Svetloba - Franc Rozman

Transcription

Svetloba - Franc Rozman
Essay on light
in honour of the international Year of light 2015
Esej o svetlobi
v počastitev leta svetlobe 2015
Franc Rozman
[email protected]
S svetlobo se ukvarjajo likovniki, fotografi, arhitekti, pa tudi
fiziki in astronomi. Ta esej je posvečen fizikalnim lastnostim
svetlobe.
Razumevanje svetlobe spremlja mistika. Verjamemo, da je
hitrost svetlobe enaka v vseh razmerah. Ko pa se v to
poglobimo, opazimo, da razum temu težko sledi. Posledično
nam poglabljanje v razumevanje svetlobe daje občutek, da je
njeno razumevanje rezervirano za redke posameznike, pa ni
tako. Razkrijmo torej fizikalne lastnosti svetlobe.
12.4.2015
1
Franc Rozman
Kazalo
Uvod ............................................................................. 3
Elektromagnetno valovanje ....................................... 4
Kvant svetlobe ............................................................ 8
Vsiljena EM valovanja ............................................. 12
Koherenca svetlobe .................................................. 18
Svetloba v snovi ........................................................ 24
Hitrost svetlobe ......................................................... 29
Vpliv magnetnega polja na hitrost svetlobe ........... 35
Hitrost svetlobe v gravitacijskem polju .................. 41
Vpliv radialnega pospeška na hitrost svetlobe ....... 42
Vpliv hitrosti vira na hitrost svetlobe ..................... 45
Ponesrečeni poskusi meritev hitrosti svetlobe ....... 48
Metode merjenja hitrosti svetlobe .......................... 52
Pomen razumevanja hitrost svetlobe ...................... 57
Epilog ......................................................................... 59
12.4.2015
2
Franc Rozman
Zima
Uvod
Električni tok v daljnovodih merijo z merilniki, ki delujejo na osnovi
merjenja vpliva magnetnega polja okrog vodnika na hitrost svetlobe v
optičnem vlaknu, kot je to podrobneje opisano na Sliki 25 tega
dokumenta. Industrija meri in prepoznava vpliv magnetnega polja na
hitrost svetlobe, teoretična fizika pa to spregleda, saj vpliv magnetnega
polja na hitrost svetlobe ruši aktualno razumevanje v vseh razmerah
enake hitrost svetlobe. V eseju je opisanih več podobnih primerov.
Leto 2015 je mednarodno leto svetlobe in tehnologij povezanih s
svetlobo. Namen tega eseja je osvetlitev prezrtih lastnosti svetlobe, pa
tudi pobuda za izvedbo štirih novih meritev svetlobe, ki bodo celovito
odgovorile na vprašanje o hitrosti svetlobe. Meritve in s tem
poglobitev znanja o svetlobi pa je najboljši način počastitve leta
svetlobe 2015.
Meritev 1 (str. 28 )
Vpliv hitrosti vira svetlobe na uklon
svetlobe na uklonski mrežici.
Meritev 2 (str. 43 )
Vpliv radialnega pospeška svetlobe v
optičnem vlaknu na hitrost svetlobe.
Meritev 3 (str. 48 )
Vpliv rotirajočih ogledal na lastnosti odbite
svetlobe.
Meritev 4 (str. 56 )
Meritev hitrosti svetlobe s kometa.
Tekst je sicer zahteven, vendar namenoma pisan tako, da bi za
razumevanje zadoščalo že srednješolsko znanje fizike. V zapisu je
zaradi poenostavljanja dan poudarek na besednem opisu fizikalnih
pojavov z zgolj nekaj matematičnimi zapisi v ozadju.
12.4.2015
3
Franc Rozman
Elektromagnetno valovanje
Svetloba omogoča opazovanje okolja, orientira nas v prostoru, kaže
zgradbo vesolja, infrardeča svetloba nas greje.
Slika 1
Svetloba je elektromagnetno (EM) valovanje, kamor spadajo tudi
radijski valovi, rentgenski žarki, itn.
Električno in magnetno polje
Magnet privlači kovine. Glavnik, ki ga drgnemo ob suho krpo, privlači
majhne delce. V prvem primeru govorimo o statičnem magnetnem
polju, v drugem primeru pa o elektrostatičnem polju. Ti dve polji pa
se lahko prepleteta v valovanje, ki ga imenujemo elektromagnetno
(EM) valovanje. EM valovanje ima lahko pestre valovne dolžine. Slika
1 prikazuje vrste EM valovanj glede na valovno dolžino.
12.4.2015
4
Franc Rozman
Ustvarjanje EM valovanja
Izmenični električni tok lahko ustvari EM polje radijskih valov. Slika
2 v sredini spodaj prikazuje magnetni dipol oziroma magnetno tuljavo,
v katero dovajamo izmenični električni tok. Skice nad tuljavo pa
prikazujejo razvoj EM vala v magnetnem dipolu.
Slika 2
Radijsko EM valovanje ustvari radijski oddajnik, svetlobno EM
valovanje pa svetlobna svetilka, laserski vir svetlobe, goreči ogenj,
zvezde in tako naprej.
Zgradba EM vala
EM val si skušam predstavljati na osnovi primerjave med vodnim
valom in EM valom. Med enim in drugim valom obstajajo precejšnje
razlike, kljub temu nam primerjava lahko olajša razumevanje EM vala.
Na morski gladini opazujem smet, ki se pozibava na valovih. Val smet
premika navpično gor in dol. Smet ne potuje z valom. Na vrhu vala in
na dnu vala se smet ustavi. Med dnom in vrhom vala pa se smet dviguje
12.4.2015
5
Franc Rozman
ali spušča z različno hitrostjo. Na podoben način, kot se dviguje nivo
vode ob smeti, se v opazovani točki EM vala povečuje ali zmanjšuje
električno in magnetno polje. Kako hitro se v neki točki zmanjšuje ali
povečuje električno polje, označimo z dE/dt. Podobno z dB/dt
označimo, kako hitro s v opazovani točki spreminja magnetno polje.
Smet na vodnem valu se nahaja enkrat na vrhu vala, enkrat na dnu vala,
vmes pa na nekem naklonu vode, ki ga ustvarja vodni val. Tudi
električno polje v EM valu ustvarja naklone v smislu, da je na neki
razdalji od opazovane točke drugačna jakost električnega polja.
Podobno je v neki razdalji od smeti drugačna višina vode v vodnem
valu kot tam, kjer se nahaja smet. Kako se od točke do točke spreminja
jakost električnega polja v nadaljevanju označimo z Rot(E).
Označbi dE/dt in dB/dt povesta, kako hitro se v eni sami opazovani
točki spreminja električno in magnetno polje, Rot(E) pa določa
električno polje v okolici opazovane točke, koliko večje ali manjše je
električno polje v sosednjih točkah. Določa kakšen je naklon
električne poljske jakosti.
Koherenca
Slika 3 na še en način prikazuje širjenje električnega in magnetnega
polja EM valovanja.
A
B
Slika 3
12.4.2015
6
Franc Rozman
Maxwell je opisal EM valovanje v matematični obliki 1. Slika 3 celo na
preveč enostaven način prikazuje EM valovanje, tako da ustvarja nekaj
dvomov in vprašanj. Prikazuje, da v točkah A ali B na x osi ni
električnega in magnetnega polja.
Če v točkah A in B ne bi bilo polj in iz njih izhajajočih energij, potem
pol-valovi EM valovanja ne bi bili med seboj povezani. Med polvalovi EM valovanja ne bi delovale povezovalne sile.
EM valovi med potjo zadevajo v kapljice vode, molekule zraka itn.
Vsak tak delec s silo bolj ali manj skuša preusmeriti EM val svetlobe.
EM valovi pa so med seboj povezani. Koherenca omogoča, da se
svetlobni EM valovi s silo upirajo zunanjim silam pred razbitjem in
razpadom verige EM valov.
Premikalni tok
Način povezovanja EM valov v koherentne verige kaže četrta
Maxwellova enačba, ki določa, da je rot(B) enak dE/dt. Rot(B)
oziroma odvod električnega polja po času pa ustvarja premikalni tok.
Premikalni tok2 je vpeljal Maxwell leta 1860. To je tok, ki ni posledica
potovanja električnega naboja, pač pa premikov v električnem in
magnetnem polju. Če se v opazovani točki spreminja električno polje,
to spreminjajoče polje ustvarja premikalni tok.
Premikalni tok je glede na Sliko 3 najmočnejši v točkah A in B, kjer
ni električnega in magnetnega polja, so pa tam največje spremembe
električnega in magnetnega polja.
Premikalni tok je fizikalna danost, ki v vozliščih valovanja (točkah A
in B) ustvarja sile za povezovanje EM valov v koherentno valovanje.
1
2
Nekateri vidiki četrte Maxwellove enačbe - Anton R. Sinigoj
12.4.2015
7
Franc Rozman
Maxwellove enačbe kažejo, da se na lokaciji premikalnega toka
pojavlja tudi električna napetost, ki jo določa Rot(E). Rot(E) pove,
kako se prostorsko spreminja električno polje. Sprememba
električnega polja na opazovani razdalji, to je na poti premikalnega
toka, pa pomeni električno napetost. Električni tok v prisotnosti
električne napetosti pa pomeni obliko energije.
Energija premikalnega toka se vzdolž osi x spreminja. Tam, kjer sta
električno in magnetno polje največji, tam ni energije premikalnega
toka. V vozliščih EM valovanja, to je točkah A in B na Sliki 3, pa
imamo maksimalen premikalni tok ob maksimalni napetosti in s tem
maksimalno energijo premikalnega toka.
V primeru EM valovanja imamo pretakanje med energijo električnega
in magnetnega polja in energijo premikalnega toka, kot to prikazuje
Slika 4.
Energija
E,H
Prem.
tok
x
Slika 4
Električno in magnetno polje s svojim usihanjem v svoji soseščini
ustvarita premikalni tok. Tudi premikalni tok ni obstojen in tudi ta se
v naslednjem trenutku začne sesedati. Sesedanje premikalnega toka pa
na tretji lokaciji začne ponovno ustvarjati električno in magnetno
polje. EM valovanje pomeni stalno pretakanje energije električnega in
magnetnega polja (E, B) v energijo premikalnega toka in obratno.
Kvant svetlobe
Svetlobno EM valovanje teži h kvantnim energijskim vrednostim, ki
jih določajo kvantne zakonitosti. Fizika najmanjše energijske
vrednosti svetlobnega EM valovanja imenuje fotone. Planck je meril
12.4.2015
8
Franc Rozman
energijo fotona (delčka svetlobe) tako, da je s pomočjo svetlobe izbijal
elektron iz atomske lupine. Izmeril je, da na izbijanje elektrona vpliva
le frekvenca svetlobe, ne pa tudi od svetlost žarka.
Na atom je posvetil s tako frekvenco svetlobe, ki ni izbila elektrona iz
atomske lupine. Nato je povečal svetlost žarka, ni pa spreminjal
frekvence svetlobe. Svetloba elektrona kljub večji svetlosti ni izbila iz
atomske lupine. Elektron je iz atomske lupine izbil le z višanjem
frekvence svetlobe.
Posledično je svetloba
enako
uspešna
pri
izbijanju elektronov iz
atomske lupine, če je njen
izvor na Zemlji ali daleč v
vesolju. Celo več, če neko
verigo EM valov na
Slika 5
fotoni
polprepustnem ogledalu
razcepim na dvoje, kot
kaže Slika 5, bodo posamezni odbiti fotoni imeli enako energijo pred
razcepom kot tudi po njem. Opažamo, da se del energijsko neokrnjenih
fotonov odbije v eno smer, drug del pa v drugo smer.
odbojno steklo
Energija EM vala
Primerjam energijo fotona z energijo EM vala. Domžalski
srednjevalovni oddajnik oddaja moč v razredu 100 kW pri frekvenci
približno 1 MHz. Oddajnik odda približno milijon EM valov v
sekundi, kar pomeni, da je energija enega EM vala v razredu 0,1 džula.
Energija fotona po Planckovem zakonu W = h.f pri frekvenci 1 Mhz
je 6,6 · 10–34 · 106 = 6,6 · 10–28 džula. En EM val domžalskega
oddajnika torej vsebuje do 1027 fotonov.
Fotoni v EM valu pa med seboj ne sodelujejo, ko zadenejo v oviro. Če
vržem kamen v steklo, pri razbijanju le-tega s svojo maso sodelujejo
vse molekule kamna. Če svetloba zadene v oviro, pa fotoni po Plancku
delujejo nepovezano. Če en foton ne more zbiti elektrona iz atomske
lupine, mu pri tem sosednji fotoni ne pomagajo.
12.4.2015
9
Franc Rozman
Fotoni visokih frekvenc
Foton vidne svetlobe vsebuje pravšnjo energijo, da izbije elektron iz
zunanje atomske lupine nekaterih elementov. Elektroni zunanjih lupin
so šibko vezani na atom.
Vidna svetloba ima frekvenco v razredu 10 15 Hz. V naravi opažamo
tudi višje frekvence EM valovanja, ki dosežejo do 10 20 Hz in več.
Fotoni takih frekvenc bi morali po Planckovem zakonu imeti milijon
krat več energije kot fotoni vidne svetlobe.
To pa so tako velike energije, da bi izbile elektrone mnogih elementov
tudi iz nižjih atomskih lupin. Elektroni bi se kaskadno vračali na
izpraznjene lupine in pri tem oddajali fotone. Ko bi EM valovi visokih
frekvenc, in po Plancku tudi visokih energij obsijali snov, bi ta morala
zasvetiti. Ko bi na primer človeka obsijali z rentgenskimi žarki, bi
moral ta del telesa zasvetiti, vendar se to ne zgodi.
Planckov zakon določa energijo fotona predvsem na področju vidne
svetlobe. Na področju visokih frekvenc poskusi Planckovega zakona
ne potrjujejo. To pa zahteva, da se poglobimo v lastnosti fotona ter
Planckovega zakona.
