La llum i la seva velocitat

La velocitat de la llum és aproximadament 300.000 km/s. Quina dada que
us he donat!. Ara bé, suposant que no la sabéssiu, com intentaríeu
mesurar-la? mai us ho havíeu plantejat? qui i com es va adonar per
primera vegada que la llum té una velocitat finita però molt gran?
Doncs és el que intentaré d’explicar-vos en la història d’avui.

[@more@]

En la nostra vida quotidiana pensem que la llum és instantània, és a dir, té velocitat infinita. Per exemple, quan veiem un llampec en una tempesta comencem a comptar segons. Al sentir el tro parem, multipliquem aquests segons per 300 i ja tenim la distància a la tempesta en metres. Per què? Doncs perquè considerem que la llum ens ha arribat de manera instantània i la velocitat del so és 300 metres per segon. Així que surt una senzilla multiplicació (pot ser que 300 m/s no sigui molt exacte, normalment està al voltant del 340 però acceptem que és una bona aproximació). Però fixeu-vos que pensem que és instantània.

Ja Galileo va intentar mesurar la velocitat de la llum fent que dos homes amb llums es pugessin a dues muntanyes separades per un parell de quilòmetres. L’experiment de Galileo va consistir a fer que un d’ells destapés una llum i que en resposta, el segon, al veure aquesta llum, destapés una altra seva que aniria de tornada al primer. Galileo volia veure si era possible mesurar el temps transcorregut entre que la primera emissió i l’arribada de la segona senyal. Ell no ho sabia però necessitava mesurar un lapse de temps d’al voltant d’una centmil·lèsima de segon, que és el temps que tardava la llum a fer el viatge d’anada i tornada entre les dues muntanyes. A més succeïa una altra cosa que no podien explicar i és que si augmentava la distància entre les muntanyes els temps eren els mateixos.

Doncs bé, per mesurar amb alguna cosa de rigor la velocitat de la llum van haver d’ajuntar-se tres factors: el telescopi, les llunes de Júpiter i un mesurament precís del temps. Què té a veure tot això amb la velocitat de la llum? Doncs tot va començar quan Galileo va dirigir el seu telescopi a Júpiter.

Immediatament es va adonar que tenia 4 satèl·lits. Els satèl·lits no es veuen a simple vista, però amb el telescopi es poden apreciar perfectament (es veu Júpiter alguna cosa més gras i 4 estrelletes molt petites i pròximes a ell). Va observar que aquests satèl·lits apareixien i desapareixien amb un determinat lapse de temps. Cada satèl·lit tenia un període diferent i buscava una manera de fer mesuraments precises per predir el moment en què un anava a fer-se visible o no.

Necessitava un rellotge molt precís i per aquella època no existia, així que no va poder fer molt més (ja va fer bastant). Més endavant, en 1656 es va començar a treballar amb el rellotge de molla que s’obre lentament. Els primers a treure-li profit a l’Observatori de París van ser els astrònoms Jean Picard i Cassini. Amb rellotges molt més regulars es van adonar que els moviments del cel no eren tan regulars com esperaven. Es van adonar, per exemple, que les coses variaven d’estació a estació.

Un altre descobriment va ser la taca detectada a l’equador de Júpiter i còm ho recorria, desapareixia d’una banda i reapareixia per l’un altre. Van trobar que té un període de rotació de 9 hores i 56 minuts. Aquesta mesura la va fer el propi Cassini. També va mesurar els períodes dels 4 satèl·lits. Era possible predir quan es perdrien de vista i quan reapareixerien per darrere del planeta.

Encara que Cassini havia fet prediccions exactes no quadraven completament amb les observacions. Sembla que en una meitat de l’any en els moments que l’òrbita de la Terra s’acostava a Júpiter els eclipsis dels satèl·lits del mateix s’avançaven progressivament fins a arribar a 8 minuts en el moment en què s’alineaven Júpiter-Terra-Sol (major acostament) i en l’altra meitat d’any que l’òrbita de la Terra s’allunyava s’endarrerien gradualment fins a altres 8 minuts en el moment de l’alineació Júpiter-Sol-Terra (major allunyament). La mitjana global era correcte però els avanços i endarreriments eren desconcertants.

En 1675 un astrònom danès llamado Olaus Roemer es va preguntar si era possible que la llum necessités cert temps per propagar-se. Quan la Terra i Júpiter estiguessin en el mateix costat del Sol els dos planetes tindrien el major acostament possible però si la Terra estava a una banda del Sol i Júpiter a l’altre la llum hauria de recórrer la distància anterior més el diàmetre de l’òrbita de la Terra. Fent càlculs va arribar a la conclusió que tot quadrava perfectament si la llum tardava al voltant de 16 minuts per recórrer l’òrbita de la Terra. Com en aquell temps era una dada coneguda, encara que no de manera molt exacta, va poder donar-se el gran gust de resoldre el problema.

