Jak Armand Fizeau zmierzył prędkość światła

Fizeau jeszcze raz pochylił się nad zapisanym przed chwila arkuszem papieru. Obliczenie było bardzo proste, ale nie dowierzał sam sobie, wolał je sprawdzić. W takiej sytuacji -- oczekiwania na wynik doświadczenia -— pomyłka mogła zdarzyć się nawet jemu, znanemu fizykowi, dla którego matematyka było posłusznym narzędziem w codziennej pracy. A więc jednak wszystko zgadza się. Odłożył pióro i zamyślił się nad wynikiem. Prędkość przeszło trzystu tysięcy kilometrów na sekundę zafascynowała go. Toż przecież światło dociera na odległość, w jakiej księżyc okrąża Ziemię, w niewiele więcej niż jedną sekundę. Po chwili zaduma ustąpiła miejsca zadowoleniu. Ostatecznie miał ku temu powody. Nikt przed nim nie zmierzył prędkości światła w warunkach ziemskich. Owszem, astronomowie już dawno stwierdzili, że światło rozchodzi się ze skończoną, chociaż bardzo dużą prędkością. Nawet ją obliczyli. Ale jemu pierwszemu udało się opracować metodę pomiaru, którą można było stosować bez oczekiwania na sprzyjające zjawiska astronomiczne, powtarzać wielokrotnie i niemal natychmiast po pomiarze otrzymywać gotowy wynik liczbowy.

Aparatura. którą posłużył się Armand Fizeau, była dość prosta. Promienie światła silnej lampy były kierowane przez soczewkę do urządzenia pomiarowego. Tu odpowiedni układ soczewek skupiał je i kierował na tryby dużego koło zębatego. Promień przechodził przez szczelinę między zębami koła, odbijał się od odległego o ponad 8 km zwierciadła i wracał znów do koła zębatego.

Rozpoczynając pomiar, Fizeau wprawił koła zębate w coraz szybsze obroty. I teraz nastąpił najciekawszy moment. Otóż przy odpowiednio szybkich obrotach koła, promień światła przebiegał przez szczelinę między zębami koła, lecz powracając po odbiciu od zwierciadła natrafiał już nie na szczelinę, lecz na ząb, który w międzyczasie zdążył przesunąć się na miejsce szczeliny. Promień zatrzymywał się na zębie, nie docierając do oka obserwatora.

W przeprowadzonym, przez siebie doświadczeniu Fizeau zastosował koło o 720 zębach (oczywiście wycięć między zębami było tyle samo). Zaciemnienie pola widzenia wystąpiło przy 12 obrotach na sekundę. Czas potrzebny na to, aby środek zęba przeszedł na miejsce środka wycięcia pomiędzy zębami wynosił zatem 1 / (12 * 720 * 2) sekund. co daje około jedną siedemnastotysięczną część sekundy. Stacje pomiarowe były oddalone od siebie o 8633 metry. W czasie jednej siedemnastotysięcznej części sekundy światło przebywało tę drogę dwukrotnie -— tam i z powrotem, pokonywało więc łącznie odległość 17266 metrów. Ostatecznie prędkość pomiarów francuskiego uczonego miała wartość około 300 tysięcy kilometrów na sekundę.

Dla uzyskania dostatecznie dużej odległości między stacjami pomiarowymi, nie przesłoniętej żadnymi przeszkodami terenowymi, Fizeau ustawił zaprojektowaną przez siebie aparaturę na wieżach zamkowych, których tyle pozostała na terenie Francji z czasów średniowiecza. Opisane doświadczenie zostało wykonane w roku 1849. Zaledwie rok później inny fizyk francuski nazwiskiem Foucault opracował metodę, pozwalającą na pomiar prędkości światła na bardzo krótkiej drodze —— na przykład wewnątrz niewielkiej pracowni. Było ona dokładniejsza i rzecz jasna bardzo wygodna, a metoda Armanda Fizeau wkrótce po swych narodzinach przeszła do historii. Przyniosła jednak swemu wynalazcy nagrodę w wysokości 10000 franków, przyznaną mu w 1856 roku. Był to wyraz uznania dla Fizeau za jego liczne prace w dziedzinie fizyki.

Inny eksperyment przeprowadził urodzony w Strzelnie na Pomorzu fizyk amerykański Albert Michelson. Stwierdził on, również na podstawie doświadczenia, że ruch Ziemi wokół Słońca nie ma wpływu na wyniki pomiarów prędkości światła, udowodnił więc, że prędkość światła jest prędkością stałą. Według najnowszych badań wynosi ona w próżni 299 792,8 kilometra na sekundę

=================================================================================

Przez wycięcie w rurze, stanowiącej obudowę pierwszej lunety, wchodzi do jej wnętrza koło zębate.

Koło to obraca się i jest umieszczone tak, że podczas obrotu zęby przesłaniają co chwilę wiązkę promieni świetlnych biegnących pomiędzy lunetami. Między okularem pierwszej lunety a kołem zębatym znajduje się półprzezroczysta płytka szklana P, nachylona pod kątem 45 stopni do osi lunety, na którą przez soczewkę S rzucane jest światło ze źródła L. W ognisku drugiej lunety ustawione jest zwierciadło Z.

Przypuścimy na początek, że koło zębate jest nieruchome i że trafia na ognisko obiektywu pierwszej lunety wycięciem pomiędzy zębami. Światło ze źródła L, na przykład lampy, kierowane jest przez soczewkę S na płytkę półprzezroczystą P i po odbiciu od niej ulega skupieniu. Przechodzi następnie przez wycięcie pomiędzy zębami koła K i biegnie dalej w kierunku drugiej lunety.

Tu następuje odbicie światła od zwierciadła Z i powrót w kierunku, z którego nadbiegło. Ponieważ płytka P jest półprzezroczysta, obserwator patrzący przez pierwszą lunetę widzi światło.

Jeżeli teraz koła zębate zostanie wprawione w ruch obrotowy, to patrząc przez pierwszą lunetę widzi się na przemian rozjaśnienia i zaciemnienia pola widzenia. Przy pewnej określonej, dostatecznie dużej, prędkości obrotów koło K pole widzenia staje się zupełnie ciemne. Zaciemnienie to występuje wtedy, gdy promień, który przejdzie przez szczelinę między zębami, po odbiciu od zwierciadła w lunecie drugiej, powracając natrafia na ząb.

=================================================================================

Autor: Jerzy Wierzbowski

Źródło: Kalejdoskop Techniki. Nr 9 (185), wrzesień 1972.