Od czasu gdy astronom duński Olaf Roemer - badając zaćmienia księżyców Jowisza odkrył, że prędkość światła jest skończona zaczęła się długa historia eksperymentów mających na celu zmierzenie tej prędkości. Sam Roemer nie zmierzył nigdy tej prędkości - sam fakt, że może ona być skończona był dla niego tak szokujący, iż konkretna wartość była nieistotna... .

Później przeprowadzano wiele różnych doświadczeń, spośród których na wspomnienie zasługują pomiary przeprowadzane przez Alberta Michelsona. Używano tam dość skomplikowanej maszynerii, wirującego, ośmiokątnego zwierciadła, a samo laboratorium było dość rozległe bo promień świetlny przebywał drogę między dwoma wierzchołkami górskimi.

Długo po tym, znaczenie prędkości światła wzrosło jeszcze bardziej, gdy okazało się, że fale elektromagnetyczne, opisywane przez równania Jamesa Clerka Maxwella podróżują właśnie z tą prędkością. Był to duży krok w kierunku zrozumienia prawdziwej natury światła.

Postulat stałości prędkości światła niezależnie od układu współrzędnych naprowadził na początku XX wieku pewnego urzędnika szwajcarskiego biura patentowego na trop mechaniki relatywistycznej i zapewnił mu nieśmiertelność, jako jednemu z największych uczonych wszechczasów. W transformacji Lorentza, która leży u podstaw szczególnej teorii względności występuje jedna arbitralna stała, która jest właśnie prędkością światła. Gdyby miała ona inną wartość cały obserwowany świat byłby inny. Nasza intuicja - uformowana w innych warunkach też byłaby inna i moglibyśmy spotykać codziennie takie fenomeny z jakimi miał do czynienia jak dotąd tylko pan Tompkins w krainie czarów.

Po tym przydługim wstępie przechodzimy do sedna to znaczy do opisu samego eksperymentu pomiaru prędkości światła, w tej postaci w jakiej został on wykonany przez Ongrysa w 1996 roku. Nie wymaga on żadnego specjalistycznego osprzętu a uzyskana dokładność jest zupełnie zadawalająca z punktu widzenia Wymiany Ciepła (tj. jest taka jaką uzyskujemy rozwiązując przeciętne zadanie na Wymianie Ciepła) to znaczy zgadza się znak otrzymanej wartości, a także istnieje taki pozycyjny system liczenia, w którym zgadza się rząd wielkości.

Do wykonania pomiaru użyto latarki na baterie (4 baterie R14) o dość lekko chodzącym wyłączniku (celem zmniejszenia błędu wyniki otrzymane w przypadku zacięcia się włącznika nie były brane pod uwagę), a także stopera marki CASIO.

Latarka, skierowana wprost na ścianę, trzymana była w lewym ręku, a stoper w prawej. Następnie jednocześnie włączono latarkę i stoper. Po odczekaniu, aż światło latarki będzie widoczne na ścianie, wyłączono stoper. Czas wskazywany przez stoper jest zatem czasem, w ciągu którego światło pokonało drogę do ściany i z powrotem. Pomiar powtórzono pięć razu po czym wyniki uśredniono.

Pomiar tego typu może być obarczony pewnym błędem, który jest przy tak prostym sprzęcie nieunikniony. Otóż nie ma nigdy pewności co do tego czy latarka była trzymana prostopadle do ściany. Pewna odchyłka od kąta prostego mogła się pojawić i spowodować wydłużenie drogi pokonywanej przez światło. Błąd spowodowany nie uwzględnieniem odległości między żarnikiem żarówki a zwierciadłem latarki został wyeliminowany w ten sposób, że stoper wyłączono już po tym jak na ścianie pojawił się obraz żarnika a nie - chwilę potem - gdy widać było snop światła odbity od lustra. Jak można obliczyć na podstawie wyników eksperymentu chwila ta trwała około 1.6 milisekundy.

Wyniki pomiarów

Odległość od ściany - zmierzona centymetrem krawieckim - wyniosła dwa i pół metra. Zmierzony średni czas pokonania przez światło tej drogi dwa razy wyniósł 0.16 sekundy. Wyliczona prędkość światła to zatem 31.25 m/s .

O doniosłych relatywistycznych konsekwencjach tego faktu - już wkrótce.

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 Römer 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 Römera.

Po raz pierwszy prędkość światła wyznaczona została w roku 1676 przez duńskiego uczonego Olafa Römera. Römer 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. Römer obserwował zaćmienia księżyców Jowisza - największej planety Układu Słonecznego. Jowisz, w odróżnieniu od Ziemi, ma dwanaście księżyców. Obiektem obserwacji Römera 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 Römer 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. Römer 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 Römer 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.

V λc =

Zwykle z pudła rezonatora wypompowuje się powietrze. Fale elektromagnetyczne wnikają na pewną nie-wielką 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 rów-na 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.

---