Šviesos greitis

Šiandienos muštynės su keliomis nelabai prisistačiusiomis asmenybėmis delfiaus komentaruose pakišo mintį, kad galėčiau ir čia parašyti apie tai, ką bandžiau ten išaiškinti. Taigi trumpai apie tai, koks yra šviesos greitis ir kaip jis buvo nustatytas. Ir dar gal viena kita smulkmena apie specialiąją reliatyvumo teoriją.

Kas per dalykas yra šviesa, žmonės galvojo jau nuo seniai. Senovės graikai (ir kitos Antikos tautos) buvo prisigalvoję visokių, švelniai tariant, įdomių teorijų. Pavyzdžiui, Euklidui atrodė, kad šviesa sklinda iš mūsų akių ir apšviečia aplinką, dėl to kažką matome. Įdomi mintis, bet visiškai neteisinga, ypač naktį.

Kaip ir daugelis kitų gamtos reiškinių, rimtai šviesa buvo pradėta tyrinėti Renesanso bei Apšvietos laikotarpiais. Iš ankstyvųjų šviesos mokslo – optikos – tyrinėtojų geriausiai žinomas yra Izaokas Niutonas, iš esmės sukūręs šio mokslo pagrindus. Jis nustatė, kad baltos šviesos spindulys, praėjęs pro prizmę, išsisklaido į vaivorykštės spalvas, o kokios nors konkrečios spalvos spindulys nepakinta. Vadinasi balta šviesa yra ne vienos spalvos, o įvairių spalvų spindulių mišinys. Remdamasis šia išvada, Niutonas sukūrė ir veidrodinį teleskopą (ankstesni, olandų pirklių kurti ir Galilėjaus išpopuliarinti bei mokslui pritaikyti, teleskopai buvo lęšiniai), kuris neiškraipė matomų objektų šviesos ir spalvų.

To meto mokslininkai siūlė ir keletą būdų, kaip galima būtų nustatyti šviesos greitį. Iš teorinės pusės filosofai ilgai ginčijosi, ar šviesa gali būti be galo greita, ar visgi jos greitį kažkas riboja. Vieniems atrodė, kad šviesos greitis tikrai turi būti begalinis, kitiems – kad tikrai negali. Bet filosofinės diskusijos tokios jau yra, kad galima diskutuoti tūkstantmečius, neprieinant prie jokių išvadų. O eksperimentais rezultatų gauti įmanoma gerokai lengviau. Galilėjus pasiūlė pabandyti išmatuoti laiko tarpą tarp žibinto atidengimo ir jo atspindžio tolimame veidrodyje pasirodymo. Nieko nepavyko – šviesa yra tokia greita, kad jokio laiko tarpo nustatyti nepavyko. Nieko keisto – juk šviesa per sekundę septynis su puse karto apskrietų Žemės rutulį, tad nulėkti keletą kilometrų pirmyn ir atgal – vienas juokas. Aišku, tai neįrodė, kad šviesos greitis begalinis, tiesiog paaiškėjo, kad jis yra tikrai didelis.

Tiksliau šviesos greitis buvo nustatytas po kelių dešimtmečių, XVII a. pabaigoje. Vienas toks Riomeris (Rømer; ne tas, kuriame Maumaz dirba), stebėdamas Jupiterio palydovus, pamatė, kad jų judėjimas atrodo šiek tiek kitaip priklausomai nuo to, ar Žemė savo orbitoje juda link Jupiterio, ar tolyn nuo jo. Iš šių stebėjimų jis padarė keletą spėjimų, kuriems pasitvirtinus pateikė skaičiavimus. Tais skaičiavimais pasinaudojo Huigensas (Huygens) ir nustatė, kad šviesos greitis turėtų būti maždaug 220 tūkstančių kilometrų per sekundę.

