Ταχύτητα του φωτός – Όσα δεν γνωρίζετε [pics]

Σήμερα η Google αφιερώνει το Doodle της στην 340η επέτειο από τον καθορισμό της ταχύτητας του φωτός. Ο πρώτος που μπόρεσε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός ήταν ο Δανός αστρονόμος Όλε Κρίστενσεν Ρέμερ το 1676. Ο Ρέμερ έκανε τις μετρήσεις παρατηρώντας τις εκλείψεις των δορυφόρων του Δία από τον πλανήτη αυτόν και υπολόγισε ότι η ταχήτητα του φωτός είναι 303.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Το αποτέλεσμα του Ρέμερ ήταν εκπληκτικά κοντά στην τιμή που γνωρίζουμε σήμερα (299.792.458 μέτρα το δευτερόλεπτο) για την ταχύτητα του φωτός, αλλά η ερμηνεία που έδωσε στο φαινόμενο δεν έγινε δεκτή από τους αστρονόμους της εποχής.

Πρώτος ο Δανός αστρονόμος Όλε Κρίστενσεν Ρέμερ το 1675 μέτρησε την ταχύτητα διαδόσεως του φωτός με αστρονομική μέθοδο.Σήμερα με πολύ ακριβείς μετρήσεις οι Φυσικοί βρήκαν ότι η ταχύτητα του φωτός c στο κενό και περίπου στον αέρα είναι 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Ο Κασίνι είχε παρατηρήσει τους δορυφόρους του Δία μεταξύ 1666 και 1668, και είχε ανακαλύψει ασυμφωνίες στις χρονομετρήσεις του, ασυμφωνίες που απέδωσε, ως αρχική εκτίμηση, στο ότι το φως είχε μια πεπερασμένη ταχύτητα. Το 1672 ο Ρέμερ πήγε στο Παρίσι και συνέχισε τις παρατηρήσεις των δορυφόρων του Δία ως βοηθός του Κασίνι. Προσέθεσε τις δικές του παρατηρήσεις σε αυτές του Κασίνι και πρόσεξε ότι τα χρονικά διαστήματα ανάμεσα στις εκλείψεις (ιδίως αυτές της Ιούς) ήταν μικρότερα όταν η απόσταση Γης-Δία μειωνόταν, και μεγαλύτερα όταν η απόσταση αυτή αυξανόταν. Ο Κασίνι έκανε μια σύντομη δημοσίευση τον Αύγουστο 1675, όπου έγραφε:

«Αυτή η δεύτερη ανισότητα φαίνεται να οφείλεται στο ότι το φως χρειάζεται ορισμένο χρόνο για να φθάσει ως εμάς από τον δορυφόρο. Το φως πρέπει να χρειάζεται περίπου 10 ως 11 λεπτά για να διανύσει μια απόσταση ίση με την ημιδιάμετρο της γήινης τροχιάς».

Παραδόξως, ο Κασίνι φαίνεται ότι εγκατέλειψε αυτό το σκεπτικό, ενώ ο Ρέμερ το υιοθέτησε και ξεκίνησε προσπάθεια να το τεκμηριώσει αδιαμφισβήτητα, χρησιμοποιώντας επιλεγμένες παρατηρήσεις που εκτέλεσαν αυτός και ο Πικάρ μεταξύ 1671 και 1677. Ο Ρέμερ παρουσίασε τα πορίσματά του στη Γαλλική Ακαδημία Επιστημών, ενώ λίγο μετά συνοψίσθηκαν από ανώνυμο σχολιαστή σε μια σύντομη παρουσίαση με τίτλο Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M. Roemer de l’Académie des sciences, που δημοσιεύθηκε στις 7 Δεκεμβρίου 1676 στο Journal des sçavans. Δυστυχώς η παρουσίαση πάσχει από το ότι ο σχολιαστής δεν έχει κατανοήσει την παρουσίαση του Ρέμερ, και καθώς κατέφυγε σε δυσνόητες προτάσεις για να συγκαλύψει την έλλειψη κατανοήσεως από τον ίδιο, συσκότισε τη λογική του Ρέμερ (Jan Teuber: Ole Rømer – videnskabsmand og samfundstjener, εκδ. Gads Forlag, Κοπεγχάγη 2004, κεφ. “Ole Rømer og den bevægede Jord – en dansk førsteplads?”).