Elektron v prostranstvih EM vala
Za začetek primerjam velikostni razred elektrona z velikostnim
razredom EM vala svetlobe. Velikostni razred elektrona 3 je ocenjen na
približno 10-12 m. Valovna dolžina EM vala vidne svetlobe pa je v
velikostnem razredu od 10–6 m. Ugotavljam, da je EM val vidne
svetlobe v primerjavi z elektronom zelo velik.
Svetlobni EM val in elektron vsak v svoji okolici ustvarjata električno
in magnetno polje. Ob preletu elektrona skozi EM val polji elektrona
in EM vala svetlobe vplivata drugo na drugo. Elektron je majhen in
zato čuti prisotnost le majhnega dela EM vala, tistega dela, v katerem
se trenutno nahaja.
Električno polje elektrona zmoti EM val svetlobe, čemur se EM val
upira. Med elektronom in EM poljem svetlobe se zato pojavi sila, v
obliki sunka sile.
3
David L. Bergman: Shape & Size of Electron, Proton & Neutron, maj 2004.
12.4.2015
10
Franc Rozman
Elektronu bližnji del EM polja svetlobe je v močnem stiku z
elektronom, oddaljen del tega polja pa v šibkejšem stiku in na elektron
nima večjega vpliva. Radijski val domžalskega oddajnika je po
energiji močan, vendar s sunkom sile le šibko deluje na elektron, ker
je le neznaten del energije tega EM vala v stiku z elektronom.
Velika energija EM vala domžalskega oddajnika ne more izbiti
elektrona iz atomske lupine, medtem ko ga mnogo manjša energija EM
vala vidne svetlobe lahko.
Sunek sile EM polja na elektron
Energija sunka sile (F · s) za zbitje elektrona mora biti večja od vezalne
energije elektrona.
Elektron kroži okrog atomskega jedra. Tak krožeč elektron prestavlja
električni tok. Energija sunka sile, ki deluje na elektron v atomski
lupini, je sorazmerna električnemu toku, ki ga predstavlja krožeči
elektron ter razliki električnega potenciala (napetosti), ki jo znotraj
EM vala prepotuje elektron. Razlika električnega potenciala
(napetost), ki jo prepotuje elektron v EM valu, je sorazmerna z Rot(E).
Električni tok krožečega elektrona ni odvisen od EM valovanja. Ob
upoštevanju, da je atom mnogo manjši od EM vala, tudi dolžina poti
elektrona v EM valu ni odvisna od EM vala. Energija sunka sile, ki ga
EM val ustvari na elektron, je posledično sorazmerna z maksimalnim
Rot(E), oziroma z maksimalnim dB/dt EM vala.
Potrebno energijo za zbitje elektrona iz atomske lupine lahko
zapišemo na še en način. Magnetna gostota EM vala niha sinusno b =
B · sin(ώt). Odvod sinusne funkcije pri majhnih kotih je enak odvodu
kota po času d(sin(ώt))/dt = d(ώt)/dt = ώ. EM val na elektron pri
izbijanju iz atomske lupine deluje torej z energijo E = k· B · ώ.
Planckov zakon
Enačba E = k· B · ώ pa je le druga oblika Planckove enačbe, ki pravi
E = f · h.
Maksimalni odvod dB/dt je funkcija amplitude magnetne gostote EM
vala ter njegove frekvence. Enačba E = k· B · ώ pomeni, da se
maksimalni odvod magnetnega polja dB/dt v primeru optimalne
(kvantne) energije EM valov povečuje linearno s frekvenco. Linearno
12.4.2015
11
Franc Rozman
povečevanje dB/dt s frekvenco pa lahko pričakujemo le ob konstantni
amplitudi magnetne gostote.
Planckov zakon posledično kaže, da je amplituda magnetne gostote
optimalnega oziroma kvantnega EM valovanja enaka za vse
frekvence, kot kaže Slika 6.
B
t
Slika 6
Pojem energije fotona je vezan le na povezavo med EM valom in
elektronom. EM val s kvantno energijo E = f · h deluje le na elektron.
Pojma energije fotona ne moremo uporabiti pri določanju delovanja
EM vala na ion zaradi drugačne mase iona in drugačnega električnega
in geometrijskega odnosa med EM valom in ionom.
Vsiljena EM valovanja
Pri vseh frekvencah enaka amplituda magnetne gostote EM valovanj
velja le za energijsko optimalna kvantna valovanja, to je valovanja s
kvantno energijo. Vsako valovanje, tako svetlobno kot radijsko, ima
lahko tudi vsiljena, energijsko obogatena ali energijsko osiromašena
stanja. V primeru energijsko obogatenega ali osiromašenega valovanja
je amplituda magnetne gostote valovanja lahko večja ali manjša od
kvantna amplitude magnetne gostote EM valovanja.
Dežne kaplje
Predvsem kadar gre za EM valovanja kratkih valovnih dolžin, razreda
mikrometrov in manj, skuša EM val zavzeti neko valovni dolžini
pripadajočo amplitudo magnetne gostote, kot jo določa Planckov
zakon.
12.4.2015
12
Franc Rozman
Povezovanje določene amplitude magnetne gostote, ki pomeni tudi
določeno energijo EM vala, z določeno valovno dolžino si skušam
ilustrirati na izposojenem pojavu. Izposodim si ga s področja, ki ne
spada v področje kvantne fizike. Privzamem ga predvsem kot osnovo
za vzpostavitev razumljive miselne predstave o kvantnem dogajanju.
Ko opazujem dežne kaplje, vidim, da je hitrost padanja vsake kaplje v
izbranih klimatskih pogojih odvisna le od njene velikosti. Velike in
težke kaplje padajo hitreje, majhne kaplje počasneje. To lahko izrazim
takole:
Hitrost padanja kaplje je funkcija velikosti kaplje.
Opazujem lahko milijone kapelj in vse bodo praviloma padale v skladu
z opisano zakonitostjo. Velikost dežne kaplje in njena hitrost sta v
določenem razmerju, podobno, kot sta v razmerju valovna dolžina EM
vala in njegova kvantna amplituda magnetne gostote.
Kadar se kaplja ne giblje z njej pripadajočo hitrostjo, se skuša na
osnovi težnje narave k minimalnemu energijskemu stanju, čim hitreje
približati svoji optimalni hitrosti.
Izjeme potrjujejo pravilo
Četudi v množici kapelj ne opazimo nobene, ki bi kršila opisano
zakonitost, oziroma četudi sploh nikoli ne bi opazili kaplje, ki bi
potovala z drugo hitrostjo od opisane zakonitosti, bi bilo še vedno
neupravičeno trditi, da kaplja vsaj izjemoma ne more imeti drugačne
hitrosti.
Kadar se na veji kaplja razbije, majhne kapljice z mesta trka odletijo s
hitrostjo, ki ni skladna z opisano zakonitostjo. Šele po nekaj trenutkih
in centimetrih od mesta odboja, kapljice znova preidejo v njim
optimalno hitrost.
Kaplja si torej vsakič kar najhitreje izbori svoji velikosti pripadajočo
hitrost padanja. V prenesenem pomenu kaplji pripada 'kvantna'
kinetična energija, ki izhaja iz velikosti kaplje. Na podoben način
moram razumeti tudi energijo EM vala svetlobe.
12.4.2015
13
Franc Rozman
Energijski diskurzi fotonov
Tudi pri fotonih praviloma opažamo vedno enako energijsko stanje,
podobno kot pri dežnih kapljah. Čeprav v naravi pri določeni frekvenci
opažamo le fotone točno določenih energij, ima fizika možnost
izvajanja poskusov tudi s fotoni drugačnih energij. Ti so redki in
neobstojni, zato jih moramo umetno ustvariti.
EM val lahko zmotimo v njegovem optimalnem energijskem stanju
tako, da ga pošljemo skozi nelinearno električno polje, kot to opisujeta
W. Lauterborn in T. Kurz v knjigi Coherent Optics (2003).
Na izhodu iz takega nelinearnega polja ne dobimo le svetlobe tiste
frekvence, kot smo jo usmerili v nelinearni medij, ampak izidejo tudi
višje harmonske frekvence svetlobe. Večja pestrost frekvenc svetlobe
pa pomeni pojav fotonov drugačnih energij. Na Sliki 7 prikazan pojav
so prvič izmerili leta 1963 in s tem eksperimentalno pokazali
razgradnjo EM vala na višje harmonske frekvence.
vstopni
fotoni
nelinearni
prenosni
medij
izstopni
fotoni
Slika 7
V fazi spreminjanja EM vala na poti skozi nelinearni medij, EM val
praviloma ni v kvantnem energijskem stanju. Ko EM val izide iz
nelinearnega medija, se skuša po vzoru opisanih dežnih kapelj kar
najhitreje preoblikovati v optimalno energijsko stanje.
Splošen in poenostavljen model fotona
Foton določene frekvence teži k vnaprej določeni energiji, zato si zanj
lahko omislimo preprost in razumljiv model. Fotoni, ki energijsko
odstopajo, so redki in neobstojni zato jih v tem poenostavljenem
miselnem modelu lahko zanemarim.
12.4.2015
14
Franc Rozman
Fotone si torej lahko zamislimo kot vedno enake energijske kvante EM
valovanja. Še več, tudi prostorskih lastnosti fotonov ni treba
upoštevati. Fotone si torej lahko predstavljamo kot energijske točke
brez prostorskih dimenzij.
Toda na tako poenostavljen kvantni model fotonov ne smemo gledati
naivno in ne smemo izključevati možnosti, da se lahko v izjemnih
primerih vsaj za kratek čas energija svetlobnega EM valovanja lahko
obnaša tudi drugače.
Poenostavljen kvantni pogled predvsem olajša razumevanje lastnosti
svetlobe za splošno rabo. Kadar pa želimo poglobljeno raziskovati
lastnosti svetlobe, poenostavljen kvantni model fotona ne zadošča.
Celovito razumevanje EM valov zahteva celovito upoštevanje
lastnosti svetlobe.
Sevanje vira svetlobe
Primer svetlobnega EM vala, ki lahko presega kvantno magnetno
gostoto EM valovanja, predstavljajo močni viri svetlobe, na primer
Sonce. Skušajmo razumeti, kako se spreminja energija svetlobnega
EM vala od izsevanja do ponora.
Slika 8
Za lažje razumevanje v mislih opazujem gibanje ene valovne fronte
svetlobe, kot to prikazuje Slika 8. Neposredno na izvoru ima svetlobni
EM val lahko večjo energijo od kvantne energije.
EM val z oddaljevanjem od izvora dobiva vse večjo površino, kot to
kaže Slika 2 oziroma Slika 8. S tem se EM valu zmanjšuje energija na
enoto površine. Ko magnetno in električno polje EM vala doseže
kvantno vrednost, se površina EM vala več ne povečuje. Kot kaže
zadnja plast na Sliki 8 se EM val raztrga na posamezne in avtonomne
12.4.2015
15
Franc Rozman
EM zaplate valov svetlobe, ki v nadaljevanju na poti ohranjajo svojo
velikost in energijo.
To potrjuje poskus, ki ga je Thomas Young izvedel v začetku 19.
Stoletja. Poskus kaže, da EM val, kadar je v kvantnem stanju, pri
potovanju skozi prostor ne spreminja svoje prostorske oblike. EM val
skozi prostor potuje kot prostorsko zaokrožena energijska tvorba,
podobno kot hiter delec.
Ko je Young spustil svetlobo skozi
ozko pokončno režo, je na zaslonu za
režo opazil ozek snop svetlobe;
prikazuje ga Slika 9.
EM valovi skozi režo praviloma
tako, kot bi potovali snovni delci.
EM val ima (podobno kot snovni
delec) energiji pripadajočo velikost in obliko.
Slika 9
S
EM valovi imajo obliko zaplat ali krp, kar je način za ohranjanje
kvantnih lastnosti svetlobnega EM vala ter prostorske zaokroženosti
EM valov tudi takrat, kadar je slednji podvržen vplivom okolja.
Energijska rekonstrukcija EM valov
Svetloba na poti lahko zadeva v prašne delce ali druge ovire, kar
energijsko osiromaši EM valove. Tako energijsko osiromašenje se
odrazi v zmanjšanju velikosti zaplate EM vala, prikazani na Sliki 8.
Kvantne zakonitosti svetlobnega vala poskrbijo, da se ohranja kvantna
amplituda magnetne gostote EM valov na račun prostorske velikosti
EM vala.
EM val ne doživlja opisanih energijskih deformacij le v primeru
zadevanja v prašne delce, nabite elektrone ali v primeru delnih
odbojev. Na dnu oceanov ni svetlobe. EM val s prodiranjem skozi
vodno plast zgublja svojo energijo. Zgublja jo tako, da zmanjšuje
svojo površino, ne spreminja pa se kvantna vrednost amplitude
magnetne gostote, dokler EM val energijsko toliko ne oslabi, da
preprosto izgine, kot to prikazuje Slika 10.
12.4.2015
16
Franc Rozman
Slika 10 je simbolna slika zmanjševanja EM vala ob izgubljanju
energije, na primer pri
potapljanju EM vala v ocean.
Površina diska predstavlja
površino EM vala. Debelina
diska
pa
simbolno
predstavlja magnetno gostoto
v tem EM valu.
Slika 10
EM val izgublja energijo
tako, da se mu zmanjšuje površina vala, amplituda magnetne gostote
vala pa se ohranja. Tak EM val s tem v celoti ohranja sposobnost
izbijanja elektrona iz elektronske lupine iz dveh razlogov. Elektron je
majhen in zadene v le neznatno površino EM vala. Na delu, kjer
elektron zadene v EM val pa ima EM val neokrnjeno amplitudo
gostote magnetnega polja, ne glede na svojo površino.
EM valovi so morda podvrženi energijskim stresom tudi na primer v
okoljih gravitacije. Svetloba namreč ne izhaja iz črnih lukenj. Kadar
svetlobni val skuša zapustiti nebesno telo, gravitacijska sila domnevno
lahko ovira EM val pri dvigovanju iz gravitacije. EM val gravitacijo
premaguje s silo na poti, pri čemer izgublja svojo energijo. EM valu
ne uspe uiti iz črne luknje, ker pri dvigovanju porabi vso energijo.
Ko pa opazujem EM valove, ki prispejo z nebesnih teles s tako
gravitacijo, da svetloba lahko pobegne, pa ne opažam zmanjšanja
kvantne amplitude magnetne gostote EM valov. Stabilnost magnetne
gostote EM valov smem pripisati zmanjšanju velikosti EM valov ob
izgubljanju energije, kot to prikazuje Slika 10.
EM valovi na poti tako ohranjajo kvantno vrednost amplitude
magnetne gostote, ne ohranjajo pa velikosti zaplat EM valov. EM val
iz gravitacijskega polja izide z manj energije in z manjšo površino, kot
je bil izsevan na izvoru.
Težnja narave k energijsko optimalnim
valovanjem
Na primeru opaženih lastnosti svetlobnega valovanja opažam, da
amplituda magnetnega polja EM vala teži k optimalni kvantni
vrednosti.
12.4.2015
17
Franc Rozman
V splošnem je kvantna amplituda magnetne gostote EM vala tista
amplituda, kateri se EM valovanje skuša približati. Drugačne
amplitude magnetne gostote EM valovanja so valovanju vsiljene.
Po Maxwellovih zakonitostih je taka vsiljena energija EM valovanja
možna, vendar se, takoj ko so za to ustvarjeni pogoji, EM valovanje
preuredi v kvantno energijsko stanje.
V primeru svetlobnega valovanja opažamo izrazito nagnjenje h
kvantizaciji, saj tako rekoč ne opažamo EM valov, ki ne bi sledili
kvantni energiji. V primeru radijskih valov na osnovi opazovanj
nimam občutka, da bi ti imeli veliko težnjo po kvantizaciji.
Posledično moramo dopuščati različno stopnjo težnje EM valov po
kvantizaciji, večjo v primeru višjih frekvenc EM valov, manjšo v
primeru nižjih frekvenc. Zakonitost, ki bo določala težnjo narave h
kvantizaciji valovanja mora znanost še izmeriti in raziskati.
Koherenca svetlobe
Dva EM vala se srečata. Splošno mnenje je, da EM vala preideta drug
skozi drugega, kot da drug drugega ne opazita. Prehod EM valov, drug
skozi drugega, se v večini primerov res dogodi neopazno. So pa
primeri srečanj EM valov, kjer pa EM vala vplivata drug na drugega.
Intermodulacija v svetlovodu
Kadar v optično vlakno vodimo svetlobo ene valovne dolžine, na izhod
iz vlakna ta EM val prispe brez popačenj. Če pa v ta svetlovod vodimo
dve podobni valovni dolžini svetlobe, na izhodu zaradi nelinearnega
popačenja in intermodulacije dobimo poleg osnovnih dveh valovnih
dolžin še več novo nastalih valovnih dolžin svetlobe, ki so od osnovnih
valovnih dolžin odmaknjene za razliko med osnovnima valovnima
dolžinama Δλ, kot to kaže Slika 11.
12.4.2015
18
Franc Rozman
Slika 11
Izvor nelinearnih popačenj ne more biti elektrostrikcija, kot navajajo
nekateri avtorji. Prvič, ker bi elektrostrikcija povzročala nelinearna
popačenja tudi v primeru ene valovne dolžine. Po drugi strani z
elektrostrikcijo ne moremo pojasniti novo nastalih valovnih dolžin.
Osnovni frekvenci, prikazani na Sliki 11, sta na Sliki 12 prikazani na
časovni osi. Oba EM vala se po časovni osi premikata z enako
hitrostjo.
EM vala sta
podobnih
valovnih
dolžin in na
označenem
mestu tudi podobnih faz. Podobnost obeh EM valov na označenem
mestu ter njuni izenačeni fazi EM valoma ne omogočata, da bi
ohranjala lastni identiteti. Električna poljska jakost, magnetna gostota,
predvsem pa premikalni tok obeh EM valov so si lokacijsko tako blizu,
da se EM vala v okolju velike medsebojne podobnosti obnašata kot en
sam val.
Slika 12
Vsak val ima svojo energijo in energiji pripadajočo velikost, kot to
kaže Slika 8. Vala združita svoji energiji v po površini večji EM val,
po vzoru Slike 10 in ustvarita koherenco med valoma.
EM vala sta koherentno povezana le manjši del njunih poti, tam kjer
se dovolj ujemata njunih fazah. Ostali del poti žarka v svetlovodu
potujeta avtonomno vsak za sebe.
12.4.2015
19
Franc Rozman
A
B
Slika 13
λ1
λ2
Na delu njune fazne uskladitve, predvsem v točkah A in B na Sliki 13,
pa zaradi njune vzpostavitve koherence, pride do popačenja oblike
enega in drugega EM vala svetlobe. To nelinearno popačenje EM
valov pa v svetlovodu ustvari nove valovne dolžine valovanja, kot jih
prikazuje Slika 11
V kolikšnem delu njunih poti sta EM valovanji koherentno povezani,
je odvisno predvsem od podobnosti njunih valovnih dolžin. Čim bolj
sta si valovni dolžini podobni, na toliko daljšem delu poti sta njuni fazi
dovolj usklajeni, da se vala koherentno povežeta.
Koherentno povezovanje dveh EM valov v splošnem opazimo, kadar
sta koherentna EM volova podobne valovne dolžine in na območju,
kjer so EM valovi obeh EM verig med seboj fazno dovolj usklajeni.
V svetlovodu se novonastale valovne dolžine na svoji poti lahko
krepijo, kadar se tudi novonastale valovne dolžine med seboj
koherentno povezujejo. V nasprotnem primeru ustvarjajo beli šum. Na
ta način se ohranjajo in krepijo tiste izmed novonastalih valovnih
dolžin svetlobe, ki so od osnovnih frekvenc oddaljene za
mnogokratnik razlik med osnovnima valovnima dolžinama Δλ.
Interferenčni odboj od oljnega madeža
Poglejmo še primer koherence svetlobnega vala, kjer se svetloba ne
giblje v optičnem vlaknu, ampak svobodno v zraku ali praznem
prostoru.
12.4.2015
20
Franc Rozman
Kadar se na mokri površini znajde tanek oljni madež, se svetloba
odbija v obliki barvne mavrice. Odboj svetlobe se pojavlja tako na
vrhu oljne plasti, na spoju olja in zraka, kot tudi na spodnji strani oljne
plasti, to je na spoju olja
in vode. Kadar je
olje
debelina
plasti
olja
mnogokratnik valovne
dolžine svetlobe, se na
gornji plasti oljnega
madeža
srečata
in
Fotoni različnih verig prihajajo v
koherentno
povežeta
oba
naključnih fazah, zato lahko do
odboja,
kar
krepi
interference pride le v okviru iste verige.
določeno
barvo
Slika 14
(frekvenco) svetlobe.
Odboj svetlobe na oljnem madežu s tem omogoča merjenje dolžine
koherentne verige. Z večanjem debeline oljne plasti se intenzivnost
mavričnega odboja zmanjšuje. Tista debelina oljne plasti na Sliki 14,
pri kateri ravno še opazim skromne ostanke mavričnega odboja,
predstavlja polovico dolžine najdaljših koherentnih EM verig valov, ki
vpadajo na oljno plast.
Youngov poskus z dvojno režo
zaslon
za
opazova
-nje
zaslon z
dvema
režama
svetilo
Slika 15
12.4.2015
21
Svetlobni EM val ima
večjo ali manjšo
površino,
kot
to
prikazuje Slika 8 ali
Slika 10. Površino EM
vala
lahko
meri
Youngov poskus z
dvojno režo. Shema
meritve je prikazana
na Sliki 15.
S svetilom posvetim
na zaslon z dvema
vzporednima režama.
Franc Rozman
Ko je Young svetlobi omogočil hkratno pot
skozi obe reži, je na zaslonu poleg dveh
glavnih lis opazil še stranske lise, kot to
prikazuje Slika 16.
Izvor stranskih lis
Slika 16
EM valovi skozi režo potujejo bolj ali manj
ovirano, bolj ali manj oplazijo rob reže. Na robu reže se bolj ali manj
raztreščijo.
Ko EM val oplazi rob
reže, kot to prikazuje
uničen del
preostanek
Slika 17, ob dotiku EM
EM vala in
EM vala
njegova pot
val izgubi del energije.
Dotik EM vala ob rob
reže EM val lahko
razbije na več manjših
rob
valov, to je valov z
reže
Slika 17
manjšo energijo in jim
spremeni
smer.
Energijsko osiromašeni EM valovi se naključno v mnogih smereh
odbijejo od roba reže.
Energijsko
osiromašeni ostanki
EM valov prve reže,
na Sliki 18 označeni
točki
srečanja
črtkano, prehajajo
fotonov
skozi
energijsko
bogate EM valove
druge reže, skozi
A
B
Slika 18
žarek B. EM valovi
se gibljejo drugi skozi druge. Ob prehodu enih EM valov skozi druge
pride med njimi do koherentnih povezovanj in izmenjave energije.
Energijsko siromašne verige EM valov iz reže A se energijsko
okrepijo, energijsko bogate verige EM valov iz reže B pa izgubijo del
energije.
12.4.2015
22
Franc Rozman
Izmenjava energije se dogaja med fazno
usklajenimi EM valovi
Črte na zaslonu (Slika 16) kažejo, da žarek A v nekaterih smereh ob
preletu žarkov prejema od žarka B več energije, v drugih smereh pa
manj.
Primerjam dolžini poti EM valov žarka A in B, ki jih žarka napravita
na poti do njunega srečanja. Glede na kot odboja žarka iz reže A do
srečanja z žarkom B so faze valovanja ob njunem srečanju pri
nekaterih kotih odboja EM vala bolj, drugje manj usklajene.
Stranske črte Youngove meritve na Sliki 16 kažejo, da si EM valovi
ob srečanju izmenjujejo energijo le pri tistih dolžinah poti, kjer so faze
enega in drugega vala dovolj usklajene, podobno kot pri oljnem
madežu na Sliki 14 ali intermodulaciji v svetlovodu na Sliki 11. V
primeru fazne usklajenosti med EM valoma prihaja do koherentnega
povezovanja EM valov in s tem do izmenjave energije med EM valovi.
Na izmenjavo energije med žarkoma A in B ne kažejo le stranske črte,
temveč tudi zmanjšana energija osnovnega žarka B. Meritve namreč
kažejo energijsko oslabitev žarka B, kadar se ta srečuje z energijsko
šibkimi EM valovi iz reže A.
Youngov poskus omogoča merjenje površine
EM valov
EM val za režo lahko interferira v obliki prikazanih črt na Sliki 16 le
v primeru kadar je EM val dovolj širok, da isti EM val (zaplata na Sliki
8) hkrati vpade na obe reži.
V poskusu Thomasa Younga morata biti torej reži dovolj blizu druga
drugi, da del istega EM vala preide skozi eno režo in del skozi drugo
režo. Le na vhodu fazno usklajeni EM valovi se na drugi strani reže
povezujejo v obliki na Sliki 16 prikazanih črt.
Kadar sta reži preveč razmaknjeni, bolj od širine EM vala, ju isti EM
val ne more zaobjeti. V takih primerih ne opazimo značilne
interference, ki jo prikazuje Slika 16.
Opažen pojav daje možnost merjenja širine EM valov. Povečujem
razdaljo med režama v Youngovem poskusu ter opazujem stranske
črte na zaslonu. Večja, kot bo razdalja med režama, manj EM valov
12.4.2015
23
Franc Rozman
skozi eno in drugo režo pripada istemu EM valu in manj izrazite so
stranske črte. Razdalja med režama, pri kateri se ravno še opazi medle
obrise stranskih črt, predstavlja največjo širino opazovanih EM valov
(EM zaplat).
Na oljnem madežu torej lahko merimo dolžino koherentne verige EM
valov, z Youngovem poskusom pa lahko merimo premer EM valov v
koherentni verigi. Merimo lahko velikost skupka EM valov v žarku
svetlobe, ki potuje v paketu.
Svetloba v snovi
Svetloba se lahko znajde v mediju, kjer se lomi, odbije, absorbira ali
odklanja na uklonski mrežici.
Lom svetlobe
Svetloba, ki vpade v snovni medij spremeni valovno dolžino in hitrost,
kot to prikazuje Slika 19.
Slika 19
Svetlobni EM val je prostorsko za mnogo razredov večji od molekul
snovi. Premer molekul je v razredu do enega nm, valovna dolžina
svetlobnega EM vala vidne svetlobe, pa v razredu μm. Znotraj vsakega
EM vala vidne svetlobe je torej množica molekul. Te molekule
spremenijo prevodnost prostora za električno polje (dielektričnost) in
prevodnost prostora za magnetno polje (permeabilnost).
12.4.2015
24
Franc Rozman
Spremenjene električne lastnosti prostora spremenijo prostorske
razsežnosti svetlobnega EM vala. Pri vstopu svetlobe v snovni medij
se zato spremeni valovna dolžina svetlobe. Posledično se spremeni
hitrost svetlobe v mediju. Ko svetloba na drugi strani izide iz medija
se ji povrne hitrost, s katero je svetloba vstopila v medij.
Zakon o lomu svetlobe4 ne vsebuje odvisnosti loma svetlobe od
hitrosti medija, skozi katerega se giblje svetloba. Hitrost svetlobe v
steklu je torej odvisna le od lomnega količnike, ne pa od hitrosti
medija. Odvisnost hitrosti svetlobe od hitrosti medija, v katerem se
giblje svetloba, je leta 1851 meril Hippolyte Fizeau in z meritvijo
pokazal da hitrost medija ne vpliva na hitrost svetlobe v mediju5.
Da hitrosti svetlobe v mediju ni odvisna od hitrosti medija kažejo tudi
lastnosti leč. Optika leč teleskopa ni občutljiva na hitrost gibanja
teleskopa, kadar se teleskop nahaja na primer na gibajočem se
vesoljskem plovilu.
