Viteza luminii, c, este 299.792.458 m/s. Cel puțin acesta este numărul care îmi apare pe ecran când caut pe Google și, având în vedere că aproape toată fizica modernă este bazată pe această constantă, probabil că valoarea este corectă. Dar dacă v-aș spune că nu avem de unde să știm dacă este corectă sau nu? De ce? Pentru că nu am identificat nicio metodă prin care să măsurăm viteza luminii altfel decât folosind o oglindă (rezultatul măsurătorii călătoriei luminii pe traiectoria dus-întors).


Cum se măsoară viteza?

Înainte de a vorbi despre viteza luminii, trebuie să înțelegem cum se măsoară viteza obiectelor, în general. Când vine vorba de o mașină care călătorește dintr-un punct A într-un punct B, viteza mașinii este calculată împărțind distanța dintre cele două puncte, A și B, la timpul necesar călătoriei. Pentru viteze relativ mici, precum cea a unei mașini, această metodă este foarte bună. Dar dacă am încerca să aplicăm același procedeu pentru măsurarea vitezei luminii?

Să ne imaginăm următorul experiment: avem un laser care va genera un foton (particulă de lumină) a cărui viteză vrem să o măsurăm și un ceas foarte precis. Îndreptăm laserul către un perete la un kilometru distanță și îl pornim. Ceasul pornește și el. Acum ce facem? Cum știe ceasul când a ajuns lumina la perete, ca să ne spună timpul dintre evenimente? Pare că mai avem nevoie de un al doilea ceas în locul în care lumina trebuie să ajungă. Astfel, primul ceas ar măsura momentul în care lumina părăsește laserul, iar al doilea ceas ar măsura momentul în care lumina ajunge la perete. Comparând timpul indicat de fiecare ceas, am putea calcula cât timp i-a luat fotonului să parcurgă un kilometru, iar astfel vom fi măsurat viteza luminii. Dar acum dăm de altă problemă: cum ne asigurăm că ceasurile sunt sincronizate la începutul experimentului?


Problema sincronizării

O metodă pe care am putea-o folosi pentru a sincroniza ceasurile ar fi să trimitem un semnal de la primul ceas la ai doilea, care să le sincronizeze. Din păcate, semnalul în sine va călători cu viteza luminii, deci va ajunge cu întârziere la al doilea ceas, făcând efortul de sincronizare inutil. Poate vă gândiți că am putea scădea timpul necesar semnalului să ajungă de la primul ceas la al doilea din timpul primului ceas, iar astfel ceasurile ar fi sincronizate. Problema este că acela este exact timpul pe care nu îl știm și vrem să îl aflăm experimental, timpul în care lumina călătorește un kilometru.

Ok, să încercăm altceva. Să pornim experimentul cu cele două ceasuri împreună, sincronizate, și apoi îl mutăm pe cel de-al doilea la perete. Deși pare că nu are ce să ne mai împiedice din a avea două ceasuri perfect sincronizate, regulile ciudate ale universului au ceva de spus și în acest caz. Al doilea ceas, pentru a ajunge la perete, va trebui să fie mișcat, iar după cum știm din teoria relativității speciale a lui Einstein, timpul este dilatat pentru obiecte care se mișcă relativ față de un observator, deci prin simplul act de a mișca unul dintre ceasuri, acestea vor deveni desincronizate.


Cum este măsurată viteza luminii?

Având în vedere dificultățile prezentate mai sus, cum au reușit cercetătorii să măsoare viteza luminii? Răspunsul simplu este că nu au reușit. Cel puțin, nu viteza luminii într-o singură direcție. Singura metodă cunoscută deocamdată de a măsura viteza luminii folosește o oglindă pusă pe peretele de la un kilometru distanță, care reflectă lumina înapoi de unde a plecat, astfel măsurând viteza drumului dus-întors al luminii.


Viteza într-o singură direcție

Poate că vă întrebați de ce nu este asta (viteza drumului dus-întors) viteza luminii? Dar de ce ar fi? Poate că lumina călătorește cu o viteză mai mare într-o direcție decât în alta. Poate că într-o direcție călătorește cu jumătate din viteza cunoscută de noi, iar în cealaltă direcție călătoria este instantă. Rezultatul experimentului ar fi același. Nu avem nicio dovadă măsurabilă în univers care să indice faptul că lumina ar călători cu aceeași viteză în orice direcție. Acest subiect este tratat de Einstein, în faimoasa sa lucrare din 1905, „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare” (versiunea în engleză aici), unde discută problema sincronizării ceasurilor. Einstein explică faptul că o astfel de sincronizare ar fi imposibilă dacă viteza luminii nu ar fi aceeași în toate direcțiile, dar întrucât acest lucru nu poate fi demonstrat, faimosul fizician propune constanța vitezei luminii ca o convenție, nu un adevăr fundamental.

