Kaip apskaičiuojamas šviesos greitis?

Kaip apskaiciuojamas sviesos greitis

Šviesos greitis vakuume yra tiksliai 299,792,458 m/s. Priežastis, kodėl mes šiandien galime pateikti  šviesos greitį tikslia skaitine išraiška yra todėl, nes šviesos greitis vakuume yra universali konstanta, t. y. nesvarbu kuriame visatos gale bebūtume, šviesos greitis vakuume visada bus vienodas.

Tačiau prieš kelis šimtus metų mes nebūtume galėję nusakyti šviesos greičio tokiu tikslumu. Apskirtai anuomet ne tik kad niekas nė nenutuokė, koks gali būti apytikslis šviesos greitis, tačiau buvo net plačiai manoma, jog šviesos greitis yra begalinis, kol galiausiai keletui smalsių asmenybių kilo visokeriopų idėjų pabandyti išmatuoti šviesos greitį atliekant įvairius bandymus.

Galilėjas Galilėjus

Pirmieji bandymai išmatuoti šviesos greitį buvo atlikti 17 amžiuje. Anais laikais niekas net neturėjo minties svarstyti ar šviesa yra sudaryta iš bangų, ką teigė olandų gamtos filosofas Kristianas Huigensas (Cristiaan Huygens), ar dalelių, ką bandė įrodyti žymus britų gamtos filosofas Izaokas Niutonas (Isaac Newton).

1638 metais, italų gamtos filosofas Galilėjas Galilėjus (Galileo Galilei) atliko bandymą, kurio tikslas buvo nustatyti šviesos greitį stebint, per kiek laiko šviesa nukeliauja nuo vieno stebėtojo iki kito, pasitelkus šią formulę:

Čia v yra greitis, d yra atstumas, o t reiškia laiką sekundėmis. Greitis yra vektorinė išraiška, o tai reiškia, kad nusakyti greičiui yra reikalingi 2 kriterijai: skaitinė vertė ir kryptis. Šiuo atveju skaitinė vertė yra kažkoks skaičius nusakantis judėjimo greitį. Vertinant, kad judėjimo kryptis yra teigiama reikšmę v galime pakeisti raide c, kadangi norime surasti būtent šviesos greitį, ir gauname tokią formulę:

Galilėjaus bandymas buvo atliekamas taip: bandyme dalyvavo 2 stebėtojai su savimi turintys po žibintą. Stebėtojai vienas priešais kitą stovintys 6 mylių atstumu laiko žibintus. Antrasis stebėtojas laukia stebi kol pirmasis uždegs savo žibintą. Kai tik pirmasis stebėtojas uždega savo žibintą, antrasis pamatęs degantį žibintą iš karto uždega savąjį. Kadangi Galilėjus žinojo, kokiu atstumu stovėjo abu stebėtojai vienas nuo kito, t.y 6 mylios, manė, kad užfiksuodamas laiko skirtumą tarp pirmojo žibinto uždegimo ir antrojo, galės nustatyti šviesos greitį pasitelkdamas anksčiau pateiktą formulę. Tačiau akivaizdu, jog atliekant šį bandymą nepavyko gauti pakankamai aiškių rezultatų, tad bandymas nepavyko.

Olausas Roemeris

Danų astronomui Olausui Roemeriui (Ole Rømer) pavyko įrodyti, jog šviesos greitis nėra begalinis praėjus beveik 40-čiai metų po Galilėjaus bandymo, 1676 metais. Jis tai padarė pasitelkdamas vieną iš Galilėjaus atradimų – Jupiterio planetos mėnulį „Ijo“.

Ijo aplink Jupiterį apskrieja per 42,5 valandos, ir didžiąją laiko dalį yra užgožtas planetos šešėlio. Olausas Roemeris nuolatos stebėjo ir užrašydavo, kiek laiko trukdavo „Ijo“ užtemimai ir pastebėjo, jog metų laikotarpyje užtemimo trukmė truputį skirdavosi dėl žemės sukimosi aplink saulę.

Roemeris žinojo, jog tuo metų laiku, kai Jupiteris yra toliausiai nuo Žemės, „Ijo“ užtemimas trunka 22 minutėmis ilgiau nei lyginant su tuo metų laiku kai Jupiteris yra arčiausiai žemės ir suprato, kad taip yra todėl nes šviesa, keliaujančiai nuo Jupiterio reikia nukeliauti kiek didesnį atstumą iki Žemės.

Norėdamas apskaičiuoti šviesos greitį jis pasitelkė prancūzų astronomo Žano Ričerio (Jean Richer) ir italų astronomo Džovanio Kasinio (Giovanni Domenico Cassini) skaičiavimais, kuriuose yra nurodytas atstumas tarp Žemės ir Saulės. Šie astronomai 1672 metais apytiksliai apskaičiavo, jog atstumas tarp Saulės ir Žemės yra apie 140,000,000 km.

Suvokęs tai, jis apytiksliai apskaičiavo, kad šviesa nuo saulės iki žemės nukeliauti trunka apie 11 minučių, o tai leido jam apskaičiuoti, jog šviesa sklinda apytiksliai 200,000 km/s greičiu.

Džeimsas Bredlis

Anglų astronomas Džeimsas Bredlis (James Bradley) 1728 metais apskaičiavo, jog šviesos greitis yra beveik 300,000 km/s. Jis buvo pirmasis mokslininkas, kuris nustatė, jog žvaigždžių poslinkis danguje keičiasi pagal žemės kampo kitimą žemei sukantis aplinkui saulę. Tai yra žinoma kaip šviesos aberacija. Stebint iš žemės perspektyvos, žvaigždės poslinkis yra tiesiogiai proporcingas žemės orbitinio judėjimo greičiui, padalintam iš šviesos greičio, ir yra apskaičiuojamas pagal šią formulę:

James Bradley žinojo, kad žemei apkeliauti aplink saulę trunka apie 365 dienas, tad pasinaudojęs Žano Ričerio ir Džovanio Kasinio apytiksliu apskaičiuotu atstumu tarp Saulės ir Žemės, galėjo apskaičiuoti atstumą, kokį turi apkeliauti žemė.

Luisas Esenas ir Čarlzas Gordonas-Smitas

19 amžiaus viduryje, britų fizikui Louis Esenas (Louis Essen) ir jo kolegai Čarlzas Gordonas-Smitas (Charles Gordon-Smith) pavyko nustatyti šviesos greitį pamatavus šviesos bangos ilgį ir jos dažnį.

Šviesos greitis randamas naudojantis šia formule:  . Bangos ilgis λ gali būti naudojamas kaip atstumas d, o dažnis v atitinkamai nurodo bangų dažnį tam tikru laiko tarpu, pavyzdžiui: . Mokslininkai panaudojo magnetinio rezonanso bangometrą – elektros grandinę, kurios įtampa svyruoja pagal nustatytą bangos dažnį ir paskaičiavo bangos ilgį pagal bangometro rodmenis. Jie apskaičiavo ir nustatė, kad šviesa keliauja 299,792 km/s arba tiksliau 299,792,458 m/s greičiu. Tai yra šviesos greičio vertė, kuri yra naudojama iki pat šių dienų.

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5,00 out of 5)

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *