viteza luminii

Viteza luminii în spațiul liber (vid) este viteza cu care se propagă undele electromagnetice, inclusiv undele luminoase. Cunoscută sub numele de c, este o constantă fizică fundamentală. Viteza luminii în spațiul liber joacă un rol important în fizica modernă deoarece c este viteza limită de propagare a oricărei acțiuni fizice (a se vedeaRELATIVITATEA, TEORIA LUI) și este invariantă – adică nu se schimbă – în cazul unei tranziții de la un cadru de referință la altul. Niciun semnal nu poate fi transmis cu o viteză mai mare decât c, iar semnalele pot fi transmise cu viteza c doar în vid. Relația dintre masa unui corp material și energia totală a corpului este exprimată în termeni de c. Cantitatea c apare în transformările Lorentz, care exprimă schimbările de coordonate, viteze și timp la schimbarea cadrului de referință. Multe alte relații implică, de asemenea, c.

Figura 1. Determinarea vitezei luminii prin metoda roții dințate Fizeau: (S) sursă de lumină, (W) roată dințată cu viteză de rotație variabilă pentru care se cunosc cu precizie lățimile dinților și spațiile (a) dintre dinți, (N) oglindă semitransparentă, (M) oglindă reflectantă, (MN)distanță măsurată cu precizie, (E) ocular. Lumina văzută de observator la E are cea mai mare luminozitate atunci când timpul necesar pentru ca lumina să parcurgă distanța NM și înapoi este egal cu timpul necesar pentru ca W să se rotească cu un număr întreg (1, 2, 3 și așa mai departe) de dinți. Când această condiție este îndeplinită, fasciculul de lumină trece strict la jumătatea distanței dintre dinți, atât pe traseul până la oglinda reflectorizantă, cât și pe cel de întoarcere.

Cantitatea c′, viteza luminii într-un mediu, se referă în general la viteza de propagare doar a radiației optice, sau a luminii. Această viteză depinde de indicele de refracție n al mediului, care, din cauza fenomenului de dispersie, este diferit pentru diferite frecvențe ν ale radiației: c′(v) = c/n(v). Din cauza acestei dependențe, viteza de fază a luminii într-un mediu este diferită de viteza de grup (în cazul în care se ia în considerare lumina nemonocromatică). În vid, aceste două mărimi sunt egale. Atunci când se fac determinări experimentale ale lui c’, se măsoară întotdeauna viteza de grup sau viteza semnalului (viteza fluxului de energie). Viteza semnalului diferă de viteza de grup numai în unele cazuri speciale.

Măsurarea lui c cu o precizie cât mai mare este extrem de importantă nu numai din motive teoretice generale și pentru determinarea valorilor altor mărimi fizice, ci și în scopuri practice (vezi mai jos). Prima măsurare a vitezei luminii a fost realizată în 1676 de către O. Roemer. Metoda sa s-a bazat pe variația timpului dintre eclipsele satelitului lui Jupiter, Io. O altă determinare astronomică a fost făcută de J. Bradley în 1728, pe baza observațiilor sale privind aberația luminii stelare.

Prima măsurare a vitezei luminii pe Pământ a fost făcută de A. H. L. Fizeau în 1849. Trebuie remarcat faptul că indicele de refracție al aerului diferă foarte puțin de 1; în consecință, măsurătorile terestre dau o valoare extrem de apropiată de c. Fizeau și-a bazat măsurarea pe timpul necesar luminii pentru a parcurge o distanță cunoscută cu exactitate. În experimentul său, un fascicul de lumină a fost întrerupt periodic de o roată dințată care se rotea. Fasciculul a parcurs distanța cunoscută de aproximativ 8 km și, după ce a fost reflectat de o oglindă, s-a întors la periferia roții (figura 1). Aici, lumina fie a întâlnit un dinte și a fost blocată, fie a trecut printr-un spațiu între doi dinți și a fost percepută de observator. Timpul necesar pentru ca lumina să parcurgă distanța cunoscută a fost determinat pe baza vitezelor cunoscute de rotație a roții. Fizeau a obținut pentru c valoarea 315,300 km/sec.

În 1838, D. Arago a sugerat utilizarea unei oglinzi care se rotește rapid în locul unei roți dințate. J. B. L. Foucault a pus în aplicare sugestia lui Arago în 1862 cu o oglindă care se rotește cu o viteză de 512 rotații pe secundă. După ce a fost reflectat de oglinda rotativă, fasciculul de lumină a parcurs distanța cunoscută până la o oglindă concavă fixă, care a returnat fascicululul către oglinda rotativă. În timp ce fasciculul a călătorit de la și către oglinda rotativă, această oglindă s-a rotit ușor (figura 2). Folosind o distanță cunoscută de doar 20 m, Foucault a constatat că viteza luminii este egală cu 298.000 ± 500 km/sec.

Ideile de bază și proiectele experimentale care au stat la baza determinărilor lui Fi-zeau și Foucault privind viteza luminii au fost folosite ulterior, într-o formă mai rafinată, de alți oameni de știință. Metoda lui Foucault a atins cea mai înaltă dezvoltare în lucrările lui A. Michelson (1879, 1902 și 1926). Valoarea obținută de Michelson în 1926, c – 299,796 ± 4 km/sec, a fost cea mai precisă măsurătoare la acel moment și a fost folosită în tabelele internaționale ale mărimilor fizice.