Întorcându-ne la problema sincronizării ceasurilor, poate că, între timp, v-ați mai gândit la câteva moduri de a sincroniza ceasurile. Dacă am pune, de exemplu, un aparat de sincronizare la mijlocul distanței dintre cele două ceasuri, care să trimită un semnal către fiecare? Într-un univers în care lumina călătorește cu aceeași viteză în orice direcție, după cum a menționat și Einstein, ceasurile ar fi, în sfârșit, sincronizate și am putea măsura viteza luminii. Dacă viteza ar fi mai mare într-o direcție și mai mică în cealaltă, însă, ceasurile ar fi desincronizate, dar viteza mai mare sau mai mică (în funcție de caz) de propagare înspre perete ar compensa pentru desincronizare, iar viteza calculată ar fi tot media vitezelor, c.

Paradoxul este că nu putem sincroniza ceasurile fără să cunoaștem viteza luminii în toate direcțiile, iar viteza luminii în toate direcțiile nu poate fi cunoscută fără a sincroniza ceasurile...

În momentul de față, fizica modernă nu este afectată de această posibilă asimetrie a luminii, dar nici nu dispune de vreo modalitate de a o investiga. Există modele matematice cu diverse viteze ale luminii pentru direcții diferite care nu produc universuri diferite de al nostru. Deși acum pare doar un experiment mental distractiv, s-ar putea ca în viitor această asimetrie, fie că există, fie că nu, să stea la baza unui nou model al fizicii.

Subiectul, cum este lesne de imaginat, a suscitat și suscită interes printre fizicieni. În anul 2009 o echipă de cercetători a publicat un articol: „A one-way speed of light experiment” în care clama identificarea unui mod de a măsura viteza luminii într-o singură direcție. În scurt timp însă, American Journal of Physics a primit 5 reacții de la fizicieni care citiseră articolul și care au arătat că, în fapt, experimentul propus presupunea măsurarea luminii în două direcții... Una dintre reacții, publicată, poate fi citită aici.


Dacă aveți alte idei despre cum s-ar putea măsura viteza luminii pe o singură direcție, vă invit să scrieți un comentariu. Poate rezolvăm ce Einstein nu a putut...

 

 De ce nimeni nu a măsurat viteza luminii
(subtitrare în lb. engleză)

 

 

Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.
  • Comentariul tău, publicat ca „vizitator”, va fi evaluat în scurt timp de către un moderator în vederea publicării. Utilizatorilor care au cont pe site ori care folosesc conturile de FB, Twitter ori Google li se publică în mod automat comentariile.
    T. Ov. · 12:32 23.05.2021
    Foarte interesat, Vlad.

    Tot ce imi trece prin cap ca metodologie de a demonstra ca nu poate fi altfel decat a convenit Einstein in 1905 e o reducere la absurd.

    Presupunand ca viteza luminii ar avea valori diferite pe anumite directii de deplasare
    in univers, nu ar insemna asta ca observatiile pe care le facem cu privire la deplasarea spre rosu a luminii provenind de la galaxiile indepartate sa ne arate acest lucru?

    Cel putin situatia pomenita in videoclip, cea in care ar exista o directie de deplasare a luminii in care valoarea sa fie infinita (opusa alteia caracterizata de c/2), ar fi clar invalidata de observatiile experimentale, care ne spun ca spectrul luminii provenind de la galaxiile indepartate, cu cat acestea sunt mai departe, cu atat e mai deplasat spre rosu. 

    Daca ar exista acea anomalie, am detecta, cred, anumite regiuni ale spatiului de unde lumina nu ne-ar veni la fel de deplasata spre rosu pe cat ne spun teoriile cosmologice acceptate in prezent...
    • Comentariul tău, publicat ca „vizitator”, va fi evaluat în scurt timp de către un moderator în vederea publicării. Utilizatorilor care au cont pe site ori care folosesc conturile de FB, Twitter ori Google li se publică în mod automat comentariile.
      Vlad · 14:08 23.05.2021
      @T. Ov. Într-adevăr, este interesant faptul că toate observațiile experimentale (precum deplasarea spre roșu) par să confirme existența unei viteze a luminii constantă, însă acest lucru poate fi înșelător. Trebuie ținut cont de faptul că această convenție nu este o consecință a teoriilor noastre cosmologice actuale, ci, în fapt, stă la baza acestora.

