Colegiul National „Ion Luca Caragiale” Lumina (si toate celelalte forme de radiatie electromagnetica) calatoresc in vid cu o viteza de circa 300.000 km/s, iar in aer ceva mai incet. Viteza luminii in vid reprezinta o constanta universala, notata cu c , si, conform teoriei relativitatii, nimic nu poate fi mai rapid. Intr-o secunda o raza de lumina ar putea inconjura de peste 7 ori Pamantul pe la Ecuator, pe cand calatoria ei de la Soare la Pamant, pe o distanta de circa 150.000.000 km, dureaza cam 8 minute. Viteza luminii in vid este la ora actuala determinata precis la valoarea de 299.792.458 m s-1 . Aceasta valoare este folosita la aflarea unor distante lungi prin masurarea timpului necesar unui puls de lumina sa ajunga intr-un loc si sa se intoarca. Reprezinta de asemenea baza anului lumina (distanta parcursa de lumina intr-un an), o unitate folosita la masurarea unor distante astronomice foarte mari. La o scara mai redusa, valoarea vitezei luminii permite o determinare foarte precisa a distantelor iar metrul este definit la ora actuala ca lungimea drumului parcurs de lumina intr-o fractiune de 1/299.792.458 dintr-o secunda. Importanta progresului stiintific Incercarile de masurare a vitezei luminii au avut un rol important in stabilirea unor teorii stiintifice din trei motive. Sfarsitul Teoriei Corpusculare Viteza luminii in aer si apa a fost pentru prima data masurata la mijlocul secolului XIX de catre fizicienii francezi Jean Foucault si Armand Fizeau. Acest lucru a dus la o respingere a teoriei corpusculare a luminii propusa de Isaac Newton. Newton sugerase ca un corp luminos emite un curent de particule care calatoresc in linie dreapta prin eter (un mediu despre care se credea la acea vreme ca ocupa intregul spatiu). Dar faptul ca lumina se deplasa mai incet in apa nu putea fi explicat decat prin teoria ondulatorie a luminii si nu prin cea stabilita de Newton. Originea electromagnetica a luminii La mijlocul secolului XIX James Clerk Maxwell a demonstrat teoretic ca undele electromagnetice calatoresc cu o viteza egala cu cea a luminii, ceea ce l-a condus la concluzia ca lumina este o parte a spectrului electromagnetic. Rolul in relativitate De mare importanta este poate rolul vitezei luminii in teoria relativitatii a lui Albert Einstein. Aceasta stabileste viteza luminii in vid ca cea mai mare viteza posibila in natura si spune ca viteza luminii fata de observatori diferiti este aceeasi. Viteza luminii, c, este o constanta absoluta - constanta universala in ecuatia stabilita de Einstein, E=mc2, care stabileste ca masa si energia sunt echivalente. Paradoxul constantei vitezei luminii a creat o mare problema pentru fizica, problema pe care fizicianul american de origine germana, Albert Einstein, a rezolvat-o in cele din urma in 1905. Einstein sugera ca teoriile fizice nu ar trebui sa depinda de starea de miscare a observatorului. In schimb el spunea ca viteza luminii trebuia sa ramana constanta, si restul fizicii trebuia sa se schimbe pentru a respecta acest lucru. Aceasta teorie speciala a relativitatii a prezis multe consecinte fizice neasteptate, dintre care toate au fost de atunci observate in natura. Masurarea vitezei luminii Au existat numeroase incercari de masurare a vitezei luminii. Metoda lui Galileo In secolul XVI astronomul italian Galileo Galilei a realizat probabil prima incercare de masurare a vitezei luminii. Experienta lui Galilei consta in urmatoarele: doi observatori, asezati la o distanta mare unul de celalalt, au fiecare cate un felinar care poate fi obturat. Observatorul A deschide felinarul; dupa un anumit interval de timp lumina ajunge pana la observatorul B, care in acelasi moment deschide felinarul sau; dupa catava vreme acest semnal ajunge pana in A, care poate in felul acesta sa masoare timpul τ care s-a scurs din momentul trimiterii semnalului