ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ Χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων- πως αυτές επηρέασαν τον κόσμο-πως λειτουργούν τα μεγάλα ερευνητικά κέντρα όπως το cern
ΤΙΤΛΟΣ ΥΠΟΘΕΜΑΤΟΣ Η ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΤΩΝ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΩΝ
ΟΜΑΔΑ 1 η ΜΠΟΜΠΟΤΑ PROJECT 5 Ζούλιας Αλέξανδρος Σιφναίος Αθανάσιος Αποστολάκης Μηνάς Χαρίρι Άλυα Χλόη Μάριαμ Κατσούλης Ιωάννης-Χρήστος ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ-ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ:Κατσούλης Ιωάννης-Χρήστος
ΚΑΘΟΔΗΓΗΤΕΣ κ. ΓΙΑΝΝΑΚΟΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ κ. ΜΙΧΑΛΙΤΣΙΑΝΟΣ ΠΕΡΙΚΛΗΣ
Η ταχύτητα του φωτός είναι η ταχύτητα με την οποία το φως διαδίδεται στο κενό ή σε άλλα μέσα. Η ταχύτητα του φωτός στο κενό που συμβολίζεται συνήθως με c, είναι 299.792.458 m/s (μέτρα το δευτερόλεπτο) σε μονάδες SI, δηλαδή κατά προσέγγιση 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο ή σε επιστημονική μορφή 3 108m/s. Η ταχύτητα του φωτός στο "κενό" θεωρείται η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αναπτυχθεί, όχι μόνο από το φως αλλά και από τα υπόλοιπα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, άλλες μορφές μετάδοσης ενέργειας και από την ύλη. Η ταχύτητα αυτή είναι τόσο μεγάλη, ώστε αν ένας παρατηρητής κινούταν γύρω από τον ισημερινό της γης με αυτή την ταχύτητα θα ολοκλήρωνε το γύρω του κόσμου σε 13 εκατοστά του δευτερολέπτου. Άλλο παράδειγμα είναι ότι το φως του ήλιου φτάνει στη γη μετά από 8 λεπτά, αφότου εκπεμφθεί από την επιφάνειά του.
Η ταχύτητα του φωτός δεν είναι σταθερή, αλλά εξαρτάται από το μέσο μέσα στο οποίο γίνεται η διάδοση. Συγκεκριμένα, όταν το φως διαδίδεται σε κάποιο υλικό (όπως το γυαλί ή ο αέρας), η ταχύτητά του εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης του συγκεκριμένου υλικού όσο μεγαλύτερος είναι ο δείκτης διάθλασης, τόσο πιο μικρή είναι η ταχύτητα του φωτός μέσα στο υλικό. Η ταχύτητα του φωτός σε άλλα υλικά είναι κατά κανόνα μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός στο κενό, ο δείκτης διάθλασης του κενού είναι 1 και στα υπόλοιπα υλικά μεγαλύτερος του ένα. Λόγω της αλλαγής της ταχύτητάς του καθώς μεταβαίνει από ένα μέσο σε άλλο με διαφορετικό δείκτη διάθλασης παρατηρείται το φαινόμενο της διάθλασης, γιατί ισχύει ο νόμος της συντομότερης διαδρομής του φωτός.
Η ταχύτητα του φωτός στην αρχή μετρήθηκε με αστρονομικές μεθόδους - παρατηρήσεις. Πρώτος που μέτρησε την ταχύτητα του φωτός είναι ο Δανός Ραίμερ (Roemmer) το 1676. 2 αιώνες μετά, οι Γάλλοι φυσικοί Ιππόλυτος Φιζώ (Hippolyte Fizea) το 1849 και ο Ιωάννης Φουκώ κατάφεραν να μετρήσουν την ταχύτητα αυτή με φυσικές μεθόδους και με ικανοποιητικότερη ακρίβεια. Σημειώνεται πως με την γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν η ταχύτητα του φωτός είναι η οριακή ταχύτητα στην φύση και κανένα υλικό σώμα δεν μπορεί να υπερβεί αυτή.
