Neznámý vesmír – Budiž světlo

rubrika: Populárně naučný koutek


V předchozím zahřívacím kole tohoto seriálu byla svým způsobem naznačena metoda KISS. Něčeho takového se v podstatě držím již od útlého věku. Ne jako suchar, ale jako uzemněný či objektivní uživatel bujné fantazie. Tohle zahřívací kolo věnuji jedné velmi důležité věci – světlu. Vlastnosti elektromagnetického záření (interakce) jsou totiž natolik neobyčejné, že první jakžtakž úspěšný pokus o jejich uchopení vedl k formulaci stejně tak neobyčejné speciální teorie relativity.

 

Lucifer


Světlo je viditelná část elektromagnetického záření, což je de facto elektromagnetické pole, které zprostředkovává jednu ze čtyř elementárních interakcí mezi částicemi s nenulovým elektrickým nábojem. Tuto interakci můžeme samozřejmě zobecnit (integrovat) na jakákoli elektricky nabitá tělesa, ale její podstata spočívá v oněch elementárních částicích. Elektromagnetické pole je z hlediska kvantové fyziky tvořeno polními částicemi – fotony. Fotony jsou pozoruhodné především tím, že nemají klidovou hmotnost a ve vakuu (kosmickém, které, když nepočítáme fotony, není až tak úplně prázdné) se pohybují nejvyšší možnou rychlostí, tzn., že nic jiného se nemůže pohybovat nejen rychleji, ale ani touto rychlostí. Nejzajímavější vlastnost fotonů však spočívá v tom, že jejich rychlost je vůči čemukoli a jakkoli se pohybujícímu konstantní. Rychlost fotonů ve vakuu není relativní, ale absolutní.

 

V prostředí, které obsahuje výrazně větší počet jiných částic než vakuum, se fotony pohybují pomaleji. Je to způsobeno tím, že ostatní částice si předávají fotony jako štafetový kolík. Nepodávají si ho však z „ruky do ruky“ jako štafetoví běžci na lehkoatletickém stadionu, ale spíš jako hráči baseballu po dobrém odpalu. Než dojde k předání fotonu (míčku), nastává určitá přestávka v jeho pohybu, která způsobí, že celková rychlost fotonu je nižší než ve vakuu. V určitém prostředí se dokonce může stát, že bude nižší než rychlost některých jiných částic (viz Čerenkovovo záření). Absolutní rychlost fotonů však není narušena. Mezi přestávkami se pohybují pořád stejnou rychlostí jako ve vakuu. Možná jsem to vysvětlil poněkud zjednodušeně, ale podstatu jsem zachoval.

 

Konec mé úvodní poznámky. Přecházím k výtahu ze Zdroje:

 

Pro většinu z nás je zrak hlavním smyslem, kterým vnímáme své okolí: otevřeme oči a vidíme svět. Ve starověkém Řecku asi pět století před Kristem nad tímto jevem lámal hlavu filosof Empedokles. Došel k závěru, že naše oči vyzařují světlo, abychom viděli svět. Domníval se, že všechno je stvořeno ze čtyř prvků: ohně, vzduchu, vody a země. Jejich kombinací lze dosáhnout různých fyzikálních vlastností. V případě očí jde o výtvor bohyně Afrodity, jež do nich přimíchala trochu ohně. Ten je nezbytnou složkou, protože když otevřeme oči, jeho světlo září do světa, odráží se od okolních předmětů a díky tomu je vidíme.

 

Empedoklova tzv. emisní teorie se udržela téměř tisíc let i přes to, že proti ní ve třetím století před Kristem vystoupil Euklides. Nakonec to však vzdal. Určitý pokus pozměnit tento zakonzervovaný názor učinil arabský učenec Ibn al-Haytham, později známý podle latinské podoby svého jména jako Alhazen, který se narodil v roce 965 v Basře v dnešním Iráku. Zkoušel zkombinovat teorii vidění a své znalosti se strukturou lidského oka. Jeho nová hypotéza byla dobrá, avšak nepřinesla žádný praktický účinek, protože se od tradiční emisní teorie nijak podstatně neodlišovala.

 

Aby mohly být Alhazenovy názory brány vážně, stačilo pouze změřit rychlost světla. Emisní teorie spoléhala na to, že světlo se na kterékoli místo dostává okamžitě, takže pokud by se prokázalo, že cestuje konečnou rychlostí, byl by to hřebík do její rakve. Prvním troufalým člověkem, jenž se o měření rychlosti světla pokusil, byl průkopník italské astronomie Galileo. V roce 1634 byl Galileo římskokatolickou inkvizicí uvrhnut do domácího vězení a astronomie mu byla zakázána. Galileo zprvu upadl do velmi silné deprese, ale jeho podporovatelé a přátelé ho postavili zpět na nohy a přiměli jej k napsání poslední knihy, jež vyšla v roce 1638 pod názvem Matematické rozpravy a pokusy.

 

Knihu napsal ve formě rozhovoru mezi třemi lidmi a v jednom z nich popisuje metodu měření rychlosti světla. Navrhuje, aby se dva lidé v noci postavili na dva kopce se zahalenými lucernami. Jeden odkryje svoji lampu, a jakmile druhý zahlédne její světlo, odkryje tu svou. První experimentátor pak změří, jak dlouho trvalo, než zahlédl světlo druhé lampy. Vzhledem ke skutečné rychlosti světla neměl tento myšlený experiment žádnou šanci dosáhnout rozumného výsledku. Startovní výstřel však byl učiněn a další myslitelé začali tímto způsobem experimentovat rafinovanějším způsobem.