Prireikė beveik dviejų šimtų metų, kol šviesos greitį pavyko išmatuoti Žemėje, laboratorijos sąlygomis. Tą net dviem būdais padarė du prancūzai – Fizo (Fizeau) ir Fukas (Fucault; tas pats, kurio švytuoklė kabo įvairiuose muziejuose ir stovi daugelyje knygų lentynų). Fizo pirmasis sugalvojo, kad galima būtų pabandyti kartais užstoti šviesos kelią nuo vieno taško iki kito, o kartais jį atidengti, ir taip nustatyti, kiek laiko šviesa tarp tų taškų keliauja. Jo sukurtas prietaisas veikė šitaip. Šviesos šaltinis skleidžia siaurą spindulių pluoštą toli esančio veidrodžio link. Atsispindėję spinduliai grįžta atgal ir yra registruojami kokiu nors prietaisu arba tiesiog akimis. Netoli šviesos šaltinio, spindulių kelyje, įtaisomas besisukantis dantratis taip, kad spinduliai galėtų arba praeiti tarp šio dantelių, arba būti užstoti vieno tokio danties. Dantratis yra sukamas kažkokiu žinomu greičiu. Sukimosi greičiui pasiekus kažkokią vertę, šviesos spindulys viena kryptimi praeis pro vieną dantelių tarpą, o kita kryptimi – pro kitą. Nustačius šį greitį, žinant atstumą nuo dantračio iki veidrodžio, galima suskaičiuoti ir šviesos greitį. Rezultatus galima patikslinti įsukant dantratį dvigubai greičiau, kad grįžtantis šviesos spindulys praeitų ne pro gretimą, o pro tolimesnį tarpą; trigubai greičiau – kad praeitų pro trečią tarpą; ir taip toliau. Taip buvo rastas šviesos greitis, nuo dabar žinomo besiskiriantis tik keliais procentais.

Fukas eksperimentą pertvarkė visiškai kitaip, nors ir pasinaudojo idėja apie kažką besisukančio. Jis paėmė du veidrodžius – vieną įgaubtą, o kitą plokščią, ir padėjo įgaubtąjį labai toli, o plokščią – tiksliai to įgaubtojo kreivumo centre. Plokščią veidrodį paleido suktis ir į jį pašvietė šviesos spindulį. Tas spindulys atsispindėjo nuo pirmojo veidrodžio, nulėkė iki įgaubtojo, atsispindėjo nuo šio, grįžo atgal, vėl atsispindėjo nuo plokščiojo veidrodžio ir pataikė į detektorių. Kadangi tarp pirmo ir antro atsispindėjimų nuo besisukančio veidrodžio pastarasis kažkiek pasisuko, tai ir spindulys pataikė nebe atgal į šaltinį, o truputį šalia jo. Parinkus kažkokį veidrodžio sukimosi greitį ir nustačius jį atitinkantį spindulio poslinkio kampą, vėlgi galima suskaičiuoti šviesos greitį. Tokiu būdu gautas rezultatas nuo tikrojo skyrėsi dar mažiau, nei Fizo.