Πρώτο Πείραμα Πείραμα Γαλιλαίου-1638 O πρώτος που λέγεται ότι προσπάθησε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός ήταν ο Γαλιλαίος το 1638. Η ιδέα του ήταν μάλλον χονδροειδής. Δύο μαθητές του στέκονταν το βράδυ σε δύο γειτονικούς λόφους, κρατώντας ο καθένας από 1 καλυμμένο φανάρι. Ο πρώτος ξεσκέπαζε το φανάρι του και άρχισε να μετράει το χρόνο. Ο δεύτερος ξεσκέπαζε το δικό του φανάρι μόλις έβλεπε το φως του φαναριού του πρώτου. Ο πρώτος σταματούσε το χρόνο μόλις έβλεπε το φως του φαναριού του δεύτερου. Φυσικά με τα χρονόμετρα της εποχής εκείνης δεν ήταν δυνατό να μετρηθεί ένα χρονικό διάστημα 10 εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου, όσος δηλαδή ήταν ο χρόνος που χρειαζόταν το φως για να διανύσει στις δύο κατευθύνσεις την απόσταση του ενάμιση χιλιομέτρου που χώριζε τους δύο λόφους.
Δεύτερο Πείραμα Ole Roemer-1666 Το 1666 έγινε για πρώτη φορά η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, αν και με κάποια ανακρίβεια, απ το Δανό αστρονόμο Ole Roemer. O Roemer υπολόγισε την περίοδο των δορυφόρων του Δία, σκεπτόμενος ότι οι περίοδοι αυτοί θα έπρεπε πριν από οτιδήποτε άλλο να είναι σταθερές. Αλλά όταν έκανε τις πρώτες μετρήσεις του, ανακάλυψε ότι οι περίοδοι αυτές δεν ήταν σταθερές. Για την ιστορία ο Roemer μέτρησε την ταχύτητα της τάξης των 310.000 km/s.
Τρίτο Πείραμα James Bradley-1725 Στα 1725 ο James Bradley χρησιμοποίησε μια μέθοδο, που λεγόταν Αστρική Διαταραχή. Αυτή η μέθοδος δέχεται ότι η γωνία, μέσα στην οποία το φως από κάποιο μακρινό αστέρα φτάνει στη γη διαφέρει, ανάλογα με τη θέση που έχει η γη εξαιτίας της τροχιάς της. Υπάρχει δηλαδή διαφορά, αν η γη πλησιάζει ή απομακρύνεται απ τον αστέρα.
Ο Bradley προσπαθούσε για χρόνια να υπολογίσει την απόσταση του αστέρα Δράκοντος μετρώντας με ακρίβεια την θέση του στον ουρανό σε διαφορετικές εποχές του έτους. Επειδή η γη αλλάζει θέση στο διάστημα από εποχή σε εποχή, καθώς περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο, θα πρέπει να βλέπει τα αστέρια σε διαφορετικές θέσεις στον ουρανό, για τον ίδιο λόγο που αν κουνήσουμε το κεφάλι μας βλέπουμε τα κοντινά αντικείμενα να αλλάζουν θέση σε σχέση με τα μακρινά. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται παράλλαξη. Πραγματικά ο Bradley διαπίστωσε ότι ο αστέρας αυτός αλλάζει θέση στον ουρανό περιοδικά κατά την διάρκεια ενός έτους, την ίδια όμως ακριβώς κίνηση έδειχναν να κάνουν και τα γειτονικά του αστέρια. Επειδή ήταν εξαιρετικά απίθανο όλα τα αστέρια αυτής της περιοχής να είναι στην ίδια απόσταση, για να έχουν την ίδια παράλλαξη ο Bradley έψαχνε για μία άλλη εξήγηση του φαινομένου.
Έπειτα από 4 χρόνια προσπαθειών, η λύση ήρθε στο μυαλό του Bradley μια μέρα του 1728 που έκανε βαρκάδα στον Τάμεση. Παρατήρησε ότι η διεύθυνση του ανέμου ήταν διαφορετική όταν η βάρκα προχωρούσε από όταν ήταν ακίνητη. Το φαινόμενο αυτό σίγουρα το έχουμε παρατηρήσει όλοι μας, όταν προχωρούμε στην βροχή χωρίς ομπρέλα: η βροχή δεν φαίνεται να πέφτει κατακόρυφα αλλά να έχει διεύθυνση από μπρος προς τα πίσω, έτσι ώστε περισσότερη βροχή πέφτει στο πρόσωπο μας παρά στην πλάτη μας. Το ίδιο συμβαίνει και με το φως: επειδή η γη κινείται, καθώς περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο, το φως των αστεριών φαίνεται να αλλάζει ελαφρά διεύθυνση, ανάλογα με την στιγμιαία κατεύθυνση κίνησης της γης.
