(Figura 1.1 Datorită reflecției interne totale, imaginea unui înotător subacvatic se reflectă înapoi în apa în care este amplasat aparatul de fotografiat. Valurile circulară din centrul imaginii sunt de fapt pe suprafața apei. Datorită unghiului de vizualizare, reflexia internă totală nu se peterece la marginea superioară a acestei imagini, și putem vedea o imagine a activităților din piscină (credit: modificarea lucrării lui „jayhem” / Flickr)).
Investigația luminii se învârte în jurul a două întrebări de importanță fundamentală: (1) Care este natura luminii și (2) cum se comportă lumina în diferite circumstanțe? Răspunsurile la aceste întrebări pot fi găsite în ecuațiile lui Maxwell, care prezic existența undelor electromagnetice și comportamentul lor. Exemple de lumină includ undele radio și infraroșii, lumina vizibilă, radiația ultravioletă și razele X. Interesant, nu toate fenomenele luminoase pot fi explicate de teoria lui Maxwell. Experimentele efectuate la începutul secolului al XX-lea au arătat că lumina are proprietăți corpusulare sau de particule. Ideea că lumina poate afișa atât caracteristicile undelor, cât și ale particulelor se numește dualitatea undă-particulă.
Viteza luminii în vid, c, este una dintre constantele fundamentale ale fizicii. Acesta este un concept central în teoria relativității lui Einstein. Pe măsură ce precizia măsurătorilor vitezei luminii s-a îmbunătățit, s-a constatat că diferiți observatori, chiar și cei care se mișcă la viteze mari unul față de celălalt, măsoară aceeași valoare pentru viteza luminii. Cu toate acestea, viteza luminii diferă într-o manieră precisă în funcție de materialul pe care îl traversează. Aceste fapte au implicații importante.
Viteza luminii: măsurători timpurii
Prima măsurare a vitezei luminii a fost făcută de astronomul danez Ole Roemer (1644-1710) în 1675. El a studiat orbita lui Io, unul dintre cele patru luni mari ale lui Jupiter, și a constatat că a are o perioadă de revoluție de 42,5 ore în jurul lui Jupiter. De asemenea, el a descoperit că această valoare fluctuează cu câteva secunde, în funcție de poziția Pământului în orbita sa în jurul Soarelui. Roemer a realizat că această fluctuație se datorează vitezei finite a luminii și ar putea fi utilizată pentru a determina c.
Roemer a găsit perioada de revoluție a lui Io prin măsurarea intervalului de timp dintre eclipsele succesive ale lui Jupiter. Figura 1.2 (a) prezintă configurațiile planetare atunci când o astfel de măsurătoare este făcută de pe Pământ în partea orbitei unde se depărtează de Jupiter. Când Pământul este în punctul A, Pământul, Jupiter și Io sunt aliniate. Data viitoare când această aliniere are loc, Pământul este în punctul B, iar lumina care transportă acea informație pe Pământ trebuie să călătorească până la acel punct. Deoarece B este mai departe de Jupiter decât A, lumina are nevoie de mai mult timp pentru a ajunge pe Pământ față de atunci când Pământul este în B. Acum imaginați-vă că este vorba de aproximativ 6 luni mai târziu, iar planetele sunt aranjate ca în partea (b) a figurii. Măsurarea perioadei lui Io începe cu Pământul la punctul A și Io eclipsat de Jupiter. Următoarea eclipsă apare atunci când Pământul se află în punctul B’, la care trebuie să călătorească lumina care transporta informația despre această eclipsă. Deoarece B’ este mai aproape de Jupiter decât A’, lumina are nevoie de mai puțin timp pentru a ajunge pe Pământ față de când este la B’. Acest interval de timp între eclipsele succesive ale lui Io văzut la A’ și B’ este, prin urmare, mai mic decât intervalul de timp dintre eclipsele văzute la A și B. Prin măsurarea diferenței dintre aceste intervale de timp și cu cunoașterea corespunzătoare a distanței dintre Jupiter și Pământ, Roemer a calculat că viteza luminii era de 2.0 × 108 m/s, care este cu 33% mai mică decât valoarea acceptată astăzi.