pana in momentul intoarcerii sale. Admitand ca observatorul reactioneaza la semnal instantaneu si ca lumina are aceeasi viteza de propagare dupa directiile AB si BA, obtinem ca drumul AB+BA=2D e strabatut de lumina in timpul τ, adica c=2D/ τ. Cea de-a doua ipoteza facuta poate fi considerata foarte verosimila. Teoria moderna a relativitatii o ridica chiar la rangul de principiu. Ipoteza legata de posibilitatea reactionarii instantanee la semnal nu corespunde insa realitatii si de aceea, data fiind viteza uriasa de propagare a luminii, incercarea lui Galilei nu a dus la nici un fel de rezultat; de fapt nu s-a masurat timpul de propagare a semnalului luminos, ci timpul cheltuit de observator pentru a putea reactiona. Situatia poate fi imbunatatita daca observatorul B se inlocuieste printr-o oglinda care reflecta lumina, inlaturandu-se astfel erorile introduse de unul din observatori. Acest principiu de masurare a ramas la baza aproape a tuturor metodelor moderne de laborator utilizate pentru determinarea vitezei luminii; ulterior insa, au fost gasite metode exceptionale pentru inregistrarea semnalelor si masurarea intervalelor de timp, ceea ce a permis determinarea vitezei luminii cu o precizie suficienta, chiar in cazul unor distante relativ mici. Metoda lui Römer Primele masuratori reusite ale vitezei luminii au fost de natura astronomica. In 1676 astronomul danez Ole (sau Olaus) Christensen Römer (1644-1710) a observat o intarziere a eclipsei unei luni a lui Jupiter cand aceasta era vazuta de pe partea indepartata a orbitei pamantului in comparatie cu observarea ei de pe partea apropiata. Presupunand ca intarzierea reprezenta timpul in care lumina parcurgea orbita pamantului si cunoscand cu aproximatie dimensiunea orbitei din unele observatii precedente, el a facut raportul distanta-timp pentru a estima viteza si a ajunge la rezultatul de 286.000 km×s-1, cu o eroare de circa 5% din valoarea cunoscuta in zilele noastre. Fizicianul englez James Bradley a realizat o masuratoare mai buna in anul 1729. Bradley a descoperit ca era nevoie sa modifice permanent inclinatia telescopului sau pentru a putea capta lumina stelelor pe masura ce pamantul se rotea in jurul soarelui. A ajuns astfel la concluzia ca miscarea pamantului deplasa telescopul in lateral fata de lumina care cobora asupra acestuia. Unghiul de inclinatie, numit aberatie stelara, este aproximativ egal cu raportul dintre viteza orbitala a pamantului si viteza luminii. (Aceasta reprezinta si una dintre metodele prin care oamenii de stiinta au aflat ca pamantul se misca in jurul soarelui si nu vice versa.) Metoda lui Fizeau Omul de stiinta francez Armand Fizeau a masurat o viteza a luminii de 3,13 × 108 m s-1. In 1842 el a realizat primele masuratori in conditii de laborator. Caracteristica metodei sale consta in inregistrarea automata a momentelor emisiei si intoarcerii semnalului, realizata cu ajutorul unei intreruperi regulate a fluxului luminos (folosirea unei roti dintate). Lumina provenita din S se propaga printre dintii unei roti W pusa in miscare, spre oglinda M, si reflectandu-se, trebuie sa treaca din nou printre acestia, inspre observator. Pentru comoditate, ocularul E, care serveste pentru observatie, se asaza in fata lui a, iar lumina provenita din S se trimite spre W cu ajutorul unei oglinzi semitransparente N. Daca roata se invarteste, si anume, cu o astfel de viteza unghiulara incat in timpul de propagare a luminii de la a la M si inapoi in dreptul dintilor vor fi spatii goale si invers, atunci lumina reflectata nu va patrunde pana la ocular si observatorul nu o va vedea (prima incercare). Daca viteza unghiulara va creste, atunci lumina va trece partial inspre observator. In cazul unei viteze duble vom avea un maxim de lumina, in cazul unei viteze triple, o a doua intunecare. Cunoscand distanta aM=D, numarul