącej miejsca mojej pierwszej i drugiej obserwacji". Znając opóźnienie pojawiania się księżyca oraz odległość, która to powoduje, można wyznaczyć prędkość światła dzieląc tę odległość (średnica orbity Ziemi) przez czas opóźnienia. Jak okazało się, prędkość światła jest niezwykle duża i wynosi około 300 000 km/s (przyjmując niedokładną wówczas wartość średnicy orbity Ziemi Rmer wyznaczył wartość prędkości światła na c = 214 300 km/s). Dlatego też niesłychanie trudno jest zmierzyć czas, w którym światło rozchodzi się między dwoma punktami na Ziemi. Zauważamy, że w ciągu jednej sekundy światło przebywa drogę 8-krotnie większą niż długość równika.

2. Koła zębate Fizeau

Po raz pierwszy metodą laboratoryjną prędkość światła wyznaczona została w 1849 roku przez francuskiego fizyka A. Fizeau. W metodzie Fizeau promienie świetlne przechodzą przez szczeliny między zębami obracającego się koła zębatego. Następnie padają na zwierciadło umieszczone w odległości kilku kilometrów od koła. 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. Przy zwiększaniu prędkości obrotowej światło powoli zanika. W jaki sposób można to wytłumaczyć? W tym samym czasie, w którym promień po przejściu przez szczelinę biegnie do zwierciadła i z powrotem, koło zdąży już obrócić się tak, że na miejscu szczeliny znajduje się teraz ząb i dlatego światła nie widzimy. Przy dalszym zwiększaniu prędkości obrotowej światło zaczynamy widzieć ponownie. Teraz, w tym samym czasie, w którym promienie biegną do zwierciadła i z powrotem, koło obraca się tak szybko, że na miejscu poprzedniej szczeliny pojawia się następna. Znając ten czas oraz odległość między kołem, a zwierciadłem, można wyznaczyć prędkość światła. W doświadczeniu Fizeau odległość wynosiła 8,6 kilometrów. Wyznaczona w tych warunkach wartość prędkości światła była równa c = 315 300 km/s.

3. Wirujące zwierciadła Foucaulta

Przyrząd Foucaulta z wirującym zwierciadłem pochodzi z 1850 roku. Składa się on ze źródła S, półprzeźroczystego posrebrzanego zwierciadła M1, wirującego zwierciadła R oraz zwierciadła sferycznego M2. Wiązka biegnie ze źródła S do M2. Gdy zwierciadło R jest w spoczynku to wiązka światła biegnąca ze źródła S przez M1 i R do M2 wraca po odbiciu tą samą drogą do M1 i jest widziana w punkcie obserwacyjnym O. Jeśli zwierciadło R wiruje, to światło biegnące ze źródła S przez R do M2, po odbiciu od M2 powraca do wirującego zwierciadła, gdy jest ono już w nowym położeniu R'. Obserwator O widzi na płytce M1 obraz przesunięty. Foucault wyznaczył prędkość światła znając długość L, 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.

4. Metoda rezonatora wnękowego Essena.

Można bardzo dokładnie wyznaczyć częstość, przy której rezonator wnękowy o znanych wymiarach zawiera znaną liczbę połówek długości fali promieniowania elektrostatycznego. Prędkość światła możemy obliczyć z teoretycznej zależności pomiędzy długością fali i częstością.

c = V

Zwykle z pudła rezonatora wypompowuje się powietrze. Fale elektromagnetyczne wnikają na pewną niewielką 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.

5. Detektor światła modulowanego

Jest to jedna z najbardziej współczesnych nam metody wyznaczania prędkości światła i jednocześnie jedna z najbardziej dokładnych. Światło pochodzące ze źródła S zostaje odbite przez zwierciadło M na detektor fotoelektryczny D. 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. Warunek ten będzie spełniony gdy czas przebiegu światła z punktu S do D będzie równy całkowitej wielokrotności okresów N modulującej częstości v. Czas ten równa się N/v, z czego wynika

Gdzie L jest odległością źródła S i detektora D od zwierciadła. Zastosowana w tej metodzie droga wiązki światła była rzędu 10 kilometrów. Bergstrand zmierzył tą metodą wartość c otrzymując c = 299 793±0,3 km/s.

Istnieje wiele innych metod na wyznaczanie prędkości światła. Jej pomiary przeprowadzono w wielu różnych przeźroczystych ośrodkach. Prędkość światła w wodzie została zmierzona w roku 1856. Jak się okazało, jest ona 4/3 razy mniejsza od prędkości w próżni. Według współczesnych danych prędkość światła w próżni jest równa c = 299 792,5 km/s. Przy czym wartość ta została zmierzona z dokładnością 0,4 km/s. Wyznaczenie prędkości światła odegrało w nauce bardzo ważną rolę, przyczyniając się w znacznym stopniu do wyjaśnienia natury światła. Według aktualnego stanu wiedzy nie istnieje większa prędkość od prędkości światła. Prędkość światła jest więc maksymalną prędkością.