Svetloba pri vstopu v drug snovni medij spremeni hitrost za določen
faktor, kot je prikazano na Sliki 19. Lomni kot svetlobe v steklu je torej
odvisen od lomnega količnika in valovne dolžine, ne pa od vpadne
hitrosti svetlobe.
Absorpcija in odboj svetlobe
Ko EM val zadene v snov ni nujno, da potuje skozi snov kot pri lomu
svetlobe. V snovi lahko pride bodisi do absorpcije svetlobe, do
razpršenega odboja svetlobe ali do zrcaljenja svetlobe.
EM val v snovi, v katero zadene, ustvari premikalni tok. Kadar v snovi
obstaja primerna upornost snovi, se premikalni tok v snovi pretvori v
toploto. Svetloba se s tem v snovi absorbira.
Kadar svetlobni tok vpade na snov z dobro električno prevodnostjo,
premikalni tok EM vala v snovi ustvari električni tok. Premikalni tok
4
[2] Reflection and refraction – Encyklopaedia Britannica
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/340440/light/258393/Reflection
-and-refraction
5
Fizeau experiment – wikipedija
http://en.wikipedia.org/wiki/Fizeau_experiment
12.4.2015
25
Franc Rozman
obrne fazo EM valovanja in svetloba se odbije. Če je odbojna površina
hrapava se svetlobni žarki odbijejo razpršeno v različne smeri. Kadar
je električno prevodna odbojna snov gladka, se svetlobni EM val
odbije pod enakim kotom. Ogledalo vsak EM val, ki prispe na
parabolično ogledalo teleskopa, usmeri v žarišče teleskopa. Slike vseh
nebesnih teles na teleskopu so ostre, ne glede na to, s kakšno hitrostjo
se gibljejo ogledala, kadar so na primer na vesoljskem plovilu.
Optika teleskopa je lahko enaka za vse svetlobne žarke le v primeru,
če je odboj svetlobe simetričen, ne glede na take ali drugačne lastnosti
vpadne svetlobe. Simetrični odboj svetlobe na zrcalu teleskopa ne
pomeni, da sta vpadna in odbojna hitrost svetlobe v vseh okoliščinah
in v vseh razmerah enaki svetlobni hitrosti. Katera koli hitrost
svetlobe, ki se odbije z enako hitrostjo, kot je vpadna hitrost, ima za
posledico simetrični odboj.
Uklonska mrežica
Svetlobni EM val ima določene prostorske razsežnosti, kot kaže Slika
8 in Slika 10. Ravno tako ima reža neko velikost za prehod žarka.
Izberem tako režo, ki je v velikostnem razredu svetlobnih EM valov in
skozi režo spustim svetlobo.
EM val reže ne more preiti neovirano. EM val tako ali drugače zadene
ob njen rob, reža pa mu s tem popači obliko. EM val si po prehodu
reže obnovi svoje EM polje v obliko, kot mu jo določajo kvantni in
Maxwellovi zakoni.
Širjenje valovanja v reži pojasnjuje Huygensovo načelo, ki pravi, da je
vsaka točka valovne fronte vir novega krogelnega vala, ki nadaljuje
pot z isto hitrostjo kot izvorni val.
Zastavim si heretično hipotetično vprašanje: Kaj se zgodi, če svetloba
na režo vpade s hitrostjo, ki ni enaka svetlobni hitrosti ? Ali svetloba
v tem primeru sledi Huygensovem načelu in pot nadaljuje z enako
hitrostjo, različno od svetlobne hitrosti, ali pa se reža obnaša kot
avtonomen vir svetlobe, ki svetlobo ne glede na vpadno hitrost
svetlobe, izseva s svetlobno hitrostjo.
To vprašanje bi bilo brez pomena, če ne bi obstajala možnost meritve,
ki daje odgovor na to vprašanje.
12.4.2015
26
Franc Rozman
Meritev
Na vhod v režo naj vstopa svetloba iz sončeve korone, katere hitrost
pa zaradi turbulenc sončeve korone hipotetično ni nujno enaka
svetlobni hitrosti.
c0
Meritev naj pokaže,
c
EM val
ali svetloba režo
zapusti z vstopno
hitrostjo svetlobe na
λ0
λ
režo, ali pa se ji
reža
hitrost adaptira na
Slika 20
svetlobno hitrost,
kot to kaže Slika 20.
Kadar postavimo drugo ob drugo več rež, dobimo uklonsko mrežico.
Uklon svetlobe na uklonski mrežici prikazuje Slika 21A. Za naš primer
je zanimiva uklonska mrežica, ki prepušča svetlobo. Odbojne mrežice
se obnašajo drugače in za naš primer niso zanimive.
Slika 21A
Svetloba na Sliki 21A vstopa pravokotno na uklonsko mrežico. Na
sredini ustvarja belo črto, to je uklon ničtega reda, ki vsebuje svetlobo
vseh valovnih dolžin, ob straneh pa barvni spekter, kjer je uklon
svetlobe odvisen od valovne dolžine svetlobe.
12.4.2015
27
Franc Rozman
V nadaljevanju naj svetloba ne vpada pravokotno na uklonsko
mrežico, ampak pod kotom. Na mrežico
prihajajočo valovno fronto svetlobnega
λ0
A
žarka prikazuje frontna linija AC, frontna
B
linija BD pa ponazarja odhajajočo fronto
svetlobe po prehodu mrežice.
C
Žarek v laboratorijskih razmerah po
prehodu uklonske mrežice nadaljuje pot
λ
v ravni liniji glede na vpadni žarek.
Nespremenjena smer poti žarka po
Slika 21
prehodu mrežice je posledica enakega
števila EM valov enakih valovnih dolžin,
tako na relaciji AB, kot na relaciji CD.
D
V nadaljevanju na mrežico usmerimo svetlobo iz turbulentnega vira,
na primer iz sončeve korone. Ko na mrežico vpade svetloba
hipotetično različnih hitrosti, se ob prehodu mrežice, kot to kaže Slika
20, lahko spremeni lomni kot svetlobe.
V primeru spremembe hitrosti svetlobe na uklonski mrežici, svetloba
na mrežici spremeni valovno dolžino. Frekvenca ostaja enaka, ker na
mrežico vpade ravno toliko EM valov, kot jih v opazovanem obdobju
po uklonu odide od mrežice.
Valovna dolžina vpadne svetlobe je s tem lahko drugačna kot valovna
dolžina svetlobe po uklonu, to pa spreminja razdaljo AB v odnosu na
razdaljo CD, kar vpliva na uklonski kot. Svetloba v tem primeru po
prehodu mrežice ne potuje več v ravni črti z vstopno svetlobo, ampak
se ukloni. Posledica različnih uklonskih kotov svetlobe pa je povečan
raztros in s tem zmanjšanje prepoznavnosti bele črte ničtega reda
uklona svetlobe.
Opisano hipotezo torej lahko potrdimo oziroma ovržemo z meritvijo.
Če na uklonski mrežici zasledimo vpliv hitrosti vira svetlobe na
povečan raztros bele lise uklona ničtega reda, je sprememba uklonskih
kotov na uklonski mrežici lahko le posledica različnih hitrosti vpadne
svetlobe na uklonsko mrežico, kot to kažeta Slika 21.
12.4.2015
28
Franc Rozman
Meritev 1 – Spremembo hitrosti svetlobe na uklonski
mrežici potrdimo/ovržemo z meritvijo uklona ničtega
reda svetlobe iz gibajočega vira svetlobe na uklonski
mrežici. Primerjamo prepoznavnost prehoda bele
svetlobe v laboratorijskih razmerah s prepoznavnostjo
spektralne črte svetlobe iz Sonca, to je vira z velikimi
turbulencami z različnimi hitrostmi plazme, kot virov
svetlobe.
Alternativna meritev za ugotavljanje vpliva hitrosti svetlobe na
uklonski mrežici je tudi merjenje prepoznavnosti spektralnih črt
uklona svetlobe prvega ali višjega reda. Meritev zabrisanosti oziroma
prepoznavnosti spektralnih črt po eni strani omogoča bolj pricizne
rezultate. Slabost meritve razpoznavnosti spektralnih črt prvega reda
pa je v tem, da prepoznavnost spektralnih črt ni odvisna le od
sprememb hitrosti svetlobe, ampak tudi sprememb valovne dolžine
vpadne svetlobe na uklonsko mrežico.
Meritev 1 daje odgovor na vprašanje, ali je uklonska mrežica
občutljiva le na valovno dolžino svetlobe ali pa je občutljiva tudi na
frekvenco svetlobe. To pa je ključna informacija za uspešno merjenje
hitrosti svetlobe, kot je opisano v naslednjem poglavju.
Hitrost svetlobe
O hitrosti svetlobe se pojavlja več vprašanj, na katera lahko odgovorijo
le nedvoumne meritve hitrosti svetlobe. Na primerih si oglejmo, kje
naletimo na težave pri razumevanju hitrosti svetlobe.
Posebna teorija relativnosti
Posebna teorija relativnosti (PTR) ne vliva zaupanja v vedno enako
hitrost svetlobe. Dvom naj ilustriram na primeru.
V točki A si zamislim vir svetlobe, v točki B pa tri opazovalce. Eden
miruje, dva pa se v času opazovanja srečujeta v točki B tako, da se
eden približuje viru svetlobe, drug pa se od vira svetlobe oddaljuje.
12.4.2015
29
Franc Rozman
Opazovalci izmerijo po Dopplerjevem zakonu različne frekvence
svetlobe. Po PTR naj bi vsak opazovalec zaznal tudi drugačno valovno
dolžine svetlobe.
Med virom svetlobe in opazovalci je za vse tri opazovalce enako
število EM valov. Različna valovna dolžina svetlobe opazovalcev je
po PTR posledica transformacije prostora. Opazovalci imajo glede na
vir različne hitrosti. Vsak od opazovalcev naj bi bil po PTR na
drugačni oddaljenosti od vira svetlobe kljub temu, da se v času
opazovanja vsi nahajajo v isti točki in da je tudi vir svetlobe le eden.
Opazovalci lahko zaznajo različne razdalje do vira svetlobe le zaradi
individualnih po PTR opazovalcem prilagojenih meril, merskih enot,
s katerimi merijo razdaljo do svetila. Za vsakega opazovalca je merilo
za merjenje razdalje individualno in prilagojeno tako, da na osnovi
izbranega merila svetloba ohranjala svetlobno hitrost.
Različne razdalje opazovalcev do svetila so torej lahko le navidezne,
namenjene takemu matematičnemu opisu pojava, ki zagotavlja v vseh
razmerah enako hitrost svetlobe.
Ali so različna merila opazovalcev za merjenje njihovih razdalje do
svetila upravičena, lahko pojasnimo le z meritvijo valovne dolžine
svetlobe pri vsakem od opazovalcev. Taka meritev še ni opravljena,
metoda meritve pa je prikazana in opisana v nadaljevanju na Sliki 35
in opisana kot Meritev 4.
Rezultati na Sliki 35 prikazanih meritev, čeprav še niso bili objavljeni,
kažejo, da vsi trije opazovalci izmerijo enako valovno dolžino
svetlobe. To pa postavlja pod vprašaj tako v vseh razmerah enako
hitrost svetlobe kot tudi PTR.
Potek časa v dveh raketah
Z Zemlje izstrelimo raketi A in B v različnih smereh (A levo, B desno)
z enakima hitrostma glede na Zemljo. Enaki hitrosti raket A in B,
gledano z Zemlje, po PTR pomenita enako hiter tek časa v obeh
raketah. Uri v raketah A in B kažeta različen čas kot ura na Zemlji.
Med seboj pa uri v raketah A in B po opažanju zemljana tečeta
sinhrono in kažeta enak čas. Raketarja v raketah A in B se torej enako
hitro starata.
12.4.2015
30
Franc Rozman
Kadar pa čas v raketi B opazuje raketar iz rakete A, po PTR ne zaznava
sinhronega teka časa v obeh raketah. Raketar A v raketi B zaznava
počasnejši tek časa kot v svoji raketi A. Raketi se namreč hitro
oddaljujeta.
Primer naj ilustriram na številkah. Raketi naj z Zemlje vsaka v svojo
smer odletita s hitrostjo 0,999 c. Zemljan po PTR transformaciji časa
opazi, da na eni in drugi raketi (na obeh enako) potečeta le cca dve
minuti v času, ko na Zemlji poteče ena ura. Kadar raketar A gleda v
raketo B pa na osnovi transformacije časa po PTR opazi, da v raketi B
(zaradi še večje hitrosti med njima, kot med raketo in zemljo) poteče
le cca ena minuta v času, ko v raketi A preteče ena ura. Obratno tudi
raketar B opaža, ko gleda v raketo A, da v času, ko v raketi B poteče
ena ura, v raketi A poteče le ena minuta. Vsak od raketarjev vidi, da v
nasprotni raketi čas teče mnogo počasneje, kot pri njem. Videnja so si
med seboj neskladna.
Gibanje svetlobe skozi stekleno kocko
Mirujoči vir svetlobe naj seva svetlobo v mirujoče ogledalo skozi
gibajočo stekleno kocko (Slika 22). Svetlobni žarek se odbije od
ogledala in po odboju še v obratni smeri prepotuje stekleno kocko.
Žarek opazujeta opazovalca A in B. Opazovalec A miruje glede na vir
svetlobe (in ogledalo), opazovalec B pa miruje glede na stekleno
kocko. Je na njej in se giblje skupaj z njo.
Ogledalo
B
Steklo
v
v
A
x
y
Slika 22
Opazovalec A opazi svetlobno hitrost žarka na poti od vira svetlobe do
vstopa svetlobe v stekleno kocko ter zmanjšano hitrost svetlobe v
steklu za lomni količnik svetlobe v steklu. Hitrost svetlobe v steklu je
12.4.2015
31
Franc Rozman
odvisna od lomnega količnika stekla, ne pa od hitrosti steklene kocke,
kot je to prikazano na Sliki 19.
