Valon nopeuden mittaamisen historia

1VALONNOPEUDEN MITTAAMISENHISTORIAAFysiikan täydennyskoulutuskurssi 2011H. Saarikko

•Aristoteles ja Ptolemaios olivat sitä mieltä, että valon nopeus onääretön. Länsimaissa tämä käsitys säilyi läpi keskiajan Galilenpäiviin asti 1500-luvun lopulle.•Arabialaiset al-Haytham (n. 965 - 1038) ja Avicenna (980 -1037) olivat sitä mieltä, että valon nopeus on äärellinen, muttaeivät pystyneet todistamaan sitä.•Uudella ajalla Ranskalainen René Descartes (1596 - 1650) pitivielä valon nopeutta äärettömänä•Italialainen Galileo Galilei (1564 - 1642), Englantilaiset RobertBoyle (1627 - 1691) ja Robert Hooke pitivät valon nopeuuttaäärellisenä, mutta niin suurena, ettei sitä vonut mitata.2

Galileo Galilei alkoi epäillä, että valon nopeus olisikinäärellinen. Vahvistaakseen asian hän suorittimittauksia:Kaksi henkilöä asettui vuorten huipuille valolyhtyjenkanssa muutaman kilometrin päähän toisistaan.Henkilö 1 sytytti lyhtynsä, ja henkilö 2 paljasti omanlyhtynsä heti, kun hän näki henkilön 1 lyhdyn.Valonsäteen edestakaiseenmatkaan kuluneesta ajasta olisi voinut laskea valonnopeuden, mutta mittaus epäonnistui alkeellistenmittausvälineiden vuoksi.Kellona käytettiin tuolloin tiimalaseja tai sydämen4

• Kaukoputken keksiminen teki mahdolliseksivalon nopeuden mittaamisen tähtitieteellisinkeinoin..•Tanskalainen tähtitieteilijä ja fyysikko OleRømer (1644 - 1710) mittasi Jupiterin kuunIon:nin pimennyksen ajan maan lähestyessäJupiteria ja etääntyessä siitä. Edellisessätapauksessa maa tuli valoa vastaan, jolloinpimennysaika jäi lyhyemmäksi kuinjälkimmäisessä tapauksessa. Tästä hän sai(1679) valon nopeudelle arvon 225 000 km/s.•Vaikka tuloksessa oli lähes 30 % virhe, on tulostärkeä, koska tällöin oli osoitettu, että valon5

Ole Christensen Rømer(25 syyskuuta 1644 Århus- 19 syyskuuta1710Kööpenhamina )Tanskalainen tähtitieteilijä,joka vuonna1676 teki ensimmäisenmäärälliset valonnopeuden mittaukset6

Jupiter, mittakaavassa:Ylhäältä: Io, Europa,Ganymedes ja Callisto(NASA)7

•Huomattavasti tarkemman tuloksen sai Englantilainentähtitieteilijä James Bradley (1692 - 1762) mittaamallakiintotähtien suuntakulman eli parallaksin muutoksenmaan radan kahdessa eri kohdassa.•Bradley sai (1728) valon nopeudeksi 294 995 km/s.Tässä on jo kolme oikeaa numeroa (virhe vain 1,7 %).12

James Bradley(maaliskuu 1693 - 13.heinäkuuta 1762)Englantilainen tähtitieteilijä,joka toimi ”ammatissa”vuodesta 174213

• Ranskalainen fyysikko ja geodeetikko Jean Arago(1786 - 1853) ehdotti (1838) pyörivän peilinkäyttämistä valon nopeuden mittaamiseen ilmassaja vedessä•Sokeus ja Ranskan vallankumous sotkivatsuunnitelmat.18

•Ranskalainen fyysikko Hippolyte Fizeau (1819 -1896) mittasi pyörivän hammasrattaan avulla valonnopeuden. Valon kuljettua Montmartressa pyörivänrattaan hammasvälistä se heijastui 8 km päässäSuresnesin kukkulalla olevasta peilistä takaisinhammasrattaaseen. Jos rattaan pyörimisnopeus oliriittävän suuri, hammas ehti valon tielle.•Tästä hän saattoi laskea valon nopeuden (1849).Vaikka tulos 315 000 km/s oli heikompi, kuinBradleyn aikaisemmin laskema tulos, oli Fizeaun koetärkeä, koska se oli ensimmäinen yritys mitata valonnopeus maanpäällisillä järjestelyillä.19

