A mérföldes csővezeték, amiben megmérték a fény sebességét

A fény sebessége egyike a legszélesebb körben ismert univerzális fizikai állandóknak, még az is hallott róla, aki irtózik a fizikától, és sokan ismerik is Einstein relatíve híres tömeg-energia ekvivalencia képletéből, miszerint cénégyzet. A tudósok már elég rég megegyeztek abban, hogy nem létezik a fénynél gyorsabban mozgó jelenség világegyetemünkben, és az emberek, de legalábbis a fizikusok már csak olyanok, hogy szeretik megmérni, mi mennyi, és ami annyi, az pontosan milyen gyors is.

Ma már tudjuk, hogy a fény, azaz az elektromágneses hullámok terjedési sebessége (c) légüres térben másodpercenként 299 792 458 méter (közel 299,8 ezer km/s), de ez a tudás természetesen annak köszönhető, hogy fizikusok sora próbálkozott évszázadokon át különféle módszerekkel megmérni ezt az alapvető fizikai állandót. Itt mindenképp érdemes megemlíteni Galileo Galileit, aki az elsők között kísérletezett a maga kezdetleges eszközeivel: felment egy hegyre, onnan lámpásának fényét egy szemközti hegycsúcson várakozó segítőjére irányította, aki ezt látva maga is azonnal visszajelzett lámpásával. Galilei több, egymástól eltérő távolságokra lévő hegycsúcsokról is próbálkozott, de a mért értékek nem tértek el egymástól, amiből rájött, hogy az emberi reakcióidő korlátozza a pontos mérést. Galilei abban maradt, hogy a fény sebessége nagyon nagy.

Az első eredmények

1676-ban a Jupiter egyik holdját tanulmányozó Ole Christensen Rømer, dán fizikus 227 000 km/s-ban állapította meg a fény sebességét, a hold bolygó körüli keringési periódusainak kis eltéréseit megfigyelve. Rømer ezzel elsőként közelítette meg nagyságrendileg a ma ismert értéket, míg James Bradley angol csillagász az 1700-as évek elején már egyszázalékos pontossággal határozta meg a fény sebességét.

1849-ben egy francia fizikus földi körülmények között kísérletezve jutott még közelebb a fénysebesség meghatározásához: Hippolyte Fizeau egy 8,6 kilométerre lévő tükörre lőtt fénysugarakat, amik útjába egyre gyorsabban forgatott fogaskereket helyezett. A fogak vagy átengedték, vagy blokkolták a fényt, a fizikus pedig a fordulatszám ismeretében kikalkulálta a c értékét, kicsit túllőve a célon 313 000 km/s-ot kapott.

Fizeau után újabb mérföldkő következett, amivel el is érkeztünk cikkünk témájához, Albert A. Michelson, Nobel-díjas amerikai fizikus munkásságához, illetve annak egy különösen érdekes szeletéhez. Michelson 1877-ben kezdett a fénysebesség mérésén gondolkodni, dolgozni, ami évtizedekig lekötötte tudományos érdeklődésének jó részét. Először a Léon Foucault-féle forgó tükrös módszer átdolgozásával kapott 299 910 km/s értéket plusz-mínusz 50 m/s-os tűréshatárral. 1883-ban közzétett új eredménye már 299 853 km/s-ban állapította meg a fény sebességét (60 km/s-os tűréshatárral), míg 1926-ban még közelebb jutott: 299 796 km/s lett a kaliforniai Wilson-hegyen lévő obszervatórium és a 35,4 kilométerre lévő San Antonio-hegy között forgó tükrökkel mért fénysebesség.

A csőben száguldó fény

Michelson tudta, hogy a levegő befolyásolhatja mérési eredményeit, ezért úgy döntött, légüres térben kell elvégeznie méréseit. Miután a helybéli hatóságok nem akartak neki kölcsönadni egy már létező csővezetékszakaszt, 1931-ben egy 1 mérföld (1600 méter) hosszú csővezeték építtetésébe kezdett a kaliforniai Irvine határában. A kb. egy méter átmérőjű vezeték anyaga a lehető legegyszerűbb acél hullámlemez volt, de végül a tudománytörténet egyik legnagyszerűbb kísérletének adott otthont.

A legnagyobb gondot az okozta, hogyan tegyék tökéletesen légmentessé az 56 méteres szakaszokból összetákolt csővezetéket, hogy sehol, egyik illesztéken se szivároghasson be a kinti levegő, amikor az utolsó kortyot is kiszivattyúzzák belőle. Michelson végül kötelekből, viaszosvászonból, szigszalagból, nyersgumiból, ragasztóból és autógumi-belsőből álló réteges rendszerrel szigetelte le a galvanizált vaslemezekkel összefogott kritikus részeket. Az összhatás nem volt különösebben meggyőző: a hevenyészett faállványokon, lemezbódék közt nyújtózó, toldozott-foldozott csővezeték úgy nézett ki, mint valami gyalázatosan kivitelezett csatornázási mű, nem pedig korszakalkotó tudományos kísérlet.

Akármilyen lelombozóan nézett ki (mert hát el kell ismerni, nem egy LHC volt az irvine-i fénycsatorna), belül tökéletesen működött: a légszivattyúk olyan remekül dolgoztak, és a szigetelés is olyan jól helytállt, hogy belül 33 500 méteres magasságnak megfelelően kevés levegő maradt, ami a sztratoszférának megfelelő légköri viszonyt jelent. Ez még éppen nem az űrbéli vákuum, de 33 500 méteren – azaz kb. 0 kPa nyomáson – gyakorlatilag már nincs belélegezhető levegő a légkörben, így Michelson csöve igen jó közelítéssel hozott létre csaknem tökéletes vákuumot. A kísérletek mindenesetre éjszaka folytak, hogy a nappali hőségben az esetleges hőtágulás ne okozhasson gondot. A kíváncsi környékbeliek a híradások hatására tömegesen zarándokoltak a helyszínre, hogy lássák, min ügyködnek a tudósemberek, egy idő után Michelsonnak könyörögnie kellett, hogy hagyják őket dolgozni.

Mínusz 18

A „fénygyorsító” a következőképp működött: az egyik lemezkunyhóban egy erős ívlámpa fényét alulról ráirányították egy 16 oldalú forgó tükörre, majd onnan a villogó fény további precízen beállított sík- és konkáv tükrök rendszerén haladt végig a csőben oda vissza tízszer. A forgó tükör sebességét a fizikus addig állítgatta, míg a visszatérő fénysugár pont a forgó tükör következő lapjára esett be. Michelson az új mérések alapján úgy állapította meg, hogy a fény sebessége 299 774 km/s vákuumban, azaz a ma elfogadott 299 792 km/s-nál csupán 18-cal mért kevesebbet.

A 79 éves tudós élete utolsó kísérletsorozata volt ez, egészségi okokból a tervezett számú mérést sem tudta már véghezvinni, és eredményei publikálását már nem is érte meg. Az Astrophysical Journalban posztumusz tanulmányban jelent meg az új fénysebességi állandó.

Az „Albert Michelson-csővezeték” 1933-ban egy földrengés következtében megrongálódott, de később az irvine-i városvezetés megvásárolta és rendbe hozatta. Egyes szakaszait ma is vízelvezetőként, csatornaként használják a környékbeli farmok. A fény sebességének mérését természetesen más módszerekkel tovább folytatták a fizikusok, a jelenleg ismert 299 792 458 m/s értéket 1975-ben fogadták el egyezményesen.

Felhasznált források:

• The Pipeline That Measured the Speed of Light – Air & Space Magazine
• Historic Speed of Light measurements in Southern California – OtherHand
• Speed of light – Wikipedia