dintilor z, viteza de rotatie (numarul de ture pe secunda ν), putem calcula viteza luminii. Conditia primei intunecari: lumina, care a trecut prin spatiul gol dintre doi dinti, la intoarcere intalneste dintele cel mai apropiat. Pentru aceasta e necesar ca in decursul timpului t=2D/c roata sa se roteasca cu un unghi 2π/2z, adica unghiul care separa centrul intervalului dintre doi dinti vecini de centrul primului dinte. Daca observarea primei incercari are loc pentru un numar ν de ture pe secunda, atunci conditia de mai sus se va exprima cu ajutorul relatiei: 2D/c=1/2zν, sau c=4Dzν. O a doua incercare va avea loc in cazul unei viteze unghiulare triple, adica atunci cand lumina reflectata va fi oprita de dintele urmator etc. Fizicianul francez Jean-Bernard Foucault a utilizat o versiune imbunatatita a acestui dispozitiv pentru a determina viteza luminii cu o eroare de pana la 1% din valoarea folosita la ora actuala. Metoda lui Michelson Experimentul din 1882 al lui Albert Michelson este probabil cea mai cunoscuta metoda de masurare a vitezei luminii, reprezentand de fapt o imbunatatire a metodelor folosite de Fizeau si Foucault. In acest experiment (reprezantat in diagrama) Michelson a folosit un aparat alcatuit dintr-o prisma care se putea roti, o lentila convexa si o oglinda concava. O raza de lumina de la o sursa S cade pe o prisma care se roteste foarte repede cand aceasta se afla in pozitia AB. Lumina este focalizata de o lentila convexa L pe suprafata unei oglinzi concave M, al carei centru de curbura se afla in centrul lentilei. Raza este reflectata si se intoarce la prisma aflata acum in pozitia CD. Aici este reflectata si formeaza o imagine intr-un punct S’. In experimentul lui Michelson din 1882 distanta LM era de circa 610 m iar prisma era rotita de o turbina la o frecventa de 256 rotatii pe secunda. Prin masurarea distantei SS’ el a dedus viteza luminii din toate celelalte date. In 1931 Michelson a realizat ultima sa masuratoare in California. El a montat oglinda fixa la Mount San Antonio si prisma la circa 35 km departare la Observatorul Mount Wilson. Aceasta crestere enorma a „drumului” luminii a fost realizata prin proiectarea unei oglinzi octogonale perfecte, astfel incat imaginea era mult mai luminoasa decat la folosirea unei singure oglinzi. Prin reglarea vitezei de rotatie, Michelson a reusit ca lumina emisa pe drumul sau de 70 km de pe o fata a prismei sa fie captata la intoarcere pe fata urmatoare, aflata exact in aceeasi pozitie cu cea precedenta. In acest fel imaginea S’ coincide cu punctul S si inconvenientul masurarii distantei a fost eliminat. Acest experiment a dus la aflarea valorii de 299.796 km s-1, dar nesiguranta cu privire la conditiile atmosferice limiteaza precizia acestei masuratori. Metoda lui Essen In 1950 fizicianul britanic Louis Essen a calculat viteza luminii prin masurarea exacta a frecventei de rezonanta a unei cavitati metalice. Cunoscand dimensiunile cavitatii, el a putut determina si lungimea de unda. Din aceste doua masuratori a putut calcula viteza luminii folosindu-se de ecuatia c=fλ, unde f este frecventa luminii si λ este lungimea de unda. Metoda lui Essen masoara de fapt viteza undelor radio, dar viteza tuturor undelor electromagnetice in vid este aceeasi, astfel incat ea poate fi folosita si pentru determinarea vitezei luminii. Mai mult, din moment ce undele radio au o lungime de unda de ordinul metrilor, acestea sunt mai usor de masurat decat lungimea de unda a luminii, care este de 5 × 10-7 m. Metode Recente Cele mai recente metode au derivat din metoda lui Essen si implica masurarea frecventei luminii vizibile captata asemanator undelor intr-o cavitate laser. Cu toate acestea, masurarea vitezei luminii nu mai reprezinta o provocare, ea fiind la ora actuala cunoscuta ca o constanta fundamentala la valoarea de 299.792.458 m s-1
