Măsurarea vitezei luminii

Până în secolul al 17 lea, oamenii de ştiinţă erau convinşi că lumina se propagă instantaneu, putând astfel străbate orice distanţă într-un timp zero. Aristotel îl citează pe Empedocles care spunea că lumina ce provine de la Soare are nevoie de un interval de timp pentru a ajunge pe Pământ, dar fără să fie de acord, se pare, cu această afirmaţie; chiar şi Descartes era de părere că lumina se propagă instantaneu.

Ulterior însă, s-au făcute numeroase încercări de a determina viteza cu care se propagă lumina prin spaţiul lipsit de materie. Cele mai importante determinări de-a lungul istoriei ştiinţei sunt următoarele:

ü  1667 –  Galileo Galileo: lumina se propagă cel puţin de 10 ori mai repede decât sunetul

ü  1675 –  Ole Roemer: 214.000 km/s

ü  1728 –  James Bradley: 301.000 km/s

ü  1849 – Armand Hippolyte Louis Fizeau: 315.000 km/s

ü  1862 –  Leon Foucault 299.796 km/s

ü  1879 –  Albert Abraham Michelson: 299.910 km/s

ü  1907 – Rosa, Dorsay: 299.788 km/s

ü  1926 – Albert Abraham Michelson: 299.796 km/s

ü  Astăzi, valoarea acceptată este c = 299.792,458 km/s

            Galileo Galilei este deseori creditat ca fiind primul om de ştiinţă care a încercat să determine viteza cu care se propagă lumina. Metoda sa, foarte simplă dealtfel, presupunea ca doi oameni, fiecare cu câte o sursă de lumină, să se aşeze la o anumită distanţă unul de celalalt. Unul urma să aprindă lampa sa şi de îndată ce celălalt observa lumina, acesta îşi aprindea lampa la rândul său. Măsurând intervalul de timp în care ajungea lumina de la un om la celalalt şi cunoscând distanţa la care se aflau cei doi (din păcate mai mică de 2 km), Galilei credea că poate calcula viteza luminii. Concluzia sa a fost că “dacă nu se propagă instantaneu, atunci lumina trebuie să fie extraordinar de rapidă”. Cel mai probabil Galilei a folosit un ceas cu apă, în care cantitatea de apă scursă măsura timpul scurs, afirmând apoi că lumina se deplasează cel puţin de zece ori mai repede decât sunetul.

            In 1675, astronomul danez Ole Römer, lucrând la Observatorul Regal din Paris, a făcut observaţii sistematice asupra satelitului Io, care avea o orbită circulară stabilă în jurul lui Jupiter şi care era eclipsat de planeta gigant la intervale regulate de timp. De fapt Römer a constatat că în decursul anumitor luni aceste eclipse întârziau din ce în ce mai mult, iar în lunile următoare fenomenul revenea la durata normală. In septembrie 1676 el a prezis corect faptul că o eclipsă ce urma să aibă loc pe 9 noiembrie va avea loc cu 10 minute mai târziu decât era de aşteptat, ceea ce i-a surprins pe colegii săi de la Observator.

Lumina solară reflectată de Io are nevoie de ceva timp pentru a ajunge pe Terra, iar acest interval de timp este mai mare atunci când distanţa dintre Pământ şi Jupiter este mai mare. Eclipsele lui Io întârziau cel mai mult atunci când Pământul se afla la distanţa cea mai mare de Jupiter.

Ştiind că viteza orbitală nu depinde de aceste distanţe relative, Römer a dedus că aparenta modificare trebuie atribuită timpului diferit în care lumina parcurge distanţa variabilă  Jupiter – Pământ.

Utilizând valoarea acceptată la acea vreme pentru diametrul orbitei terestre, Römer a stabilit că viteza luminii are valoarea de 214.000 km/s.

In 1728 James Bradley, astronom englez şi astronom regal din 1742, a estimat viteza luminii în vid la valoarea 301.000 km/s. El a utilizat în acest scop fenomenul de aberaţie stelară pe care l-a descoperit, care face ca poziţia aparentă pe cer a unei stele să se schimbe din cauza mişcării Pământului în jurul Soarelui. Făcând observaţii asupra unei stele din constelaţia Draco (Dragonul) a găsit că poziţia aparentă a acesteia se schimbă în decursul anului, aberaţia stelară fiind aproximativ raportul dintre viteza orbitală a Terrei şi viteza luminii. Bradley cunoştea viteza orbitală a Pământului şi de asemenea a putut măsura aberaţia stelară unghiulară, ceea ce l-a condus la calculul vitezei luminii.

In 1849, pentru a determina viteza luminii, fizicianul francez Armand Hippolyte Louis Fizeau a folosit un dispozitiv cu oglinzi şi o roată dinţată.

El a trimis un fascicul focalizat de lumină printre dinţii unei roţi cu un număr mare de dinţi (peste 100), care se rotea cu o viteză foarte mare (câteva sute de rotaţii pe secundă). La o anumită distanţă, o oglindă reflecta fasciculul făcându-l să se întoarcă şi să treacă printre aceeaşi dinţi ai roţii dinţate. Modificând viteza de rotaţie, Fizeau reuşit să stabilească la ce valoare a acesteia, rotaţia era prea rapidă pentru ca lumina să treacă prin intervalul a doi dinţi, să ajungă la oglindă, să se reflecte, iar la întoarcere sa treacă prin acelaşi interval.

De fapt, Fizeau a folosit oarecum aceeaşi metodă ca şi Galilei, doar că, dându-şi seama de dificultatea măsurării timpului de propagare, a dublat distanţa de propagare folosind oglinda reflectorizantă şi a rezolvat problema timpului sincronizând rotaţia roţii cu propagarea luminii. Roata dinţată reprezenta indirect, un cronometru. Făcând raportul distanţă / timp, Fizeau a obţinut pentru viteza de propagare a luminii valoarea de 315.000 km/s.

            In anul 1862 un alt fizician francez, Leon Foucault, a folosit o metodă similară, dar a înlocuit roata dinţată cu o oglindă rotitoare. Fasciculul luminos era trimis spre aceasta, apoi spre o oglindă fixă îndepărtată şi înapoi spre oglinda rotitoare. Din cauza rotaţiei acesteia, în final fasciculul emergent era uşor deviat faţă de cel iniţial. Măsurarea acestui unghi de deviaţie l-a condus pe Foucault la calcularea vitezei luminii. Timp de 50 de ani el a continuat să-şi perfecţioneze dispozitivul mărindu-i acurateţea, astfel încât ultima măsurătoare la condus la valoarea de 299.796 km/s pentru viteza de propagare a luminii.

In 1879 Albert Abraham Michelson a măsurat viteza luminii perfecţionând metoda lui Foucault, pentru a obţine o mai bună acurateţe a experimentului (care s-a desfăşurat pe malul râului Severn), respectiv a rezultatelor. Astfel, a mărit distanţa până la oglinda fixă a dispozitivului la circa 700 m, faţă de cei 20 m ai lui Foucault, distanţă pe care a măsurat-o cu foarte mare precizie. Pentru a focaliza şi reflecta fasciculul, a utilizat lentile şi oglinzi de foarte bună calitate, iar rezultatul obţinut a fost de 299.910 km/s, cu o precizie de 20 de mai bună decât a predecesorului său. Timp de 40 de ani aceasta a fost considerată cea mai precisă măsurare a vitezei luminii, dar în 1926 acelaşi Michelson a refăcut experimentele, obţinând cea mai bună măsurătoare “mecanică” a vitezei luminii, 299.796 km/s.

După ce James Clerk Maxwell şi-a publicat teoria sa cu privire la electromagnetism, a devenit posibilă calcularea vitezei luminii indirect, cu ajutorul constantelor electromagnetice ale mediului (permitivitatea electrică şi permeabilitatea magnetică). Acest lucru a fost făcut pentru prima dată de  Weber şi Kohlrausch în 1857, iar în 1907 Rosa şi Dorsey au obţinut din aceleaşi calcule valoarea c = 299.788 km/s, reprezentând cea mai precisă valoare a momentului.

In 1888, Heinrich Hertz a reuşit să producă în laboratorul său unde electromagnetice şi să măsoare viteza de propagare a acestora. Valoarea obţinută a coincis cu viteza luminii, ceea ce a condus la ideea că lumina este de fapt o undă electromagnetică.

Valoarea acceptată astăzi pentru viteza luminii în vid este 299.792,458 km/s şi ea reprezintă una din constantele fundamentale ale fizicii.

Viteza luminii în vid se notează cu simbolul c, care se pare că provine de la constantă sau de la cuvântul latin celeritas, ce înseamnă rapiditate, iuţeală. Ea reprezintă viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid, iar mai general, reprezintă viteza particulelor cu masă de repaus zero. In SI valoarea exactă este 299.792,458 km/s (1.079.252.848,8 km/h), iar în unităţi britanice este de 186.282,397 mile/s sau un picior pe nanosecundă (1ft/ns).

Bibliografie:

1. Fizica, vol. II – D. Halliday, R. Resnick
2. Istoria fizicii – Max von Laue
3. Wikipedia, the free encyclopedia

05.02.2014

A. Bodiu, prof. de fizica, LT Stefanesti