Mjerenje brzine svjetlosti
PB – 172
Rezime: U ovom seminarskom radu će biti obrađena tema mjerenja
brzine svjetlosti. Na početku će biti iznijeta najnovija
istraživanja u oblasti svjetlosti i njenog mjerenja, potom neke
osnovne stvari vezane za svjetlost i kao glavna cjelina, mjerenja
svjetlosti i njihov istorijski razvoj.
Ključne riječi: svjetlost, brzina svjetlosti, eksperiment
Uvod - 7 novijih studija i eksperimanata koji su gurnuli
klasičnu nauku naprijed:
1. Gravitacija i skok naprijed
Jedna od fundamentalnih sila univerzuma, gravitacija, je prvo
potvrđena od strane Newtona i kasnije Einsteinovom teorijom
relativiteta koja je pojačala dokaze iste. Istraživači i astronomi
rade zajedno da potvde matematičke modele koji su predloženi
prošlog stoljeća.Jedan od glavnih fokusa istraživanja su
Einsteinove teorije slabog i jakog gravitacionog objekta koji pada
univerzalno konstantnom stopom ako naiđu na gravitaciono polje.
Pero i čekić koji ubrzani istom brzinom padaju na površini je
primarni eksperiment za dokaz.Ali naučnici su se susreli sa novim
objektima koji se navodno protive navedenim zakonima. Naučnici su
identificirali sistem sa tri zvijezde PSR J0337+1715.
Identifikovan 2012-te godine, ovaj sistem je udaljen 4200
svjetlosnih godina od zemlje.Ovaj sistem je imao neutronsku
zvijezdu i bijelog patuljka koji su orbitirali oko jos jednog
bijelog patuljka poput Zemlje. Sa ovom opservacijom, istraživači su
stekli uvid u novu teoriju koja se treba proučavati dalje.
2. Špagete i njihovo uvijanje
Jednostavan eksperiment u kojem se jedan štapić špageta slama na
dva dijela savijanjem, probudio je Feynmanove eksperimente u
kuhinji koji su bili serija matematičkih misterija koje se još
uvijek rješavaju. Ovaj eksperiment je bio glavni razlog otkrivanja
novog fenomena u nelinearnim dinamičnim beskonačnim
sistemima.Misterija špageta nije riješena sve do 2005 kada su
francuski fizičari izveli ovaj eksperiment i rezultati su bili
konzistentni. Ovo ih je navelo na hipotezu snap-back efekta koji im
je donio nobelovu nagradu 2006-te godine.Ali MIT nije stao tu.
Htjeli su da slome špagetu u dva i samo dva dijela. Stoga su
započeli svoje uvrnuto istraživanje. Cijelo istraživanje se svelo
na uvijanje špageta da bi se slomile u dva dijela. Ovo istraživanje
je dovelo do napretka u nelinearnim dinamičnim sistemima koji
uključuju cilindrične šipke koje objašnjavaju njihove mogućnosti i
ograničenja.
3. Ovo nije svjetlost
Slika 1.
Fizičari na Londonskom imperijalnom koledžu su radili na 84
godine staroj teoriji za koju se nekada govorila da je nemoguća –
pretvoriti svjetlost u materija. Poznat kao Breit-Wheelerov proces,
uključuje sudaranje fotona (čestica svjetlosti) međusobno da bi
proizveli materiju, specifičnije elektron i pozitron.Zbog
tehnoloških ograničenja koja su postajala u počecima
Breit-Whellerovog procesa, mislilo se da je to nemoguće. Ali
profesor Steven Rose sa Imperijalnog koledža u Londonu sastavio i
predvodio tim istraživača da testiraju teoriju.Rose je kazao da bi
ovo bilo čista demonstracija Einsteinove poznate jednačine koja
povezuje energiju i masu: . Jednačina pruža količinu energije
stvorenu kada je materija pretvorena u energiju i idući nazad
koristeći istu jednačinu pretvoriti energiju fotona u masu.Da bi
proizveli materiju, koristilu su dvije laserske zrake visoke snage
koji bi proizvodili sudarajuće fotone. Jedan foton ima 1000 puta
veću energiju, a drugi ima bilion puta veću energiju fotona od
normalnog vidljivog svjetla.Tim traži pozitrone koji bi nastali
zbog sudaranja da bi potvrdili uspjeh procesa.Ako rezultati
eksperimenta budu održivi, ovo nam može pomoći da saznamo nešto
više o prvim sekundama poslije big benga.
