Fénysebesség mérése a 19. századig Kerekes Evelin 10.c
Fénysebesség A vákuumbeli fénysebesség (300 000 km/s) az egyik alapvető fizikai állandó, az elektromágneses hullámok terjedési sebessége. Pontos értéke 299 792 458 m/s minden vonatkoztatási rendszerben. Ez a sebesség a fizikai világban elérhető legnagyobb érték. Jele: c (a latin celeritas, „sebesség” szóból). Jelenlegi ismereteink szerint semmilyen hatás nem terjedhet gyorsabban a vákuumbeli fénysebességnél. Értékét 1975-ben rögzítették az SI mértékegységrendszer számára. Alapvető természeti állandó; értékének nincs mérési bizonytalansága (ún. konvencionális valódi érték).
A fénysebesség mérése földi fényforrások alkalmazásával FIZEAU ÉS FOUCAULT MÓDSZERE Hyppolite Fizeau és Jean Foucault francia fizikus már a 19. század közepén megközelítőleg pontosan megmérte a fény sebességét földi körülmények között. A rendkívül kis időtartamok méréséhez forgó fogaskereket illetve tükröt alkalmaztak.
FIZEAU - A FOGASKERÉK MÓDSZER 1849-ben Fizeau mérésének elvi elrendezése az alábbi ábrán látható. A fénynyaláb egy fogaskerék fogai között halad át, majd egy tükörről az l távolságra (Fizeau mérésekor l=8633 m volt) elhelyezett tükörre esik, arról pedig visszaverődik az eredetivel párhuzamosan elhelyezett másik fogaskerékre. Ha a fogaskerék fordulatszámát megfelelően állítják be, ezalatt éppen egy fognyit halad előre, ezért a fény nem jut a megfigyelő szemébe. A fordulatszám és a megtett 2l távolság pontos ismeretében ebből a fénysebesség meghatározható. Mérései során Fizeau 314 000 km/s értéket kapott.
FOUCAULT - A FORGÓTÜKÖR MÓDSZER Foucault kísérletében két, egymástól 20 m-nyire felállított tükröt használt. Az egyik tükör rögzített volt, míg a másik másodpercenként 800 fordulatot tett meg. Foucault fénysugarakat irányított a forgó tükörre. Ha a fénysugár a megfelelő szögben érte el a tükröt, visszaverődött a rögzített tükörre, onnan vissza a forgó tükörre, végül a fényforrásra. A tükrök közötti visszaút megtételéhez szükséges idő alatt a forgó tükör parányi szögben elmozdult, így a fényforráshoz visszatérő sugár útja kissé eltért az eredeti úttól. A fénysugár szögelhajlásának mértéke ismeretében meg lehetett határozni a forgó tükör elmozdulásának szögét. Ennek és a forgási sebességnek a segítségével Foucault már kiszámíthatta, mennyi idő alatt és milyen gyorsan tette meg a fény az adott utat. Foucault számításainak 1862-ben közzétett végeredménye: 300 939 km/s volt.
A MICHELSON-MORLEY KÍSÉRLET Haladjon a Föld a B pont irányába v sebességgel, és indítsunk el egy fénysugarat a tér minden irányába. Az eredetileg l távolságban lévő, B pontban elhelyezett tükör a Földdel együtt v sebességgel előre elmozdul, ezért a fénynek a tükörhöz viszonyított relatív sebessége c - v. Az l távolságot a fény előre haladva tehát c – v sebességgel teszi meg. A tükörről visszaverődve azonban az 0 pont v sebességgel szembe halad, ezért visszafelé haladva az 0 pontot a fény c + v sebességgel éri el. Az oda-vissza út ideje tehát: Helyezzünk el egy tükröt a haladási irányra merőlegesen is l távolságra! Ez a tükör a Földdel együtt szintén v sebességgel mozog. Ha a fény c sebességgel a tükör felé tart, az l = OP irányba eső sebességkomponense lesz. A tükörig és vissza az utat tehát idő alatt teszi meg.
MICHELSON MÉRÉSE Michelson kísérletében a fény áthaladt egy vékony résen, majd visszaverődött az F nyolcszögű forgótükör egyik oldaláról. Ezután a B és C rögzített kis tükrökről visszaverődött a nagy T 1 konkáv tükörre (10 m-es fókusz, 60 cm-es nyílás). Ez olyan párhuzamos fénysugarat eredményezett, amely 35 km-t tett meg a Wilson-hegyen lévő megfigyelő állomástól a San Antonio-hegy csúcsán elhelyezett T 2tükörig. A T 2 egy kis síktükörre fókuszálta a fényt, amely újabb visszaverődések után jutott a megfigyelő okulárhoz. Az 1926-ban publikált mérési eredmények nyolc féle fénysebességértéket tartalmaztak, amelyek mindegyike nagyjából 200, adott forgótükörrel végzett, önálló mérés átlaga. Ezek a 299 756 és a 299 803 km/s -os számértékek között szóródtak, és 299 796 ± 4 km/s -os átlagértéket adtak.
A fénysebesség óriási értéke miatt a mérhetőségnek az a feltétele, hogy a mérés alatt a fény elég nagy (pl. csillagászati) távolságokat fusson be, illetve hogy kis (földi) távolságok esetén a technika elég fejlett legyen ahhoz, hogy kis időtartamokat is mérni tudjanak.
Köszönöm a figyelmet!