299 792 458

Zastanawialiście się kiedyś, z jaką prędkością mknie światło i czemu przed wiekami to pytanie przysporzyło wiele problemów naukowcom? Dlaczego podczas burzy najpierw widzimy błysk, a dopiero kilka sekund później słyszymy grzmot? (niektórzy mieli okazję zaobserwować błysk i grzmot jednocześnie, bez opóźnienia, jednak nikomu nie polecam) Oraz dlaczego żadnego z obiektów kosmicznych nie obserwujemy w czasie rzeczywistym?

Na te pytania odpowiem w moim pierwszym artykule od czasu zamknięcia astroMikołaj.blogspot.com! Nazywam się Mikołaj Sabat i z chęcią opowiem Wam, dlaczego warto czasem spojrzeć na to, co dzieje się ponad horyzontem. Wszystkim Czytelnikom - tym, którzy pamiętają mnie sprzed roku i tym, którzy mają okazję czytać mojego bloga po raz pierwszy, mówię gorące cześć, dzień dobry i dobry wieczór oraz zapraszam do śledzenia mojego nowego bloga o nazwie "Ponad horyzontem", w którym będę starał się wziąć pod lupę wszystkie niezwykłe tajemnice i uroki Nocnego Nieba™.

299 792 458 - cóż to za pomysł, by w ten sposób nazwać artykuł? I to w dodatku pierwszy na nowym blogu?! Jeśli trzymasz już swojego smartfona w ręce i właśnie wybierasz "299...", telefon odstaw w kąt i czytaj dalej, bo to nie jest mój numer telefonu, a ja nie powiem Ci, co czeka Cię w przyszłości jeśli jesteś spod znaku Byka, Lwa lub Koziorożca - nie jestem astrologiem, lecz miłośnikiem astronomii. Astrolomia i Astronogia? Astro... co? Nie, to nie jest to samo, choć Kepler by ze mną polemizował...

Historia tytułowego ciągu cyfr zaczyna się ok. 13,7 miliarda lat temu, kiedy to ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu  mroki nowopowstałego Wszechświata rozjaśnia pierwszy foton. Dopiero milion lat później powstają pierwsze gwiazdy, łącząc się w galaktyki i dając początek kształtowaniu się nowych światów w erze, którą kosmologowie nazywają erą materii lub erą galaktyk. Obraz Kosmosu zmienia się wówczas w sposób radykalny i już nigdy nie będzie taki sam. Dzięki powstaniu gwiazd i galaktyk, Wszechświat opanowały nowe, cięższe pierwiastki, kończąc monopol wodoru i helu. Skutkiem tego wydarzenia były narodziny bardziej urozmaiconych, również skalistych, planet, a w rezultacie i nas samych.



Na Ziemi ludzie spoglądali w górę i snuli przypuszczenia, w jaki sposób działa ta wielka machina Wszechświata. Od wieków fascynował ich także jeden problem - istota światła.

Nad nią zastanawiał się już w V wieku p.n.e. Empedokles z Akragas, znany przede wszystkim jako poeta, filozof, lekarz, a także dobry mówca (Arystoteles nazwał go twórcą retoryki) oraz... cudotwórca i uzdrowiciel (współcześni przypisywali mu takie zasługi jak np. panowanie nad wichrami i powodziami oraz wskrzeszanie zmarłych). Empedokles zasłynął jako twórca koncepcji czterech żywiołów: ziemi, ognia, powietrza i wody, jednak jego kosmogoniczne poglądy były dużo bardziej rozległe i niektóre z nich na długie wieki pozostały w świadomości ludzi jako odpowiedź na pytanie o początku Wszystkiego. Spośród nich na uwagę zasługuje myśl starożytnego filozofa dotycząca natury światła. Wysnuł on, że skoro światło polega na ruchu, to do rozchodzenia się wymaga czasu, sugerując tym samym skończoność prędkości światła. Z tym poglądem nie mógł zgodzić się choćby Arystoteles, który uważał, że potwierdzonym przez obserwacje faktem jest natychmiastowe pojawianie się promieni słonecznych na Ziemi.



I to właśnie arystotelesowskie twierdzenie o nieskończonej prędkości światła panowało światem nauki, mimo, że co jakiś czas znajdowali się śmiałkowie, podważający teorię starożytnego Greka. Jednym z nich był żyjący na przełomie X i XI wieku perski lekarz, filozof i uczony Ibn Sina, który przeprowadzając doświadczenia z odbiciem i załamaniem światła, stwierdził, że światło nie może poruszać się z nieskończoną prędkością, jeśli rozpatrujemy je jako emisję cząstek.

Galileusz

Jeszcze dalej w swoim przekonaniu o skończoności prędkości światła posunął się Galileusz, który jako pierwszy starał się ją zmierzyć. W tym celu przeprowadził doświadczenie, w którym dwie osoby stały na odległych od siebie wzgórzach, wyposażone w zasłonięte latarnie. Kiedy jedna z nich odsłaniała swoją latarnię, druga miała za zadanie natychmiast odpowiedzieć jej tym samym. W ten sposób Galileo miał nadzieję na oszacowanie prędkości światła, biorąc pod uwagę opóźnienie, z jakim wiadomość zwrotna dotrze do obserwatora, który jako pierwszy odsłonił źródło światła. Jak się okazuje, eksperyment już z góry był skazany na niepowodzenie, ponieważ czas reakcji człowieka jest najprawdopodobniej kilkakrotnie większy od czasu, w którym światło przebyło drogę między wzgórzami. Tak, czy inaczej, odkrywca 4 największych księżyców Jowisza zadowolił się wnioskiem, że światło ma prędkość przynajmniej 10-krotnie większą od dźwięku, myląc się o kilka zer...

Ole Rømer

Kolejne próby obserwacyjnego udowodnienia skończoności "c"  poczynili (mniej lub bardziej celowo) Giovanni Cassini i Ole Rømer, zastanawiając się nad przyczyną stopniowego opóźniania się tranzytów Io przed tarczą Jowisza względem założeń teoretycznych. Długoczasowe obserwacje dały do zrozumienia, że księżyc Jowisza spóźnia się tym bardziej, im dalej największa planeta Układu Słonecznego znajduje się od Ziemi. Zdaniem Cassiniego, odpowiedzialna za to mogła być prędkość światła, której droga do nas wydłużała się wraz z oddalaniem Ziemi od Jowisza. Rømer z kolei wyliczył czas tego opóźnienia, jednak nigdy nie oszacował na tej podstawie prędkości światła. Gdyby jednak to uczynił, wyszedłby mu wynik ok. 214 milionów m/s.

Armand Fizeau

Pierwszy zbliżony do rzeczywistości wynik pomiaru prędkości światła uzyskał w XVIII w. James Bradley - angielski astronom królewski, następca Edmunda Halleya na tym stanowisku. Odkrywając zjawisko zwane aberracją światła, obliczył, że prędkość światła wynosi ok. 301 milionów m/s.
Inną, nieco bardziej przyziemną metodę do swoich pomiarów wykorzystał w 1849 r. francuski fizyk Armand Fizeau, dokonując pierwszego laboratoryjnego szacunku prędkości światła. Do swojego eksperymentu wykorzystał 2 zwierciadła i... koło zębate. Uzyskany przez niego wynik 315 mln m/s był wprawdzie mniej dokładny niż ten Bradley'a, jednak późniejsze modyfikacje prostego doświadczenia Francuza pozwoliły innym naukowcom jeszcze bardziej zbliżyć się do faktycznej wartości. Niemal 30 lat później najdokładniejszy wynik przy użyciu podobnej metody uzyskał inny francuski fizyk, Alfred Cornu, który prędkość światła oszacował na 300 030 000 m/s, z kolei za sprawą Henriego Perrotina w 1902 r. wartość ta była wyznaczona na 299 880 000 m/s.
W tamtych czasach podobne wyniki z zastosowaniem innej metody, zwanej metodą wirującego zwierciadła, uzyskali Jean Foucault - 298 mln m/s oraz Simon Newcomb - 299,81 mln m/s.

Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1907 zwieńczono pracę Alberta Michelsona, amerykańskiego fizyka pochodzącego ze Strzelna w kujawsko-pomorskim. Michelson wynalazł interferometr, dzięki któremu mógł oszacować prędkość światła lepiej niż ktokolwiek mu współczesny. Najdokładniejszy wynik - 299 796 000 m/s uzyskał już kilkanaście lat po odebraniu Nagrody Nobla.
W drugiej połowie XX wieku poczyniono wielkie postępy w zwiększeniu dokładności pomiarów prędkości światła, najpierw wykorzystując do tego metodę rezonatora wnękowego, a później przez technikę interferometru laserowego.  Jak najbardziej dokładne oszacowanie prędkości światła wspomagały także ustalone w latach sześćdziesiątych nowe definicje metra jako jednostki długości oraz sekundy jako jednostki czasu. 

O czym to miał być ten artykuł? Aah, 299 792 458...

Tytułowy ciąg cyfr zapisał się na kartach historii w 1972 roku, kiedy to przy użyciu interferometru laserowego i nowo określonych jednostek metra i sekundy, zespół z National Bureau of Standards (obecnie National Institute of Standards and Technology) w Kolorado określił prędkość światła w próżni na 299 792 458 m/s z dokładnością do 1,1 m/s. Uzyskany przez nich wynik był obarczony niemal 100-krotnie mniejszą niedokładnością niż poprzednie wartości.

Następnie Generalna Konferencja Miar i Wag w 1975 roku przyjęła tę wartość jako stałą fizyczną opisującą prędkość światła w próżni, a w 1983 roku po raz kolejny zredefiniowała jednostkę metra jako odległość, pokonywaną przez światło w próżni w czasie 1 / 299792458 s. Tym samym "c" utrwaliło się już na dobre jako 299 792 458 m/s.

W jaki sposób możemy wyobrazić sobie tak wielką prędkość?
Wróćmy do wspomnianego przez Galileusza porównania prędkości światła i dźwięku. Wprawdzie jeden z największych pionierów współczesnej astronomii pomylił się o krotność 100 000, jednak każdy z nas może się przekonać o wyraźnej różnicy prędkości na korzyść światła, obserwując burzę. Odgłos grzmotu towarzyszący błyskawicy, którą właśnie zobaczyliśmy, dotrze do nas kilka sekund później z uwagi na to, że światło w próżni rozchodzi się niemal milion razy szybciej od dźwięku. Dzięki temu możemy mniej więcej oszacować, jak daleko od nas nastąpiło wyładowanie.

A na koniec...
Wyobraź sobie rozgwieżdżone nocne niebo (no dobra, wiem, że zwykle kiedy masz urlop, niebo zasiane jest chmurami, jednak tylko spróbuj...) z wyraźnym pasem Drogi Mlecznej oraz niezliczoną liczbą świetlistych punktów. Te punkty to nie tylko gwiazdy i planety, ale również wielkie gromady gwiazd i jeszcze ogromniejsze galaktyki. A teraz pomyśl, że obraz każdego z tych obiektów widzimy takim, jaki był w mniej lub bardziej odległej przeszłości. Jowisza obserwujemy takiego, jaki był ok. pół godziny temu, promienie Słońca docierają do nas po 8 minutach, Galaktykę Andromedy widzimy sprzed 2,5 mln lat, a jeśli Betelgeza wybuchła właśnie teraz jako supernowa, dowiemy się o tym dopiero w XXV wieku.

Od zakończenia mojego poprzedniego bloga, światło mogłoby pokonać dystans ok. 6,5 biliona kilometrów. W tym czasie, będąc fotonem, moglibyśmy np. opłynąć Ziemię dookoła ponad 160 mln razy albo latać na Słońce i z powrotem 20 000 razy.

Mam nadzieję, że zagościcie na tym blogu na dłużej i razem zachwycimy się nad tym, co dzieje się ponad horyzontem.
jak zawsze z... # 299 792 458 !