4. Pokret sa suncem
Slika 2.
Da svjetlost ima momenat nije koncept koji je potpuno nov, ali
naučnici ga nisu mogli dokazati eksperimentalno. Keplerov prijedlog
da svjetlost ima momenat koji je odgovoran za tragove kometa
usmjerenih naspram sunca, golicao je maštu naučnika još od tada,
kako ga izmjeriti. Ali nedavno, profesor Kenneth Chau Univerziteta
British Columbia je predložio da je momenat u individualnim
fotonima tako sićušan da naša oprema nije bila dovoljno osjetljiva
da bi ga registrovala. Chau je kazao da momenat fotona ne može biti
izmjeren ili opserviran direktno sa bilo kojom vrstom instrumenata
za mjerenje normalnih objekata. Sa timom internacionalnih
istraživača, Chau je konstruisao specijalno ogledalo da mjeri ove
ekstremno slabe interakcije između fotona svjetlosti. Ogledalo
opremljeno sa akustičnim senzorima i toplotnom zaštitom omogućio je
timu da izmjeri momenat torona slušajući valove nastale od strane
fotona kada ih se pucalo laserskim pulsevima na ogledalo.Ovo je
dovelo do novog puta kako definisati i načiniti model momenta
napregnute svjetlosti. Chau vjeruje da ovaj pristup može biti
apliciran na buduća putovanja svemirom, jer bi mogli vidjeti velike
svemirske brodove koji putuju u daleke dijelove kosmosa.
5. Svjetlo nas je osvjetlilo ili ne
Kvantna fizika je uvijek bila izvan razumijevanja čak i
nagrađivanim fizičarima. Većina istraživanja u ovom području je o
razvijanju metoda koje če jasno definisati svojstva čestica.Sada su
naučnici sa univerziteta Queensland u Australiji završili
eksperiment sa apsurdnim rezultatima na kraju.Otkrili su da fotoni
putuju u dva dijagonalna pravca kada ih se forsira. Ovaj rezultat
je učinio nemogućim reći na zbog čega su se fotoni kretali ovakvim
putanjama i kako se uopšte izvršila ova operacija u eksperimentu.
Da bi se demonstrirao ovaj fenomen, stvorili su vrstu kvantnog
prekidača gdje se može dešavati bezbroj operacija kada se čestica
nalazi u superpoziciji. Da se ova ideologija zadrži jednostavnom,
razvili su putanju koja je presječena na dva dijela a potom spojena
u jedan u intereferometru, koji prekida mogućnost nedefinisanog
kauzalnog reda čestica. Analiza ovog uzorka interferencije čestica
pomogao je naučnicima da razumiju kaos mogućih sekvenci.
6. Gravitacija opet talasa
Slika 3.
Einstein je opet u pravu! Nakon desetljeća eksperimenata,
Opservatorij gravitacionih talasa laserskim interferometrima LIGO
je potvrdio postojanje gravitacionih valova.
Einsteinova teorija gravitacionih valova opisuje gravitaciju kao
talas u mekanoj mreži prostor-vremena, uzrokovan poremećajima
stvorenih od strane masivnih objekata poput crnih rupa, parova
rotirajućih neutronskih zvijezda ili supernova. Poremećaj uzrokuje
širenje i skupljanje mreže prostor vremena slično kao kada kamen
udara u površinu jezera.Sa ovim eksperimentom, druga strana
Einsteinove teorije relativnosti je potvrđena. Ovo također otvara
vrata novim neistraženim poljima, i ko zna kakav će utjecaj imati
na budućnost civilizacije. Možda smo i galaktička rasa koja koristi
prostor-vrijeme da deformiše i reformiše za lakse putovanje kroz
svemir ili nešto drugo nezamislivo.
7. Božija čestica nam se otvara
Slika 4.
