METODY POMIARU PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA

• Astronomiczna metoda pomiaru prędkości światła - Romera

Metody pomiaru prędkości światła dzielą się na bezpośrednie i pośrednie. Już rzymski poeta

i filozof Lukrecjusz przekonywał w I wieku p.n.e., że światło biegnie z ogromną prędkością.

Po raz pierwszy prędkość światła próbował zmierzyć włoski fizyk Galileo Galilei, zwany dziś Galileuszem, na początku XVII wieku. Wybrał się mianowicie nocą za miasto ze swym pomocnikiem i dwoma latarniami. Sam stanął z jedną na jednym wzgórzu, zaś jego pomocnik, z drugą latarnią, wspiął się na inne wzgórze. Po zasłonięciu obu latami Galileusz odsłonił swoją. Na ten sygnał jego pomocnik miał również odsłonić swoją latarnie.

Gdyby światło biegło ze skończoną prędkością - rozumował Galileusz - to zanim dobiegłoby od jego latarni do pomocnika, a następnie, po odsłonięciu jego latarni, od jego latarni do niego, musiałby upłynąć pewien okres czasu.

Niestety, za każdym razem Galileusz dostrzegał błysk latarni pomocnika równocześnie z odsłonięciem swojej latarni. Stąd wypływa wniosek, że: albo światło biegnie nieskończenie szybko, albo jego prędkość jest skończona, ale tak -wielka, ze metoda zastosowana- przez Galileusza -jest za mało dokładna. Od czasu Galileusza wyznaczanie wartości prędkości światła było podmiotem prac wielu fizyków.
Sprawę rozstrzygnął już w 1676 roku duński astronom Olaf Romer, opierając się na swych obserwacjach zaćmień księżyców Jowisza. Planeta Jowisz, największa planeta Układu Słonecznego, ma 22 księżyce. Cztery największe spośród nich:

• Io

• Europa

• Ganimedes

• Callisto

Zostały one odkryte przez Galileusza w 1610 roku. Obiegają one planetę na płaszczyźnie bardzo bliskiej płaszczyzny Jowisza w jego ruchu dookoła Słońca. Wskutek tego podczas każdego obiegu dookoła planety księżyce wchodzą w cień Jowisza, ulegając tym samym regularnym zaćmieniom. Romer zauważył, że obserwowane z Ziemi odstępy czasu miedzy dwoma kolejnymi zaćmieniami maleją, gdy Ziemia w swym ruchu po orbicie zbliża się do Jowisza, rosną natomiast, gdy Ziemia się oddala. Zaćmienia możemy uważać za sygnały świetlne wysyłane w różnych odstępach czasu, a więc -jako wskazania swego rodzaju zegara. I oto z Ziemi stwierdzamy, że zegar ten chodzi nie regularnie: śpieszy się, gdy Ziemia się do niego zbliża, opóźnia natomiast, gdy Ziemia się od niego oddala. W sytuacji, gdy Ziemia zbliża się prawie wzdłuż linii prostej łączącej ją z Jowiszem obserwowane z Ziemi przyśpieszenie naszego "zegara" wynosi niespełna 2 s. dla Io i prawie 15 s. dla Callisto. Gdy Ziemia oddala się, tyleż wynoszą opóźnienia naszego zegara. Są to wartości maksymalne, bowiem w sytuacjach pośrednich, gdy Ziemia biegnie ukośnie względem prostej łączącej ją z Jowiszem, różnice są mniejsze. Obserwując nasz zegar w ciągu całego roku zarejestrować można globalne skutki tych efektów. Na podstawie pierwszych wielomiesięcznych obserwacji Romer oszacował w ten sposób sumaryczne opóźnienie na około 22 min. Tyleż powinno wynosić sumaryczne przyspieszenie. Z tego wynika, że: gdyby światło biegło z nieskończenie wielką prędkością, to żadnych opóźnień, ani przyśpieszeń byśmy nie stwierdzili. Skoro, bowiem regularnie wysyłane sygnały docierają do nas raz nieco za późno, raz nieco za wcześnie, wobec tego muszą one stracić nieco czasu, by nas dogonić. Zatem sygnały biegną ze skończoną prędkością. Jakościowo problem został rozstrzygnięty: światło biegnie ze skończona prędkością. Można to obliczyć: należy dokładnie znać ów czas opóźnienia ( Romer oszacował go na około 22min., czyli 1320s.) i średnicę orbity Ziemi w jej ruchu wokół Słońca. Według Romer'a, na podstawie wzoru:

prędkość światła wynosiła: 214 300 km/s. Na podstawie współczesnych pomiarów wiemy, że ów czas opóźnienia wynosi ok. 1000 s, a średnia odległość Ziemi od Słońca ok.. 150 milionów kilometrów.

Wykorzystując te dane dochodzimy do wniosku, że prędkość światła wynosi około:c=300 000km/s. Metoda Romera pomiaru prędkości światła ma swe zalety, ale też i wady. Zaletą jest jej prostota.

Do wad należy zaliczyć natomiast żmudną procedurę obserwacji, która wymaga wielkiej systematyczności, oraz konieczność znajomości rozmiarów orbity Ziemi, co wymaga przeprowadzenia odrębnych pomiarów. Nie znając dokładnej średnicy orbity Ziemi możemy na podstawie obserwacji zaćmień księżyców Jowisza dojść jedynie do wniosku, że prędkość światła jest skończona, choć jej wartość jest bardzo duża.

---