Po šių eksperimentų šviesos greitis jau buvo nustatytas gana tiksliai. Bet dar liko vienas klausimas – kaip priklauso šviesos greitis nuo Žemės judėjimo spindulingojo eterio atžvilgiu. Šis eteris, visiškai nesusijęs su televizijos eteriu, angliškai vadintas luminiferous aether, buvo hipotetinė medžiaga, kurios pilna visoje erdvėje, ir kuria sklinda šviesos bangos. Tais laikais buvo manyta, kad tiesiog vakuume bangos negali sklisti (garsas tikrai negali). 1887-aisiais metais du amerikiečiai, Mikelsonas ir Morlis, nusprendė patikrinti šią priklausomybę ir nustatyti „eterio vėjo“ greitį bei jo svyravimus metų bėgyje; taip būtų išmatuotas ir eterio vėjo greitis Saulės bei Galaktikos atžvilgiais. Jų eksperimentas rėmėsi interferometru – prietaisu, kuris vieną šviesos spindulį išskaido į du, juos paleidžia statmenai vieną kitam, atspindi nuo veidrodžių ir surenka detektoriumi. Jei abu spinduliai nukeliavo vienodus atstumus vienodais greičiais, jų bangos turėtų interferuoti konstruktyviai, t.y. detektoriuje matytųsi ryškus taškas. Jei spindulių nukeliauti atstumai arba greičiai skyrėsi tiek, kad į detektorių vienu metu pataiko priešingos fazės bangos, jos viena kitą panaikintų ir jokio spindulio detektoriuje nesimatytų. Kadangi detektorius „mato“ ne vieną tašką, o palyginus nemažą plotą (bent keletą kvadratinių centimetrų), susidaro šviesių ir tamsių ratilų mišinys, vadinamas interferenciniu raštu. Iš tokio rašto galima suskaičiuoti spindulių fazių skirtumą, o kartu ir jų nueitų atstumų skirtumą. O jei atstumai tikrai vienodi, iš interferencijos duomenų galima nustatyti šviesos greitį ir šių greičių skirtumą, šviesai judant įvairiomis kryptimis. Jei šviesa judėtų eteryje, jos greitis įvairiomis kryptimis turėtų skirtis.

Būtent tą nustatyti ir norėjo Mikelsonas ir Morlis. Jiems nepavyko. Nepavyko ir kitiems eksperimentatoriams, bet būtent šis eksperimentas laikomas vienu iš svarbiausių rezultatų, paneigiančių spindulingojo eterio teoriją. Na o Mikelsono interferometras ir dabar yra naudojamas mokomosiose (o kartais ir ne tik) laboratorijose.

Po šio eksperimento dar sekė du esminiai šviesos greičio tikslumo nustatymo šuoliai. Antrojo pasaulinio karo metais ištobulinus radarų technologiją, pasinaudojus mikrobangine spinduliuote (ne, ne kosmine, tiesiog laboratorijoje kažkas mikrobangų krosnelę įjungė) ir žinomų parametrų metalo gabaliuku (vadinamąja „ertme“), šviesos greitis buvo išmatuotas dar tiksliau. Metalo gabaliuke rezonavo būtent tik žinomo dažnio mikrobangos, o jų bangos ilgis buvo žinomas iš kitų interferencijos matavimų. Žinant šiuos du parametrus, galima apskaičiuoti šviesos greitį. Tokiu būdu šviesos greitis buvo nustatytas kelių km/s tikslumu. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje, jau naudojantis lazeriais, interferenciniais matavimais šviesos greitis buvo dar patikslintas. Po šio patikslinimo tiksliau šviesos greičio išmatuoti jau nebebuvo įmanoma, nes bet koks tikslesnis matavimas priklausė nuo ilgio vieneto apibrėžimo tikslumo. Taigi 1983-aisiais metais metras buvo oficialiai apibrėžtas pagal šviesos greitį.

Tikiuosi, kažką supratote. Tai va dabar jums klausimas. Koks gi yra šviesos greitis? :)

 

Laiqualasse

4 comments

  1. Sarunas rašo:

    Labai arti 300 tukstanciu km/s. Taciau, mane labiau domina Tachionai. Kiek zinau, tai hipotetines daleles skriejancios greiciau uz sviesa, taciau ju negali pagauti del greicio (?) ar del to kad jos neegzistuoja. Kazkur labai senai skaiciau, jog Tachionai, tai daleles saugancios nuo kelioniu i praeiti, bet velgi, kai niekas nezino ''absoliuciai'' nieko apie tokia dalele, kuri man tokia pat mistiska kaip ir Plancko ilgis. Taciau musu Visata pilna staigmenu, todel manau negalima atmesti ir sios daleles. Kaip yra vienas Astrofizikinis anekdotas, bet gal labiau tiesiog ''keista'' citata:
    ''Somewhere, within quantum foam of existence, amongst the very building blocks of reality, there is a universe where you... are Batman.''

Parašykite atsakymą

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*