Veliki hadronski sudarač čestica (LHC) u CERN-u šalje još jedne
uzbudljive vijesti za ljubitelje fizike širom svijeta. Higgsov
bozon je rascjepljen, i ovoga puta ćemo vidjeti njegov najveći
sastavni dio – donje kvarkove – koji do sada nisu bili
opservirani.Priča počinje 1964-te sa unifikacijom elektomagnetskih
i slabih nuklearnih sila i njihovih nestvarnih predikcija.
Ujedinjena sila, nazvan elektroslaba sila, postavlja pitanja u vezi
mase subatomskih čestica.Ovo je dovelo do prijedloga Higgsovog
bozona i Higgsovog polja. Fizičari su predstavili Higgsov bozon kao
natjecatelja za ime „Boga mase“. Ali niko nije bio siguran o
njegovom postojanju. Sve je to bila samo krasna teorija. 2012-te
godine, naučnici su uspjeli u otkrivanju Higgsovog bosona na LHC-u
na CERNU. Higgsov boson je veoma nestabilna čestica sa životom reda
10-22 i zbog toga neopservabilne. Teoretski sastav bozona predviđa
donje kvarkove (kao najveći stastavni dio), W bozone, Z bozone,
fotone i druge čestice. Ranije, fizičari su posmatrali samo W i Z
bozone i fotone i stoga tvrdili otkriće Higgsovog bozona. Kakogod,
nedavni eksperiment, dao nam je kratak pogled na donje kvarkove.I
više, posmatrana stopa raspada impresivno se podudara sa
predviđenom stopom. Ovaj experiment nedvosmisleno govori da smo na
pravom putu u istraživanju univerzuma, sa Standardnim modelom i
poljem fizike čestica. [1]
Historijski pregled mjerenja brzine svjetlosti:
1. GALILEO GALILEI (1564.–1642.)
U Srednjem vijeku bilo je dosta rasprava o tome da li je brzina
svjetlosti konačna ili je beskonačna, pri čemu je i tako istaknut
naučnik kao Dekart (1596 – 1650) tvrdio da je ona beskonačna, dok
je Galilej (1564 – 1632) tvrdio da je ona konačna. Da bi potvrdio
da je on u pravu Galilej je probao da eksperimentom odredi brzinu
svjetlosti. Ovaj eksperiment probao je da izvede na sličan način
kao što je Mersen odredio brzinu zvuka. Jedne tamne noći poslao je
svog pomoćnika sa upaljenim fenjerom prekrivenim kofom na jedan
udaljeni brežuljak. Galilej je takođe imao fenjer pokriven kofom.
Kada su obojica bili na svojim mestima, Galilej je podigao kofu sa
svog fenjera i pustio svjetlost da putuje ka pomoćniku, zadatak
pomoćnika bio je da u trenutku kad ugleda svijetlo sa Galilejevog
fenjera odmah otkrije svoj fenjer. Svjetlosni zraci iz pomoćnikovog
fenjera stigli bi do Galileja koji je mjerio ukupno vrijeme od
kad je podigao kofu do prijema svjetlosnih zraka iz
drugog fenjera. Mislio je da može na osnovu rastojanja između sebe
i pomoćnika i izmjerenog vremena da odredi brzinu svjetlosti. Ali
tu je nastupio veliki problem. Svaki put kad bi ponovio eksperiment
Galilej je dobijao različite rezultate, pa iz tih rezultata nije
mogao da izvede nikakav zaključak. Iako je ova metoda izgledala
ispravna, bila je tako uzaludna kao kada bi puž pokušavao da uhvati
muhu. [5]
2. OLAF RÖMER (1644. –1710.)
Romerova astronomska metoda mjerenja brzine svjetlosti
Posle Galilejevog neuspjeha bilo je jasno da je za određivanje
brzine svjetlosti neophodno mjerenje vremena prolaska svjetlosnog
zraka preko velikog rastojanja, većeg od obima Zemlje, ili da se
koristi kraće rastojanje ali pod uslovom da se raspolaže preciznim
satom. Ubrzo poslije neuspjeha Galileja javila se ideja o jednoj
astronomskoj metodi, i kao ironija, jedno od Galilejevih ranih
otkrića u astronomiji omogućilo je uspjeh te metode. Kao što je
poznato Galilej je 1610. god. prvi put upotrijebio teleskop u
astronomiji i pomoću njega otkrio četiri najveća Jupiterova
satelita (kasnije nazvana Galilejevi sateliti). Kao i Mjesec oko
Zemlje, svaki od njih putuje svojom orbitom oko planete, svaki u
svom konstantnom vremenskom intervalu, nazvanom period.