(Figura 1.2 Metoda astronomică a lui Roemer pentru determinarea vitezei luminii. Măsurătorile perioadei lui Io realizate cu configurațiile părților (a) și (b) diferă, deoarece lungimea traseului luminii și timpul de călătorie asociat cresc de la A la B (a) dar scad de la A′ la B′ (b).)
Prima măsurare terestră de succes a vitezei luminii a fost făcută de Armand Fizeau (1819-1896) în 1849. El a plasat o roată dințată care putea fi rotită foarte repede pe un deal și o oglindă pe un al doilea vârf al dealului, la 8 km distanță (Figura 1.3). O sursă de lumină intensă a fost pusă în spatele roții, astfel încât atunci când aceasta s-a rotit, a divizat fasciculul de lumină într-o succesiune de impulsuri. Viteza roții a fost apoi ajustată până când nu s-a mai întors nicio lumină la observatorul situat în spatele roții. Acest lucru s-ar putea întâmpla numai dacă roata s-a rotit cu un unghi corespunzător unei deplasări a dinților (n + 1/2), cât timp ce impulsurile s-au deplasat până la oglindă și înapoi. Cunoscând viteza de rotație a roții, numărul de dinți de pe roată și distanța față de oglindă, Fizeau a determinat viteza luminii de 3.15 × 108 m/s, care este cu doar 5% prea mare.
(Figura 1.3 Metoda lui Fizeau pentru măsurarea vitezei luminii. Dinții roții blochează lumina reflectată la întoarcere atunci când roata se rotește cu o viteză care se potrivește cu timpul de deplasare a luminii către și de la oglindă.)
Fizicianul francez Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868) a modificat aparatul lui Fizeau înlocuind roata dințată cu o oglindă rotativă. În 1862, el a măsurat viteza luminii de 2,98 x 108 m/s, care este în limita a 0,6% din valoarea actual acceptată. Albert Michelson (1852-1931) a folosit de asemenea metoda lui Foucault în mai multe rânduri pentru a măsura viteza luminii. Primele sale experimente au fost efectuate în 1878; până în 1926, a perfecționat tehnica atât de bine încât a găsit c ca fiind (2.99796 ± 4) × 108 m/s.
Astăzi, viteza luminii este cunoscută cu mare precizie. De fapt, viteza luminii în vid c este atât de important încât este acceptată ca una din cantitățile fizice de bază și are valoarea
c = 2,99792458 x 108 m/s ≈ 3,00 x 108 m/s (1.1)
unde se folosește valoarea aproximativă de 3,00 × 108 m/s ori de câte ori este suficientă precizia de trei cifre.
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2
Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1
Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult
Lumina – Optica fenomenologică
O introducere în fenomenologia opticii geometrice (reflexia, refracția, principiul lui Fermat, oglinzi, miraje, dispersia, lentile), opticii fizice (undele luminoase, principiul Huygens–Fresnel, difracția, interferența, polarizarea, vederea tridimensională, holografia), opticii cuantice (fotoni, efectul fotoelectric, dualitatea undă-particulă, principiul incertitudinii, complementaritatea) și culorilor (transparența, … Citeşte mai mult
Gheorghe Adrian
Eu am dedus ca lumina este o structura dinamica similara motorului electric liniar care translateaza (se propaga) prin spatiul vid printr-un mecanism de lunecare hidrodinamica de tip Magnus, cu viteza luminii in vid=c. Fiindca se poate demonstra ca lumina (fotonul) este propulsat in spatiu de catre forta electromagnetica. Si se poate demonstra ca forta electromagnetica este un efect hidrodinamic de tip Magnus in oceanul eteric care materializeaza spatiul fizic, sediul si suportul miscarii.