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
© Copyright 2024