Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo S1 (vyšlo 13. července, ročník 2 (2004)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Měření rychlosti šíření světla

Václav Kaizr

Počátkem 17. století se poprvé o změření rychlosti šíření světla pokusil Galileo Galilei. Se svým asistentem si jednoho jasného večera vzali lucerny a vyšli na dva, míli od sebe vzdálené kopce. Experiment spočíval v tom, že Galileo odkryje na krátký okamžik svou lucernu a až světlo dorazí na druhý kopec, totéž udělá i jeho asistent. Z doby mezi odkrytím lucerny a přijetím paprsků z druhé lucerny chtěl Galileo spočítat rychlost šíření světla. Bohužel je velikost rychlosti šíření světla tak veliká, že tímto experimentem byl daleko od jakéhokoli přesvědčivého měření. Co vůbec vedlo Galilea k tomuto pokusu? Podobně jako Koperník nevěřil v to, že Země je centrem vesmíru, nevěřil Galileo v nekonečnou rychlost šíření světla a pokusil se ji proto změřit. Jeho technické prostředky však určení velikosti rychlosti šíření světla neumožnily.

Galileo Galilei měří rychlost světla.

První skutečné měření – Ole Roemer

První, kdo změřil rychlost šíření světla, byl Ole Roemer v roce 1675. Všiml si rozporu mezi předpovědí a pozorováním zákrytů Jupiterova měsíce Io (oběh měsíce Io okolo Jupiteru trvá 1,76 dne). Oproti předpovědím probíhaly zákryty dříve, byla-li Země blíže Jupiteru a později, nacházela-li se ve větší vzdálenosti. Roemer správně předpokládal, že je tento rozpor způsoben dobou putování světla k Zemi. Ze znalosti parametrů dráhy a rozměrů Země, Jupitera a Io, spočítal rychlost šíření světla na 225 000 km/s.

Jupiter s měsíci, Země a Slunce

Experimenty pokračují – Bradley, Fizeau, Foucault a další

V roce 1728 James Bradley stanovil rychlost šíření světla na 301 000 km/s a definitivně tak ukončil diskuze o konečnosti či nekonečnosti rychlosti šíření světla. Použil k tomu aberaci hvězd. Aberace je odklonění světelného paprsku od původního směru vzniklé skládáním rychlosti světla putujícího od hvězdy s rychlostí pohybu Země kolem Slunce. Ze znalosti úhlu aberace a rychlosti Země dokázal určit výše zmíněnou rychlost šíření světla.

V roce 1849 francouzský vědec jménem Hippolyte Fizeau navrhl experiment, který měl změřit rychlost šíření světla s větší přesností. Jeho experiment ji měl určit pomocí otáčejícího se ozubeného kola. Kolo mělo sto zubů a otáčelo se frekvencí 100 otáček za sekundu. Za kolem byl umístěn zdroj světla a 8 km před kolem bylo umístěno zrcátko. Určení rychlosti šíření světla provedl tak, že měnil rychlost otáčení a pozoroval, kdy se světlo vrátí stejnou mezerou mezi zuby a kdy už ne. V dalším experimentu Fizeau umístil zrcadlo do vzdálenosti 20 km, čímž snížil snížil chybu měření a obdržel výsledek rychlosti světla 313 000 km/s s chybou menší než 5 %. Další pokusy prováděl ve vodě. Z interference dvou proti sobě šířících se paprsků, kdy jeden směřoval po a druhý proti proudu vody, se pokoušel určit rychlost světla.

Francouzský vědec Jean Foucault se o určení rychlosti šíření světla pokusil v roce 1850 jiným způsobem. K určení rychlosti použil rotující zrcadlo. 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 spočetl Foucault rychlost šíření světla na 298 000 km/s. Později použil Foucaultovu metodu vynikající experimentátor Albert A. Michelson a v roce 1879 zpřesnil měřenou hodnotu na 299 909 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.

Princip Foucaultova rotujícího zrcadla

20. století

I ve 20. století probíhala řada měření, která měla za cíl 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, renesancí prošla i původní přímá Galileova metoda, druhý pozorovatel však nestál na sousedním kopci, ale byl jím koutový odražeč umístěný kosmonauty mise Apollo na Měsíci. Za zdroj světelného paprsku posloužil laser namířený ze 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.

O lidech ...