      Un exemplu care mi se pare foarte bun în acest caz este cel al faimoaselor transformări ale lui Lorentz, ce se ocupă cu dilatarea timpului și a spațiului între doi observatori diferiți și joacă un rol important în deplasarea spre roșu „relativistică”. Forma acceptată a transformărilor este cea bazată pe convenția lui Einstein, cu viteza luminii egală în orice direcție. Există, totuși, o generalizare (despre care puteți citi mai în detaliu aici), mai puțin cunoscută, a ecuațiilor care ia în considerare o viteză a luminii într-o singură direcție variabilă și este imposibil de invalidat experimental, deocamdată.

      Fizica se pliază în funcție de ce este crezut a fi adevărat la un moment dat, iar convenția lui Einstein nu a fost nici validată, nici invalidată, așa că a fost luată ca atare.

      Mulțumesc de comentariu! 
    • Comentariul tău, publicat ca „vizitator”, va fi evaluat în scurt timp de către un moderator în vederea publicării. Utilizatorilor care au cont pe site ori care folosesc conturile de FB, Twitter ori Google li se publică în mod automat comentariile.
      T. Ov. · 22:47 23.05.2021
      @Vlad M-am mai gândit un pic.

      Dificultatea pare a pleca de la imposibilitatea de a sincroniza doua ceasuri aflate la distanta unul de celalalt. Practic de a gasi o modalitate de a transmite o anumita informatie instantaneu dintr-un loc in altul. 

      Lucrul, cel putin pentru neinitiatii pasionati de videoclipurile de popularizare a mecanicii cuantice, ca mine, pare a fi posibil totusi, daca ne-am putea folosi de proprietatea anumitor perechi de particule numita quantum entanglement (corelatie cuantica).
       
      Daca am putea mentine doua particule corelate cuantic chiar atunci cand le trimitem la distante foarte mari una de cealalta si am gasi o modalitate de a ne folosi de anumite caracteristici ale lor pentru a sincroniza astfel doua ceasuri, poate ca am putea verifica cumva experimental si validitatea conventiei lui Einstein. 

      Cum ar fi sa ne folosim de valoarea pe care o masuram pentru spinul unei particule pentru a seta timpul pe un ceas, generand in acelasi timp colapsul functiei de unda asociate cu o particula de la distanta corelata cuantic cu cea de langa noi si, in consecinta, ”potrivind” simultan si un ceas legat de particula de la distanta?

      Cum ti se pare scenariul acesta?
    • Comentariul tău, publicat ca „vizitator”, va fi evaluat în scurt timp de către un moderator în vederea publicării. Utilizatorilor care au cont pe site ori care folosesc conturile de FB, Twitter ori Google li se publică în mod automat comentariile.
      Vlad · 21:01 24.05.2021
      @T. Ov. Ce interesant! Probabil că această soluție ar funcționa, în cazul în care comunicarea prin intermediul particulelor corelate cuantic nu ar fi și ea, din păcate, limitată de viteza luminii.

      Să luăm situația descrisă de dvs. în care avem două particule corelate cuantic, A și B. Particula A va rămâne cu primul ceas pe care vrem să îl sincronizăm, iar particula B va călători cu al doilea ceas o anumită distanță. Pentru simplitate, să spunem că măsurăm o proprietate a particulelor care poate lua valori de 0 sau 1. Efectuând o măsurătoare asupra particulei A aflăm că are o valoare de 0. Atunci, știm că particula B va avea o valoare de 1 când este măsurată. Dar cu ce ne ajută asta la sincronizarea ceasurilor? Nu e ca și cum în momentul măsurătorii lui A particula B va sări în fața aparatului de măsură pentru a-i spune că ceva s-a întâmplat cu A. Măsurătoarea lui A ar putea fi efectuată înainte de măsurătoarea lui B, în același timp cu măsurătoarea lui B sau chiar după măsurătoarea lui B, iar rezultatele ar fi imposibil de destins. Mai mult, odată ce funcția de undă va fi colapsată, corelația va dispărea, deci alte măsurători asupra unei particule nu ar mai avea niciun efect asupra celeilalte.