Ob izstopu iz steklene kocke se hitrosti svetlobe povrne svetlobna
hitrost. S svetlobno hitrostjo svetloba prispe do gledala in se z enako
hitrostjo odbije od ogledala in vrne nazaj do steklene kocke, kjer v
točki y vstopi v steklo. Tam se njena hitrost ponovno zmanjša. Po
prehodu skozi kocko svetloba v točki x izstopi iz stekla in se vrne k
viru s svetlobno hitrostjo.
Opazovalec A v steklu, kot je že leta 1851 izmeril Hippolyte Fizeau 6,
opaža enako hitrost svetlobe v stekleni kocki ne glede na hitrost kocke.
To pomeni, da opazovalec A opaža enako hitrost, če se žarek giblje
skozi steklo v smeri gibanja steklene kocke ali v nasprotni smeri
gibanja kocke.
Čas potovanja žarka v steklu
V primeru, ko se žarek in steklena kocka gibljeta v smeri isti smeri,
žarek vstopi v stekleno kocko v točki x. V času potovanja žarka skozi
stekleno kocko se izstopna točka žarka iz stekla (y) od žarka oddaljuje
(kot pri Sagnac interferometru7), zato se zaradi hitrosti steklene kocke
podaljša čas potovanja žarka v stekleni kocki.
Ko se žarek vrača skozi stekleno kocko, po odboju od ogledala, se
izstopna točka x približuje žarku, kar skrajša čas potovanja žarka v
stekleni kocki. Žarek v smeri proti ogledalu, zaradi gibanja steklene
kocke, skozi stekleno kocko potuje dlje, kot v nasprotni smeri.
Hitrost gibanja žarka v steklu je v obeh primerih enaka, čas preleta
žarka pa je različen v eni in drugi smeri zaradi različno dolgih poti
žarka.
Zaznava drugega opazovalca
Opazovalec B stoji na stekleni kocki, zato steklena kocka v njegovem
sistemu opazovanja miruje.
6
Fizeau ugotavlja minimalno spremembo hitrosti svetlobe zaradi gibanja
snovi, vendar je ta sprememba tako majhna, da jo za naš primer lahko
zanemarimo.
7
[1] Sagnac effect - Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Sagnac_effect
12.4.2015
32
Franc Rozman
Oba opazovalca opazujeta isti pojav, to je isti uri v točkah x in y. Za
oba opazovalca ura v točki x teče sinhrono z uro v točki y 8. Ker oba
opazovalca opazujeta isti pojav na istih urah, tudi opazovalec B opaža
različen čas potovanja žarka v eni in drugi smeri skozi stekleno kocko.
Za opazovalca B steklena kocka ter točki x in y mirujeta, zato sta
različna časa potovanja žarkov skozi stekleno kocko lahko le posledica
različnih hitrosti žarkov.
Pot žarka od stekla do ogledala
Oglejmo si še tisti del poti žarka, ko žarek izstopi iz steklene kocke in
potuje proti ogledalu.
Med stekleno kocko in ogledalom je določeno število EM valov
svetlobe. Število valov je odvisno od valovne dolžine svetlobe in od
razdalje med stekleno kocko in ogledalom. Ker se razdalja med
steklom in ogledalom zaradi gibanja steklene kocke zmanjšuje, je na
tej razdalji vse manj EM valov, in ko se steklena kocka dotakne
ogledala, med stekleno kocko in ogledalom ni več EM valov.
Zmanjševanje števila EM valov na omenjeni relaciji pomeni, da iz
steklene kocke v časovni enoti izstopi manj valov, kot jih prispe na
ogledalo. To pomeni, da je frekvenca svetlobe pri izstopu svetlobe iz
steklene kocke manjša od frekvence svetlobe, ki vpada na ogledalo.
Pri določanju ene in druge frekvence nismo odvisni od ur in merjenj
časa v eni ali drugi točki, saj razliko frekvence določa kar sprememba
števila EM valov na razdalji od steklene kocke do ogledala.
Opazovalec A in tudi opazovalec B, vsak v svojem sistemu
opazovanja, na razdalji od steklene kocke do ogledala vidita enako
valovno dolžino vseh valov v verigi9. Valovna dolžina svetlobe, tako
za opazovalca A, kot za opazovalca B je na izstopu iz steklene kocke
enaka valovni dolžino svetlobe, ki vpade na ogledalo. Frekvenca
8
Opazovalca po teoriji relativnosti sicer lahko vidita različno hiter potek časa
v točki x, kar pa za naš primer ni bistveno. Ključno je, da ura v točki x ne
prehiteva ali zaostaja za uro v točki y za nobenega od opazovalcev.
Valovna dolžina je v enem in drugem sistemu opazovanja je po PTR lahko
različna, vendar je za naš primer to ni pomembno.
9
12.4.2015
33
Franc Rozman
svetlobe na izstopu iz steklene kocke pa je manjša od frekvence
svetlobe, ki vpade na ogledalo. Skladno z enačbo c= f.λ to pomeni
manjšo hitrost svetlobe na izstopu iz steklene kocke od hitrosti
svetlobe, ki vpade na ogledalo.
Meritve hitrosti svetlobe
Poti do razkritij naravnih zakonitosti so pogosto dolge in prepletene, z
mnogimi presenečenji kot s stranpotmi. To velja tudi za razkrivanje
hitrosti svetlobe.
Še najmanj težav znanosti povzroča merjenje hitrosti svetlobe, ki
prihaja z mirujočega vira svetlobe, to je v razmerah, ko se vir svetlobe
in opazovalec nahajata v istem sistemu opazovanja.
Zgodovino meritev hitrosti svetlobe je leta 1997 opisal Philip Gibbs v
članku ''How is the Speed of Light Measured?''10 Seznam opravljenih
meritev prikazuje spodnja tabela.
Zgodovina meritev hitrosti svetlobe
Leto
10
Avtor
Metoda
1676 Olaus Roemer
Jupiter's satellites
1726 James Bradley
Stellar Aberration
1849 Armand Fizeau
Toothed Wheel
1862 Leon Foucault
Rotating Mirror
1879 Albert Michelson
Rotating Mirror
1907 Rosa, Dorsay
Electromagnetic
constants
1926 Albert Michelson
Rotating Mirror
1947 Essen, Gorden-Smith
Cavity Resonator
1958 K. D. Froome
Radio Interferometer
1973 Evanson in drugi
Lasers
1983
Adopted Value
Philip Gibbs:– ''How is the speed of light measured?'' (1997)
12.4.2015
34
Franc Rozman
Opisi omenjenih meritev so razumljivi in so splošno dostopni, zato jih
tu le omenjam.
Meritve kažejo, da svetloba v praznem prostoru vsakokrat zapusti vir
svetlobe s hitrostjo 2.99792 108 m/s. To hitrost označujemo s
konstanto c in jo imenujemo svetlobna hitrost. V članku Philipa
Gibbsa pa ne smemo spregledati, da so vse navedene meritve
opravljene v razmerah, ko izvor in ponor svetlobe mirujeta v odnosu
drug do drugega.
Vpliv magnetnega polja na hitrost svetlobe
Na Soncu opažamo sončeve pege, ki so posledica močnih magnetnih
polj. Močno magnetno polje zmanjša svetlost Sonca na mestu
močnega magnetizma. Smiselno se je torej vprašati, kako magnetno
polje vpliva na gibanje svetlobe.
Na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani merimo lastnosti svetlobe
na osnovi optičnih interferometrov. Za nekatere od teh meritev
najdemo podobne meritve v literaturi, kar olajša merjenja.
Analiziramo različne interpretacije objavljenih rezultatov in na osnovi
lastnih meritev skušamo globlje razumeti lastnosti svetlobe.
Vrste optičnih interferometrov
Glede na izvedbo poznamo dve vrsti Sagnacovih interferometrov, ki
spadata v skupino optičnih interferometrov. Eni delujejo na osnovi
odboja svetlobe od ogledal (prostozračna izvedba), drugi pa na osnovi
optičnih vlaken in optičnega sklopnika (vlakenska izvedba).
Sagnacov interferometer, ki ga prikazuje Slika 23 deluje na osnovi
optičnega sklopnika in enorodnega optičnega vlakna.
12.4.2015
35
Franc Rozman
Slika 23
Optični sklopnik razdeli laserski žarek v dva žarka in jih pošlje v
nasprotnih smereh v kolut optičnega svetlovoda. Ko žarka prepotujeta
svetlovod, eden v eni smeri, drug v drugi smeri, jih isti optični sklopnik
združi in usmeri proti detektorju.
Uporabimo Sagnacov interferometer, ki se ne vrti. Na svetlobo v
optičnem vlaknu vplivamo z zunanjim magnetnim poljem.
Za meritve uporabljamo 30 cm dolgo tuljavo, v kateri ustvarimo
magnetno polje z magnetno gostoto 20 mT, impulzno za čas 15ms pa
tudi magnetno gostoto do 200 mT.
Uporabljamo laserski vir svetlobe tipa HP8168F z valovno dolžino
1550 nm. Svetlobni tok na izhodu iz interferometra merimo s
spektralnim analizatorjem tipa AQ6317
Kadar se EM val svetlobe znajde v zunanjem magnetnem polju, pride
do medsebojnega vpliva med svetlobnim EM valom in magnetnim
poljem.
Meritev električnega toka v daljnovodu
Sagnacov interferometer se v praksi uporablja za merjenje
električnega toka tako, da optično vlakno, v katerem potuje žarek,
navijemo okrog vodnika električnega toka. Na ta način svetlobni žarek
vodimo skozi magnetno polje, ki ga ustvarja tok v daljnovodu. Ta
12.4.2015
36
Franc Rozman
meritev je opisana v članku Optical Current Sensors for High Power11 in
prikazana na Sliki 24.
Slika 24
Meritev pokaže različne čase prehoda žarka skozi optično vlakno v
odvisnosti od gostote magnetnega polja, ki ga ustvarja električni tok.
Različni časi prehoda žarka v optičnem vlaknu so lahko posledica
bodisi spremembe hitrosti žarka v optičnem vlaknu, bodisi spremembe
dolžine optičnega vlakna.
Članek kot razlog različnih časov prehoda svetlobe skozi optično
vlakno navaja spremembo dolžine optične poti žarka, ki naj bi bila
posledica magnetostrikcije, ki jo v optičnem vlaknu povzroči
magnetno polje. Razloga magnetostrikcije ne dokazuje. Članek
navaja, da je opisan sistem sposoben zaznati razlike v dolžini optične
poti žarka z natančnostjo 50 nm, kar v njihovi izvedbi instrumenta
ustreza magnetnemu polju v območju od 50 nT do 800 μT.
Ocena vzroka časovnega zamika
Članek kot rečeno ne dokazuje magnetostrikcije kot razloga za
različne čase potovanja žarka v optičnem vlaknu, lahko jih povzroči
tudi sprememba hitrosti žarka.
Na to vprašanje nudi odgovor naslednja meritev. Patent Sensing unit
for sagnac optical fibre current sensor12 omogoča meritev
električnega toka v daljnovodu tako, da magnetno polje, ki ga ustvarja
11
Optical Current Sensors for High Power http://www.mdpi.com/20763417/2/3/602/pdf
12
Sensing unit for sagnac optical fibre current sensor
http://www.google.com/patents/EP2245426B1?cl=en
12.4.2015
37
Franc Rozman
električni tok, vpliva na časovni zamik žarkov v optičnem vlaknu
Sagnacovega interferometra. Način meritve prikazuje Slika 25.
Slika 25
Laser (17) svetlobo usmerja na optični sklopnik (21), ki jo razdeli13 v
obeh smereh optičnega vlakna. Žarka se vrneta z različnima
zakasnitvama, odvisno od električnega toka v vodniku in posledično
magnetnega polja, ki ga ta tok ustvarja.
Laser oddaja 100 ns impulze, na detektorju pa merimo časovni zamik
vrnitve impulzov enega in drugega žarka neposredno v nanosekundah.
Merimo neposredno čas zamika med žarkoma.
Meritev (Slika 25) pokaže časovni zamik med prispetjem enega in
drugega žarka do optičnega sklopnika. Izmerjen časovni zamik je
linearno sorazmeren s tokom in posredno z magnetno gostoto, v kateri
se nahaja optično vlakno.
Izmerjenega časovnega zamika med žarkoma ne moremo pripisati
magnetostrikciji. Magnetno polje na enak način vpliva na dolžino
13
Sklopnik svetlobo razdeli v tri smeri zato, da v celotnem tokovnem
območju lahko meri električni tok. Za naše razumevanje zadostuje
spremljanje delitve žarka v obe smeri Sagnackovega interferometra.
12.4.2015
38
Franc Rozman
optičnega vlakna za oba žarka, v eni in drugi smeri. Magnetostrikcija
bi za enak faktor spremenila dolžino optičnega vlakna in s tem optične
poti enega in drugega žarka.
Časovni zamik med žarkoma lahko nastane le zaradi različnih hitrosti
svetlobe tako, da magnetno polje drugače vpliva na hitrosti svetlobe v
enem in drugem žarku, odvisno od tega, ali svetlobni žarek potuje v
smeri magnetnega polja ali v nasprotni smeri magnetnega polja.
Vpliv magnetnega polja na EM valovanje
Zunanje magnetno polje je stacionarno magnetno poje, kot je
stacionarno tudi elektrostatično polje. V stacionarnem polju ne
opažamo pretoka energije. Je pa stacionarno polje kljub temu statična
oblika energije. Če se v elektrostatičnem polju znajde električni naboj,
na primer elektron, elektrostatično polje nanj deluje s silo in ga
pospešuje. Elektrostatično polje svojo energijo predaja elektronu.
Podobno je, kadar se v statičnem magnetnem polju pojavi električni
tok. Magnetno polje nanj deluje s silo in ga pospešuje.
Kadar se svetloba znajde v zunanjem magnetnem polju, zunanje
magnetno polje s silo deluje na premikalni tok svetlobnega EM vala.