Va anunciar el seu descobriment a l’Acadèmia de Ciències de París en 1676 sense que se li donés excessiva importància. Li va recolzar gent de la talla de Picard i Halley, encara que Cassini no. Més tard, en 1679 va visitar Anglaterra on va conèixer a Newton. En 1681 el rei Cristian V le va manar tornar a Copenhaguen perquè ocupés el lloc d’astrònom real i en 1705 va ser alcalde de la ciutat.

La primera vegada que va poder mesurar-se la velocitat de la llum en un laboratori va ser en un experiment portat a terme per Armand-Hypolite-Louis Fizeau.

La llum surt de la font i passa per una de les escletxes del disc, se’n va a fer un llarg camí (de l’ordre de 8 km) entre el cim del turó de Surenes i Montmartre i torna per continuar i intentar passar per l’escletxa del segon disc. Els discos es mouen de manera solidària a un eix. Si l’eix està parat, la llum pot passar pel primer disc però trobar que el segon la deté i viceversa. Però si els fem girar lo prou ràpid haurà un moment en què la llum tarda el just com perquè la ranura del disc hagi recorregut l’espai suficient i el feix de llum passi netament. Coneixent la velocitat de rotació de l’eix ja tenim la velocitat de la llum.

Això va ser el que va fer Fizeau , que quan va posar l’ull en el recorregut i va veure la llum va exclamar: Mon Dieu! Ho veig!

Va aconseguir mesurar la velocitat de la llum amb un 5% d’error respecte l’acceptada actualment. A més, en 1850 va demostrar que la llum es desplaça més lentament per l’aigua que per l’aire donant carpetazo a la teoria corpuscular (be, això no és així exactament; ja ho comentarem). L’experiment anterior va ser perfeccionat en 1850 per Léon Focault.

El funcionament d’aquest mecanisme lo deixo per que pugui gaudir el lector.

Léon Focault havia treballat en fotografia científica al costat de Fizeau i entre els dos havien obtingut les primeres fotos de la superfície del Sol. L’experiment que va realitzar havia estat dissenyat per Arago va poder calcular l’esmentada velocitat amb un 1% d’error. I com sempre, les dades experimentals amb poc marge d’error són valuosíssimes i va ser gràcies a aquesta exactitud que va ser una dada de valor incalculable per a les teories de Maxwell, que formaran part d’una altra història.

Pensàveu que els científics es pararien aquí?. Doncs no. Albert Michelson (el mateix de l’experiment Michelson-Morley), tenia una espècie d’obsessió per la velocitat de la llum. Ja havia rebut el premi Nobel per l’exactitud dels seus treballs experimentals. Doncs amb 73 anys d’edat va fer que la llum efectués un recorregut d’anada i tornada entre els cims de dues muntanyes de Califòrnia i va calcular el seu valor amb una exactitud impressionant. Era 299.796 km/s amb un error de 4 km/s i aquest marge coincideix amb l’acceptada actualment que és de 299.792,5 km/s.

Així que ja veieu la història fins a arribar als nostres dies amb la velocitat de la llum. No obstant això, el que sí vull remarcar és que l’experiment de Olaus Roemer va ser un elegant experiment a escala astronòmica, no us sembla?.

I que la llum tingui aquesta velocitat ens fa canviar la nostra filosofia. El 23 de febrer de 1987, a les 7:36 hora de Greenwich es va observar l’explosió d’una estrella al cel meridional. Estava en el Núvol de Magallanes a 160.000 anys llum, que va ser el temps que va trigar la mateixa a fer el seu recorregut fins a la Terra. I aquesta estrella era relativament pròxima. L’objecte més llunyà que s’ha pogut observar està a uns 8.000 milions d’anys llum. Aquesta llum va partir no molt després de la Creació de l’Univers. Impressionant, oi?

Font:

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

4 respostes a La llum i la seva velocitat

  1. jangoo diu:

    Surts a la revista ROLLING STONES!!! Només et nomenen, però he pensat que et faria il·lusió:

    http://kirai.bitacoras.com/en-la-rolling-stone/

    http://static.flickr.com/25/65457171_a8832ae69f.jpg

    Felicitats!!!

  2. omalaled diu:

    Gràcias, jangoo. Ja ho havia vist. Em va sorprende i ho vaig trobar molt graciós.

    M’alegro de poder ajudar, amgels, encara que el meu deig és que la gent “s’enganxi” a la ciència.

    Salut!!

  3. omalaled diu:

    Gràcies.

    Salut!!

Els comentaris estan tancats.