Prędkości rozchodzenia się światła

Prędkość światła w próżni jest jedną z ważniejszych stałych w przyrodzie. W układzie SI jej wartość wynosi dokładnie 299 792 458 m/s. Dokładna wartość prędkości światła jest konsekwencją przyjętej w październiku 1983 roku przez XVII Generalną Konferencję Miar (General Conference on Weights and Measures) obowiązującej aktualnie definicji jednostki długości – metra [1].

Zgodnie z tą definicją metr jest to długość drogi, jaką pokonuje światło w próżni z czasie 1/299 792 458 s. Prędkość światła w próżni jest największą możliwą prędkością z jaką może być przesyłana energia i informacja. Z tą prędkością poruszają się jedynie fale elektromagnetyczne (i grawitacyjne) oraz kojarzone z nimi cząstki o zerowej masie spoczynkowej – fotony (i hipotetyczne grawitony). Żadne inne cząstki i ciała nie mogą osiągnąć, a tym bardziej przekroczyć tej prędkości.

Skończona czy nieskończona?

Prędkość światła jest tak ogromna, że w obserwowanych na co dzień zjawiskach nie jesteśmy w stanie zaobserwować niczego co by świadczyło o tym, że światło rozprzestrzenia się ze skończoną prędkością. Nic zatem dziwnego, że aż do czasów nowożytnych trwały spory na temat prędkości światła. Uczonym, który stworzył pierwszą teorię światła i postrzegania był grecki filozof Empedokles (490–430 p.n.e) [2]. W teorii Empedoklesa światło jest czymś co się porusza i wobec tego wymaga odpowiedniego czasu na pokonanie danej drogi. Tym samym w teorii Empedoklesa światło ma skończoną prędkość.

Z kolei w teorii Arytostelesa (384–322 p.n.e.) światło jest czymś istniejącym cały czas i nie przemieszczającym się, a jedynie uaktywniającym się pod wpływem ciał. W konsekwencji w teorii Arystotelesa światło jest nieskończenie szybkie. Dopiero w czasach nowożytnych pojawiły się pomysły na rozstrzygnięcie sporu o prędkość światła na drodze eksperymentalnej. W 1629 roku holenderski uczony Isaac Beeckman (1588-1637) zaproponował obserwację czasu opóźnienia pomiędzy wystrzałem z działa, a zaobserwowaniem odbicia błysku wybuchu w zwierciadle umieszczonym jedną milę dalej [3].

W 1638 roku włoski uczony Galileusz (1564-1642) zaproponował inny eksperyment i twierdził, że wykonał go kilka lat wcześniej [4]. Eksperyment wymagał uczestnictwa dwóch osób oddalonych odpowiednio od siebie i zaopatrzonych w latarnie. W pewnym momencie pierwszy z uczestników eksperymentu odsłania swoją latarnię, a drugi robi to samo ze swoją latarnią w chwili, gdy zobaczy światło pierwszej latarni. Pomijając opóźnienie wynikające z czasu reakcji drugiego obserwatora, czas pomiędzy odsłonięciem przez pierwszego uczestnika swojej latarni, a momentem zaobserwowania przez niego światła z drugiej latarni jest czasem, jaki potrzebuje światło na pokonanie dystansu od pierwszego uczestnika do drugiego i z powrotem. Galileusz wykonał ten eksperyment z latarniami oddalonymi o mniej niż jedną milę (chodzi o milę włoską, czyli ok. 1,5 km) i stwierdził, że na podstawie tego eksperymentu nie może rozstrzygnąć, czy prędkość światła jest nieskończona, czy też skończona, ale bardzo duża [5].

Jakiś czas po śmierci Galileusza (najprawdopodobniej w 1667 roku) członkowie Florenckiej Akademii Eksperymentu (Accademia del Cimento) powtórzyli eksperyment Galileusza z latarniami oddalonymi o około jedną milę, ale oczywiście również nie zauważyli żadnego opóźnienia. Dziś wiemy, że to opóźnienie przy odległościach między latarniami rzędu kilometrów byłoby rzędu 10 µs, nic więc dziwnego, że eksperyment Galileusza nie mógł zakończyć się stwierdzeniem, że prędkość światła jest skończona.

Pierwszy udany laboratoryjny pomiar prędkości światła został przeprowadzony dopiero 200 lat później. Pomiaru tego dokonał francuski fizyk Hyppolyte Fizeau (1819-1896). Metoda pomiaru prędkości światła zrealizowana przez Fizeau, podobnie jak w pomyśle Galileusza, polegała na pomiarze czasu przelotu światła „tam i z powrotem” pomiędzy punktami odległymi o 8633 metry [6]. Na drodze światła ustawione było wirujące koło zębate o 720 zębach, tak, że światło mogło przechodzić w przestrzeni pomiędzy zębami koła. Dzięki temu uzyskiwało się krótkie impulsy światła, które następnie odbijało się od zwierciadła i wracało w kierunku koła zębatego (rysunek 1).

