Jak zmierzyliśmy prędkość światła?
Czy światło jest nieskończenie szybkie?
Zapalasz lampę i cały pokój od razu robi się jasny. Długo sądzono, że światło nigdzie się nie przemieszcza, że po prostu jest wszędzie naraz. Jak zmierzyć, czy w ogóle dokądś leci?
Doświadczenie z latarniami
Galileusz spróbował z latarniami: dwie osoby na wzgórzach około kilometra od siebie. Jedna odsłania latarnię, a gdy tylko druga to zobaczy, odsłania swoją. Zmierzył jednak tylko, ile czasu ludzie potrzebują na reakcję, bo światło pokonuje te dwa kilometry tam i z powrotem w siedem milionowych sekundy.
Zegar na niebie
Na niebie znalazła się i długa trasa, i zegar. Księżyc Jowisza Io okrąża planetę co 42,5 godziny i za każdym razem na chwilę znika w jej cieniu. Te zaćmienia następują regularnie i da się je przewidzieć.
Zegar się spóźnia
Duński astronom Ole Rømer zauważył w 1676 roku, że zaćmienia Io nie zawsze są punktualne. Gdy Ziemia jest najbliżej Jowisza, następują zgodnie z przewidywaniem, ale w miarę jak Ziemia się oddala, spóźniają się coraz bardziej. Po przeciwnej stronie orbity Ziemi spóźnienie wynosi około 17 minut.
Światło przelatuje przez całą orbitę Ziemi
Rømer zrozumiał dlaczego: światło potrzebuje trochę czasu, by dolecieć od Io do nas. Po przeciwnej stronie orbity musi przelecieć dodatkowo całą jej średnicę, około 300 milionów kilometrów. Rømer oszacował, że zajmuje mu to 22 minuty; dziś wiemy, że około 17 minut, czyli mniej więcej 1 000 sekund, więc światło pokonuje około 300 000 kilometrów na sekundę.
Koło zębate
Na Ziemi pierwszy zmierzył ją Hippolyte Fizeau w 1849 roku. Posyłał światło lampy przez szczelinę między zębami koła zębatego do lustra oddalonego o 8,6 kilometra. Lustro odbijało je z powrotem, a światło wracało tą samą szczeliną do oka. Ale jak z tego poznać, jak szybko leci?
Gdy koło się rozkręci
Potem wprawił koło w ruch. Gdy obracało się powoli, przesuwało się tylko trochę, zanim światło wróciło, a światło wracało tą samą szczeliną. Gdy je przyspieszał, powracające światło coraz bardziej trafiało w krawędź zęba i słabło. Przy 12,5 obrotu na sekundę zniknęło całkiem: koło przesunęło się o cały ząb i światło trafiało w ząb zamiast w szczelinę. Przesunięcie o ząb zajmowało kołu 1/18 000 sekundy, a światło pokonywało w tym czasie 17 kilometrów tam i z powrotem, więc leci około 310 000 kilometrów na sekundę.
Sprawdź to sam
Mikrofale to też światło, tylko go nie widzimy. Wyjmij z mikrofalówki talerz obrotowy i podgrzewaj w niej przez 20 sekund tabliczkę czekolady. Mikrofale odbijają się od ścianek i najmocniej grzeją w miejscach oddalonych od siebie dokładnie o pół fali: czekolada topi się mniej więcej co 6 centymetrów, więc cała fala ma 12 cm. Prędkość fali to jej długość razy liczba drgań na sekundę, a tę znajdziesz na tabliczce znamionowej mikrofalówki: 2 450 MHz, czyli 2,45 miliarda. 12 cm × 2,45 miliarda to około 300 000 kilometrów na sekundę.
Jak jest dziś
W latach 70. zmierzono ją laserem i tym samym wzorem co przy czekoladzie: długość fali razy liczba drgań. Wyszło 299 792 458 metrów na sekundę, a od 1983 roku ta liczba jest ustalona na stałe; według niej wyznacza się nawet długość metra. Dlatego dziś prędkości światła nie mierzymy, tylko mierzymy za jej pomocą: laser odbity od luster, które astronauci zostawili na Księżycu, leci tam i z powrotem 2,5 sekundy, i dzięki temu wiemy, jak daleko jest Księżyc, co do centymetra.
To jak ją zmierzyliśmy?
Światło jest tak szybkie, że do pomiaru potrzeba ogromnej odległości albo bardzo dokładnego zegara. Rømer wziął orbitę Ziemi, a jako zegar zaćmienia Io, Fizeau wziął 17 kilometrów, a jako zegar szybko wirujące koło. Oba pomiary pokazały, że światło leci z ogromną, ale skończoną prędkością.