Quarq

Determinarea vitezei luminii

Metoda lui Galilei

Încercări de determinare a vitezei luminii au fost făcute din antichitate. Prima mărturie scrisă privind un experiment ştiinţific de determinarea a vitezei luminii îi aparţine lui Galileo Galilei în anul 1638. Metoda lui Galilei este cunoscută drept metoda felinarului şi paravanului şi se bazează pe o idee foarte simplă şi anume măsurarea timpului în care lumina ar parcurge o distanţă cunoscută.

galilei
Experimentul lui Galilei, Imagine preluată de aici

Galilei şi un asistent al său au folosit două felinare acoperite cu câte un paravan. Distanţa dintre ei a fost măsurată în prealabil. Experimentul se desfăşoară pe timp de seară. Ambele felinare sunt iniţial acoperite cu un paravan.Galilei ridică paravanul care acoperă felinarul său. Când asistentul vede lumina trebuia la rândul său să descopere propriul paravan. Timpul dus-întors al luminii este măsurat cu un ceas. Din relaţia:

` v= d/t \ \ \ \ \ `

ar fi trebuit să se măsoare viteza luminii. In practică acest procedeu s-a dovedit lipsit de succes, concluzia lui Galilei fiind că viteza luminii dacă nu este infinită atunci este foarte foarte mare.

Nu se ştie ce instrument a folosit Galilei pentru a măsura timpul. Cel mai probabil a folosit un ceas cu apă. Estimarea lui a fost că viteza luminii ar fi de 10 ori mai mare ca a sunetului. Motivul pentru care Galilei nu a putut determina viteza luminii a fost că nu avea un ceas suficient de precis să măsoare timpul. De exemplu, la valoarea cunoscută azi a vitezei luminii , dacă distanţa dintre Galilei şi asistentul său ar fi fost de 1 km, ar fi trebuit să aibe un ceas care să poată masura un timp de ordinul `0,667∙10^(-6) s. \ \ \ \ \ `

galilei
Ceas cu apă

Lunile lui Jupiter

În 1676, Ole Romer, un astronom danez care lucra la Observatorul Regal din Paris demostrează că viteza luminii este finită şi oferă o primă estimare a acesteia destul de apropiată de valoarea reală. Raţionamentul lui Romer are la bază observaţii astronomice legate de unul din sateliţii planetei Jupiter numit IO. Io este una din cele 4 luni a lui Jupiter (satelit similar celui al Pământului, Luna), unul din sateliţii lui Jupiter cel mai aproape de planetă. IO efectuează o rotaţie completă a lui Jupiter în aproximativ 42 ore şi jumătate iar planul orbitei sale este aproximativ identic cu planul lui Jupiter. Aceasta face ca în momentul în care IO este în opoziţie cu Soarele să nu poată fi văzut. Adică se produce o eclipsă a lui IO. Timpul cât durează eclipsa depinde de poziţia Pământului. Dacă Pământul este aproape de Jupiter (poziţia A) eclipsa lui IO măsurată de pe Pământ durează mai puţin, dacă Pământul este în opoziţie (poziţia B) atunci eclipsa durează mai mult. Durata mai mare a timpului eclipsei se datorează faptului că lumina are de parcurs un drum mai mare pentru a ajunge în B comparativ cu a ajunge în A. Cunoscându-se diametrul orbitei Pământului şi diametrul orbitei lui Jupiter, Romer a estimat că lumina parcurge diametrul orbitei Pământului în jurul Soarelui într-un timp de aproximativ 22 min, ceea ce a condus la o valoare a vitezei luminii de aproximativ 220 000 km/s ( valoare cu 27% mai mică decât cea cunoscută azi).

galilei
Metoda lui Roemer

Metoda lui Fizeau

În 1849 fizicianul francez Louis Fizeau a construit un dispozitiv care folosea un sistem complicat de oglinzi, lentile şi o roată dinţată. Un fascicul foarte intens de lumină era trimis prin acest dispozitiv. Viteza roţii dinţate trebuia să fie destul de mare şi astfel potrivită încât în timpul necesar luminii să se ducă şi să se întoarcă prin dispozitiv rotaţia roţii dinţate să fie cu un spaţiu dintre dinţi, altfel lumina ar fi obturată şi nu ar mai putea fi observată.

galilei
Metoda lui Fizeau

Acest dispozitiv a fost montat între două dealuri de lângă Paris, Suresnes şi Montmartre, distanţa totală parcursă de lumină fiind de aproximativ 17 266 de m. Folosind acest sistem Fizeau a determinat pentru viteza luminii valoarea de 315 300 km/s. Fizeau a reluat experimentul obţinând valori apropiate de aceasta.

Metoda lui Michelson - Foucault

Prima măsurătoare precisă a vitezei luminii a fost făcută de fizicianul american Albert Michelson care a preluat şi îmbunătăţit o metodă ce i-a aparţinut unui alt fizician şi anume Leon Foucault. Ideea experimentului este prezentată mai jos.

galilei
Metoda Michelson-Foucault

Rezultatul experimentului făcut de A. Michelson în 1878 privind determinarea vitezei luminii a fost de 299 910±50 km/s. Experimentul a fost îmbunătăţit şi Michelson a obţinut în 1883 o nouă valoare şi anume de 299 853±60 km/s. Pentru determinarea vitezei luminii Albert Michelson primeşte premiul Nobel pentru fizică în 1907 fiind primul american care obţine această importantă distincţie.

Viteza luminii azi

În perioada anilor 1960 – 1980 au fost efectuate mai multe experimente extrem de precise privind detrminarea vitezei luminii. Experimentul din 1972 care a folosit un interferometru laser foarte precis a determinat valoarea vitezei luminii în aer ca fiind c = 299 792 456 .2 ± 1.1 m/s. În anul 1983 şi apoi în 2011, Conferinţa Generală de Măsuri şi Unităţi care este un for constituit la nivel internaţional stabileşte viteza luminii în vid ca fiind o constantă fundamentală a fizicii valoarea ei acceptată azi este de c = 299 792 458 m/s.