Viteza Luminii

Lumina (şi toate celelalte forme de radiaţie electromagnetică) călătoresc în vid cu o viteză de circa 300.000 km/s, iar în aer ceva mai încet. Viteza luminii în vid reprezintă o constantă universală, notată cu c , şi, conform teoriei relativităţii, nimic nu poate fi mai rapid. Într-o secundă o rază de lumină ar putea înconjura de peste 7 ori Pământul pe la Ecuator, pe când călătoria ei de la Soare la Pământ, pe o distanţă de circa 150.000.000 km, durează cam 8 minute.
Viteza luminii în vid este la ora actuală determinată precis la valoarea de 299.792.458 m s-1 . Această valoare este folosită la aflarea unor distanţe lungi prin măsurarea timpului necesar unui puls de lumină să ajungă într-un loc şi să se întoarcă. Reprezintă de asemenea baza anului lumină (distanţa parcursă de lumină într-un an), o unitate folosită la măsurarea unor distanţe astronomice foarte mari. La o scară mai redusă, valoarea vitezei luminii permite o determinare foarte precisă a distanţelor iar metrul este definit la ora actuală ca lungimea drumului parcurs de lumină într-o fracţiune de 1/299.792.458 dintr-o secundă.
Importanţa progresului ştiinţific
Încercările de măsurare a vitezei luminii au avut un rol important în stabilirea unor teorii ştiinţifice din trei motive.
Sfârşitul Teoriei Corpusculare
Viteza luminii în aer şi apă a fost pentru prima dată măsurată la mijlocul secolului XIX de către fizicienii francezi Jean Foucault şi Armand Fizeau. Acest lucru a dus la o respingere a teoriei corpusculare a luminii propusă de Isaac Newton. Newton sugerase că un corp luminos emite un curent de particule care călătoresc în linie dreaptă prin eter (un mediu despre care se credea la acea vreme că ocupă întregul spaţiu). Dar faptul că lumina se deplasa mai încet în apă nu putea fi explicat decât prin teoria ondulatorie a luminii şi nu prin cea stabilită de Newton.
Originea electromagnetică a luminii
La mijlocul secolului XIX James Clerk Maxwell a demonstrat teoretic ca undele electromagnetice călătoresc cu o viteză egală cu cea a luminii, ceea ce l-a condus la concluzia că lumina este o parte a spectrului electromagnetic.
Rolul în relativitate
De mare importanţă este poate rolul vitezei luminii în teoria relativităţii a lui Albert Einstein. Aceasta stabileşte viteza luminii în vid ca cea mai mare viteză posibilă în natură şi spune că viteza luminii faţă de observatori diferiţi este aceeaşi. Viteza luminii, c, este o constantă absolută - constanta universală în ecuaţia stabilită de Einstein, E=mc2, care stabileşte că masa şi energia sunt echivalente.
Paradoxul constanţei vitezei luminii a creat o mare problemă pentru fizică, problemă pe care fizicianul american de origine germană, Albert Einstein, a rezolvat-o în cele din urmă în 1905. Einstein sugera că teoriile fizice nu ar trebui să depindă de starea de mişcare a observatorului. În schimb el spunea că viteza luminii trebuia să rămână constantă, şi restul fizicii trebuia să se schimbe pentru a respecta acest lucru. Această teorie specială a relativităţii a prezis multe consecinţe fizice neaşteptate, dintre care toate au fost de atunci observate în natură.

Măsurarea vitezei luminii
Au existat numeroase încercări de măsurare a vitezei luminii.