Τέταρτο Πείραμα Armand H.L. Fizea-1849 Η μέθοδος του Γάλλου Fizea αφορούσε το χρόνο που χρειαζόταν ένα σήμα φωτός να φτάσει ένα μακρινό καθρέφτη και να επιστρέψει. Ο Fizea χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο τροχό, ο οποίος σε περιοδικά χρονικά διαστήματα άφηνε το φως να διέλθει μέσα από το τηλεσκόπιο του. Ο καθρέφτης του απείχε περίπου 9 χιλιόμετρα από αυτόν και η περίοδος στο τηλεσκόπιο του ήταν 60 ms.
Τα πειράματα των Φιζό-Φουκό Το αποτέλεσμα του Bradley παρέμεινε το ακριβέστερο διαθέσιμο ως τα μέσα του 19ου αιώνα, οπότε ο πρόεδρος της Γαλλικής Ακαδημίας Φρανσουά Αραγκό ανέθεσε στους φοιτητές της Ιατρικής Φιζό και Φουκό να μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός στο εργαστήριο. Ο Φιζό είχε τη σπουδαία ιδέα να τοποθετήσει έναν οδοντωτό τροχό μεταξύ της πηγής του φωτός και ενός καθρέφτη. Αν ο τροχός περιστρέφεται με την «κατάλληλη» ταχύτητα, τότε η δέσμη του φωτός που περνάει από την πηγή στον καθρέφτη μέσα από ένα διάκενο συναντάει στην επιστροφή της ένα «δόντι» και δεν είναι ορατή από τον παρατηρητή.
Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να υπολογίσει με μεγάλη ακρίβεια το χρονικό διάστημα που χρειάζεται η φωτεινή δέσμη για να διανύσει δύο φορές την απόσταση πηγής-καθρέφτη. Η τιμή που υπολόγισε ο Φιζό το 1849 ήταν 313.000 km/s. Ο Φουκό βελτίωσε σημαντικά την μέθοδο του Φιζό, αντικαθιστώντας τον οδοντωτό τροχό με έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη, και το 1862 βρήκε 298.000 km/s. Η σημερινή δεκτή τιμή, υπολογισμένη με την βοήθεια λέιζερ, είναι 299.792.458 m/s.
Σωματίδια ξεπέρασαν την ταχύτητα του φωτός Ιταλοί φυσικοί του πειράματος «Opera», που πραγματοποιείται 1.400 μέτρα κάτω από το έδαφος, στο υπόγειο Εθνικό Εργαστήριο Γκραν Σάσο, σε συνεργασία με το Cern στα γαλλοελβετικά σύνορα, από όπου στέλνονται στην Ιταλία ακτίνες νετρίνο, βρήκαν ενδείξεις ότι τα συγκεκριμένα σωματίδια ταξιδεύουν ταχύτερα και από το φως. Τα νετρίνο είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, σπανίως αλληλεπιδρούν με την κοινή ύλη κι έχουν πολύ μικρή μάζα, αλλά υπάρχουν ολόγυρά μας, καθώς αποτελούν υποπροϊόν των πυρηνικών αντιδράσεων στο εσωτερικό του Ήλιου. Δισεκατομμύρια τέτοια υποατομικά σωματίδια περνάνε κάθε δευτερόλεπτο μπροστά από τα μάτια μας, χωρίς να το αντιλαμβανόμαστε.
Ο τεράστιος ανιχνευτής του πειράματος «Opera» εκτίμησε ότι τα νετρίνο που καταλήγουν σε αυτόν από το Cern, διανύοντας μια απόσταση περίπου 732 χιλιομέτρων, φθάνουν 60 νανοδευτερόλεπτα πιο γρήγορα από ό,τι θα επέτρεπε η ταχύτητα του φωτός.