Viteza luminii

Investigația asupra 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 (în unde electromagnetice), care prezic existența undelor electromagnetice și comportamentul acestora. Exemple de lumină includ undele radio și infraroșii, lumina vizibilă, radiațiile ultraviolete și razele X. Interesant este că nu toate fenomenele luminoase pot fi explicate prin teoria lui Maxwell. Experimentele efectuate la începutul secolului al XX-lea au arătat că lumina are proprietăți corpusculare sau asemănătoare particulelor. Ideea că lumina poate afișa atât caracteristicile undelor cât și ale particulelor se numește dualitatea undă-particulă, care este examinată în fotoni și unde de materie.

Viteza luminii în vid c este una dintre constantele fundamentale ale fizicii. Acesta este un concept central în teoria relativității a 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 variază într-un mod precis în funcție de materialul pe care îl traversează. Aceste fapte au implicații de anvergură.

Prima măsurare a vitezei luminii a fost făcută de astronomul danez Ole Roemer (1644–1710) în 1675. El a studiat orbita lui Io, una dintre cele patru mari luni ale lui Jupiter, și a constatat că a are o perioadă de revoluție de 42,5 ore în jurul lui Jupiter. De asemenea, a descoperit că această valoare fluctuează cu câteva secunde, în funcție de poziția Pământului pe orbita sa în jurul Soarelui. Roemer a realizat că această fluctuație se datorează vitezei finite a luminii și poate fi utilizată pentru a determina c.

Roemer a găsit perioada de revoluție a lui Io măsurând intervalul de timp dintre eclipsele succesive de către Jupiter. Figura 1.2 (a) prezintă configurațiile planetare atunci când o astfel de măsurare se face de pe Pământ în partea orbitei sale în care se îndepărtează de Jupiter. Când Pământul este în punctul A, Pământul, Jupiter și Io sunt aliniate. Data viitoare când se produce această aliniere, Pământul se află în punctul B, iar lumina care transportă aceste informații pe Pământ trebuie să se deplaseze în 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 când Pământul se află la B. Acum imaginați-vă că este aproximativ 6 luni mai târziu, iar planetele sunt aranjate ca în partea (b) din figură. Măsurarea perioadei lui Io începe cu Pământul în punctul A’ și Io eclipsat de Jupiter. Următoarea eclipsă are loc atunci când Pământul se află în punctul B’, către care trebuie să se deplaseze lumina care poartă informațiile acestei eclipse. Deoarece B’ este mai aproape de Jupiter decât A’, lumina are nevoie de mai puțin timp pentru a ajunge pe Pământ atunci când se află la B’. Acest interval de timp dintre eclipsele succesive ale lui Io văzute la A’și B’ este, prin urmare, mai mic decât intervalul de timp dintre eclipsele văzute la A și B. Prin măsurarea diferenței în aceste intervale de timp și cu cunoașterea adecvată a distanței dintre Jupiter și Pământ, Roemer a calculat că viteza luminii este de 2,0 × 10⁸m/s, ceea ce este cu 33% sub valoarea acceptată astăzi.

(Figura 1.2 Metoda astronomică a lui Roemer pentru determinarea vitezei luminii. Măsurătorile perioadei lui Io efectuate cu configurațiile părților (a) și (b) diferă, deoarece lungimea traseului luminii și timpul de deplasare asociat cresc de la A la B (a), dar scad de la A’ la B’ (b).)

Prima măsurare terestră cu 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 rapid pe un vârf de deal și o oglindă pe un al doilea vârf de deal, la 8 km distanță (Figura 1.3) ). O sursă de lumină intensă a fost plasată în spatele roții, astfel încât atunci când roata s-a rotit, a tăiat fasciculul de lumină într-o succesiune de impulsuri. Viteza roții a fost apoi ajustată până când nu a mai revenit nicio lumină la observatorul situat în spatele roții. Acest lucru s-ar putea întâmpla numai dacă roata se rotea printr-un unghi corespunzător unei deplasări a dinților (n + ½), în timp ce impulsurile se deplasau spre oglindă și înapoi. Știind viteza de rotație a roții, numărul de dinți de pe roată și distanța până la oglindă, Fizeau a determinat viteza luminii la 3,15 × 10⁸m/s, care este doar cu 5% mai mare.

(Figura 1.3 Metoda Fizeau pentru măsurarea vitezei luminii. Dinții roții blochează lumina reflectată la întoarcere atunci când roata este rotită cu o rată 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 prin înlocuirea roții dințate cu o oglindă rotativă. În 1862, el a măsurat viteza luminii la 2,98 × 10⁸ m/s, care se află la 0,6% din valoarea acceptată în prezent. Albert Michelson (1852-1931) a folosit, de asemenea, metoda Foucault în mai multe rânduri pentru a măsura viteza luminii. Primele sale experimente au fost efectuate în 1878; până în 1926, rafinase tehnica atât de bine încât a găsit c a fi (2.99796 ± 4) × 10⁸m / s.

Astăzi, viteza luminii este cunoscută cu mare precizie. De fapt, viteza luminii în vid c este atât de importantă încât este acceptată ca una dintre mărimile fizice de bază și are valoarea

c = 2,99792458 × 10⁸ m/s ≈ 3,00 × 10⁸ m/s  (1.1)

unde se utilizează valoarea aproximativă de 3,00 × 10⁸ m/s ori de câte ori este suficientă o precizie din trei cifre.

Sursa: University Physics (OpenStax), https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/1-introduction acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu