Jak obliczono prędkość światła część 2

Obserwacje astronomiczne pozwoliły obliczyć przybliżoną wartość prędkości światła, jednak nadal brakowało metod laboratoryjnych pozwalających osiągnąć podobny efekt.

Ten wpis jest częścią drugą, opisu historii wyznaczania prędkości światła, w części pierwszej skupiliśmy się na astronomicznych obserwacjach, pozwalających oszacować wartość c.  W tej części skupimy się na metodach laboratoryjnych.

Link do części pierwszej: https://www.hejto.pl/wpis/jak-obliczono-predkosc-swiatla-czesc-1

Rok 1849, francuski fizyk Hippolyte Fizeau, po raz pierwszy w historii, wykonuje udany laboratoryjny pomiar prędkości światła w powietrzu.

Oblicza ją w bardzo sprytny sposób, używając koła zębatego, źródła światła, oraz dwóch luster.

Fizeau zdawał sobie sprawę z przybliżonej wartości prędkości światła, co za tym idzie, rozumiał jakie parametry musi posiadać jego maszyna, aby możliwe było precyzyjne jej wyznaczenie.

Plan był prosty, a jednocześnie genialny, konieczne jednak było zbudowanie odpowiedniego urządzenia pomiarowego.

W pierwszym kroku należało, przygotować źródło światła oraz lustro półprzepuszczalne. 

Lustro półprzepuszczalne, to lustro odbijające część światła, a pozostałą część przepuszczające. ( podobne zjawisko zachodzi przykładowo w okularach przeciwsłonecznych).

Następnie należało wycelować skupioną wiązkę światła w lustro ustawione pod odpowiednim kątem.

W wyniku tego działania część światła kontynuowała swoją podróż. By wkrótce później natrafić na przeszkodę w postaci ruchomego koła zębatego.

Koło zębate posiadało 720 nacięć, dodatkowo możliwe było obracanie nim ze zmienną prędkością.

W odległości 8633 metrów od koła umieszczone zostało drugie lustro. Mające za zadanie odbicie wiązki światła, z powrotem w stronę szczelin.

Światło kontynuowało podróż w stronę pierwszego lustra, gdzie uległo kolejnemu odbiciu, aż dotarło do oka obserwatora.

 W tym momencie można było przystąpić do pomiarów. 

Rozpędzając koło do coraz to większych prędkości, w pewnym momencie możliwe było zaobserwowanie braku światła docierającego do oka.

Powodem tego stanu rzeczy jest skończona wartość prędkości światła. Fotony po odbiciu od drugiego lustra, zmierzając z powrotem w stronę wcięcia koła, w wyniku obrotu, natrafiały na jego ząb.

Przy 12,6 obrotach na sekundę światło zostało zaćmione. Przy dwukrotnie większej prędkości ( 25,2 obrotów na sekundę) światło było ponownie widoczne, gdyż przechodziło przez kolejne nacięcie. 

Biorąc pod uwagę prędkość obrotową koła i odległość między kołem a lustrem, Fizeau był w stanie obliczyć wartość 2 x 8633 m x 720 x 25,2/s = 313 274 304 m/s dla prędkości światła.  (Rzeczywista wartość: 299 792 458 m/s)

W XIX wieku istniała już powszechna zgodność co do przybliżonej wartości prędkości światła, choć był to czas intensywnych rozważań na temat natury samego światła.

Czy światło jest falą, czy cząstką? Pytanie to wywoływało niemałe poruszenie w kręgach naukowych. Ale właściwie dlaczego? Cóż, żeby wyjaśnić tę kwestię, musimy cofnąć się o ponad sto lat.

Christiaan Huygens (ten sam który jako pierwszy oszacował prędkość światła) w 1690 wydał książkę“ Treatise on Light ”. Książka opisuje koncepcję Huygensa dotyczącą natury rozchodzenia się światła, która to umożliwia wyjaśnienie praw optyki geometrycznej

Huygens postrzegał światło jako nieregularną serię fal uderzeniowych, które poruszają się z bardzo dużą, ale skończoną prędkością przez eter, podobnie jak fale dźwiękowe

Jednak w XVIII wieku teoria Huygensa nie znalazła wielu zwolenników, w przeciwieństwie do teorii korpuskularnej.

