Prdko wiata a rozumienie przestrzeni i czasu Pawe

Prędkość światła a rozumienie przestrzeni i czasu Paweł Caban Katedra Fizyki Teoretycznej Uniwersytet Łódzki Wykład dla PTF 2005. 03 1

Plan wykładu 1. Wstęp 2. Historia pomiarów prędkości światła • Galileusz • Roemer • Fizeau, Foucault 3. Czym jest światło 4. Szczególna teoria względności Wykład dla PTF 2005. 03 2

Prędkość dźwięku jest skończona – echo, pogłos Czy prędkość światła jest skończona? Nieskończona Arystoteles Kartezjusz Skończona Awicenna Roger Bacon Wykład dla PTF 2005. 03 3

Galileo Galilei (1564 – 1642) 1667 – pierwsza próba pomiaru prędkości światła Rezultat: albo nieskończona albo zbyt duża żeby ją zmierzyć taką metodą Wykład dla PTF 2005. 03 4

Ole Roemer (1644 – 1710) 1675 – wyznacza prędkość światła na podstawie obserwacji zaćmień księżyców Jowisza Pierwsze doświadczalne potwierdzenie, że prędkość światła jest skończona Wykład dla PTF 2005. 03 5

Idea metody Roemera Czas trwania zaćmienia jest mniejszy gdy Ziemia porusza się z pkt. 5 do 6 niż gdy Ziemia porusza się z pkt. 3 do 4 c 200 000 km/s Błąd spowodowany był błędną wartością promienia orbity. Wykład dla PTF 2005. 03 6

Armand Fizeau (1819 – 1896) 1849 – pierwszy laboratoryjny pomiar prędkości światła Metoda pomiaru – wirujące koła zębate Rezultat Fizeau c 313 000 km/s Wykład dla PTF 2005. 03 7

Jean Foucault (1819 – 1868) 1851 – udoskonalena metoda Fizeau Metoda pomiaru – wirujące zwierciadło Rezultat Foucaulta c 298 000 km/s Wykład dla PTF 2005. 03 8

Współczesna wartość prędkości światła w próżni: c = 299 792 458 m/s Źródło: Review of particle physics, Physics Letters B 592, 15 lipiec 2004 Jest to wartość dokładna, służy do definicji metra 1 metr to droga, którą światło przebędzie w próżni w czasie 1/299 792 458 sekundy Wykład dla PTF 2005. 03 9

Czym jest światło? Światło to zbiór poruszających się cząstek Newton (1643 – 1727), Światło jest falą Huygens (1619 – 1695) Światło jest falą (wg teorii klasycznej): Dyfrakcja, interferencja, eksperyment Younga Wykład dla PTF 2005. 03 10

James Clerk Maxwell (1831 -1879) 1862 – formułuje równania opisujące elektrodynamikę klasyczną Równania Maxwella istnienie fal elektromagnetycznych Światło jest falą elektromagnetyczną o długości 400 – 700 nm = 4 – 7 x 10 -7 m Wykład dla PTF 2005. 03 11

Z równań Maxwella można wyliczyć prędkość fal elektromagnetycznych c=1/ , - przenikalność dielektryczna i magnetyczna próżni Zaburzeniami jakiego ośrodka są fale EM? ETER Jak zmienia się prędkość fal EM gdy obserwator porusza się względem eteru? Wykład dla PTF 2005. 03 12

A. A. Michelson (1852 – 1931) E. Morley (1838 -1923) 1887 - Eksperyment Michelsona. Morley’a, który miał stwierdzić, czy prędkość światła zmienia się w czasie ruchu orbitalnego Ziemi wokół Słońca Rezultat eksperymentu negatywny prędkość światła nie zależy od ruchu orbitalnego Ziemi Wykład dla PTF 2005. 03 13

Fotografia interferometru Michelsona-Morley’a Wykład dla PTF 2005. 03 14

Transformacje Galileusza: t’ = t x’ = x – ut, y’ = y, z’ = z Dla prędkości v. A = v. A’+u Wykład dla PTF 2005. 03 15

Zasada względności Galileusza Prawa fizyki są niezmiennicze na transformacje Galileusza Konsekwencje negatywnego wyniku eksperymentu Michelsona- Morley’a: Łamana jest zasada względności Galileusza Można to również sprawdzić rachunkowo: Równania Maxwella nie są niezmiennicze na transformacje Galileusza Czym zastąpić transformacje Galileusza? ? ? Wykład dla PTF 2005. 03 16

Albert Einstein (1879 - 1955) 1905 – Szczególna teoria względności STW opiera się na dwóch postulatach: 1. Prawa fizyki mają taką samą postać w każdym inercjalnym układzie odniesienia (zasada względności) 2. Prędkość światła jest taka sama w każdym inercjalnym układzie odniesienia Wykład dla PTF 2005. 03 17

Pierwsza strona oryginalnej pracy Einsteina: „O elektrodynamice ciał w ruchu”, Annalen der Physik und Chemie, 17 (1905), 891 -921 Wykład dla PTF 2005. 03 18

Konsekwencje założeń Einsteina: Transformacje Lorentza Równania Maxwella są niezmiennicze na transformacje Lorentza Wykład dla PTF 2005. 03 19

Prawo dodawania prędkości w STW Wstawmy v = c. Mamy: Czyli prędkość światła ma taką samą wartość dla każdego obserwatora inercjalnego Wykład dla PTF 2005. 03 20

Kontrakcja (skrócenie) długości l’ – długość pręta w układzie U’, l – długość pręta w układzie U Wykład dla PTF 2005. 03 21

Dylatacja (wydłużenie) czasu Wykład dla PTF 2005. 03 22

Dlaczego nie obserwujemy tych efektów w życiu codziennym? Wykład dla PTF 2005. 03 23

Czy takie efekty da się zaobserwować w laboratorium? CERN (1966) Średni czas życia szybko poruszających się cząstek elementarnych (mionów) 12 – krotnie dłuższy od czasu życia mionów w spoczynku Hafele – Keating (1972) Zegary atomowe przewożone samolotami i porównywane z zegarem spoczywającym: różnica czasu rzędu 60 nanosekund, zgodność z teorią po uwzględnieniu poprawek OTW Wykład dla PTF 2005. 03 24