Syntyi:Kuoli :syyskuu 1819Pariisisyyskuu 1896Venteuil20

• Fizeau toteutti yhdessä ranskalaisen fyysikon Léon Foucaultin (1919 - 1868) kanssa Aragon suunnitelman valonnopeuden mittamiseksi pyörivällä peilillä. He rakensivatmittauslaitteiston Montmartren ja Surenesin kukkuloittenvälille, toiselle kiinteän ja toiselle pyörivän peilin. Peilienväli oli 8 km. Valon heijastuttua pyörivästä peilistä se kulki16 km ennen kuin se palasi takaisin pyörivään peiliin. Sinäaikana peilin suunta oli muuttunut ja heijastuneen valonsuunta oli eri kuin pysähtyneellä peilillä.•Tästä he voivat laskea valon nopeuden. Vuonna 1862 hesaivat valon nopeudeksi 297 000 km/s.•He mittasivat valon nopeutta myös vedessä ja osoittivat, ettävalo etenee vedessä hitaammin kuin ilmassa.23

SyntynytDied Kuoli18 syyskuu 1819Pariisi, Ranskahelmikuu 1868(11.2.1868) (48vuotiaana)Pariisi, Ranska24

•Amerikkalainen fyysikko Albert A. Michelson myösmittasi valon nopeuden pyörivillä peileillä, mutta systeemi olikehitelty edelleen Foucautin laitteesta. Tässä oli useita pieniätasopeilejä säännöllisen särmiön pinnalla.•Ensimmäinen mittaus oli vuonna 1878, jolloin hän saitulokseksi 300 000 km/s.•Yhdessä Simon Newcombin kanssa hän parantelimittausjärjestelyä koko lopun elämäänsä. Pyörivässäsysteemissä oli lopulta 32 peiliä. Vuonna 1923 saatiintulos 299 798 km/s.25

19. joulukuu 1852SyntynytDied KuoliStrzelno,Preussinkuningaskunta9. toukokuu 1931(9.5.31) (78vuotiaana)Pasadena,Kalifornia26

Albert Michelson paranteli edelleen Foucaultin laitteistoaja pääsi vuonna 1926 tulokseen, jossa silloisenmittauksen virhemarginaali oli +-4 km/s.Michelsonin käyttämän kahdeksankulmaisen prismanjokaiseen sivupintaan oli kiinnitetty peili. Jos prisma eipyöri, valonlähteestä A tuleva valonsäde heijastuupeilistä 1 peilien B ja C kautta peiliin 3 ja siitä edelleenkaukoputkeen K. Kun prismaa pyöritetään,kaukoputkeen tulee uudestaan valoa vain, josesimerkiksi peili 2 ehtii kääntyä peilin 3 kohdalle sinäaikana, jona valo kulkee prismasta peilien B ja C kauttatakaisin prismaan. Valon nopeus voidaan laskeayhtälöstä v = s/t, jossa s on edestakainen matkaprismasta peiliin C ja t on prisman pyörähdysajankahdeksasosa. Mittauksessa valon kulkema matka oli28

•Amerikkalainen W. C. Anderson käytti mittauksessamoduloitua valonsädettä (valon voimakkuus vaihtelitunnetulla taajuudella) ja puoliläpäisevää peiliä. Peili jakoisäteen kahtia, jotka kulkivat eri pituiset matkat ennenyhtymistään. Interferenssin vaikutuksesta valot jokovaimenivat tai voimistuivat.•Tällä menetelmällä saatiin nopeudeksi 299 776 km/s.•Myöhemmin on lasertekniikalla parannettu arvoa moneenotteeseen.30

Milloin Tekijä Mitattu Menetelmä Tulos (km / s) Virhe1626 Galileo Galileo Valo Paljastetut Lyhdyt ääretön1676 Olaus Roemer Valo Jupiterin kuut 214,0001726 James Bradley Valo Stellar Aberraatio 301,0001849 Armand Fizeau Valo Hammaspyörä 315,0001857 Weber, Kohlraush ESU / EMUSähköstaattiset jaSähkömagneettiset yksiköt310,7401862 Leon Foucault Valo Pyörivät peilit 298,000 + / -5001879 Albert Michelson Valo Pyörivät peilit 299,910 + / -501891 Blondlot RadioRinnakkaisetlangat297,600 + / -1500031

lähde: KD Froome ja L. Essen, "valon nopeuden radioaalloilla", Academic Press, 19691907 Rosa, Dorsey EMU / ESUSähkömagneettiset yksiköt299,788 + / -301926 Albert Michelson Valo Pyörivät peilit 299,796 + / -41947Essen, Gorden-SmithRadioUuninResonaattorikitarat299,792 + / -31958 KD Froome RadioRadioInterferometri299,792.5 + / -0.11973 Evanson et al Valo Laserit 299,792.4574 + / -0.0011983 CGPM Valo Hyväksyttiin arvo 3 299,792.458 + / -032