Zmieniając prędkość obrotową koła obserwowało się zmiany natężenia powracającego światła po jego ponownym przejściu przez płaszczyznę koła zębatego. Natężenie to było największe, gdy powracający impuls trafiał ponownie na pustą przestrzeń między zębami, zaś w sytuacji, gdy powracający impuls trafiał dokładnie na ząb koła zębatego obserwator przestawał widzieć odbite światło. Przy najmniejszej prędkości kątowej, dla której występuje drugi z tych efektów otrzymujemy równość między czasem potrzebnym na pokonanie przez światło podwojonej odległości między kołem zębatym a zwierciadłem, a czasem obrotu koła zębatego o połowę odstępu między zębami. Znając odległość L między kołem zębatym a zwierciadłem, liczbę zębów N koła zębatego i częstotliwość f (liczbę obrotów na sekundę lub odwrotność okresu) ruchu koła zębatego możemy wyliczyć prędkość światła (…)

W 1849 roku Fizeau opublikował wyniki swojego eksperymentu stwierdzając, że światło pokonuje drogę 70 948 lieux w ciągu jednej sekundy, co w przeliczeniu na dzisiejsze jednostki daje 315,3·10³ km/s (musimy pamiętać, że metr, który wydaje się nam być jednostką długości istniejącą „od zawsze” powstał dopiero w 1793 roku i nie od razu wszedł do powszechnego użytku). Notabene Fizeau jako pierwszy sugerował wykorzystanie prędkości światła do określenia jednostkowej długości [7], co zostało zrealizowane, jak wspominałem we wstępie, w 1983 roku.

Jednak zanim doszło do eksperymentu Fizeau świat nauki musiał wcześniej oswoić się z myślą, że prędkość światła jest skończona. Co prawda, jak pisałem wyżej, już Empedokles w V wieku p.n.e uważał, że światło rozchodzi się ze skończoną prędkością, jednak żyjący po nim (w IV wieku p.n.e) Arystoteles sądził, że jest inaczej, a to właśnie Arystoteles wywarł ogromny wpływ na filozofię średniowiecza, w konsekwencji na czasy nowożytne.

Odkrycie skończonej prędkości światła przypisuje się powszechnie duńskiemu astronomowi Ole Roemerowi (1644-1710) (można spotkać kilka pisowni jego nazwiska – Rømer, Römer, Roemer, Romer), który w swoim artykule z 7 grudnia 1676 roku [8] tłumaczy zmienność czasów pomiędzy kolejnymi zaćmieniami pierwszego księżyca Jowisza – Io skończoną prędkością światła.

Odkrycie księżyców Jowisza

Zanim opiszę zjawisko obserwowane przez XVII-wiecznych astronomów, które doprowadziło Roemera do odkrycia skończonej natury prędkości światła wróćmy do Galileusza. To właśnie on w 1610 roku za pomocą skonstruowanej przez siebie lunety odkrył cztery największe księżyce Jowisza (Io, Europa, Ganimedes i Kallisto). Obecnie znamy 69 księżyców Jowisza [9], te odkryte przez Galileusza nazywamy dzisiaj księżycami galileuszowymi [10]. Są to obiekty stosunkowo jasne, ich tzw. wielkość gwiazdowa zawiera się w przedziale od 5^m do 6^m, więc w dobrych warunkach byłyby widoczne gołym okiem, gdyby nie znajdowały się tak blisko bardzo jasnego Jowisza.

Z tekstów Galileusza znamy dobrze historię tego odkrycia [11]. 7 stycznia 1610 roku Galileusz skierował swoją lunetę na Jowisz i zauważył w pobliżu niego trzy małe słabo świecące obiekty. Były one wraz z Jowiszem ustawione w jednej linii. Dwie z nich po jednej stronie Jowisza a trzecia po drugiej. Galileusz uznał je początkowo za tzw. „gwiazdy stałe”, jak nazywano wówczas gwiazdy niezmieniające swojego położenia względem siebie w odróżnieniu od innych obiektów na niebie zmieniających swoje położenie jak Słońce, Księżyc, planety czy komety. Kolejnej nocy zauważył, że wszystkie trzy gwiazdy znajdują się po jednej stronie Jowisza. Tłumaczył to sobie zmianą pozycji Jowisza na niebie. 9 stycznia niebo było zachmurzone i obserwacja była niemożliwa.

Przez dwie następne noce widoczne były tylko dwie z widzianych wcześniej gwiazd. Galileusz domyślił się, że trzecia znalazła się na jednej linii z Jowiszem i jest przez niego zasłonięta. 12 stycznia widoczne były znowu trzy gwiazdy, ale w innej konfiguracji niż pierwotnie, a 13 i 15 stycznia oprócz tych trzech pojawiła się jeszcze czwarta. Galileusz nie od razu domyślił się, że obserwowane przez niego obiekty krążą wokół Jowisza, czyli są jego księżycami. Zgodnie z ówczesnymi wyobrażeniami przypuszczał raczej, że obiekty te poruszają się w linii prostej tam i z powrotem. Jednak obserwując zmiany konfiguracji tych czterech obiektów w końcu zdał sobie sprawę, że poruszają się one na orbitach wokół Jowisza (…)

Więcej przeczytacie w artykule Jana Kurzyka ” Historia odkrycia skończonej prędkości rozchodzenia się światła” w wydaniu 3/2018 „Fizyki w Szkole”