Danski astronom Olaf Remer je 1675. godine izmjerio periode ova
četiri satelita, ali je dobio drugačije rezultate kada ih je opet
izmjerio nakon šest Mjeseci ! Remer je izmjerio vremenski interval
potreban jednom od Jupiterovih Mjeseca od trenutka izlaska Mjeseca
iz sjenke Jupitera do njegovog dolaska ispred Jupitera, a zatim
natrag u isti položaj. Odredio je da taj period iznosi približno
42,5 sati kada se Zemlja nalazi u tački svoje orbite koja je
najbliža Jupiteru. Nakon šest Mjeseci Zemlja će se naći na
suprotnoj strani orbite oko Sunca, tj. biće na najvećem rastojanju
od Jupitera, a Jupiter će se na svojoj putanji pomjeriti
zanemarljivo malo. Remer je sada takođe očekivao da se pomračenja
Jupiterovog Mjeseca opet dešavaju u intervalima od po 42,5 sati,
ali situacija je bila malo drugačija. On je našao da se pomračenja
dešavaju sa sve većim i većim zakašnjenjem kako se Zemlja
udaljavala od Jupitera, i nakon šest Mjeseci, kada je ona bila
najdalja, ovo zakašnjenje je iznosilo 1000 sekundi. [5]
Slika 5. [2]
Jedini logičan zaključak koji je Romer mogao da donese bio je da
ovo dodatno vrijeme predstavlja vrijeme potrebno svjetlosti da
pređe dodatno rastojanje između Zemlje i Jupitera, odnosno da pređe
rastojanje preko prečnika Zemljine orbite. U to vrijeme vjerovalo
se da prečnik Zemljine orbite iznosi 284 miliona, umesto tačnih 300
miliona, kilometara tako da su Romerovi podaci dali suviše malu
vrijednost za brzinu svjetlosti. Ipak, Romerova metoda je ušla u
historiju kao prvo uspješno određivanje brzine svjetlosti. [5]
4. L. FIZEAU (1819. – 1896.)
Prvo određivanje brzine svjetlosti bez upotrebe astronomskih
metoda izveo je Fizo u 1849. godini. U osnovi ovaj metod je
podsjećao na Galilejev pokušaj ali uspio je da prevaziđe
jedini nedostatak Galilejevog eksperimenta
– imao je mogućnost tačnog mjerenja
kratkog vremenskog intervala u kome svjetlosni zrak prelazi
relativno kratko rastojanje na Zemlji. [6]
Aparatura za ovaj eksperiment sastojala se od jednog zupčanika
koji je okretan sistemom kotura i tegova.
Izvor svjetlosti bila je upaljena svijeća. Na
rastojanju od 8 km od svijeće nalazilo se jedno ravno ogledalo. U
slučaju kada se kotur ne okreće svjetlost svijeće prolazi između
dva zubaca, prelazi put od 8 km do ogledala i vraća se natrag istim
putem, opet prolazi kroz isti prorez i stiže
do oka posmatrača, koje se nalazi iza svijeće. Ako bi se
sada zupčanik zarotirao svjetlosni snop koji polazi od svijeće bio
bi isjeckan zupcima koji prolaze ispred svijeće. Rezultat ovoga
biće niz snopova poslatih ka ogledalu, a dužina svakog snopa
zavisiće od brzine okretanja zupčanika; što se zupčanik brže okreće
snopovi bi bili kraći. Svi ovi snopovi svjetlosti putuju do
udaljenog ogledala, od njega se odbijaju i istim putem se vraćaju
nazad. Kada svjetlosni snop stigne nazad do zupčanika on neometano
može proći do oka posmatrača, ali isto tako može naići naprepreku,
odnosno zubac zupčanika, i tu završiti svoje 16 km dugo putovanje.