W optyce korpuskularna teoria światła stwierdza, że światło składa się z małych cząstek, które poruszają się po linii prostej ze skończoną prędkością.

Isaac Newton studiując dziedzinę optyki, wraz z publikacją pracy “Opticks” w 1704 r. zapoczątkował wczesną koncepcję cząsteczkowej teorii światła.

Teoria ta zdominowała koncepcje światła w XVIII wieku, wypierając wcześniej znane przemyślenia.

W swojej książce Newton argumentował, że geometryczny charakter odbicia i załamania światła można wyjaśnić tylko wtedy, gdy światło składa się z cząstek, ponieważ fale nie mają tendencji do poruszania się po liniach prostych.

Powszechna akceptacja teorii Newtona zmniejszała się wraz z upływem czasu, gdy to zaczęły pojawiać się pierwsze mocne dowody na falową naturę światła.

W XIX wieku znacznie popularniejsze było przekonanie o falistej naturze światła. Chociaż obserwacja plamki Arago w 1819 r. mogła wydawać się ostatecznie rozstrzygać sprawę na korzyść falowej teorii światła. Wciąż istnieli zwolennicy teorii cząsteczkowej.

Aby po raz kolejny wykazać przewagę koncepcji falistej natury światła. Arago rozszerzył wcześniej znane badania, sugerując, że różnicowe porównanie prędkości światła w powietrzu i wodzie posłużyłoby do kolejnego udowodnienia  falowej teorii światła.

*(W rzeczywistości światło posiada naturę "dualną", wykazuje cechy zarówno cząsteczek jak i fali)

W 1850 r. Léon Foucault użył obracającego się lustra do przeprowadzenia różnicowego pomiaru prędkości światła w wodzie w porównaniu z jego prędkością w powietrzu. W 1862 roku użył podobnego urządzenia do pomiaru prędkości światła w powietrzu.

W eksperymencie z 1862 roku Foucault chciał uzyskać dokładną wartość bezwzględną prędkości światła, aby wydedukować lepszą wartości dla jednostki astronomicznej.

Foucault posłużył się urządzeniem zbudowanym z luster stacjonarnych oraz lustra, którym można było obracać. W uproszczeniu proces wyglądał następująco.

Światło (S) rozpoczynało swoją podróż w stronę obrotowego lustra (R), następnie odbijało się w stronę stacjonarnego lustra (M), kontynuując podróż z powrotem w stronę lustra (R). 

W wyniku obrotu lustra R światło wracając, odbijało się pod innym kątem niż pierwotnie, kończąc swoją trasę w innym miejscu, niż zaczynało.

Podczas eksperymentu możliwe było zmierzenie kąta między wiązką światła na początku i końcu.

Jeśli odległość między zwierciadłami wynosi h, to czas między pierwszym i drugim odbiciem od obracającego się zwierciadła wynosi 2h/c (c = prędkość światła). 

Jeśli zwierciadło obraca się ze znaną stałą prędkością kątową ω, to zmienia ono kąt podczas podróży światła w obie strony o wartość θ daną przez:

Po przekształceniu:

gdzie:

c- prędkość światła

ω- prędkość kątowa lustra

h- odległość między zwierciadłami

θ - kąt między źródłem światła, a odbitą wiązką.

Léon Foucault, oszacował prędkość światła na 298 000 000 m/s  (Rzeczywista wartość: 299 792 458 m/s).

Przyszłość:

Kolejne lata, przynosiły coraz to bardziej dokładane metody obliczenia prędkości światła, rozwijane dzięki coraz to lepszego zrozumieniu jego natury, jak i polepszeniu dokładności samych przyrządów.

W 1983 zdefiniowano metr jako długość drogi przebytej przez światło w próżni w przedziale czasu 1/299792458 sekundy. W wyniku tej definicji wartość prędkości światła w próżni wynosi dokładnie 299 792 458 m/s.

Ulepszone techniki mierzenia prędkości światła nie wpływają już na wartość “c” w układzie SI.

#ciekawostki #fizyka #matematyka