Figura 2. Determinarea vitezei luminii prin metoda oglinzii rotative Foucault: (S) sursă de lumină, (R)oglindă care se rotește rapid, (C) oglindă concavă fixă al cărei centru coincide cu axa de rotație a lui R (prin urmare, lumina reflectată de C călătorește întotdeauna înapoi spre R), (M) oglindă semitransparentă, (L)lentilă, (E) ocular, (RC) distanță măsurată cu precizie. Pe măsură ce lumina călătorește de-a lungul traseului RC și înapoi, R se rotește; poziția lui R atunci când lumina ajunge din nou la R este indicată de o linie întreruptă. Traiectoria de întoarcere a fasciculului de raze prin L este, de asemenea, indicată prin linii întrerupte. Raza reflectată este convergentă prin L către punctul S′ mai degrabă decât către S, așa cum ar fi cazul dacă R ar fi staționar. Viteza luminii se determină prin măsurarea deplasării SS′.

Pe lângă faptul că au îndeplinit sarcina de a determina viteza luminii, măsurătorile efectuate în secolul al XIX-lea au jucat un rol extrem de important în fizică. Ele au oferit o confirmare suplimentară a teoriei ondulatorii a luminii (a se vedeaOPTICA), care fusese deja susținută în mod adecvat de alte experimente – de exemplu, Foucault, în 1850, a comparat vitezele luminii de aceeași frecvență ν în aer și în apă. Măsurătorile au demonstrat, de asemenea, relația strânsă dintre optică și teoria electromagnetismului, deoarece viteza luminii măsurată a fost în concordanță cu viteza undelor electromagnetice care a fost calculată din raportul dintre unitățile de sarcină electrică electromagnetică și electrostatică. Acest raport a fost măsurat în experimentele efectuate de W. Weber și F. Kohlrausch în 1856. Măsurători mai precise au fost efectuate ulterior de J. C. Maxwell. Raportul a fost unul dintre punctele de plecare pentru crearea teoriei electromagnetice a luminii de către Maxwell între 1864 și 1873.

Măsurătorile vitezei luminii au scos la iveală, de asemenea, o contradicție adânc înrădăcinată în premisele teoretice de bază ale fizicii din acea vreme cu privire la conceptul de eter universal. Măsurătorile au furnizat dovezi pentru ipoteze care se excludeau reciproc în ceea ce privește comportamentul eterului atunci când corpurile materiale se deplasau prin el. Tragerea parțială a eterului a găsit sprijin în analiza fenomenului de aberație a luminii realizată de fizicianul englez G. B. Airy în 1871 și în experimentul Fizeau din 1851, care a fost repetat în 1886 de Michelson și E. Morley. Experimentele efectuate de Michelson în 1881 și de Michelson și Morley în 1887 au adus dovezi împotriva rezistenței eterului. Această contradicție nu a fost rezolvată până când A. Einstein a avansat teoria sa specială a relativității în 1905.

Măsurătorile actuale ale vitezei luminii folosesc adesea metoda modulației, care este o modernizare a metodei Fizeau. Roata dințată este înlocuită, de exemplu, cu un modulator optic elec-trooptic, de difracție sau de interferență, care întrerupe sau atenuează fasciculul de lumină (veziMODULAREA LUMINII). Ca detector de radiații se utilizează o celulă fotoelectrică sau un fotomultiplicator. Utilizarea unui laser ca sursă de lumină, utilizarea unui modulator ultrasonic cu o frecvență stabilizată și îmbunătățirea preciziei de măsurare a distanței cunoscute au permis o reducere a erorii de măsurare și au condus la valoarea c = 299,792.5 ± 0.15 km/sec.

În plus față de măsurătorile directe ale vitezei luminii bazate pe timpul necesar pentru parcurgerea unei distanțe cunoscute, se utilizează pe scară largă metode indirecte, care oferă o precizie și mai bună. În 1958, fizicianul britanic K. Froome a folosit un interferometru cu microunde în spațiu liber pentru a obține valoarea c = 299.792,5 ± 0,1 km/sec pentru radiația cu lungimea de undă λ = 4 cm. Eroarea este și mai mică atunci când viteza luminii este determinată ca fiind cuplul dintre λ și ν, găsite independent, ale liniilor spectrale atomice sau moleculare. În 1972, omul de știință american K. Evenson și colaboratorii săi au găsit, cu o precizie de 11 cifre, frecvența de radiație a unui laser CH4 folosind un etalon de frecvență cu cesiu (a se vedea STANDARDE DE FRECVENȚĂ CUANTUM). Aceștia au determinat lungimea de undă a radiației (aproximativ 3,39 micrometri) cu ajutorul unui etalon de frecvență de cripton. Rezultatul final obținut a fost c = 299.792.456,2 ± 0,8 m/sec. Începând cu anul 1976, viteza luminii în vid a fost considerată ca fiind de 299,792 ± 0,4 km/sec, în conformitate cu o decizie a celei de-a 12-a Adunări Generale a Uniunii Internaționale Științifice a Radiocomunicațiilor (în prezent Uniunea Internațională de Științe Radioelectrice) din 1957.

Cunoașterea valorii exacte a vitezei luminii are o mare importanță practică, în special pentru determinarea distanțelor (pe baza timpului de parcurs al semnalelor radio sau luminoase) în radar, detecție și telemetrie optică și telemetrie. Această metodă de determinare a distanțelor este utilizată pe scară largă în special în geodezie și în sistemele de urmărire a sateliților terestre artificiali; de asemenea, a fost folosită pentru a face măsurători precise ale distanței dintre Pământ și Lună și pentru a rezolva o serie de alte probleme.

.