Valonnopeus maailmaneetterin suhteenJ.C. Maxwell ehdotti Maan absoluuttisenliikkeen määrittämistä eetterin suhteen1887 Michelson ja Morley c = invariantti (vakio)!!33

EETTERIHYPOTEESIAristoteelisessa todellisuuskäsityksessä eetteri (maailmaneetteri)oli viides elementti maan, ilman, tulen ja veden lisäksi.Taivaankappaleet koostuivat Aristoteleen eetteristä ja sitä olivain kuunylisessä avaruudessa.Huom: Moderni (maailman)eetteri on käsite, jossa painotonja näkymätön kaikkeuden täyttävä aine luo fysikaalisen keinonselittää sähkömagneettisten aaltojen käyttäytymistä.Sähkömagneettinen säteily, valo ja muut sähkömagneettisetaallot, olivat käsityksen mukaan tämän kimmoisan taihyytelömäisen jatkuvan väliaineen värähtelyä34

Valoeetteri (luminiferous aether) oli oletus kaikkeudentäyttäväksi sähkömagneettisen säteilyn väliaineeksi.Nimityksen antoi James Clerk Maxwell, joka aikalaistensatavoin oli sitä mieltä, että valon eteneminen vaatii väliaineen.Sähkö- ja magneettikenttien katsottiin aiheutuvan eetterinjännitystiloista, valon ja muiden sähkömagneettisten aaltojentaas sen värähtelyistä.Tässä muodossa eetteriteoria oli useiden vuosikymmenien ajantieteessä yleisesti hyväksytty35

1700- ja 1800-luvulla eetterillä tarkoitettiin yleisestioletettua ainetta, jonka arveltiin täyttävän avaruuden jatoimivan valon ja muun sähkömagneettisen säteilynväliaineena, sekä gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjänä.Tästä on peräisin muun muassa sanonta eetteriin"radiolähetyksenä". Isaac Newton piti eetteriä painovoimanvälittäjänä. René Descartes laajensi käsitettä eetteritarkoittamaan kaikkeuden täyttämää väliainetta, joka paitsisynnytti aaltoilmiöt, loi myös aineen pyörteilyllään.36

Muutamat tiedemiehet tekivät yrityksiä selittää eetterin avullamuitakin ilmiöitä.Esimerkiksi lordi Kelvin (William Thomson) esitti hypoteesin,jonka mukaan tavallisen aineen atomit olisivat eräänlaisiaeetterin solmuisia pyörteitä, ja hän teki alustavia yrityksiäselittääkseen tuolloin jo tunnetun alkuaineiden jaksollisenjärjestelmänkin tämän hypoteesinsa avulla.Eetterihypoteesi todettiin kuitenkin jo 1800-luvun lopullamahdottomaksi sovittaa Michelson-Morleyn kokeen kaltaisiintutkimuksiin.37

•Valon kuviteltiin tarvitsevan etenemiseensä väliainetta.Ajateltiin, että avaruuden täyttää aine, jota kutsuttiin eetteriksi.•Michelson tuli kuuluisaksi erityisesti amerikkalaisen kemistinEdward W. Morleyn kanssa suorittamastaa kokeesta, jossa heyrittivät mitata valon nopeutta eri suunnista.•Koska maa liikkuu, pitäisi tuloksen olla erilainen erisuunnissa. Minkäänlaista eroa eri suunnista tulleenvalon nopeuksien välillä ei ollut.•Michelson sai tästä tuloksesta Nobelin fysiikan palkinnon.Tulos osoitti eetteriteorian vääräksi.38

Koordinaattimuunnokset jasuppeampi suhteellisuusteoria Woldemar Voigt (1850-1919) 1887:c = vakio myös ajankoordinaatti t muuntuu! H. Lorentz (1853-1928) & G.F. Fitzgerald (1851-1901):vuorovaikutus eetterin kanssa Δl Δl ·√(1-β²)Lorentz-Fitzgerald kontraktio (hypoteesi) H. Lorentz 1899: Lorentz-muunnos paikan koordinaateille40