Premikalni tok EM vala je opisan na Sliki 4. Sila na premikalni tok
EM vala, s tem pa tudi na sam EM val deluje na en način, kadar
magnetno polje kaže v isto smer kamor potuje svetlobni žarek, na drug
način pa takrat, kadar svetlobni žarek potuje v nasprotno smer
magnetnega polja14. V Sagnacovem interferometru en žarek potuje v
smeri zunanjega magnetnega polja, drug žarek pa potuje v nasprotni
smeri zunanjega magnetnega polja.
Razlika v hitrostih svetlobnega EM valovanja v enem in drugem žarku
Sagnacovega interferometra pod vplivom zunanjega magnetnega polja
pa ni neposredno vezana na snov. Spremembo oblike svetlobnih EM
14
Magnetno polje deluje na premikalni tok pravokotno na smer gibanja
svetlobe in magnetnega polja, v eni smeri na en pol-val svetlobnega EM
valovanja, v drugi smeri na drug pol-val. Ta sila deformira EM val v obliki
žage. Deformacija je različna, kadar svetlobni žarek potuje v smeri
magnetnega polja od deformacije, kadar žarek potuje v nasprotni smeri od
magnetnega polja.
12.4.2015
39
Franc Rozman
valov in posledično sprememba hitrosti svetlobe v zunanjem
magnetnem polju, hipotetično lahko pričakujemo tudi v vakuumu.
Opisan način vpliva magnetnega polja na hitrost svetlobe pa nudi
odgovor tudi na izvor Faradayevega učinka.
Faradayev učinek
Sprememba hitrosti svetlobe je le eden od načinov na katerega zunanje
magnetno polje vpliva na EM svetlobni val. Opažamo še drug način
vpliva magnetnega polja na EM val, kot ga opisuje Faradayev učinek
in prikazuje Slika 26.
Slika 26
Faraday je že leta 1845 ugotovil, da magnetno polje vpliva na
spremembo polarizacije svetlobe, kot je prikazano na Sliki 26.
Faradayev zasuk polarizacije lahko izrazimo z enačbo φ = ν.l.B, kot je
to opisano v članku 'The Faraday effect'15. φ je zasuk polarizacije
svetlobe, ν je konstanta vrtenja, odvisna od medija, izražena v radianih
na meter in na magnetno gostoto, l je dolžina tuljave, B pa magnetna
gostota.
Kadar zunanje magnetno polje iz kakršnega koli razloga poruši
simetrijo električnega in magnetnega polja EM valovanja glede na x
os koordinatnega sistema, to ustvari vrtilni moment na premikalni tok
svetlobnega EM vala okrog osi x. Vrtilni moment suče svetlobni EM
15
The Faraday effect
http://www.physics.rutgers.edu/~eandrei/389/faraday.pdf )
12.4.2015
40
Franc Rozman
val okrog osi x, s tem pa suče polarizacijo svetlobe in Faradayev
učinek.
Tudi Faradayev učinek bi na osnovi zapisanih zakonitosti hipotetično
morali zaznati v praznem prostoru. Ni znano, da bi bil Faradayev
učinek merjen v vakuumu, bil pa je merjen v zraku kot približku
praznega prostora. Izmerjena konstanta vrtenja polarizacije znaša 5,62
10-10 rd/m.T, kot je opisano v članku 'The Faraday effect'.
Hitrost svetlobe v gravitacijskem polju
V literaturi opisan gravitacijski rdeči zamik spektralne črte
(»Gravitational redshift«) govori o vplivu gravitacijskega polja na
spremembo valovne dolžine svetlobe.
Slika 27
Če je na Sliki 27 točka B območje večje gravitacije, točka A pa
območje manjše gravitacije, literatura 16 opisuje, da ima svetloba v
točki A večjo valovno dolžino, kot v točki B.
Svetlobo v obeh točkah opazuje opazovalec prikazan na levi strani
Slike 27. Opazovalec brez uporabe ure opazi, da skozi točko A v
katerem koli obdobju opazovanja potuje toliko valov svetlobe, kot
skozi točko B.
16
Wikipedija Gravitational redshift
12.4.2015
41
Franc Rozman
Če v prostor med točkama A in B ne bi prihajalo enako število EM
valov, kot jih njega izhaja, nastane vprašanje bodisi nenehnega
povečevanja števila svetlobnih EM valov na opisani razdalji ali
vprašanje izničevanja valov, ki so vstopili in niso izstopili.
Opazovalec torej ne rabi ure, ker pogostost prehodov EM valov skozi
točki A in B primerja neposredno. Uro rabimo le v primeru, kadar
dogodkov ne moremo neposredno primerjati.
Enako število valov med točkama A in B posledično pomeni enako
frekvenco EM valovanja v točki A, kot tudi v točki B.
Hitrost svetlobe oziroma hitrost EM valov določa enačba c = f · λ, pri
čemer je c hitrost svetlobe, f njena frekvenca in λ valovna dolžina. Če
se zaradi spremembe gravitacijskega polja spreminja valovna dolžina
svetlobe na njeni poti, ne pa frekvenca, se torej s spremembo
gravitacije spreminja hitrost svetlobe.
Vpliv radialnega pospeška na hitrost svetlobe
S Sagnacovem interferometrom, prikazanim na Sliki 23, lahko merimo
vpliv radialnega pospeška na hitrost svetlobe. V tem primeru
optičnega vlakna ne izpostavljamo magnetnemu polju ampak
interferometer vrtimo.
Kolut optičnega vlakna rotira, zato eden od žarkov potuje v smeri
rotacije optičnega vlakna, drug žarek pa potuje v nasprotni smeri
rotacije. Optično vlakno je za oba žarka isto in s tem enako dolgo.
Časovni zamik med enim in drugim žarkom se povečuje linearno z
dolžino vlakna, premerom koluta na katerega je navito in kotno
hitrostjo vrtenja koluta17 Δt = L.D.ω/c2
Žarka do detektorja prispeta z enako frekvenco. Pri konstantni hitrosti
vrtenja interferometra interferenčni signal ne utripa, kar pomeni, da sta
frekvenci žarkov enaki.
17
Basac Secmen, SIMULATION ON INTERFEROMETRIC FIBER OPTIC
GYROSCOPE WITH AMPLIFIED OPTICAL FEEDBACK, September 2013,
http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/1253657/index.pdf
12.4.2015
42
Franc Rozman
Dolžni poti žarkov
Literatura navaja, da imata žarka enako dolge optični poti le v
primeru, kadar interferometer ne rotira, kar prikazuje leva stran Slike
28.
18
Slika 28
Kadar interferometer rotira, naj bi se izhodna točka enemu žarku
približevala, od drugega pa oddaljevala, kar naj bi bil po mnenju
avtorja članka razlog za različno dolgi optični poti in s tem različna
časa poti enega in drugega žarka.
Dolžini poti žarkov
Če bi bili hitrosti svetlobe za zunanjega opazovalca v obeh smereh
skozi optično vlakno enaki, bi ustvarili časovni zamik19 Δt =
L.D.ω.n2/c2 med žarkoma in ne le Δt = L.D.ω/c2 , kakršen je izmerjen.
Izmerjen časovni zamik je manjši od časovnega zamika, ki bi ga v
optičnem vlaknu ustvarila za zunanjega opazovalca enako hitra žarka
v eni in drugi smeri. Meritve torej pokažejo, da se svetlobi v eni in
drugi smeri interferometra gibljeta z različnima hitrostma.
18 Sagnac effect - Wikipedia, the free encyclopedia
19
Obodna hitrost interferometra znaša r.ω, sešteti obodni hitrosti obeh žarkov pa D.ω.
Žarek v vlaknu potuje L.n/c sekund. Vlakno se torej domnevno podaljša za obodno
hitrost interferometra krat čas potovanja žarka v vlaknu, kar znaša L.D.ω.n/c metrov.
Če podaljšanje vlakna delimo s hitrostjo svetlobe v steklu, dobimo v enačbo časovnega
zamika Δt = L.D.ω/c2 (L- dolžina optičnega vlakna, D- premer optičnega koluta, ωkotna hitrost vrtenja koluta, n- lomni količnik stekla)
12.4.2015
43
Franc Rozman
Meritev 2: Ponovimo v literaturi že znano meritev
časovnega zamika med žarkoma z namenom razjasnitve
naslednje dileme. Če je časovni zamik med žarkoma
enak Δt = L.D.ω/c2, potem iz geometrijskih zakonitosti
sledi, da mirujoči opazovalec vidi različni hitrosti
enega in drugega žarka v optičnem vlaknu. Če
opazovalec vidi enaki hitrosti obeh žarkov, potem se
mora žarek v steklu gibati z enako hitrostjo kot v
vakumu, to je s svetlobno hitrostjo, kar je v nasprotju z
lomnim zakonom svetlobe. Nobenega od rezultatov ni
možno pojasniti s poznanimi zakonitostmi.
Primeren sistem opazovanja
Dolžini poti žarkov in časovni zamik med žarkoma lažje kot z opisano
meritvijo pojasnimo s primernim sistemom opazovanja. Ob pravilnem
razumevanju pojava mora kateri koli sistem opazovanja dati enak
pogled na pojav. Razlika med sistemi opazovanja so v tem, da nekateri
sistemi opazovanja pojav opišejo bolj nazorno in razumljivo, drugi
sistemi pa z manjšo preglednostjo dovoljujejo celo zmotne razlage
pojava.
Koordinatni sistem opazovanja torej postavimo v os vrtečega
interferometra tako, da se opazovalec vrti skupaj z interferometrom. V
tem sistemu opazovanja laserski izvor, detektor in optično vlakno
mirujejo; tudi v primeru rotiranja interferometra. Mirujoč laser,
mirujoč detektor in mirujoče optično vlakno pa ne kažejo različnih
dolžin poti žarkov med laserskim izvorom in detektorjem.
Izvor časovnega zamika med žarkoma
Žarka potujeta po krožnici. Na žarka delujeta radialna pospeška, kot
posledica hitrosti svetlobe v ukrivljenem vodniku. Radialni pospešek
na en žarek deluje v eni smeri, na drug žarek pa zaradi nasprotne smeri
v nasprotni smeri. Temu pospešku moramo prišteti še pospešek na
žarka zaradi rotiranja interferometra, ki pa je enak za oba žarka.
Pospešek zaradi vrtenja interferometra se posledično pospešku enega
žarka prišteva, od pospeška drugega žarka pa odšteva. Svetlobna žarka
posledično občutita različna radialna pospeška.
12.4.2015
44
Franc Rozman
Različna radialna pospeška sta prepoznavna razlika med žarkoma in
zato odgovor na vprašanje izvora časovnega zamika med žarkoma.
Vpliv hitrosti vira na hitrost svetlobe
Sagnacov interferometer na osnovi rotirajočih ogledal nudi možnost
merjenja časovnega zamika prispetja žarkov na detektor, s tem pa
možnost merjenja hitrosti svetlobe iz gibajočega vira svetlobe.
Zasnova Sagnacovega interferometra je prikazana na Sliki 29.
Interferometer je sestavljen iz laserskega svetila (L), pol propustnega
ogledala (B), ki žarek razdeli v dve smeri proti ogledaloma (M) na levi
strani slike.
Interferometer se vrti. Žarka se zaporedoma odbijata od ogledal (M),
drugega za drugim tako, da en žarek potuje med ogledali v smeri
vrtenja interferometra, drug žarek pa v nasprotni smeri vrtenja
interferometra. Na koncu pol propustno ogledalo oba žarka združi in
usmeri v isti žarek proti detektorju (P).
Slika 29
Žarka sta usmerjena tako, da se ogledala približujejo prvemu žarku in
oddaljujejo od drugega žarka.
Meritve ob mirujočem interferometru kažejo, da žarka do detektorja
prispeta sočasno. Ob vrtenju interferometra pa žarka do detektorja
12.4.2015
45
Franc Rozman
prispeta s časovnim zamikom. Članek Sagnac effect v Wikipediji20
opisuje, da žarka na Sliki 29 prikazanega interferometra, prispeta do
detektorja s časovnim zamikom približno Δt = 4Sω/c 2. S je površina
ploščine med ogledali, ω pa kotna hitrost.
Meritev časovnega zamika med žarkoma lahko opravimo po dveh
metodah. Manj prepričljiva je meritev faznega kota med žarkoma, kot
je opisano v članku 'SIMULATION ON INTERFEROMETRIC
FIBER OPTIC GYROSCOPE WITH AMPLIFIED OPTICAL
FEEDBACK'21, lahko pa časovni zamik med žarkoma merimo tudi
neposredno z meritvijo časovnega zamika med žarkoma.
Za neposredno merjenje časovnega zamika med žarkoma iz Sagnac
interferometra lahko uporabimo v članku THE POLARIZATION
SAGNAC INTERFEROMETER FOR GRAVITATIONAL WAVE
DETECTION22 opisano merilno metodo. Za potrebe te merilne
metode laser oddaja signal v obliki impulzov. Laserski signal ima s
tem obliko svetlobnih paketov. Na detektorju neposredno merimo čas,
v katerem prispe posamezen paket na detektor preko prvega in preko
drugega žarka. Razliko časov merimo neposredno v časovnih enotah.
Izvor časovnega zamika med žarkoma
Strokovna literatura pojasnjuje, da časovni zamik med žarkoma
povzroča približevanje ogledala enemu žarku oziroma oddaljevanje
ogledala od drugega žarka. Približevanje ogledala žarku bi moralo
imeti za posledico, tako po PTR, kot po Newtonovih zakonitostih,
spremembo frekvence žarka, ki pa je v meritvah s Sagnacovem
interferometrom ne izmerimo. Enemu žarku bi se frekvenca morala
20
Sagnac effect - Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Sagnac_effect
21
Basac Secmen, SIMULATION ON INTERFEROMETRIC FIBER OPTIC
GYROSCOPE WITH AMPLIFIED OPTICAL FEEDBACK, September
2013, http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/1253657/index.pdf
22
Peter T. Beyersdorf, THE POLARIZATION SAGNAC
INTERFEROMETER FOR GRAVITATIONAL WAVE DETECTION
January 2001
http://nlo.stanford.edu/system/files/dissertations/peter_beyersdorf_thesis_jan
uary_2001.pdf
12.4.2015
46
Franc Rozman
povečati, drugemu zmanjšati. Frekvenci obeh žarkov ostajata med
seboj enaki. To kaže interferenčni žarek na izhodu iz interferometra,
ki ne utripa pri konstantni hitrosti vrtenja interferometra.