      Singura modalitate de a confirma rezultatele măsurătorilor pentru a trage vreo concluzie din ele ar fi prin intermediul undelor electromagnetice, care călătoresc, bineînțeles, cu viteza luminii, iar această viteză ar putea diferi în funcție de viteză, deci ne-am întors de unde am plecat.
    • Comentariul tău, publicat ca „vizitator”, va fi evaluat în scurt timp de către un moderator în vederea publicării. Utilizatorilor care au cont pe site ori care folosesc conturile de FB, Twitter ori Google li se publică în mod automat comentariile.
      T. Ov. · 22:47 24.05.2021
      @Vlad Privesti problema din perspectiva pur teoterica. Experimentatorii sunt un pic mai flexibili, tot ce incearca e sa gaseasca modalitati de a pune in scena situatii cat mai apropiate de idealul teoretic.
      Iata un setup experimental, asa cum mi-l imaginez eu: plecand de la ideea ca avem la dispozitie doua ceasuri despre care stim ca sunt sincronizate cu o precizie extraordinara (probabil ca niciodata sincronizarea nu va fi perfecta, dar poate fi suficient de mare pentru a putea testa in mod repetat valoarea vitezei de deplasare a unui fascicul laser, de pilda) si emitand un fascicul laser care sa determine, cu ajutorul unor detectoare moderne, o ”citire” a ceasurilor la atingerea celor doua puncte, am avea un mecanism de masurare a vitezei luminii intr-un singur sens, pe care l-am putea aplica repetat, pe diverse setupuri experimentale, pe diverse directii de deplasare a fasciculului laser.
      Sincronizez ceasurile folosind qubiti, emit fasciculul laser, inregistrez timpul pe cele doua ceasuri la momentul detectiei fasciculului laser la ambele capete, si calculez viteza luminii. Si fac asta de cateva mii de ori, pe directii de deplasare a fasciculului diferite.
    • Comentariul tău, publicat ca „vizitator”, va fi evaluat în scurt timp de către un moderator în vederea publicării. Utilizatorilor care au cont pe site ori care folosesc conturile de FB, Twitter ori Google li se publică în mod automat comentariile.
      T. Ov. · 22:48 24.05.2021
      @T. Ov. De foarte multe ori experimentalistii sunt suficient de ambitiosi incat sa incerce sa produca setupuri experimentale cu care sa demonteze idei aparent batute in cuie de stiinta teoretica. De fapt asa apar progresul si revolutiile stiintifice, nu?
      Uite, la linkul de mai jos, de pilda, sunt descrise eforturi de a sincroniza ceasuri prin metode cuantice. Articolul este extrem de tehnic, peste puterile mele de intelegere, dar rezumatul si conceptele descrise acolo, cat si numele unor experimentatori, deschid un camp de cercetare si lectura interesant in contextul articolului tau.
      Cred ca, odata dezvoltate metode experimentale de a sincroniza doua ceasuri folositi qubiti corelati cuantic, masurarea vitezei luminii pe o singura directie de deplasare nu va mai fi un deziderat atat de indepartat.
      https://www.nature.com/articles/s41534-018-0090-2
  • Comentariul tău, publicat ca „vizitator”, va fi evaluat în scurt timp de către un moderator în vederea publicării. Utilizatorilor care au cont pe site ori care folosesc conturile de FB, Twitter ori Google li se publică în mod automat comentariile.
    Alexandru · 22:30 23.05.2021
    Salut,
    S-au inventat camere video care filmeaza fotonii in miscare cu miliarde de cadre pe secunda.
    Se vede clar cum se deplaseaza fotonul.
    Cred ca s-a masurat totusi😄.
    • Comentariul tău, publicat ca „vizitator”, va fi evaluat în scurt timp de către un moderator în vederea publicării. Utilizatorilor care au cont pe site ori care folosesc conturile de FB, Twitter ori Google li se publică în mod automat comentariile.
      Vlad · 21:25 24.05.2021
      @Alexandru Așa este, s-au inventat camere care filmează cu miliarde sau chiar trilioane de cadre pe secunda, însă aceste camere nu filmează fotonii. Nici nu prea are sens să spunem că un foton este filmat, având în vedere că fotonii sunt particulele folosite pentru a filma alte obiecte. Când un obiect este înregistrat, fotonii reflectați de suprafața acestuia sunt surprinși de un senzor aflat în interiorul camerei. Același fenomen se manifestă și în așa-numitele videoclipuri în care sunt „înregistrați fotoni”. Un fascicul de lumină este trimis către un obiect, sau doar prin aer, iar apoi, pentru a putea fi văzut de cameră, trebuie neapărat să fie reflectat, fie de obiect, fie de particulele din aer. Asta înseamnă că, pentru a ajunge la aparatul nostru de măsură, în acest caz camera, lumina a trebuit să meargă într-o direcție, iar apoi să fie reflectată în alta, către cameră, deci viteza măsurată ar fi tot viteza drumului dus-întors, nu cea a drumului într-o singură direcție. 

      Acest fenomen este explicat și la minutul 8:57 din videoclipul menționat în articol.
Spune-ne care-i părerea ta...
caractere rămase.
Ești „vizitator” ( Fă-ți un cont! )
ori scrie un comentariu ca „vizitator”

 



Ar fi util dacă ne-ai sprijini cu o donație!
Donează
prin PayPal ori
Patron


Contact
| T&C | © 2021 Scientia.ro