Ένας έλεγχος στην ισοτροπία της ταχύτητας του φωτός

Posted on 20/10/2013

0


Ο πρώτος που διαπίστωσε το πεπερασμένο της ταχύτητας του φωτός ήταν ο Δανός αστρονόμος Ole Roemer (1644-1710).
Eνώ μέχρι τα τέλη του 17ου αιώνα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι το φως διαδίδεται ακαριαία, το 1676, ο Roemer παρατήρησε ότι συχνότητα των εκλείψεων των δορυφόρων του Δία, κυρίως της Ιούς,  – σχετίζονταν με την κατεύθυνση της κίνησης της Γης ως προς τον Δία.
Οι μετρήσεις του Roemer εξηγούνται από το φαινόμενο Doppler αν δεχθούμε ότι το φως έχει ταχύτητα περίπου 220.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, μια τιμή που προσεγγίζει αρκετά την πραγματική τιμή, αλλά το κυριότερο ήταν πως για πρώτη φορά αποδεικνυόταν ότι η ταχύτητα του φωτός έχει πεπερασμένη τιμή.

Το 1849 ο H.L. Fizeau, ένας Γάλλος φυσικός, κατάφερε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός στο εργαστήριο με απλά μηχανικά μέσα.

Mια απλοποιημένη διάταξη του πειράματος Fizeau

Mια απλοποιημένη διάταξη του πειράματος Fizeau

Η βασική ιδέα της μεθόδου ήταν να μετρηθεί ο χρόνος που χρειάζεται το φως, για να διανύσει την απόσταση «πήγαινε – έλα» μεταξύ μιας φωτεινής πηγής και ενός κατόπτρου, που βρισκόταν σε μεγάλη απόσταση από την πηγή. Ο Fizeau υπολόγισε την ταχύτητα του φωτός στα 310.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Τα πειράματα μέτρησης της ταχύτητας του φωτός συνήθως μετρούν την μέση ταχύτητα του φωτός σε μια διαδρομή μπρος-πίσω, όπως στο πείραμα Fizeau. Kαι κάποιος καχύποπτος θα μπορούσε να ισχυριστεί πως οι μετρήσεις αυτές δεν εξασφαλίζουν το γεγονός ότι η ταχύτητα του φωτός είναι η ίδια και προς τις δυο κατευθύνσεις, αμφισβητώντας έτσι την θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας!

Τα αξιώματα της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Einstein
1. Οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι ως προς όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές.
2. Η ταχύτητα του φωτός στο κενό έχει την ίδια τιμή προς κάθε αδρανειακό παρατηρητή και ίση με 299 792 458 m/s

Έτσι, η “one way” μέτρηση της ταχύτητας του φωτός αποτέλεσε πρόκληση για πολλούς φυσικούς – κάτι που δεν είναι και τόσο εύκολη υπόθεση. Η ιστορία αυτών των πειραμάτων είναι γεμάτη από διαμάχες και αμφισβητήσεις, ακόμα και με ισχυρισμούς ότι η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός προς μια κατεύθυνση δίνει διαφορετικό αποτέλεσμα από την συμβατική μέθοδο μέτρησης της μέσης ταχύτητας του φωτός σε μια μπρος-πίσω διαδρομή.

Στην πρόσφατη εργασία των ερευνητών Md. Farid Ahmed, Brendan M. Quine, Σπύρος Παγιατάκης και A. D. Stauer, με τίτλο “Results of a one-way experiment to test the isotropy of the speed of light”, παρουσιάζεται μια βελτιωμένη έκδοση του πειράματος Fizeau, διαμέσου της οποίας ελέγχεται το θεμελιώδες αξίωμα της Ειδικής Σχετικότητας, μετρώντας την ταχύτητα του φωτός προς μια κατεύθυνση.

setup

Το διάγραμμα της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήιηκε

Oι Ahmed et al δημιούργησαν δυο πανομοιότυπους παλμούς φωτός και τους έστειλαν σε αντίθετες κατευθύνσεις, στην ίδια ευθεία. Αν υπήρχε οποιαδήποτε διαφορά στις ταχύτητες των δυο παλμών, θα έπρεπε να είναι ανιχνεύσιμη από τις αντίστοιχες φωτοδιόδους. Για να μετρηθεί οποιαδήποτε πιθανή διαφορά, το πείραμα «έτρεχε» για τουλάχιστον 12 ώρες, έτσι ώστε η περιστροφή της Γης να επανα-προσανατολίσει το πείραμα. Οι επιπτώσεις από κάθε μεταβολή του περιβάλλοντας έπρεπε να ληφθεί προσεχτικά υπόψη, γιατί ο πειραματικός εξοπλισμός ήταν ευαίσθητος στις μεταβολές π.χ. της θερμοκρασίας ή της υγρασίας.

Τελικά από τις μετρήσεις τους δεν προέκυψε κάποια αξιοσημείωτη ημερήσια διακύμανση και οι ζητούμενες μεταβολές στην ταχύτητα του φωτός ήταν αμελητέες .
Υποθέτοντας ότι η ταχύτητα του φωτός δεν είναι αναλλοίωτη, από την στατιστική ανάλυση των δεδομένων τους και την σύγκριση με τα αποτελέσματα προηγούμενων πειραμάτων τύπου-Fizeau, η διαφορά στην ταχύτητα του φωτός ήταν αμελητέα.
Το τελικό συμπέρασμα ήταν ότι η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια προς όλες τις κατευθύνσεις, σε συμφωνία με τη θεωρία της σχετικότητας.

O Dayton Clarence Miller ήταν ένας αμερικανός φυσικός (1866 – 1941) που προσπάθησε πειραματικά να προσδιορίσει την απόλυτη κίνηση της Γης ως προς τον αιθέρα, χρησιμοποιώντας παρόμοια διάταξη με το πείραμα των Michelson-Morley. Αν ίσχυε κάτι τέτοιο, προφανώς η ταχύτητα του φωτός δεν θα ήταν σταθερή και η ειδική σχετικότητα θα κατέρρεε. Ενώ λοιπόν, το 1904, σε πειράματα που έκανε συνεργαζόμενος με τον Morley τα αποτελέσματα ήταν αρνητικά, αργότερα το 1933 ισχυρίστηκε ότι κατάφερε να προσδιορίσει την απόλυτη κίνηση της Γης [Rev. Mod. Phys. 5, 203–242 (1933)].

Ωστόσο, το 1955, τη χρονιά του θανάτου του Einstein, οι Shankland et al [Rev. Mod. Phys., 27, 167 (1955)] δημοσίευσαν μια λεπτομερή στατιστική ανάλυση της εργασίας του Miller, αποδεικνύοντας ότι τα συμπεράσματά του οφείλονται σε σφάλματα.

Αυτό το ιστορικό παράδειγμα δείχνει την αναγκαιότητα μιας αυστηρής στατιστικής ανάλυσης ανεξάρτητα από τις όποιες βελτιώσεις στην πειραματική διάταξη. Και προς αυτή την κατεύθυνση κινήθηκαν οι Ahmed et al, πραγματοποιώντας λεπτομερή στατιστική ανάλυση, για να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι οι μετρήσεις τους δεν έκρυβαν καμία έκπληξη, και βρίσκονται σε απόλυτη συμφωνία με την ειδική σχετικότητα.

http://arxiv.org/abs/1310.1171