Metoda lui Galileo
În secolul XVI astronomul italian Galileo Galilei a realizat probabil prima încercare de măsurare a vitezei luminii. Experienţa lui Galilei consta în următoarele: doi observatori, aşezaţi la o distanţă mare unul de celălalt, au fiecare câte un felinar care poate fi obturat. Observatorul A deschide felinarul; după un anumit interval de timp lumina ajunge până la observatorul B, care în acelaşi moment deschide felinarul său; după câtăva vreme acest semnal ajunge până în A, care poate în felul acesta să măsoare timpul τ care s-a scurs din momentul trimiterii semnalului până în momentul întoarcerii sale. Admiţând că observatorul reacţionează la semnal instantaneu şi că lumina are aceeaşi viteză de propagare după direcţiile AB şi BA, obţinem că drumul AB+BA=2D e străbătut de lumină în timpul τ, adică c=2D/ τ. Cea de-a doua ipoteză făcută poate fi considerată foarte verosimilă. Teoria modernă a relativităţii o ridică chiar la rangul de principiu. Ipoteza legată de posibilitatea reacţionării instantanee la semnal nu corespunde însă realităţii şi de aceea, dată fiind viteza uriaşă de propagare a luminii, încercarea lui Galilei nu a dus la nici un fel de rezultat; de fapt nu s-a măsurat timpul de propagare a semnalului luminos, ci timpul cheltuit de observator pentru a putea reacţiona. Situaţia poate fi îmbunătăţită dacă observatorul B se înlocuieşte printr-o oglindă care reflectă lumina, înlăturându-se astfel erorile introduse de unul din observatori. Acest principiu de măsurare a rămas la baza aproape a tuturor metodelor moderne de laborator utilizate pentru determinarea vitezei luminii; ulterior însă, au fost găsite metode excepţionale pentru înregistrarea semnalelor şi măsurarea intervalelor de timp, ceea ce a permis determinarea vitezei luminii cu o precizie suficientă, chiar în cazul unor distanţe relativ mici.
Metoda lui Römer
Primele măsurători reuşite ale vitezei luminii au fost de natură astronomică. În 1676 astronomul danez Ole (sau Olaus) Christensen Römer (1644-1710) a observat o întârziere a eclipsei unei luni a lui Jupiter când aceasta era văzută de pe partea îndepărtată a orbitei pământului în comparaţie cu observarea ei de pe partea apropiată. Presupunând că întârzierea reprezenta timpul în care lumina parcurgea orbita pământului şi cunoscând cu aproximaţie dimensiunea orbitei din unele observaţii precedente, el a făcut raportul distanţă-timp pentru a estima viteza şi a ajunge la rezultatul de 286.000 km×s-1, cu o eroare de circa 5% din valoarea cunoscută în zilele noastre.
Fizicianul englez James Bradley a realizat o măsurătoare mai bună în anul 1729. Bradley a descoperit că era nevoie să modifice permanent înclinaţia telescopului său pentru a putea capta lumina stelelor pe măsură ce pământul se rotea în jurul soarelui. A ajuns astfel la concluzia că mişcarea pământului deplasa telescopul în lateral faţă de lumina care cobora asupra acestuia. Unghiul de înclinaţie, numit aberaţie stelară, este aproximativ egal cu raportul dintre viteza orbitală a pământului şi viteza luminii. (Aceasta reprezintă şi una dintre metodele prin care oamenii de ştiinţă au aflat că pământul se mişcă în jurul soarelui şi nu vice versa.)
Metoda lui Fizeau
Omul de ştiinţă francez Armand Fizeau a măsurat o viteză a luminii de 3,13 × 108 m s-1. În 1842 el a realizat primele măsurători în condiţii de laborator. Caracteristica metodei sale constă în înregistrarea automată a momentelor emisiei şi întoarcerii semnalului, realizată cu ajutorul unei întreruperi regulate a fluxului luminos (folosirea unei roţi dinţate). Lumina provenită din S se propagă printre dinţii unei roţi W pusă în mişcare, spre oglinda M, şi reflectându-se, trebuie să treacă din nou printre aceştia, înspre observator. Pentru comoditate, ocularul E, care serveşte pentru observaţie, se aşază în faţa lui a, iar lumina provenită din S se trimite spre W cu ajutorul unei oglinzi semitransparente N. Dacă roata se învârteşte, şi anume, cu o astfel de viteză unghiulară încât în timpul de propagare a luminii de la a la M şi înapoi în dreptul dinţilor vor fi spaţii goale şi invers, atunci lumina reflectată nu va pătrunde până la ocular şi observatorul nu o va vedea (prima încercare). Dacă viteza unghiulară va creşte, atunci lumina va trece parţial înspre observator. În cazul unei viteze duble vom avea un maxim de lumină, în cazul unei viteze triple, o a doua întunecare. Cunoscând distanţa aM=D, numărul dinţilor z, viteza de rotaţie (numărul de ture pe secundă ν), putem calcula viteza luminii. Condiţia primei întunecări: lumina, care a trecut prin spaţiul gol dintre doi dinţi, la întoarcere întâlneşte dintele cel mai apropiat. Pentru aceasta e necesar ca în decursul timpului t=2D/c roata să se rotească cu un unghi 2π/2z, adică unghiul care separă centrul intervalului dintre doi dinţi vecini de centrul primului dinte. Dacă observarea primei încercări are loc pentru un număr ν de ture pe secundă, atunci condiţia de mai sus se va exprima cu ajutorul relaţiei: 2D/c=1/2zν, sau c=4Dzν. O a doua încercare va avea loc în cazul unei viteze unghiulare triple, adică atunci când lumina reflectată va fi oprită de dintele următor etc.