Μόνο η ερμηνεία των παρατιθέμενων αριθμών βγάζει νόημα: Καθώς 40 περιφορές της Ιούς (των 42,5 ωρών η μία) που παρατηρούνται όταν η Γη προσεγγίζει τον Δία είναι συνολικά 22 λεπτά της ώρας συντομότερες από 40 περιφορές της Ιούς που παρατηρούνται όταν η Γη απομακρύνεται από τον Δία, ο Ρέμερ συμπέρανε ότι το φως θα ταξιδέψει την απόσταση που η Γη διανύει σε 80 περιφορές της Ιούς σε 22 λεπτά. Αυτό δίνει τη δυνατότητα να υπολογισθεί το καθαρό αποτέλεσμα των παρατηρήσεων του Ρέμερ: ο λόγος της ταχύτητας του φωτός προς την ταχύτητα περιφοράς της Γης γύρω από τον Ήλιο, που βρίσκεται ίσος με 9300. Η σύγχρονη τιμή είναι περί το 10100. Ο ίδιος ο Ρέμερ ούτε υπολόγισε αυτό το κλάσμα, ούτε έδωσε κάποια τιμή για την ταχύτητα του φωτός. Αλλά πολλοί άλλοι υπελόγισαν την ταχύτητα από τα δεδομένα του, με πρώτο τον Κρίστιαν Χόυχενς: αφού αλληλογράφησε με τον Ρέμερ και απέκτησε περισσότερα δεδομένα, ο Χόυχενς συμπέρανε ότι το φως ταξίδευε 16 και 2/3 γήινες διαμέτρους το δευτερόλεπτο, θεωρώντας λανθασμένα την τιμή του Ρέμερ των 22 λεπτών ως τον χρόνο στον οποίο το φως διανύει απόσταση ίση με τη διάμετρο της τροχιάς της Γης.

Η άποψη του Ρέμερ ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη δεν έγινε πλήρως αποδεκτή μέχρι που έγιναν μετρήσεις της αποπλανήσεως του φωτός από τον Τζέιμς Μπράντλεϋ το 1727.

Ταχύτητα του φωτός: Τα μυστικά

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό θεωρείται η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αναπτυχθεί, όχι μόνο από το φως αλλά και από τα υπόλοιπα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, άλλες μορφές μετάδοσης ενέργειας και από την ύλη.Η ταχύτητα αυτή είναι τόσο μεγάλη,ώστε αν ένας παρατηρητής κινούταν γύρω από τον ισημερινό της γης με αυτή την ταχύτητα θα ολοκλήρωνε το γύρω του κόσμου σε 13 εκατοστά του δευτερολέπτου.Άλλο παράδειγμα είναι ότι το φως του ήλιου φτάνει στη γη μετά από 8 λεπτά,αφότου εκπεμφθεί από την επιφάνειά του.

Παρατηρούμε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πάρα πολύ μεγάλη. Είναι περίπου 1.000.000 φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα διάδοσης του ήχου στον αέρα. Η ταχύτητα αυτή είναι τόσο μεγάλη, ώστε αν ένας παρατηρητής κινούταν γύρω από τον ισημερινό της γης με αυτή την ταχύτητα θα ολοκλήρωνε το γύρω του κόσμου σε 13 εκατοστά του δευτερολέπτου.Άλλο παράδειγμα είναι ότι το φως του ήλιου φτάνει στη γη μετά από 8 λεπτά, αφότου εκπεμφθεί από την επιφάνειά του. Την απόσταση Γης-Σελήνης τη διανύει περίπου σε ένα μόλις δευτερόλεπτο.

Η ταχύτητα του φωτός δεν είναι σταθερή, αλλά εξαρτάται από το μέσο μέσα στο οποίο γίνεται η διάδοση. Στα άλλα διαφανή υλικά (νερό, γυαλί κτλ) η ταχύτητα του φωτός είναι μικρότερη. Η ταχύτητα του φωτός του νερού είναι cνερ=225000 km/s ενώ η ταχύτητα του φωτός του γυαλιού είναι cγυαλ=200.000 km/s. Στην αστρονομία, για τη μέτρηση των τεράστιων αποστάσεων μεταξύ των άστρων, χρησιμοποιούν ως μονάδα μήκους το διάστημα που τρέχει το φως σε ένα έτος. Τη μονάδα αυτή την ονομάζουμε έτος φωτός.