 

Jedním z nich byl Armand Hippolyte Fizeau, který se narodil roku 1819 v Paříži. Pustil se do vymýšlení experimentu, jehož pomocí by se dala rychlost světla změřit, nejen vypočítat z pozorování vesmíru. Vlastně šlo o modernizovanou verzi Galileova nápadu. Pány s lucernami nahradil rotujícím ozubeným kolem, jež sekalo paprsek světla na krátké záblesky. Když dokonale seřídil rychlost rotace, a tedy i záblesků, světlo cestovalo do vzdáleného zrcadla, odrazilo se a vrátilo se přesně ve chvíli, kdy se kolo pootočilo o jeden zub. A protože znal rychlost otáčení kola a vzdálenost zrcadla, mohl vypočítat rychlost světla. Výsledek nebyl nijak impozantní, avšak v následujících letech jeho experiment zpřesnili jiní, a když pak astronomové i fyzikové odhlédli od detailů, bylo jasné, že světlo cestuje prostorem určitou konečnou rychlostí. Po výpočtech se nakonec shodli na rychlosti 299 792 kilometrů za sekundu.

 

Spojitost světla s elektromagnetismem však zabezpečil až James Clerk Maxwell. V roce 1865, kdy mu bylo 34 let, sepsal pojednání, které obsahovalo řadu rovnic popisujících elektromagnetické pole. Ukázal, že elektřina a magnetismus nejsou dvě rozdílné věci, nýbrž dva aspekty téže síly. K jeho práci patřily též výpočty rychlosti, s jakou se šíří vzruchy elektromagnetického pole. K úžasu všech odpovídala rychlosti světla. To Maxwell považoval za až příliš velkou náhodu a usoudil, že nejen elektřina a magnetismus, nýbrž i světlo budou nějak souviset.

 

Bylo zřejmé, že světlo jako projev elektromagnetické interakce se pohybuje rychlostí zhruba 300 000 kilometrů za sekundu. Ale vůči čemu? Všechno ostatní má svou rychlost vzhledem k něčemu jinému. Vůči čemu se touto rychlostí pohybuje světlo, to zřejmé nebylo. Objevila se myšlenka či hypotéza, že prostor je vyplněn jakousi substancí nazvanou éter. Následoval slavný Michelsonův-Morleyův experiment, který to měl dokázat. Jenže nedokázal. A na obzoru se začala rýsovat speciální teorie relativity.

 

Zdroj: Stuart Clark, Neznámý vesmír v 10 kapitolách, Euromedia Group, a.s. – Knižní klub v edici Universum, Praha 2017


komentářů: 11         



Komentáře (11)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_   

« strana 1 »

mefi
12 @9, @10
mefi 13.01.2018, 20:56:11
.
Když jsi přišel na svět, plakal jsi a všichni se radovali. Žij tak, aby všichni plakali, až jej budeš opouštět.
.
Usmívající se

11
Zuzana (neregistrovaný) 13.01.2018, 19:54:00
https://www.theatlantic.com/photo/2018/01/50-years-ago-in-photos-a-look-back-at-1968/550208/

Je tam i Praha, mladi Beatles etc...

Lucifer
10
Lucifer * 13.01.2018, 17:53:44
Až umřem, staneme se květinami.
Ve dne budeme lidem pro radost
a v noci budem sami.

Konstantin Biebl

Nevinný

9
xxx (neregistrovaný) 13.01.2018, 10:29:25
Zemřeme a staneme se nekonkrétním vesmírným objektem...

8 To Stella
Starý kocour (neregistrovaný) 12.01.2018, 23:27:15
To bylo roku 2014. Už je jiná situace, gravitační vlny se podařilo nejen zchytit, ale i ztotožnit s konkrétním vesmírným objektem.

Teorie se mění s postupem poznání. Inu ve světě není jediné jistoty - jen ta, že jednou zemřeme. Mrkající

Lucifer
7
Lucifer * 12.01.2018, 22:55:38
Není vyloučeno, že fotony jsou, stejně jako gravitony, jen konstrukcí matematického modelu, které na rozdíl od gravitonů mají jakýsi experimentální podklad. Ve skutečnosti ale něco takového nemusí vůbec existovat.

Foton má ve fyzice velmi výsadní postavení, jež by ale mělo patřit též hypotetickému gravitonu. Pohybuje se pouze rychlostí světla a jeho hmotnost je dána jeho energií (vlnovou délkou, frekvencí), a je konečná. Všechny ostatní částice by při této rychlosti měly dosáhnout nekonečné hmotnosti, čehož dle speciální teorie relativity dosáhnout nemohou.

Dle mého soudu tady něco nehraje.

5
xxx (neregistrovaný) 12.01.2018, 21:52:31
Jednota světa? Kdoví, jestli.


mefi
3
mefi 12.01.2018, 21:48:41
.
Jiří Podolský - Příběh spekter

https://youtu.be/7MZEPhoLprU
.
Mrkající

2 Seriál - aspoň doufám.
Starý kocour (neregistrovaný) 12.01.2018, 21:32:22
Zdroje k poučení sice jsou, některé mám dokonce v knihovně, ale takhle pěkně naservírované to čtu raději.

1
Starý kocour (neregistrovaný) 12.01.2018, 00:26:22
Vlnová a částicová povaha světla - už se těším.

«     1     »