Galileo Galilei

Galilei, Galileo (1564-1642) byl italským vědcem a filosofem, který svojí činností zasáhl do mnoha oborů a stal se tím, koho dnes nazýváme renesanční filosof. Mezi jeho největší zásluhy bezesporu patří: formulace zákonů mechaniky: (volného pádu, šikmého vrhu, nakloněné roviny, závislosti periody kyvadla na délce jeho závěsu), určil postup skládání rychlostí a zformuloval první princip relativity. Zkonstruoval si vlastní hvězdářský dalekohled a stal se nadšeným astronomem pozorovatelem. Při svých toulkách oblohou objevil fáze Venuše, několik kráterů na Měsíci, 4 měsíce Jupitera (Io, Europa, Ganymedes, Callisto) a sluneční skvrny. Kochal se pohledem na Mléčnou dráhu a pozoroval supernovu vzplanuvší v roce 1604. Jeho činnost však byla mnohem širší. Zkonstruoval teploměr, vodní pumpu a řadu dalších užitečných zařízení. Neúspěšně se pokusil změřit rychlost šíření světla. Byl i vynikajícím matematikem. Je autorem řady pojednání, z nichž nejznámější je "Dialog on the Two Chief Systems of the World" (1632), ve kterém položil základy mechaniky. Galileo Galilei zastával názor, že Země se otáčí kolem své osy a pohyb Slunce po obloze je jen zdánlivý. Za to mu papež Urban VIII. hrozil vězením a smrtí. V roce 1633 Galilei své učení odvolal, přestože si byl plně vědom experimentálních důkazů. Bylo mu jasné, že pravda o přírodě je nezvratná a nátlak moci je jen dočasný.

O. RoemerRoemer, Ole (1644-1710) byl především slavným dánským astronomem. Než se stal profesorem astronomie, pracoval jako soudce nejvyššího soudu, vrchní strážník a velitel hasičů. Jeho životním cílem byla astronomie, proto rekonstruoval observatoř na hoře Round Tower. Chtěl dokázat, že se Slunce otáčí okolo Země. Jako první vynalezl a zkonstruoval dalekohled, který se pohyboval podél poledníku a tento přístroj nazval „Transit Instrument“. Roemer si nedaleko dánské Kodaně nechal postavit hvězdárničku. Ta se však dlouhého pozorování nedočkala, jelikož po jeho smrti vyhořela. V roce 1979 bylo 20 km od Kodaně otevřeno muzeum věnované jeho památce. K nejvýznamnějším vědeckým výsledkům Roemera patří změření rychlosti světla z časů zákrytů Jupiterova měsíce Io. Jako zajímavost uveďme, že Roemer navrhl a zkonstruoval fontány ve Versailles u Paříže.

Bradley, James (1693-1762) byl anglický astronom, který při proměřování hvězdných paralax objevil hvězdnou aberaci, odchylku hvězdy od skutečné pozice způsobenou skládáním rychlosti pohybu Země s rychlostí paprsku. Z měření aberace vypočetl rychlost šíření světla. Vypočetl také dobu, za kterou uletí světlo vzdálenost Země – Slunce. Vyšlo mu 8 min 12 s (ve skutečnosti 8 min 19 s). Pečlivým měřením poloh hvězd objevil periodický pohyb zemské osy, který se nazývá nutace.

Fizeau, Armand Hippolyte Louis (1819-1896), francouzský fyzik narozený v Paříži. Jeho otec byl profesorem patologie na Pařížské universitě. Po přerušení studia medicíny se, z důvodu chatrného zdraví, jeho dalším životním povoláním stala fyzika. Spolupracoval s kolegou Foucaultem, kterého potkal podobný osud. Mimo určování rychlosti světla pomocí otáčejícího se ozubeného kola ukázal, že světlo se šíří jinou rychlostí ve vzduchu a jinou ve vodě.

J. B. L. FoucaltFoucault, Jean Bernard Leon (1819-1868), francouzský fyzik, který spolupracoval s Fizeauem na měření rychlosti světla pomocí tzv. Fizeauova kola. Sám ovšem přišel se zcela novou metodou měření rychlosti světla pomocí odrazu na rotujícím zrcadle. Metoda se pro měření rychlosti světla používá do současnosti. Foucault měřil rychlost světla ve vodě a výsledkem byl poznatek, že rychlost světla je ve vodě menší, než ve vzduchu. Vynalezl Foucaultovo kyvadlo, které znázorňovalo zemskou rotaci změnou směru roviny kmitů. Vynalezl také gyroskop, setrvačník udržující směr rotační osy.

A. A. MichelsonMichelson, Albert Abraham (1852-1931), americký fyzik, narozený v Polsku. V 17-ti letech začal studovat námořní akademii. Stal se brzy uznávaným americkým vědcem. Dva roky získával zkušenosti s optikou v Německu a ve Francii (1880-1882), poté se vrátil zpět do USA. Zkonstruoval po něm pojmenovaný interferometr, kterým zkoumal pohyb Země "éterem". Uskutečnil mnoho pokusů spolu Edwardem Morleyem, známé jako Michelsonovy-Morleyovy pokusy. Spolu došli k závěru, že rychlost světla je vždy stejná bez ohledu na orientaci, místo nebo dobu provádění pokusu. S vyšší přesností zopakoval Foucaltovy pokusy s měřením rychlosti šíření světla pomocí rotujícího zrcadla. Za provedené experimenty získal jako první Američan v roce 1907 Nobelovu cenu.

Sekunda – doba trvání 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133.

Metr – délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy.

Rychlost světla – jedna z fundamentálních přírodních konstant. Vzhledem k tomu, že metr je dnes definován právě pomocí rychlosti světla, je její hodnota dána od roku 1983 přesně, a to 299 792 458 m/s.

Hvězdná aberace – úhlový odklon paprsku hvězdy od původního směru způsobený skládáním rychlosti světla s rychlostí pohybu Země kolem Slunce.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage