A CSILLAGÁSZ, A FŐISTEN ÉS A LEÁNY, AVAGY HOGYAN MÉRJÜNK FÉNYSEBESSÉGET!

Csillagvizsgáló Svábhegyi

Már az ókori tudósokat is érdekelte, hogy a fénynek van-e véges sebessége. Vagy esetleg azonnal elérkezik egyik pontról a másikra? Ennek magyarázatára egészen az 1600-as évekig kellett várni, amikor 345 évvel ezelőtt Ola Christensen Rømer első ízben megmérte a fénysebességet.

KEZDETI BUKDÁCSOLÁSOK

Galileo Galilei Forrás: https://upload.wikimedia.org

Rømer előtt, mai szemmel nézve, elég vicces módszerekkel próbálkoztak. Még maga Galilei is úgy próbálta megmérni a fénysebességet, hogy egy hegycsúcsra felment ő, egy másikra pedig a segítője. Mindkettőjüknél volt egy-egy letakart lámpás. Előre megbeszélték, hogy Galilei kinyitja lámpását és ezzel egy időben elkezdte mérni az időt. Mikor a másik meglátja a fényt, akkor rögtön kinyitja ő is a lámpását. És amikor ezt a fényt meglátja Galilei, akkor megállítja az időmérést. A kettejük távolságának és a mért időnek a segítségével könnyedén kiszámolható a fénysebesség. Legalábbis ez lenne az elmélet. Azonban a gyakorlat azt mutatta, hogy akármilyen távol helyezkedik el a két lámpásnyitogató, minden egyes alkalommal ugyanakkora lesz a fénysebességre kapott érték. Ebből Galilei (és sokan mások) arra a következtetésre jutott, hogy vagy végtelen a fénysebesség, vagy elképesztően nagy.

A HOLDAK ÉS AZ IDŐ
Galilei volt az, aki felfedezte a Jupiter körül keringő holdakat, és az ő javaslatára próbálták égi óraként használni a Jupiter holdjait. Ez azért volt szükséges, mert akkoriban a mechanikus órák még elég kezdetlegesek voltak (az elektromosakról még ne is beszéljünk), és a földrajzi szélesség meghatározásához az idő ismerete is fontos volt. Rømer éveken át készített feljegyzéseket a holdak állásával kapcsolatban, ezek közül is az Io volt a legérdekesebb, mivel annak a legrövidebb a keringési ideje (mintegy 42 és fél óra). Ezekben a feljegyzésekben arra lett figyelmes, hogy amikor a Föld közeledik a Jupiterhez, akkor a keringési idő lerövidül, amikor távolodik, akkor épp ellenkezőleg, a keringési idő is meghosszabbodik. Azt a lehetőséget kizárta, hogy az Io sebessége pont ilyen periodikussággal változna. Így egy logikus magyarázat maradt, hogy ez valamilyen megfigyelési jelenség.

Ole Christensen Rømer Forrás:https://upload.wikimedia.org/

A NAGY ÖTLET
Csillagászunk nagy erővel törte a fejét, hogy miképpen lehetne a keringés eltolódását magyarázni. Arra jutott, hogy ha a fény véges sebességgel terjed, akkor az egész jelenség a Napnál is világosabb volna. Most nézzük meg, hogy miért. Vegyük azokat az időpillanatokat (mint ahogy Rømer is tette), amikor az Io éppen belép a Jupiter árnyékkúpjába (abba a régióba, ahol a Jupiter kitakarja a Nap fényét), vagy éppen kilép onnan. Ezek egyértelmű időpillanatok. Különben azt, hogy pályájának ugyan arra a pontjára visszatér a hold, csak nagy bizonytalansággal lehetne kimutatni. Azért van szükség a kilépésre, illetve a belépésre is, mert a Föld egy helyzetéből csak az egyik látszik, a másikat kitakarja a Jupiter. A továbbiakban (az egyszerűség kedvéért) vegyük mindig csak az egyiket, mondjuk, amikor kilép az árnyékkúpból. 

A galilei holdak mozgása. Jól látható, ahogyan a legbelső hold, az Io eltűnik az árnyékkúpban. Forrás:https://commons.wikimedia.org

Először nézzük azt az esetet, amikor a Föld közeledik a Jupiterhez. Amikor kilép az árnyékkúpból az Io, akkor elindul Béla, a fénynyaláb, a Föld felé. Ekkor ebből mi még nem érzékelünk semmit, de jön Béla, rendületlenül jön és valamennyi idő után elér hozzánk. Ezek után fogja magát az Io, cammog tovább a pályáján, azonban egyszer csak újra kilép az árnyékkúpból. Ekkor megint elindul Bélánk, száguld újfent rendületlenül, majd egyszer csak konstatálja magában: „Múltkor ez a Föld még távolabb volt!! Nem baj, legalább hamarabb elmehetek aludni.” És ekkor innen a Földről újra látjuk kibukkanni a Jupiter-holdat az árnyékkúpból. Mivel azonban közelebb kerültünk hozzá, a fény hamarabb elér hozzánk, és így hamarabb látjuk a kibukkanást is. Ez azt jelenti, hogy gyorsabbnak látjuk a keringést.

Rømer jegyzete. Sajnos a legtöbb elpusztult egy tűzvészben. Forrás:https://en.wikipedia.org

Most nézzük azt az esetet, amikor távolodunk a Jupitertől. Az első kibukkanáskor ugyanaz történik, mint az előző esetben. Valamikor látjuk Bélát megérkezni. Amikor a következő alkalommal elindul az Iótól Béla, akkorra már távolabb kerültünk, és szegény morgolódik magában: „Ezt nem hiszem el! Ennek itt kéne lennie. Így el fogok késni.” Bélánk tényleg késik az előző érkezéséhez képest, így mi később értesülünk róla, hogy kilépett az árnyékkúpból az Io. Ezért látszólag lelassul a keringése.

 

AZ ELSŐ ÉRTÉK
Rømer az időeltolódások ismeretében kiszámította a fény terjedési sebességét, melyre ő 227.000 km/s-ot kapott, mellyel a világon elsőként numerikus eredményt adott a fénysebességre. Számításai segítségével korrigálta az Io keringésének előrejelzését, mely korrigáció helyesnek bizonyult. Így 1676. november 21-én a Francia Királyi Tudományos Akadémiának bemutatta eredményeit. Ennek az évfordulójára emlékezünk a mai napon.

FÉNYSEBESSÉG MA
A Rømer által kapott érték a ma elfogadott 299.792 km/s-hoz képest kis eltérés, azt figyelembe véve, hogy akkoriban például a Nap-Föld távolság sem volt pontosan ismert. Később sokan megmérték a fénysebességet, a legtöbben itt a Föld felszínén. Az idő előrehaladtával egyre pontosabb és pontosabb eredményeket tudtunk produkálni, mígnem elértünk odáig, hogy a fénysebességet már nem mérjük, hanem egy rögzített értéke van, és ebből származtatjuk mértékegységeinket, például a hosszt.

Mára már annyit fejlődött a technika, hogy bárki az otthonában is meg tudja mérni a fénysebességet (több kevesebb pontossággal). Például egy mikrohullámú sütő segítségével.

Az Androméda. Készítette:Bánfalvy Zoltán 2019.12.26 Forrás:https://eszlelesek.mcse.hu/open.php?obsid=77350

Gondoljunk bele, hogy milyen nagy sebesség ez. Egyetlen egy másodperc alatt 7 és félszer meg tudná kerülni a Földet egy fénynyaláb! És mégis, a Naptól 8,3 perc alatt ér el hozzánk a fény, a legközelebbi csillagtól pedig több mint négy évig utazik, hogy a legközelebbi galaxisról, az Andromédáról ne is beszéljünk, ahonnan pedig 2,5 millió évig tart a fénynek az utazása. Ez mutatja igazán, hogy milyen nagy az Univerzum, és mi milyen kicsik is vagyunk benne.

Szerző: Kóti Dávid Attila, Amatőrcsillagász
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet / Svábhegyi Csillagvizsgáló

📸 A borítókép forrása: https://www.maxpixel.net/Night-Tunnel-Light-Painting-Tunnel-Of-Light-2080709