Μετρώντας την ταχύτητα του φωτός

cars-city-communication-6618

Έως την εποχή του Ισαάκ Νεύτωνα (1642-1727), οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι το φως δεν ήταν παρά σωματίδια που εκπέμπονταν από φωτεινές πηγές. Στα 1665 άρχισαν να ανακαλύπτονται οι πρώτες ενδείξεις για την κυματική συμπεριφορά του φωτός. Διάφοροι -όχι πολλοί πάντως- επιστήμονες προσπάθησαν να μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός, όχι πάντα με ιδιαίτερη επιτυχία. 

Σ’αυτό το άρθρο, θα αναφερθούμε στις προσπάθειες σπουδαίων επιστημόνων, να μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός, καθώς και στα αποτελέσματα στα οποία κατέληξαν.

Ο Γαλιλαίος, ήταν από τους πρώτους που προσπάθησαν να μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός. Ας δούμε πώς ακριβώς σκέφτηκε το πείραμά του: Δύο παιδιά, ο Άλμπερτ και ο Βέρνερ, βρίσκονται σε γνωστή απόσταση μεταξύ τους (έστω 1km) και κρατάνε από έναν πυρσό που έχουν καλύψει με σκέπαστρο. Ο ΄Αλμπερτ, ανοίγει το σκέπαστρο του πυρσού του και με το που ο Βέρνερ παρατηρήσει το φως του Άλμπερτ ανοίγει το σκέπαστρο του δικού του πυρσού. Μετρώντας το χρόνο που μεσολαβεί από τη στιγμή που ο Άλμπερτ ξεσκέπασε τον πυρσό του, μέχρι ο ίδιος να δει το φως του Βέρνερ και διαιρώντας το χρόνο αυτό με το διπλάσιο της απόστασης μεταξύ των δύο παιδιών (δηλαδή 2km), είναι -έστω- εφικτός ο προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός.Στην πραγματικότητα, επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ μεγάλη και ο χρόνος αντίδρασης των παιδιών του πειράματος είναι της τάξεως των δεκάτων του δευτερολέπτου, ο Γαλιλαίος απλώς κατάφερε να διαπιστώσει ότι η ταχύτητα του φωτός είναι μεγάλη για να μετρηθεί με τον τρόπο που πρότεινε. Παρόλα αυτά, πρέπει να σημειώσουμε ότι αρκετοί επιστήμονες εκείνη την εποχή πίστευαν ότι το φως διαδίδεται ακαριαία. Η σκέψη του Γαλιλαίου για μέτρηση της ταχύτητας του φωτός αποδεικνύει ότι ο Γαλιλαίος δεν ήταν ένας απ’ αυτούς.

Το εξώφυλλο του συγγράμματος του Γαλιλαίου «Δύο νέες επιστήμες»

Ο Δανός αστρονόμος Roemer,ήταν ο πρώτος που κατάφερε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός εν έτει 1676. Παρατηρώντας την Ιώ, έναν από τους δορυφόρους του Δία, μέτρησε μία μικρή μεταβολή στην περίοδο περιφοράς του δορυφόρου γύρω από το Δία, καθώς η Γη πλησίαζε τον Δία και καθώς απομακρυνόταν. 

Ο Roemer σκέφτηκε ότι αυτή η διαφορά ίσως είχε να κάνει με την πεπερασμένη, και άρα μετρήσιμη, ταχύτητα του φωτός.

Παρατηρώντας τις εκλείψεις για διάστημα κάποιων ετών και εκτιμώντας ότι η μέση διάμετρος της τροχιάς της Γης γύρω από τον Ήλιο ήταν 2.83*1011, υπολόγισε ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν 2.14*108 m/s, μια αρκετά καλή προσέγγιση για τα δεδομένα της εποχής.

Σήμερα ξέρουμε ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σχεδόν ίση με 3*108 m/s.

Ο Γάλλος φυσικός Φιζώ, το 1849 έκανε μια αρκετά καλή μέτρηση της ταχύτητας του φωτός. Σκέφτηκε με παρόμοιο τρόπο με τον αντίστοιχο του Γαλιλαίου διαφοροποιώντας, όμως, τη διαδικασία, αφού χρησιμοποίησε καθρέφτη. Συγκεκριμένα, σκέφτηκε να μετρήσει το χρόνο που χρειαζόταν ένα σήμα φωτός για να φτάσει έναν μακρινό καθρέφτη και ανακλώμενο να επιστρέψει. Ο Φιζώ, χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο τροχό, ο οποίος άφηνε το φως να διέλθει μέσα από το τηλεσκόπιό του. Συγεκριμένα, το φως μπορούσε να περάσει ανάμεσα σε δύο δόντια του τροχού (βλ. Εικόνα παρακάτω), και αφού χτυπήσει στον καθρέφτη, να επιστρέψει στον τροχό. Παράλληλα, ο τροχός περιστρεφόταν, αλλά το φως δεν περνούσε αφού έπεφτε πάνω στο “δοντάκι” μετά το κενό. Αυξάνοντας, όμως, τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του τροχού, το φως κάποια στιγμή μπορούσε να περάσει. Γνωρίζοντας την απόσταση τροχού-καθρέφτη, τον αριθμό δοντιών του τροχού, την ακτίνα του και την ελάχιστη γωνιακή ταχύτητα για την οποία το φως περνούσε, υπολόγισε τελικά την ταχύτητα του φωτός. Μάλιστα, η μέτρησή του ήταν ικανοποιητική, αφού υπολόγισε ότι το φως τρέχει με 313000km/s, λίγο παραπάνω από την πραγματική τιμή της.

Σχηματική διάταξη του πειράματος  Φιζώ

Ο Λεων Φουκώ γύρω στα 1862, τροποποίησε ελαφρώς τη διάταξη του Φιζώ (αντί για περιστρεφόμενο τροχό χρησιμοποίησε περιστρεφόμενο καθρέφτη με σταθερή συχνότητα περιστροφής). Αλλάζοντας σιγά σιγά τη γωνία παρατήρησης, βρήκε την κύρια γωνία για την οποία έβλεπε να προσπίπτει φως (βλέπε Εικόνα παρακάτω). Γνωρίζοντας την απόσταση μεταξύ των καθρεφτών (d στο σχήμα), υπολόγισε ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν ίση με 298000km/s, καθόλου άσχημα, είναι η αλήθεια.

Σχηματική διάταξη του πειράματος Φουκώ

Στον ακόλουθο πίνακα φαίνονται χρονολογικά τα σημαντικότερα ιστορικά πειράματα που έγιναν για τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός. Όπως παρατηρούμε, η ανάπτυξη της τεχνολογίας έδωσε τη δυνατότητα στους επιστήμονες να εκτελούν πιο πολύπλοκα πειράματα, καταλήγοντας και σε πιο ακριβείς μετρήσεις.

Στη σύγχρονη εποχή, ένας από τους τρόπους υπολογισμού της ταχύτητας του φωτός είναι ο εξής: Χρησιμοποιώντας μια δέσμη laser, μπορούμε να μετρήσουμε τη συχνότητα και το μήκος κύματος της δέσμης. Από το θεμελιώδη νόμο της κυματικής: c=λ*f

…μπορούμε να προσδιορίσουμε την ταχύτητα του φωτός c. Η μέτρηση του μήκους κύματος της δέσμης βασίζεται στο φαινόμενο της συμβολής του φωτός, δηλαδή στην ταυτόχρονη διάδοση δύο κυμάτων στη ίδια περιοχή του μέσου. Για τη μέτρηση της συχνότητας, λαμβάνουμε υπόψη τις συνθήκες του Bohr (έστω και αν δεν είναι απόλυτα ακριβείς και σύμφωνες με την κβαντομηχανική). Με αυτόν τον τρόπο, ο οποίος βέβαια έχει κάποιες τεχνικές δυσκολίες, είναι εφικτός ο προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός, με μια πάρα πολύ καλή προσέγγιση.

Συμπερασματικά, πολλά ερωτήματα τίθενται σε σχέση με τη φύση του φωτός. Είναι φως ή κύμα, ή μήπως και τα δύο; Ταξιδεύει πάντοτε ευθύγραμμα ή αλλάζει πορεία κάποιες φορές; Είναι η ταχύτητα του φωτός ίδια παντού; Σε όλα αυτά τα ερωτήματα, και σε πολλά άλλα, η Φυσική έχει ήδη δώσει απαντήσεις. Μάλιστα, η ταχύτητα του φωτός είναι μετρημένη με τόση μεγάλη ακρίβεια που το 1983, στο Γενικό Συνέδριο Μέτρων και Σταθμών που έγινε στη Γαλλία , ο ορισμός που δόθηκε για το μέτρο (μονάδα μέτρησης του μήκους στο SI) συμπεριελάμβανε την ταχύτητα του φωτός στο κενό:

«The metre is the length of the path traveled by light in vacuum during a time interval of 1/299,792,458 of a second»

«Το μέτρο είναι το μήκος της διαδρομής που ταξιδεύει το φως στο κενό μέσα σε 1/299 792 458 του δευτερολέπτου.»

Πηγές

1]Ρακιτζής Πέτρος, Εργαστηριακές Σημειώσεις Φυσικής ΙΙΙ – Οπτικής, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Κρήτης.

2] Ιστοσελίδα του τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.

3]Roemer’s measurement of the speed of light (Wolfram Demonstration Project)

4]MacKay R.J ,Oldford R.W,Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light, σελ 260-270, ανακτήθηκε από Διαδίκτυο

5]Φωτογραφία από Wikipedia

6]Μουρούζης Παναγιώτης Εργαστηριακή Διδασκαλία της Φυσικής,Ε.Κ.Φ.Ε Κέρκυρας 2017

7] Φωτογραφία από Wikipedia

8]Ιστοσελίδα του τμήματος Μαθηματικών του Πανεπιστημίου UCR-Updated 2014 by Don Koks.  Original by Steve Carlip (1997) and Philip Gibbs 1996.

 

 

Ακολουθείστε μας και χαρίστε μας ένα like:
Close Menu