Prędkość światła

Czy wiesz, że używając swojej kuchenki mikrofalowej możesz zmierzyć prędkość światła? Tak, tak - tą dokładnie, której niebotyczne 300000 km/s zawsze nas fascynowało - i ostatecznie doprowadziło Einsteina do sformułowania szczególnej teorii względności. Mierzenie prędkości światła ma duże tradycje - do tej pory jednak wykorzystywano do tego układu luster i lasery, które pozwalały obliczyć przesunięcie fazy dwóch promieni świetlnych przybywających do interferometru w różnym czasie - i z tego obliczyć prędkość światła. O tym, że prędkość światła w próżni jest ważna niech świadczy chociażby fakt, że jeden metr to odległość jaką światło przebywa w próżni w czasie 1/299792458 sekundy. Ostatnio dodatkowo tak stała fizyczna stała się sławna dzięki eksperymentowi OPERA w którym ponoć zaobserwowano szybsze od światła neutrina. Ostatecznie okazało się, ze te neutrina prawdopodobnie nie leciały szybciej niż światło - ale za to kabel urządzenia synchronizującego czasomierze był poluzowany. Choć na ostateczne zdementowanie/potwierdzenie musimy poczekać (po szczegóły zapraszam na strony magazynu Science tutaj) - w międzyczasie można przekonać się czy faktycznie prędkość światła jest taka, jak nas uczono :)

Potrzebujesz:
- 1 jajko
- talerz
- linijkę
- kuchenkę mikrofalową

1. Z kuchenki mikrofalowej usuń obrotowy talerz oraz bolec na jej dnia który obraca talerzem. Wszystko co tam włożymy musi być nieruchome.
2. Duży talerz, pokrywający jak największa powierzchnię kuchenki w środku (i jednocześnie taki, który można bezpiecznie używać w kuchence!) posmaruj białkiem jaja. powinieneś na talerzu mieć cienką warstwę białka jaja.
3. Włóż talerz do kuchenki i ustaw średnią moc (około 200-300W) i uruchom kuchenkę na 30-40 sekund. Prawdopodobnie będzie trzeba poeksperymentować z czasem gotowania. To co chcemy uzyskać to wyraźne "plamy" ściętego, lekko ugotowanego białka. Coś jak na zdjęciu poniżej (zdjęcie pochodzi ze strony www.sciencebuddies.com).

4. Zmierz odległości między środkami tych ugotowanych plam. Dodatkowo, jeśli chcesz zmierzyć błąd pomiary powinieneś zmierzyć odległość między najdalszymi skrajami plam oraz ich wewnętrznymi skrajami (czyli maksymalna i minimalna odległość między nimi). Jeśli dodatkowo chcesz być super poprawny - wykonaj taki eksperyment z nowym jajkiem 3-5 razy tak aby uzyskać dobrą powtarzalność i oblicz średnie wartości wszystkich mierzonych odległości.

5. I teraz najfajniejsza część! Plamy ugotowanego białka powstają ponieważ wewnątrz kuchenki tworzy się stojąca fala elektromagnetyczna promieniowania mikrofalowego, coś jak na rysunkach poniżej:

Wypukłości tej fali (czyli miejsca gdzie jest najszersza) to tzw strzałki. Miejsca gdzie fala jest najniższa (czyli przecięcia się linii na rysunku powyżej) to węzły fali. Dokładnie taka sama fala powstaje gdy szarpniemy za strunę gitary - tyle że wtedy ma ona inną częstotliwość. Strzałki (grube miejsca) naszej fali elektromagnetycznej to miejsca, gdzie oscylacje pola elektromagnetycznego są największe - i tam nasze białko się najbardziej ścina. Mierząc odległości między dwoma strzałkami możemy zmierzyć długość fali (patrząc powyżej widzimy, że odległość między 2 sąsiadującymi strzałkami to połowa długości fali, czyli połowa odległości zawierającej całą amplitudę fali - pamiętajcie że fala stojąca to jakby 2 nałożone na siebie fale proste). Po co nam długość fali? No cóż. Z fizyki wiemy, że długość fali to jej prędkość (czyli odległość jaką przebywa maksimum fali w jednostce czasu, np w czasie sekundy) pomnożona przez jej częstotliwość (czyli ilość maksimów fali przebiegających w danym miejscy w ciągu sekundy). Innymi słowy l = v / f. Skąd wziąć częstotliwość naszej fali? Odczytacie ją z tyłu waszej kuchenki mikrofalowej:

W tym przypadku wynosi ona 2450 MHz czyli 2450000000 "uderzeń" fali na sekundę. Na powyższym obrazku odczytaliśmy odległość między plamami białka równą 9 cm. Daje nam to:

l = v / f

v = l * f = 0.09 m * 2450000000 Hz = 220500000 m/s.

Jest to wartość odbiegająca od standardowego 299000000 m/s ale biorąc pod uwagę błąd pomiaru plam (całkiem spory bo pomiędzy 3 a 15 cm) oraz nie do końca dokładny pomiar częstotliwości (oparty tylko na etykietce kuchenki, gdzie zakłada się błąd rzędy nawet 70 MHz) nasza wartość ma błąd obejmujący prawdziwą wartość prędkości światła. Z własnego doświadczenia powiem że powtórzenie doświadczenia 3-5 razy zwiększa dokładność i daje wynik około 280000000 m/s czyli bardzo bliski faktycznej wartości stałej c. Jeśli chcesz dokonać jeszcze dokładniejszego pomiaru c - polecam artykuł pod tym linkiem, pokazujący jak wykorzystać prawo załamania światła do wyznaczenia prędkości światła w ośrodku.