Artykuły popularnonaukowe

Jak Galileusz mierzył prędkość światła

Dziś wiemy, że światło porusza się z prędkością ogromną, blisko 300 000 km/s i. Bawić nas więc może sam pomysł zbadania tej wielkości przy pomocy narzędzi, jakim dysponowali uczeni w XVII wieku. W rzeczywistości, choć wszelkie próby ustalenia prędkości światła w tamtym czasie z góry skazane były na niepowodzenie, już sam fakt zainteresowania problemem zasługuje na uznanie i świadczy o potędze i dociekliwości umysłu Galileusza.


Jak mierzymy prędkość?

Jednym z najczęściej stosowanych w życiu codziennym praw fizycznych, pokrywającym się z intuicyjnym rozumieniem pojęć związanych z ruchem, jest prędkość rozumiana jako zależność drogi od czasu. Innymi słowy, dla każdego człowieka, który odebrał najbardziej podstawową edukację w zakresie nauk ścisłych, oczywiste jest, że jadąc samochodem z Warszawy do Poznania, czyli pokonując odcinek 256 km w czasie 4h, nasza średnia prędkość po prostu MUSI wynosić 64 km/h, co stwierdzimy dokonując prostego obliczenia za pomocą nieskomplikowanego wzoru:

V = S/t
gdzie:
V – średnia prędkość samochodu,
S – droga, jaką pokonuje samochód, wyrażona w km,
t – czas, w którym samochód pokonuje trasę, wyrażony w h.

Zależność ta jest prawdziwa, choć trzeba na marginesie przyznać, że nie odzwierciedla przebytej przez samochód drogi dokładnie i realistycznie. Pokonując jakąkolwiek trasę samochodem, w rzeczywistości nie poruszamy się prostoliniowo i jednostajnie. Naturalnie, że wjeżdżamy w zakręty, skręcamy na skrzyżowaniach, czasami zjedziemy na stację benzynową a jeśli pomylimy drogę - zawracamy. Jednak wszystkie te odstępstwa można pominąć i uzyskać bardzo dobry, sensowny wynik stosując wzór dla ruchu jednostajnego jw., choć oczywiście postoje i opóźnienia będą miały wpływ na naszą prędkość, ponieważ zmieniają albo drogę, albo czas, lub i jedno i drugie.

Wracając jednak do tematu, ustalmy, co właściwie z powyższego wzoru wynika? Ano na przykład to, że ciało, mając do przebycia określoną drogę, pokonuje ją z prędkością proporcjonalną do czasu, w jakim to następuje. Czyli ciało poruszające się z dużą prędkością, pokonuje tę samą drogę szybciej, niż ciało poruszające się wolniej. Jasne jest również, że znając drogę i czas, możemy ustalić prędkość danego ciała, niezależnie od tego, czy porusza się wolno czy szybko.


Eksperyment Galileusza

Z podobnego założenia wyszedł Galileusz, głowiąc się nad tym, jak dokonać pomiaru prędkości światła. Wiedząc, że światło rozchodzi się błyskawicznie, chciał jednak sprawdzić, czy „światło dochodzi [do obserwatora - przyp. aut.] momentalnie, a nie bardzo szybko”. Inaczej mówiąc, chciał wiedzieć, czy prędkość światła jest bardzo duża, czy może nieskończona? W tym celu zrealizował pewien eksperyment, który opisuje w jednym ze swoich dzieł opublikowanym w 1638 roku.

Galileusz wraz z pomocnikiem, wyposażeni w latarnie, najpierw na niewielkiej odległości jeden od drugiego, wprawili się w „konwersacji”, która polegała na tym, że kiedy jeden z nich zasłaniał światło swojej latarni tak, że drugi go nie mógł zobaczyć, natychmiast drugi odsłaniał zasłonięte dotąd przed wzrokiem pierwszego światło swojej latarni. Osiągnąwszy mistrzostwo w odsłanianiu i zasłanianiu swoich latarni, pewnej nocy, oddalili się na odległość trzechii mil włoskich (około 4,5 km) i przeprowadzili eksperyment.

Galileusz i pomiar prędkości światła


Tę metodę pomiaru opisał Galileusz w swojej ostatniej publikacji: „Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze…”iii, której polskie wydanie z 1930 roku, „Rozmowy i dowodzenia matematyczne w zakresie dwóch nowych umiejętności dotyczących mechaniki i ruchów miejscowych” dostępne jest najczęściej w czytelniach akademickich.

Galileusz nie wspomina w swoim dziele, jak chcieli dokonać pomiaru prędkości światła eksperymentatorzy. Być może mieli zamiar odnotować konkretne godziny przeprowadzania swoich czynności i obserwacji. A być może (co jest bardzo prawdopodobne) w zamyśle mierzony miał być czas, jaki upłynie od zasłonięcia pierwszej latarni do odsłonięcia drugiej, co wystarczyłoby przecież do wyliczenia prędkości światła.

