Viteza luminii, c, este 299.792.458 m/s. Cel puțin acesta este numărul care îmi apare pe ecran când caut pe Google și, având în vedere că aproape toată fizica modernă este bazată pe această constantă, probabil că valoarea este corectă. Dar dacă v-aș spune că nu avem de unde să știm dacă este corectă sau nu? De ce? Pentru că nu am identificat nicio metodă prin care să măsurăm viteza luminii altfel decât folosind o oglindă (rezultatul măsurătorii călătoriei luminii pe traiectoria dus-întors).
Cum se măsoară viteza?
Înainte de a vorbi despre viteza luminii, trebuie să înțelegem cum se măsoară viteza obiectelor, în general. Când vine vorba de o mașină care călătorește dintr-un punct A într-un punct B, viteza mașinii este calculată împărțind distanța dintre cele două puncte, A și B, la timpul necesar călătoriei. Pentru viteze relativ mici, precum cea a unei mașini, această metodă este foarte bună. Dar dacă am încerca să aplicăm același procedeu pentru măsurarea vitezei luminii?
Să ne imaginăm următorul experiment: avem un laser care va genera un foton (particulă de lumină) a cărui viteză vrem să o măsurăm și un ceas foarte precis. Îndreptăm laserul către un perete la un kilometru distanță și îl pornim. Ceasul pornește și el. Acum ce facem? Cum știe ceasul când a ajuns lumina la perete, ca să ne spună timpul dintre evenimente? Pare că mai avem nevoie de un al doilea ceas în locul în care lumina trebuie să ajungă. Astfel, primul ceas ar măsura momentul în care lumina părăsește laserul, iar al doilea ceas ar măsura momentul în care lumina ajunge la perete. Comparând timpul indicat de fiecare ceas, am putea calcula cât timp i-a luat fotonului să parcurgă un kilometru, iar astfel vom fi măsurat viteza luminii. Dar acum dăm de altă problemă: cum ne asigurăm că ceasurile sunt sincronizate la începutul experimentului?
Problema sincronizării
O metodă pe care am putea-o folosi pentru a sincroniza ceasurile ar fi să trimitem un semnal de la primul ceas la ai doilea, care să le sincronizeze. Din păcate, semnalul în sine va călători cu viteza luminii, deci va ajunge cu întârziere la al doilea ceas, făcând efortul de sincronizare inutil. Poate vă gândiți că am putea scădea timpul necesar semnalului să ajungă de la primul ceas la al doilea din timpul primului ceas, iar astfel ceasurile ar fi sincronizate. Problema este că acela este exact timpul pe care nu îl știm și vrem să îl aflăm experimental, timpul în care lumina călătorește un kilometru.
Ok, să încercăm altceva. Să pornim experimentul cu cele două ceasuri împreună, sincronizate, și apoi îl mutăm pe cel de-al doilea la perete. Deși pare că nu are ce să ne mai împiedice din a avea două ceasuri perfect sincronizate, regulile ciudate ale universului au ceva de spus și în acest caz. Al doilea ceas, pentru a ajunge la perete, va trebui să fie mișcat, iar după cum știm din teoria relativității speciale a lui Einstein, timpul este dilatat pentru obiecte care se mișcă relativ față de un observator, deci prin simplul act de a mișca unul dintre ceasuri, acestea vor deveni desincronizate.
Cum este măsurată viteza luminii?
Având în vedere dificultățile prezentate mai sus, cum au reușit cercetătorii să măsoare viteza luminii? Răspunsul simplu este că nu au reușit. Cel puțin, nu viteza luminii într-o singură direcție. Singura metodă cunoscută deocamdată de a măsura viteza luminii folosește o oglindă pusă pe peretele de la un kilometru distanță, care reflectă lumina înapoi de unde a plecat, astfel măsurând viteza drumului dus-întors al luminii.
Viteza într-o singură direcție
Poate că vă întrebați de ce nu este asta (viteza drumului dus-întors) viteza luminii? Dar de ce ar fi? Poate că lumina călătorește cu o viteză mai mare într-o direcție decât în alta. Poate că într-o direcție călătorește cu jumătate din viteza cunoscută de noi, iar în cealaltă direcție călătoria este instantă. Rezultatul experimentului ar fi același. Nu avem nicio dovadă măsurabilă în univers care să indice faptul că lumina ar călători cu aceeași viteză în orice direcție. Acest subiect este tratat de Einstein, în faimoasa sa lucrare din 1905, „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare” (versiunea în engleză aici), unde discută problema sincronizării ceasurilor. Einstein explică faptul că o astfel de sincronizare ar fi imposibilă dacă viteza luminii nu ar fi aceeași în toate direcțiile, dar întrucât acest lucru nu poate fi demonstrat, faimosul fizician propune constanța vitezei luminii ca o convenție, nu un adevăr fundamental.
Întorcându-ne la problema sincronizării ceasurilor, poate că, între timp, v-ați mai gândit la câteva moduri de a sincroniza ceasurile. Dacă am pune, de exemplu, un aparat de sincronizare la mijlocul distanței dintre cele două ceasuri, care să trimită un semnal către fiecare? Într-un univers în care lumina călătorește cu aceeași viteză în orice direcție, după cum a menționat și Einstein, ceasurile ar fi, în sfârșit, sincronizate și am putea măsura viteza luminii. Dacă viteza ar fi mai mare într-o direcție și mai mică în cealaltă, însă, ceasurile ar fi desincronizate, dar viteza mai mare sau mai mică (în funcție de caz) de propagare înspre perete ar compensa pentru desincronizare, iar viteza calculată ar fi tot media vitezelor, c.
Paradoxul este că nu putem sincroniza ceasurile fără să cunoaștem viteza luminii în toate direcțiile, iar viteza luminii în toate direcțiile nu poate fi cunoscută fără a sincroniza ceasurile...
În momentul de față, fizica modernă nu este afectată de această posibilă asimetrie a luminii, dar nici nu dispune de vreo modalitate de a o investiga. Există modele matematice cu diverse viteze ale luminii pentru direcții diferite care nu produc universuri diferite de al nostru. Deși acum pare doar un experiment mental distractiv, s-ar putea ca în viitor această asimetrie, fie că există, fie că nu, să stea la baza unui nou model al fizicii.
Subiectul, cum este lesne de imaginat, a suscitat și suscită interes printre fizicieni. În anul 2009 o echipă de cercetători a publicat un articol: „A one-way speed of light experiment” în care clama identificarea unui mod de a măsura viteza luminii într-o singură direcție. În scurt timp însă, American Journal of Physics a primit 5 reacții de la fizicieni care citiseră articolul și care au arătat că, în fapt, experimentul propus presupunea măsurarea luminii în două direcții... Una dintre reacții, publicată, poate fi citită aici.
⇒ Dacă aveți alte idei despre cum s-ar putea măsura viteza luminii pe o singură direcție, vă invit să scrieți un comentariu. Poate rezolvăm ce Einstein nu a putut...
De ce nimeni nu a măsurat viteza luminii
(subtitrare în lb. engleză)