Čas potovanja enega in drugega žarka
Zaradi rotacije žarka lahko spremenita smeri svojih poti, s tem pa sta
dolžini poti žarkov lahko različni. Različni dolžini poti žarkov je
možen odgovor na časovni zamik med žarkoma. Ni pa to edini možen
odgovor.
Druga možnost ustvarjenega časovnega zamika med žarkoma najbolje
zazna opazovalec, ki stoji na sredini interferometra, tako da dogajanje
opazuje iz središča interferometra in se vrti na njem.
V tem sistemu opazovanja radialno
ne pospešujejo ogledala k žarku,
ampak žarka radialno pospešujeta
proti ogledalom oziroma od
ogledala, kot to prikazuje Slika 30.
Žarek, ki potuje v nasprotni smeri
vrtenja v sistemu rotirajočega
opazovalca,
pospešuje
proti
ogledalu, žarek v smeri vrtenja pa
Slika 30
od ogledala. Tisti žarek, ki
pospešuje proti ogledalu, zadene ogledalo prej in z večjo hitrostjo, kot
žarek, ki pospešuje od ogledala. Z večjo hitrostjo se tudi odbije in
potuje do naslednjega ogledala, kjer se mu na enak način ponovno
poveča hitrost.
Imamo torej dve alternativni možnosti izvora časovnega zamika med
žarkoma s tem pa tudi obvezo, da z meritvijo izločimo pravi razlog
časovnega zamika med žarkoma.
Merimo lahko, s kakšno hitrostjo žarka zapustita ogledala in
odpotujeta proti detektorju. Časovni zamik med žarkoma lahko
merimo na dveh oddaljenostih detektorja od ogledal. Detektor P na
Sliki 29 enkrat postavimo v neposredno bližino pol propustnega
ogledala B, drugič pa na čim večjo možno razdaljo od ogledala B.
12.4.2015
47
Franc Rozman
V že opravljenih in objavljenih meritvah so občutljivost interferometra
povečali tako, da so detektor čim bolj oddaljili od pol propustnega
ogledala. S tem so posredno že potrdili, da je časovni razmik med
žarkoma večji na večji razdalji. To pa pomeni različni hitrosti svetlobe
na izhodu iz interferometra, kot to kaže Slika 31
Slika 31
Časovni zamik med žarkoma, izmerjen v točki A je manjši od
časovnega zamika, izmerjenega na bolj oddaljeni točki B. Časovni
zamik pa je še večji v točki C. To pa je dokaz različnih hitrosti žarkov
iz interferometra.
Meritev 3: Časovni zamik med žarkoma iz
interferometra merimo blizu polpropustnega ogledala,
v drugem primeru pa na večji razdalji od ogledala.
Primerjava rezultatov meritve časovnega zamika med
žarkoma, glede na Sliko 31 pokaže, ali sta/nista hitrosti
svetlobe na izhodu iz interferometra med seboj enaki.
Ponesrečeni poskusi meritev hitrosti svetlobe
Svetloba nudi kvalitetno sliko okolja na račun tega, da nam prikriva
svoje lastnosti in s tem otežuje merjenje njene hitrosti.
Michelsonov interferometer
Michelsonov interferometer predstavlja eno prvih meritev hitrosti
svetlobe iz gibajočega vira svetlobe, ki sta jo leta 1877 opravila
Michelson in Morley23. Literatura je enotna v tem, da je njuna meritev
ovrgla obstoj etra. Med fiziki pa so dileme, ali ta meritev meri hitrost
23
Jose A. Fretre: ''Experiment Of Michelson-Morley And The Original Formula''.
12.4.2015
48
Franc Rozman
svetlobe iz gibajočega vira svetlobe. Sodobni članki (v Wikipediji24 in
drugod) rezultatov te meritve ne pojmujejo kot meritve vstopne hitrosti
svetlobe v interferometer iz gibajočega vira.
Michelsonov interferometer je sistem ogledal, ki na vhodu na
polprepustnem ogledalu razdeli svetlobni žarek v dva žarka in ju po
ločenih poteh vodi do zaslona. Na zaslonu nastane interferenca. Shemo
njegovega interferometra prikazuje Slika 32.
zaslon
žarka se tu znova
srečata in združita
ogledalo 2
vstopni žarek se tu
razcepi k enemu in
drugemu ogledalu
polprepustno
ogledalo
ogledalo 1
Slika 32
V interferometru prvi žarek večji del poti potuje prečno, drugi pa
glavnino poti potuje vzdolžno. Michelson in Morley sta preverjala, ali
je hitrost žarka, katerega smer sovpada z domnevnim tokom etra,
enaka hitrosti žarka, katerega smer je prečna na domnevni tok etra.
S tem ko interferometer pri svetlobi, ki prihaja iz različnih smeri, ni
zaznal sprememb interference, sta pokazala, da eter ne obstaja.
Ugotovila sta, da se svetloba v interferometru v vzdolžni in prečni
smeri giblje z enako hitrostjo.
Enaka hitrost žarkov po eni in po drugi poti skozi interferometer pa ne
pomeni, da interferometer zazna manjše ali večje vpadne hitrosti
svetlobe. Interferometer ni občutljiv na različne vpadne hitrosti
svetlobe.
Njuna meritev je v starejši literaturi napačno razumljena. Zmotno
bralcu ponuja neutemeljen sklep, da svetloba prispe na ponor vedno s
24
''Michelson–Morley Experiment''; http://en.wikipedia.org/wiki/MichelsonMorley_experiment.
12.4.2015
49
Franc Rozman
svetlobno hitrostjo, četudi se vir svetlobe giblje glede na ponor. Tega
Michelson-Morleyjeva meritev ne pokaže.
Napačno razumevanje Michelson-Morleyjeve meritve je odvrnilo
fizike od prizadevanj, da bi poskušali objektivno izmeriti vpadno
hitrost tiste svetlobe v instrument, ki ima vir na gibajočem viru
svetlobe.
Meritev svetlobe iz pospeševalnika
Novembra 2011 so v Moskvi25 opravili meritev hitrosti svetlobe iz
ciklotrona, prikazane na Sliki 33. Literatura jo omenja kot meritev
hitrosti svetlobe iz gibajočega vira. Zanimiv je zaključek članka, ki
pravi, da meritev niti ni bila potrebna, saj je že brez nje jasno, da je
hitrost svetlobe enaka v vseh razmerah. Tak zaključek kaže na
nelagodje ob merjenju.
Slika 33
Rezultat meritve je pokazal, da svetloba iz pospeševalnika izhaja s
svetlobno hitrostjo. Takšna hitrost svetlobe je pričakovana, čeravno jo
v magnetnem polju ustvari hitro gibajoči elektron.
V ciklotronu imamo hitro gibajoče elektrone, ki sami ne ustvarjajo
svetlobe. Imamo tudi glede na ponor svetlobe mirujoče magnete in
njihovo mirujoče statično magnetno polje.
25
(Measuring speed of the light emitted by an ultrarelativistic source
- E. B. Aleksandrov, P. A. Aleksandrov, V. S. Zapasskii, V. N. Korchuganov, A. I.
Stirin)
12.4.2015
50
Franc Rozman
Ko elektron potuje skozi magnetno polje, v tem magnetnem polju
ustvari turbulence. Razburkano magnetno polje se po prehodu
elektrona praviloma izravna in umiri. V nekaterih primerih pa te
magnetne turbulence ustvarijo EM val, odvisno od načina in jakosti
vzburjenja magnetnega polja.
Gibajoči elektron res ustvari turbulence v magnetnem polju, nima pa
hitrost elektrona vpliva na hitrost ustvarjenega svetlobnega EM vala.
Hitrost EM vala določajo le lastnosti mirujočega in statičnega
magnetnega polja in v njem delujoči Maxwellovi zakoni. Svetlobna
hitrost svetlobe iz mirujočega magnetnega polja ciklotrona je torej
pričakovana.
Tudi ta meritev torej ne predstavlja meritve hitrosti svetlobe iz
gibajočega vira.
GPS
Razširjen primer ne metodološkega in pavšalnega dokazovanja v vseh
razmerah enake hitrosti svetlobe je delovanje GPS sistema, ki nam
služi za navigacijo. Najdemo razlage, da GPS sistem ne bi deloval, če
vanj ne bi bile vgrajene zakonitosti PTR.
Sateliti GPS oddajnikov krožijo nad GPS sprejemniki, s tem pa se
hitrosti med sprejemniki in sateliti ves čas spreminjajo.
Četudi bi satelit poznal svojo hitrost do posameznega GPS
sprejemnika, temu sprejemniku ne more prilagajati frekvence
osnovnega takta svoje ure, ker ima satelit do vsakega sprejemnika na
Zemlji drugačno hitrost, za vse sprejemnike pa satelit oddaja isti
signal. To pa ne omogoča usklajevanja frekvence signala na satelitu
skladno s PTR za posamezne GPS sprejemnike.
Razpadni čas mionov
Med zagovorniki PTR se kot pavšalni dokaz za njeno veljavnost
omenja razpolovna doba mionov. Na Zemlji mioni nastajajo ob
razpadu nabitih pionov v ozračju pod vplivom kozmičnih žarkov.
Življenjska doba mirujočih mionov je 2,2 ms.
Frisch in Smith sta merila število mionov na dveh višinah (na vrhu
gore in ob morju) med katerima je bilo 1900 m višinske razlike.
Pokazalo se je, da sta ob morju izmerila več mionov, kot sta
12.4.2015
51
Franc Rozman
pričakovala na osnovi njihove življenjske dobe. Kadar se mioni na
primer gibljejo s hitrostjo, ki je blizu svetlobne, v času razpadne dobe
prepotujejo le 660 m. Domnevala sta da ob morju zaznata več mionov
zaradi daljše življenjske dobe, ki je posledica PTR in velikih hitrosti
mionov.
Ta domneva je zelo nezanesljiva, saj nimamo podatka, kako hitro se v
povprečju mioni gibljejo, niti nimamo podatka, kako visoko v ozračju
nastajajo mioni. Ob takih izhodiščnih je pa je možno izoblikovati
mnoge zelo različne špekulativne zgodbe o nastajanju in umiranju
mionov.
Tu ne trdim, da je bolj pravilna ena ali druga razlaga. Trdim pa to, da
taki primeri, ki imajo množico možnih razlag, niso primerni za
dokazovanje PTR in s tem v vseh razmerah enake hitrosti svetlobe.
Metode merjenja hitrosti svetlobe
V nadaljevanju skušam izpostaviti neposredne in nedvoumne metode
merjenja hitrosti svetlobe iz nebesnih teles na znanstveno utemeljeni
metodološki osnovi.
Po svetu stotine forumov nenehno zagovarja v vseh razmerah enako
hitrost svetlobe. Nobena druga znanstvena disciplina ni tako pod
udarom in tolikokrat postavljena pod vprašaj. Za tako stanje je kriva
stroka, saj hitrost svetlobe, ki prihaja iz vesolja ni verodostojno
izmerjena, čeprav za take meritve obstajajo tehnološke možnosti.
Merjenje hitrosti svetlobe
Hitrost svetlobe lahko merimo na osnovi ločenega in neodvisnega
merjenja frekvence in valovne dolžine svetlobe.
12.4.2015
52
Franc Rozman
Slika 34
Frekvenco in valovno dolžino iste svetlobe lahko merimo ločeno z
merilnima instrumentoma, od katerih je eden občutljiv na frekvenco
svetlobe, drug pa na valovno dolžino svetlobe.
Fabry-Pérotov interferometer
Fabry-Pérotov interferometer deluje na principu večkratnega odboja
svetlobe med dvema polprepustnima ploščama. Na izhodu izide več
vzporednih žarkov. Kadar so ti žarki v fazi, se interferenčno ojačijo.
Interferenca je odvisna od razmika med ploščama in od valovne
dolžine svetlobe.
FPI ni občutljiv na hitrost svetlobe oziroma na frekvenco EM
valovanja. Hitrost svetlobe na vhodu v FPI interferometer posledično
na izmerjeni rezultat ne vpliva. Zapišemo lahko, da je izmerjeni
rezultat s FPI interferometrom funkcija valovne dolžine svetlobe f(λ).
S FPI interferometrom torej lahko merimo valovno dolžino svetlobe.
Uklonska mrežica
Uklonska mrežica je občutljiva tako na frekvenco svetlobe, kot na
valovno dolžino svetlobe, kot je opisano na Sliki 21. Medsebojno
različna občutljivost uklonske mrežice in FPI interferometra na
frekvenco in valovno dolžino svetlobe daje zadostne možnosti za
ločeno merjenje frekvence in valovne dolžine opazovane svetlobe. Po
meritvi frekvence in valovne dolžine svetlobe pa v nadaljevanju preko
enačbe c=f.λ določimo hitrost prispele svetlobe iz nebesnih teles.
Meritev hitrosti svetlobe iz kometa Hale-Bopp
Avtorji meritev so bili mnogokrat blizu objave rezultatov meritve
hitrosti svetlobe iz gibajočega vira svetlobe. Morali bi le še opisati
12.4.2015
53
Franc Rozman
rezultate meritev, pa so se vsakič tik pred zdajci premislili. Tako vse
do danes nimamo članka o meritvi hitrosti svetlobe iz gibajočega vira
svetlobe.
Tak primer je meritev hitrosti kometa Hale-Bopp, ki so jo opravili
marca 1997 na Univerzi Wisconsin26. S pomočjo FPI interferometra
so merili spektralno črto valovne dolžine 6300,304A glave kometa.
Rezultati meritev so prikazani na Sliki 35.
Vodoravna os nad diagramom na Sliki 35 kaže valovno dolžino.
Navpična os predstavlja izmerjeno svetlost svetlobe pri izbrani valovni
dolžini.