Jeśli światło poruszałoby się z jakąś dużą, lecz obserwowalną gołym okiem prędkością, Galileusz, po zasłonięciu swojej latarni ujrzałby światło z latarni pomocnika po jakimś czasie (powiedzmy 10 s). Podobnie pomocnik po odsłonięciu swojej latarni ujrzałby światło z odsłoniętej tym razem latarni Galileusza po takim samym czasie (10 s). Co by to oznaczało? Tyle, że światło na przebycie 6 mil, potrzebuje 10 sekund, lub, co jest równoznaczne z tym wnioskiem, że w ciągu 5 sekund przebywa światło 3 mile. Dawałoby to prędkość światła równą 1,666(6) mili na sekundę.


Wnioski Galileusza z przeprowadzonego doświadczenia

Mimo że rozumowanie Galileusza było jak najbardziej poprawne, to ze względu na ogromną prędkość światła, eksperyment nie mógł się udać. Ciekawe są jednak wnioski, jakie wyciągnął uczony z tej próby. Otóż, dopuścił on wobec rezultatów swojego eksperymentu, że prędkość światła może być co prawda nieskończona, jednak w oparciu o obserwację wyładowań atmosferycznychiv, skłaniał się bardziej ku stwierdzeniu, że nieskończoną nie jest, natomiast jest niezwykle wielką, co wyraził następująco: „… jeżeli światło nie jest momentalne, to prędkość jego jest znaczna, tak że może być przyrównaną do ruchu, jaki widzimy w jasności błyskawicy, między chmurami odległemi na osiem do dziesięciu mil; odróżniamy tam początek, nawet źródło, w pewnem oznaczonem miejscu między chmurami; a choć bezpośrednio potem następuje największe rozszerzenie jasności w okolicznych chmurach, wydaje mi się jednak, że następuje w ciągu pewnego czasu, bo gdyby rozjaśnienie następowało odrazu w całości, a nie stopniowo, trudnoby nam było odróżnić jego początek, powiedziałbym środek, od brzegów i ostatecznego rozszerzenia.”

Niespełna 40 lat po publikacji "Rozmów..." Galileusza, duński astronom, Olaf Roemer, na podstawie obserwacji zaćmień jednego z księżyców Jowisza oszacował prędkość światła na 214 000 km/s, co uzmysłowiło uczonym po raz pierwszy, z jak ogromną prędkością porusza się światło . Wynik tego eksperymentu, jak i późniejszych (np. Bradley w 1726 uzyskał prędkość bliską rzeczywistej 301 000 km/s) ostatecznie rozstrzygnął jednocześnie o skończonej wartości prędkości światła.



B i b l i o g r a f i a:

Blomquist, J.; Goldberg, D.: Jak przetrwać wśród czarnych dziur. Warszawa: Prószyński i S-ka,2014 Galilei, G.: Rozmowy i dowodzenia matematyczne w zakresie dwóch nowych umiejętności dotyczących mechaniki i ruchów miejscowych. Warszawa, 1930



i Jest to prędkość światła rozchodzącego się w próżni. W innych ośrodkach prędkość światła maleje proporcjonalnie do gęstości tego ośrodka.

ii W „Rozmowach…” wspomina o eksperymencie, o którym słyszał i tam podaje odległość 3 mil, a po kilkunastu zdaniach mówi o eksperymencie, który sam przeprowadził, skróciwszy dystans do mniej niż 1 mili. Ponieważ cała „Rozmowa…” przedstawiona jest jako dialog trzech osób, trudno na tej podstawie stwierdzić, z jaką ostatecznie odległością zostało przeprowadzone doświadczenie Galileusza.

iii Pełny tytuł oryginału brzmi „Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attenati alla Mecanica i Movimenti Locali del Signor Galileo Galilei. Con una Appendice del centro di gravita d’alcuni solidi.”

iv Galileusz pominął wiele aspektów dokonując tej analogii, niemniej jednak okazała się ona prowadząca do prawidłowych wniosków.

2019, All Rights Reserved
 
Ta strona może korzystać z Cookies.
Ta strona może wykorzystywać pliki Cookies, dzięki którym może działać lepiej. W każdej chwili możesz wyłączyć ten mechanizm w ustawieniach swojej przeglądarki. Korzystając z naszego serwisu, zgadzasz się na użycie plików Cookies.

OK, rozumiem lub Więcej Informacji
Informacja o Cookies
Ta strona może wykorzystywać pliki Cookies, dzięki którym może działać lepiej. W każdej chwili możesz wyłączyć ten mechanizm w ustawieniach swojej przeglądarki. Korzystając z naszego serwisu, zgadzasz się na użycie plików Cookies.
OK, rozumiem