Ταχύτητα φωτός και έτη φωτός

Χρησιμοποιώντας την τεράστια ταχύτητα διάδοσης του φωτός έχουμε επινοήσει μια μονάδα μέτρησης αστρικών αποστάσεων.Για παράδειγμα,το φως χρειάζεται περίπου τέσσερα χρόνια για να φτάσει στη Γη από τον αστέρα Α του Κενταύρου που είναι,τον πιο κοντινό αστέρα που είναι παρόμοιος με τον Ήλιο.Λέμε ότι ο αστέρας Α του Κενταύρου απέχει τέσσερα έτη φωτός από εμάς. Έτος φωτός ονομάζεται η απόσταση που διανύει το φως σε ένα έτος.

Το έτος φωτός χρησιμοποιείται για τη μέτρηση αποστάσεων μεταξύ άστρων ενώ για μεγαλύτερες αποστάσεις χρησιμοποιείται το παρσέκ.Στα περισσότερα βιβλία για την αστρονομία πάντως χρησιμοποιείται το έτος φωτός,επειδή είναι πιο εύκολο να εξηγηθεί σαν έννοια.Η απόσταση του Ήλιου από τη Γη   είναι περίπου δεκάξι εκατομμυριοστά του έτους φωτός.Το κοντινότερο σε μας αστέρι,ο Εγγύτατος Κενταύρου,βρίσκεται σε απόσταση 4,22 ετών φωτός ενώ ο αστέρας Σείριος,απέχει περίπου εννέα έτη φωτός.Το κέντρο του Γαλαξία μας απέχει περίπου 28.000 έτη φωτός.Η διάμετρος του Γαλαξία μας είναι περίπου 100.000 έτη φωτός.

Αν υπάρχει μια κοσμική σταθερά πάνω στην οποία μάλιστα βασίζονται οι επιστήμονες στις έρευνές τους, αυτή είναι η ταχύτητα του φωτός. Δύο νέες μελέτες υποστηρίζουν ότι το λεγόμενο «διαστημικό κενό» δεν είναι εντελώς άδειο αλλά υπάρχει αλληλεπίδραση σωματιδίων που μεταβάλλει ελαφρώς την ταχύτητα του φωτός

Oι δύο μελέτες για την ταχύτητα του φωτός

Οι δύο μελέτες δημοσιεύονται στην επιθεώρηση «European Physics Journal D» και αναφέρουν ότι στο διαστημικό κενό, εκεί που θεωρητικά δεν υπάρχει απολύτως τίποτε, κάνουν την εμφάνιση τους κάποια σωματίδια τα οποία οι ερευνητές χαρακτηρίζουν «εικονικά» σωματίδια. Αυτά τα εικονικά σωματίδια εμφανίζονται και εξαφανίζονται κυριολεκτικά μέσα σε μια στιγμή, σε μια διαδικασία που διαρκεί εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Η μια μελέτη διεξήχθη από ερευνητές του Πανεπιστημίου Paris-Sud στο Παρίσι και η δεύτερη από το τμήμα Φυσικής του Φωτός του Ινστιτούτου Max Planck στη Γερμανία.

Η ταχύτητα του φωτός και η ενέργεια

Οι δύο μελέτες περιγράφουν μεν διαφορετικούς μηχανισμούς παρουσίας και αλληλεπίδρασης των σωματιδίων στο διαστημικό κενό αλλά καταλήγουν στο ίδιο συμπέρασμα. Υποστηρίζουν ότι τα φωτόνια καθώς ταξιδεύουν στο Διάστημα και περνούν από το διαστημικό κενό «συλλαμβάνονται» και απελευθερώνονται από τα «εικονικά» σωματίδια. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η ενέργεια αυτών των σωματιδίων και ειδικότερα το φορτίο που διαθέτουν επηρεάζει την ταχύτητα του φωτός.