15 Dub

Historická technika měření rychlosti světla v astronomii.

097813Rychlost světla je předmětem částicové i jaderné fyziky. Vědci byla po několika desetiletí zpřesněna a upravena na c = 299 792 458 m/s ve vaku. První historický milník měření uskutečnil na počátku 17. století Italský astronom Galileo Galilei, jenž měřením prokázal, že velikost rychlosti světla je větší než zvuku a je konečná. K experimentu potřeboval asistenta, který se postavil na druhý kopec vzdálený 1.6 km od prvního, kde stál Galileo. K výsledku se dopracoval pomocí vzorce c = d / (t2 – t1) , kde c je označení latinského slova celeritas (rychlost) a d je vzdálenost obou kopců. V čase t1 Galileo odkryl lucernu a poté signál přijal asistent, kdy v čase ttaktéž odkryl lucernu. Koncept byl zatížen několika nepřesnostmi a problémy včetně tehdejšího technické vybavení a malé vzdálenosti obou pozorovatelů. Galileiho metoda byla ověřena až misí Apollo umístěním koutového odražeče na povrch Měsíce, na který byl směřován laser ze Země. Galileo je pouhý zlomek z této historie. Ani v tomto článku nejsou uvedeni všichni, ale jenom důležitá většina.

S rostoucí vzdáleností obou planet bude světlu trvat déle než zasáhne Zemi. Důkaz, že světlo je konstantní. Autor: Model (Stručnější historie času).

S rostoucí vzdáleností obou planet bude světlu trvat déle než zasáhne Zemi. Důkaz, že světlo je konstantní.
Autor: Model (Stručnější historie času).

Römerův odhad

Přesný objev přinesl známý dánský astronom Ole Christensen Römer, když v roce 1676 demonstroval svá měření na nejvnitřnějším měsíci Io planety Jupiter v Kodani. V poloze nejblíž Jupiteru změřil časový interval zákrytu Io a to samé provedl v čase, kdy se Země nacházela nejdál. Z těchto informací odvodil rychlost světla cca 220 000 km/s.

t1 ( c – v ) = t2 ( c + v ), kde t1 je časový interval zákrytu Io v poloze A, tv poloze B, …rychlost světla ve vaku dostaneme vzorcem c = (t1 + t2) / (t1 – t2) v a rychlost Země v = 29,783 km/s.

Romerův model.

Römer si taktéž uvědomil, že interval začátku a konci zákrytu se vždy měnila, což byla také věc, která ho přiměla ke konečné rychlosti. Autor: fyzika.jreichl.com

Obvod měsíce Io je 11 446 km. Autor: businessinsider.com

Obvod měsíce Io je 11 446 km.
Autor: businessinsider.com

 

Bradleyova měření

Další měření odvodil z aberace hvězd (tj. odhylkou hvězd v důsledku odchylky světelného paprsku od původního směru k tělesu v důsledku skládání rychlosti světla a rychlosti Země) známý astronom James Bradley.

Kromě rychlosti Země musel znát  tangens úhlu α (aberace hvězd) pro který platí:tg α = v sin (β) / c, kde β  je úhel sevřený směry k hvězdě a k bodu na obloze ke kterému směřuje, nazývanému apex.

Pěkné znázornění paralaxe hvězd kvůli aberaci. Pozorovatel na Zemi vidí hvězdu zdánlivě jinak, v důsledku pohybu Země kolem Slunce. Autor: hamamatsu.com

Pěkné znázornění paralaxe hvězd kvůli aberaci. Pozorovatel na Zemi vidí hvězdu zdánlivě jinak, v důsledku pohybu Země kolem Slunce.
Autor: hamamatsu.com

 

Další (ne)astronomický experiment se uskutečnil až roku 1849. Později se měření zpřesňuje a přichází se na nové metody jak je určit.

Ozubené kolo

Světlo putuje do oka pozorovatele tehdy, když se dostane přes zuby kola. Fizeau zkoušel a měnil rychlost frekvenci otáčení. Autor: hamamatsu.com

Světlo putuje do oka pozorovatele tehdy, když se dostane přes zuby kola. Fizeau zkoušel a měnil rychlost frekvenci otáčení.
Autor: hamamatsu.com

Kolo mělo několik set zubů a frekvenci otáčení 100/s.
8 km před kolem stálo zrcátko a za kolem zdroj světla.

Jakmile světelný paprsek dopadající na polopropustné zrcadlo byl přerušován zuby kola. V některých okamžicích prošel paprsek mezi zuby a dopadl na zrcadlo, které je odrazilo do oka pozorovatele.

Tímto získal až interesantní výsledek: 301 000 km/s. Došel k tomu, že c = 4Lnf, L – vzdálenost mezi ozubeným kolem a odrážejícím zrcadlem postaveným před ním, n – počet zubů u kola, f – frekvence otáčení, přičemž vzdálenost L musela být větší než vzdálenost zdroje světla od pozorovatele.

Experimenty prováděl i ve vodě.

Jean Foucault

Později francouzský fyzik Foucault nahradil rotujícím zrcadlem ozubené kolo z předchozího experimentu. Nastavil úhel otáčení zrcadla ve směru hodinových ručiček v čase t0. Světelný paprsek byl od tohoto zrcadla odražen na pevné stojící zrcadlo o 18 m dál a zpátky dopadl na rotující, který za tuto dobu změnil úhel od okamžiku t0.

Zrcadlo se pootočí za dobu, kdy odrazí světlo na pevné a vrátí se. Autor: pas.rochester.edu

Zrcadlo se pootočí za dobu, kdy odrazí světlo na pevné a vrátí se.
Autor: pas.rochester.edu

 

Úhlová rychlost otáčení zrcadla (omega) = 2 π f.

c = 4ωL1 L2 / Δs, odkud Δs dopočítal

Δs = 2Δ α L1.

Výsledek: 298 000 km/s.

Později tento pokus využil A. A. Michelson a přesnějším měřením díky lepšímu vybavení a hlavně rotujícímu osmibokému hranolu se zrcadlícími stěnami  určil velikost rychlosti světla na 299 909 km/s. V roce 1888 zasáhl do měření i Hertz, který ale pro změnu měřil velikost rychlosti radiových vln, ale dostal se k výsledku 300 000 km/s.

Pokusy prováděl i ve 20. století Michelson, který opět tato měření o kousek zpřesnil na 299 798 km/s.

Dnes již umíme změřit a určit velikost rychlosti světla s přesností na metr za sekundu.

Reference, doporučené odkazy, obrázky:
(Stručnější historie času (2006) – S. W. Hawking a L. Mlodinow)
Líbí se Vám článek? Sdílejte jej...Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+Email this to someone