O měření rychlosti světla

24. září 2008 | 06.00 |

galileo2

Měření rychlosti světla bylo odedávna považováno za velmi složitý problém. Isaac Beeckman, navrhl v roce 1629 experiment, při kterém by se pozoroval záblesk z kanónu odražený ze zrcadla vzdáleného asi míli. Galileo Galilei nevěřil v nekonečnou rychlost šíření světla a navrhl proto počátkem 17. století ji změřit. Se svým pomocníkem by si vzali lucerny a vyšli na dva od sebe vzdálené kopce a provedli by docela naivní pokus. Experiment spočíval v tom, že by Galileo odkryl na krátký okamžik svou lucernu a když světlo uvidí na druhém kopci jeho pomocník, odkryl by svoji lucernu, kterou by uviděl Galileo. Podle Galilea stačilo zjistit vzdálenost obou pozorovatelů a změřit dobu, za kterou světlo tuto vzdálenost urazilo. Tak by se dala vypočítat rychlost šíření světla. 

Experiment uskutečnila až v roce 1667 Florentinská Accademia del Cimento, s lucernami vzdálenými asi 1 míli. Velká chyba měření nastávala tzv. opožděnou reakcí pozorovatele, když po zahlédnutí světelného signálu musel velmi rychle odkrýt svoji lucernu. Navíc vzdálenost však byla příliš malá a tak žádné zpoždění vlastně nebylo pozorováno. Robert Hooke negativní výsledek vysvětloval tak, že se nejedná o potvrzení nekonečné rychlosti světla, ale toho, že světlo se musí pohybovat velmi rychle.

První odhad rychlosti světla provedl v roce 1676 Ole Rømer (Roemer), který dalekohledem pozoroval pohyb Jupiterova měsíce Io. Vzhledem k tomu, že Io vchází a vychází z Jupiterova stínu v pravidelných intervalech, je možné změřit trvání doby oběhu. Pokud je Jupiter nejblíže k Zemi, byla doba oběhu měsíce Io kolem Jupitera 42,5 hodiny. Když se Jupiter a Země od sebe vzdalovaly, Io vycházel ze stínu Jupitera postupně stále později. Bylo jasné, že tomuto výstupnímu "signálu" trvalo déle než dosáhl Země. Jak se Země a Jupiter vzdalovaly, zvětšoval se interval mezi signály, na kterém se projevoval čas, který světlu zabere překonání dodatečné vzdálenosti mezi planetami. Podobně, asi o půl roku později, byly vstupy měsíce Io do stínu Jupitera o něco častější, protože se Země a Jupiter přibližovaly. Z Rømerova odhadu času a tehdejší nepřesné hodnoty astronomické jednotky vypočítal  Christiaan Huygens rychlost světla asi 220 000 km/s.

James Bradley se v roce1728 pokoušel změřit paralaxu hvězd a tím určit jejich vzdálenost. Místo toho naměřil aberaci. Vyvodil, že světlo hvězd dopadající na Zemi musí přicházet z mírného úhlu, který se dá vypočítat porovnáním rychlosti Země na její oběžné dráze k rychlosti světla.

Tato aberace byla asi 1/200 stupně. Bradleym vypočítaná rychlost světla byla 298 000 km/s.

První úspěšné měření rychlosti světla pozemním přístrojem provedl v roce 1849 francouzský fyzik Hippolyte Fizeau. Fizeaův experiment byl podobný návrhu Galilea. Paprsek světla byl namířen na zrcadlo umístěné ve vzdálenosti 8633 m. Na cestě od zdroje světla k zrcadlu paprsek procházel ozubeným kolem se 100 zuby, které se otáčelo frekvencí 100 Hz. Určení rychlosti šíření světla provedl tak, že měnil rychlost otáčení a pozoroval, kdy se světlo vrátí stejnou mezerou mezi zuby a kdy už ne. Při určité rychlosti rotace ozubeného kola projde paprsek směrem od zdroje jedním otvorem a při návratu otvorem následujícím. Jestliže dojde třeba i jen k malému zrychlení nebo zpomalení rotace ozubeného kola, zasáhne zpětný paprsek samotné kolo (jeho zub) a nedostane se nazpět. Rychlost světla se dá vypočítat ze známé vzdálenosti zdroje a zrcadla, počtu otvorů (resp. zubů) na kole a rychlosti rotace. V dalším experimentu Fizeau umístil zrcadlo do vzdálenosti 20 km, čímž snížil snížil chybu měření a získal výsledek rychlosti světla 313 000 km/s.

Francouz Leon Foucault vylepšil Fizeauovu metodu tím, že nahradil ozubený rotující kotouč rotujícím zrcadlem. Světlo letělo k otáčejícímu se zrcadlu, kde se odrazilo zpět směrem na nepohyblivé a poté znovu zpět na otáčející se zrcadlo, které se ovšem mezitím pootočilo o malý úhel. Vzdálenost mezi zrcadly byla 18 metrů. Z úhlu pootočení paprsku vypočítal Foucault rychlost šíření světla na 298 000 km/s. Později použil Foucaultovu metodu vynikající experimentátor Albert A. Michelson Michelson. Použil rotující zrcadla pro změření času, který světlo potřebuje na překonání vzdálenosti  asi 31 km mezi horami Mount Wilson a Mount San Antonio v Kalifornii. Výsledkem těchto měření byla relativně přesně určená rychlost světla na 299 796 +/-4 km/s. V roce 1888 Heinrich Hertz měřil rychlost radiových vln (tedy poprvé jiného oboru elektromagnetického spektra než světelného) s výsledkem 300 000 km/s.

I ve 20. století neustále probíhala měření, jejichž smyslem bylo zvýšit přesnost určení rychlosti šíření světla. V roce 1926 se pokusil opět změřit rychlost světla Michelson pomocí rotujícího zrcadla, tentokrát s výsledkem 299 798 km/s. Později se ve Foucaltově metodě začaly jako zdroj světla využívat lasery. Znovu byl použit původní Galileův návrh s tím, že druhý pozorovatel však nestál na sousedním kopci, ale byl jím koutový odrážeč umístěný kosmonauty mise Apollo na Měsíci. Na něj byl pak ze země namířen laser. Vlastně se tato metoda stále používá na průběžné zjišťování vzdálenosti měsíce od Země. Neustálé zpřesňování měření rychlosti světla končí v roce 1983, více jak 300 let po prvních seriozních experimentech. Na 17. všeobecném kongresu o mírách a váhách je definována rychlost světla jako 299 792 458 m/s přesně. Tato definice jen znamená, že nepřesnosti měření nyní přesouváme do definice metru, který je roven délce dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy. Metr je od roku 1983 odvozen od rychlosti světla ve vakuu. Měřeními od roku 1983 tedy již nezpřesňujeme určení rychlosti světla, ale zjišťujeme skutečnou hodnotu vzdálenosti jednoho metru.

s využitím serveru Aldebaran

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 2.05 (21x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře

RE: O měření rychlosti světla pavel 24. 09. 2008 - 07:58
RE: O měření rychlosti světla eithne 24. 09. 2008 - 16:13
RE: O měření rychlosti světla josef labuť 23. 01. 2013 - 00:17
RE(2x): O měření rychlosti světla fyzmatik 25. 01. 2013 - 20:10