Rezultat meritve (v sivi barvi) kaže, da le neznaten del svetlobe zaradi
hitrosti kometa spremeni valovno dolžino. Na Univerzi kot vzrok
navajajo Rayleighov raztros. Svetloba iz kometa naj bi na poti skozi
ozračje zadevala v snovne delce, ki jo absorbirajo in takoj nato oddajo
z drugo valovno dolžino 27. To absorbiranje in ponovno emitiranje
svetlobe v ozračju naj bi svetlobi izničilo zamik spektralne črte,
pričakovane po Dopplerju in povrnilo spektralno črto svetlobe nazaj
na izhodišče, kot jo seva mirujoč vir svetlobe.
Če isto spektralno črto s kometa merimo s pomočjo merilnika na
osnovi uklonske mrežice, merilnik pokaže pričakovan zamik
spektralne črte brez Rayleighovega raztrosa. Rezultat meritve je na
Sliki 35 dodan in prikazan v rdeči barvi.
Oddelek za astronomijo (Department of astronomy – WHAM);
http://www.wisc.edu.
27
Rayleigh scattering, Wikipedia:
http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering.
26
12.4.2015
54
Franc Rozman
Slika 35
Spektrometer na osnovi uklonske mrežice pokaže hitrost kometa v
razredu nekaj deset km/s28. Pokaže hitrost, kot jo lahko ocenimo tudi
na osnovi opazovanja poti kometa s teleskopom. Kadar meri isto
svetlobo v komet usmerjen FPI interferometer, ne pokaže
pričakovanega zamika spektralne črte kot posledico hitrosti kometa29.
Ista svetloba enakih lastnosti sočasno prihaja do dveh merilnikov, ki
sta na isti lokaciji. Razlika v rezultatih meritve je lahko le posledica
lastnosti enega in drugega merilnika.
Zamik spektralne črte, izmerjen s FPI interferometrom, kot rečeno
lahko opišemo s funkcijo f(λ). Nezaznavnost zamika spektralne črte,
merjeno s FPI, torej kaže na to, da hitrost svetila ne vpliva na valovno
dolžino svetlobe.
Spektrometer na osnovi uklonske mrežice zazna zamik spektralne črte
po Dopplerjevem zakonu. Posledično rezultat meritve na osnovi
uklonske mrežice lahko pripišemo spremembi frekvence svetlobe iz
kometa.
Anita L. Cochran, Teksaška univerza: ''Atomic Oxygen in the Comae of
Comets''; http://barolo.as.utexas.edu/anita/oxygen2.pdf.
29 ''Large Aperture 6300A Photometry of Comet Hale-Bopp'';
http://wisp.physics.wisc.edu/~jpmorgen/hale-bopp/index_old.html oziroma
http://www.psi.edu/~jpmorgen/pdf/jpmorgen02_hale-boppOI_poster.pdf.
28
12.4.2015
55
Franc Rozman
Lastnosti svetlobe iz glave kometa Hale-Bopp so bile torej izmerjene
v zadostni meri, da bi avtorji meritev rezultate lahko sklenili v smislu:
Meritev svetlobe s kometa s pomočjo FPI interferometra kaže, da
hitrost svetila ne vpliva na valovno dolžino izmerjene svetlobe.
Meritve s pomočjo uklonske mrežice pa kažejo, da hitrost svetila
vpliva na frekvenco svetlobe po Dopplerjevem zakonu.
Sprememba frekvence svetlobe ob nespremenjeni valovni dolžini
skladno z enačbo c = f · λ pomeni, da hitrost svetila vpliva na hitrost
svetlobe na ponoru.
Meritev 4: Merimo uklonski kot žarka z glave kometa.
Komet je primeren za merjenje svetlobe zato, ker
poznamo njegovo hitrost kot vira svetlobe, po drugi
strani pa je na njem malo turbulenc. Prvič merimo
valovno dolžino s FPI interferometrom, ki naj ima čim
manj rež in robov, da v interferometru ne ustvarjamo
lastnosti uklonske mrežice. Drugič merimo frekvenco
iste svetlobe na osnovi uklonske mrežice. Različen uklon
svetlobe v primeru ene in druge meritve pomeni različen
vpliv hitrosti vira svetlobe na valovno dolžino kot na
frekvenco svetlobe.
Model gibanja EM valovanja
Slika 36 prikazuje model svetlobnega EM valovanja v obliki
koncentričnih krogov. EM val se
oddaljuje od vira svetlobe vedno z enako,
to je s svetlobno hitrostjo. Oblika krogov
ni odvisna od hitrosti opazovalca. V
modelu ne opazimo sprememb valovne
dolžine kot posledice hitrosti opazovalca
glede na vir svetlobe, kar je skladno z
meritvami valovne dolžine svetlobe iz
gibajočega vira.
Slika 36
12.4.2015
56
Franc Rozman
Kadar se opazovalec giblje glede na vir svetlobe, se približuje ali
oddaljuje od valovnih front. Gibanje opazovalca glede na vir svetlobe
pomeni, da opazovalec zadeva v valovne fronte različno pogosto; z
različno frekvenco. Kadar opazovalec potuje proti valovnim frontam,
se te na njegovi poti pojavljajo pogosteje. Ob oddaljevanju opazovalec
redkeje zazna valovne fronte, kar je skladno z izmerjeno frekvenco po
Dopplerjevem zakonu.
Pomen razumevanja hitrost svetlobe
Razumevanje ali nerazumevanje hitrosti svetlobe nima večjih posledic
za naše vsakdanje življenje, nam pa pravilno razumevanje hitrosti
svetlobe olajša razumevanje vesolja.
Hitrost Sončeve korone
Ob meritvah hitrosti nebesnih teles se pojavlja kar nekaj presenečenj,
ki izhajajo iz napačnih predstav o hitrosti svetlobe. Primeri takih
presenečenj kažejo meritve hitrosti sončeve korone30 opravljene v
prejšnjem stoletju v Indiji, Rusiji, ZDA, Japonski, … Članki
objavljajo, da je sončeva korona zelo mirna, brez turbulenc, kar ne
drži. V Sončevi koroni so stalne turbulence plazme s hitrostjo nekaj
deset km/s, v primeru sončevih izbruhov pa tudi do 1000 km/s.
Hitrosti sončeve korone so merili na osnovi merjenja spektralnih črt z
FPI interferometri, ta pa meri valovno dolžino spektralne črte, ki pa se
s hitrostjo delcev v koroni ne spreminja. Rezultati meritev niso zaznali
pričakovanih sprememb valovne dolžine spektralne črte. To pa so
zmotno razlagali kot mirujočo sončevo korono.
30
- Delone, Makarova, Yakunina: ''Evidence for Moving Features in the Corona from
Emission Line Profiles Observed During Eclipses'', Moskva, 1987.
- Raju, Singh, Muralishanker: ''Fabry-Parot Interfereometric Observation of the Solar
Corona in the Green line'', Indijski inštitut za astrofiziko, Indija, 1997.
- Delone, Divlekeev, Smirova, Yakunina: ''Interferometric Investigations of the Solar
Corona During Solar Eclipses and Problems for Future'', Inštitut za astronomijo
Sternberg, Moskva, 1998.
12.4.2015
57
Franc Rozman
Temna energija
Ob eksploziji supernove nastane svetloba, ki izgine v nekaj tednih ali
mesecih. Pri svetlobi iz supernove se povečuje rdeči premik spektralne
črte. Nenehno povečevanje rdečega premika spektralnih črt svetlobe
iz supernove literatura pojasnjuje kot nenehno pospeševanje
supernove stran od Zemlje. Obstajal naj bi neki neznani vir, ki naj bi
supernovo nenehno pospeševal. Fiziki ga imenujejo temna energija,
čeprav ne vedo, kaj naj bi to bilo.
Literatura navaja, da vse supernove pospešujejo stran od Zemlje;
nobena ne pospešuje proti Zemlji. Ker Zemlja ni privilegirana v
vesolju, lahko sklepam, da enako sliko pospešenega oddaljevanja
supernove vidijo tudi vsi drugi opazovalci z različnih strani v vesolju.
Pri tem ni pomembno, od kod v vesolju kdo opazuje supernovo.
Ali supernova sploh resnično pospešuje, če jo vsak opazovalec, iz
katere koli smeri vidi pospeševati stran od sebe? V razmišljanjih
moramo dopustiti možnost, da je pospeševanje supernove lahko le
navidezno.
Svetloba se zaradi hitrosti plazme, ki jo supernova ustvari ob
eksploziji, giblje s svetlobno hitrostjo glede na delce v plazmi, iz
katerih je izsevana. Glede na opazovalca na Zemlji se ne giblje s
svetlobno hitrostjo, temveč hitreje ali počasneje od le-te, odvisno kam
in s kakšno hitrostjo se je gibal delec plazme, ki je oddal opazovano
svetlobo. Svetloba se gledano s ponora giblje s svetlobno hitrostjo,
spremenjeno za hitrost vira svetlobe.
foton in njegova
hitrost
delec
plazme
c-v
c+v
c
opazovalec
na Zemlji
Slika 37
supernova
12.4.2015
58
Franc Rozman
Sliko supernove dobivamo postopoma. Svetloba, ki prihaja iz
supernove, ima lahko hitrost 1,001 c, kadar delček plazme, ki odda
svetlobo, odleti iz eksplozije proti opazovalcu na Zemlji s hitrostjo
0,001 c. Kadar delec plazme ob eksploziji odleti stran od Zemlje s
hitrostjo 0,001 c, bo svetloba proti opazovalcu na Zemlji potovala s
hitrostjo 0,999 c.
Na supernovi, ki je od Zemlje oddaljena milijone svetlobnih let, se
lahko dogodi hipna eksplozija, ki pa jo na Zemlji zaradi različnih
hitrosti svetlobe ne opazimo kot hipni pojav. Čim bolj je supernova
oddaljena, toliko bolj različne hitrosti svetlobe na poti do opazovalca
časovno razvlečejo svetlobni pojav.
Trajanje eksplozije supernove opažamo zaradi različnih hitrosti
svetlobnih žarkov iz supernove na poti do Zemlje, in ne zaradi trajanja
same eksplozije. Četudi se eksplozija supernove dogodi hipno, jo
bomo zaradi različnih hitrosti svetlobe na Zemlji opazovali tedne,
mesece ali celo leta.
Tako razumevanje pa ne potrebuje pojma temna energija. Pojem
temne energije je posledica zmotnega razumevanja hitrosti svetlobe.
Epilog
James Gleick (1954) raziskovalec zgodovine znanosti pravi: »Nova
veda lahko vznikne iz vede, ki je prišla v slepo ulico. Najpomembnejša odkritja
pogosto napravijo ljudje, ki so prešli meje svojih ozkih specialnosti. Problemi,
ki vznemirjajo te teoretike niso splošno priznani. Zavračajo jim teme
doktoratov ali pa jim ne objavljajo člankov. Sprejmejo tveganje za svojo
kariero. To so svobodomisleci, ki ne morejo razložiti, kam jih vodi pot in ki se
še celo svojim kolegom bojijo povedati, kaj počnejo.«
Hitrost svetlobe in PTR v sebi nosita nekaj značilnosti, zaradi katerih
je tudi fizika v nevarnosti, da bi lahko zdrsnila v slepo ulico.
Ta esej izpostavlja vprašanja in daje alternativna videnja o temeljih
lastnosti svetlobe. Taka sprememba pogleda pa fizikom predstavlja
oviro pri razumevanju. Nehote skušajo poenotiti obe paradigmi, kar pa
ni mogoče. Posledično fiziki odstopijo od poglabljanja v lastnosti
svetlobe, opisane tem eseju, preden bi jih dodobra razumeli in ocenili.
12.4.2015
59
Franc Rozman
Za širši krog bralcev pa lastnosti svetlobe predstavljajo tudi druge
pasti. PTR obljublja počasnejše staranje, kar je obet z velikim
čustvenim nabojem, odlična tema za široke ljudske kroge, željnih
nesmrtnosti. PTR v je slabo razumljena, s tem pa skrivnostna, celo
mistična ter zato še bolj privlačna in dražljiva. Članke o teoriji
relativnosti so ravno prav zakriti s tančico skrivnosti, da burijo
domišljijo.
Prostor in čas se po PTR krivita in imata svoj začetek ob velikem poku,
ob nastanku snovi. Za filozofsko smer monizem je materija središče in
izvor vsega vesolja. Zagovornikom monizma je dobrodošla teza o
nastanku časa in prostora ob velikem poku. Če bi se veliki pok pojavil
na temelju nekih vnaprejšnjih fizikalnih zakonitostih, bi ostalo odprto
vprašanje izvora teh zakonitosti. Izvor fizikalnih zakonitosti za
nastanek velikega poka bi morali iskati v nekih nepoznanih temeljnih
virih. Kadar neko tezo, na primer hitrost svetlobe, zagovarjamo kot
temeljno danost, ta teza dobi lastnost dogme.
V eseju so navedeni primeri, kjer se industrija ne zanaša na znanja
fizike. V razlagi svojih merilnikov preprosto celo opustijo in obidejo
razlago o hitrosti svetlobe. S tem pa industrija ne korigira fizike v
razmišljanju.
Zgodovina nas uči, da so bili mnogi miselni preskoki predvsem o težje
prestavljivih področjih fizike podvrženi veliki meri nasprotovanja.
Tudi na področju hitrosti svetlobe lahko pričakujemo nasprotovanja
meritvam, ki bi postavljala pod vprašaji obstoječo paradigmo.
Vprašanje hitrosti svetlobe je torej predvsem sociološki in manj
fizikalni problem. Nadaljnji razvoj fizike na tem področju mora torej
izhajati iz legalizacije pogovorov o novih meritvah hitrosti svetlobe.
Od razprave o hitrosti svetlobe do samih meritev hitrosti svetlobe pa
ni več daleč. Tehnologija merjenja hitrosti svetlobe na primer iz
gibajočega vira (kometa) je znana in za današnjo razvitost merilnih
naprav tehnološko nezahtevna.
12.4.2015
60
Franc Rozman