Da li će posmatrač da vidi svjetlosni snop ili ne zavisi od brzine
okretanja zupčanika. Ako se zupčanik okreće sporo zubac će
zakloniti dolazeći svetlosni snop, ali ako je njegova rotacija
dovoljno brza svjetlost će proći kroz prorez iza zubca i posmatrač
će moći da ga vidi. Znači da svjetlost pređe put od 16 km za
vrijeme koje je potrebno da jedan zubac bude zamijenjen sljedećim,
a to vrijeme je mogao da odredi znajući brzinu rotacije zupčanika
koju je već izmjerio. Na ovakav način Fizo je dobio da brzina
svjetlosti iznosi 313. 870 km/s, što je za oko 5% više nego prava
vrijednost, ali bilo je to vrlo precizno mjerenje za to vrijeme
kada je ono izvedeno. [5]
Slika 6.[3]
6. A.A. MICHELSON (1852. – 1931.)
Sigurno najpoznatije mjerenje brzine svjetlosti izvršio je
Majklson 1926. godine. Princip eksperimenta je sličan principu koji
je koristio i Fizo, sa tom razlikom što je umjesto rotirajućeg
zupčanika Majkelson koristio obrtno, mnogostrano ogledalo za
sjeckanje svjetlosnog talasa u pojedinačne zrake. Mnogostrano
ogledalo je bilo oblika šestougla, a na svakoj njegovoj strani
bilo je postavljeno po jedno ravno ogledalo;
ogledalo je pokretao elektromotor pa je brzina rotacije mogla
precizno da se podešava. Na početku eksperimenta sistem ogledala
miruje. Svjetlost polazi sa sijalice, neometano prolazi paralelno
jednoj strani ogledala, stiže do udaljenog ogledala, odbija se, i
vraća se nazad istim putem do oka posmatrača. Ako se ogledalo
pokrene da rotira nastupiće dvije slične situacije kao i kod
Fizovog zupčanika – ako ogledalo rotira nedovoljno brzo, sljedeća
strana ogledala neće zauzeti dobar položaj da omogući odbijenom
svjetlosnom snopu da stigne do posmatrača, ali ako bi brzina
rotacije bila dovoljna, sljedeće ogledalo bi se našlo u
odgovarajućem položaju i svjetlosni zrak bi stigao do posmatrača. U
slučaju kada posmatrač uspije da vidi svjetlost koja se odbila sa
udaljenog ogledala obrtno ogledalo ostvari jednu šestinu obrta za
vrijeme koje je potrebno svjetlosti da ode i vrati se nazad. Kako
je poznata brzina rotacije, i ako se određuje vrijeme putovanja
svjetlosti, a kada su poznati vrijeme i pređeni put vrlo je
jednostavno odrediti i brzinu. Brzina koju je dobio iznosi c = 299
796 km/s. [5]
Slika 8. [4]
Zaključak
Mjerenje brzine svetlosti odigralo je veliku ulogu u razvoju
specijalne teorije relativnosti. U ranom XVII veku,mnogi naučnici
su vjerovali da ne postoji tako nešto kao "brzina
svjetlosti";mislili su da svjetlost pređe bilo koju razdaljinu u
jednom,jedinom trenutku. Eksperimenti koji su utvrdili sadašnje
vrijednosti brzine svjetlosti potiču iz sedamdesetih godina našeg
vijeka, a koristili su mjerenja talasne dužine I frekvencije
svjetlosti emitirane laserom. Upravo zato je u međunarodnom sistemu
jedinica brzina svjetlosti u vakuumu definisana kao univerzalna
konstatna sa vrijednošću c= 299 792 458 m/s.
Literatura
[1]Slike 1,2,3,4 i tekst -
https://interestingengineering.com/7-new-studies-and-experiments-that-took-classic-science-forward
(dostupno 10.4.2019)
[2]
http://www.ux1.eiu.edu/~cfadd/1160/Ch23RR/Speed.html(dostupno
10.4.2019)
[3] http://www.setterfield.org/cx3.html(dostupno 10.4.2019)
[4] http://www.setterfield.org/cx4.html(dostupno 10.4.2019)
[5]
https://www.magicus.info/alternativci-i-korisnici/preporuci-knjigu-tehniku-alternativca/poceci-teorije-relativnosti
(dostupno 10.4.2019)