Fizicianul francez Jean-Bernard Foucault a utilizat o versiune îmbunătăţită a acestui dispozitiv pentru a determina viteza luminii cu o eroare de până la 1% din valoarea folosită la ora actuală.
Metoda lui Michelson
Experimentul din 1882 al lui Albert Michelson este probabil cea mai cunoscută metodă de măsurare a vitezei luminii, reprezentând de fapt o îmbunătăţire a metodelor folosite de Fizeau şi Foucault. În acest experiment (reprezantat în diagramă) Michelson a folosit un aparat alcătuit dintr-o prismă care se putea roti, o lentilă convexă şi o oglindă concavă.

O rază de lumină de la o sursă S cade pe o prismă care se roteşte foarte repede când aceasta se află în poziţia AB. Lumina este focalizată de o lentilă convexă L pe suprafaţa unei oglinzi concave M, al cărei centru de curbură se află în centrul lentilei. Raza este reflectată şi se întoarce la prisma aflată acum în poziţia CD. Aici este reflectată şi formează o imagine într-un punct S’. În experimentul lui Michelson din 1882 distanţa LM era de circa 610 m iar prisma era rotită de o turbină la o frecvenţă de 256 rotaţii pe secundă. Prin măsurarea distanţei SS’ el a dedus viteza luminii din toate celelalte date. În 1931 Michelson a realizat ultima sa măsurătoare în California. El a montat oglinda fixă la Mount San Antonio şi prisma la circa 35 km depărtare la Observatorul Mount Wilson. Această creştere enormă a „drumului” luminii a fost realizată prin proiectarea unei oglinzi octogonale perfecte, astfel încât imaginea era mult mai luminoasă decât la folosirea unei singure oglinzi. Prin reglarea vitezei de rotaţie, Michelson a reuşit ca lumina emisă pe drumul său de 70 km de pe o faţă a prismei să fie captată la întoarcere pe faţa următoare, aflată exact în aceeaşi poziţie cu cea precedentă. În acest fel imaginea S’ coincide cu punctul S şi inconvenientul măsurării distanţei a fost eliminat. Acest experiment a dus la aflarea valorii de 299.796 km s-1, dar nesiguranţa cu privire la condiţiile atmosferice limitează precizia acestei măsurători.

Metoda lui Essen
În 1950 fizicianul britanic Louis Essen a calculat viteza luminii prin măsurarea exactă a frecvenţei de rezonanţă a unei cavităţi metalice. Cunoscând dimensiunile cavităţii, el a putut determina şi lungimea de undă. Din aceste două măsurători a putut calcula viteza luminii folosindu-se de ecuaţia c=fλ, unde f este frecvenţa luminii şi λ este lungimea de undă. Metoda lui Essen măsoară de fapt viteza undelor radio, dar viteza tuturor undelor electromagnetice în vid este aceeaşi, astfel încât ea poate fi folosită şi pentru determinarea vitezei luminii. Mai mult, din moment ce undele radio au o lungime de undă de ordinul metrilor, acestea sunt mai uşor de măsurat decât lungimea de undă a luminii, care este de 5 × 10-7 m.
Metode Recente
Cele mai recente metode au derivat din metoda lui Essen şi implică măsurarea frecvenţei luminii vizibile captată asemănător undelor într-o cavitate laser. Cu toate acestea, măsurarea vitezei luminii nu mai reprezintă o provocare, ea fiind la ora actuală cunoscută ca o constantă fundamentală la valoarea de 299.792.458 m s-1