O Koperniku i Michelsonie, czyli nasze miejsce we Wszechwiecie Grzegorz Karwasz, Andrzej KarbowskiZakad Dydaktyki Fizyki, Instytut FizykiUniwersytet Mikoaja Kopernika w Toruniu

Pierwszy, oparty na obserwacjach astronomicznych, model budowy Wszechwiata zaproponowa Arystoteles. W tym modelu zaoono, e planety tocz si po krysztaowych wsprodkowych sferach, a Ziemia znajduje si w rodku, std nazwa model geocentryczny.Ukad koncentrycznych sfer tworzcych wiat wedug Arystotelesa.

Trajektoria Marsa widzianego z Ziemi w okresie od sierpnia 2007 r. do kwietnia 2008 r. (Cyber Sky)

Ptolemeusz (100-168 n.e.). Obserwator i zwizany z nim ukad odniesienia, czyli Ziemia, tkwi nieruchomo w rodku Wszechwiata.Wok Ziemi porusza si po okrgach (deferencjaach) zarwno Soce, Ksiyc jak i gwiezdny firmament (sfera staa), a po nim, powoli wrd staych gwiazd wdruj planety (=bdzce gwiazdy).Geocentryczny model Ptolemeusza. Ukad planet wraz z zaznaczonymi deferencjaami i epicyklami.

Mikoaj Kopernik Urodzi si 19 lutego 1473 w Toruniu zmar 24 maja 1543 we Fromborku,

astronom, matematyk, prawnik, ekonomista, strateg, lekarz, poeta (autor kold), tumacz, kanclerz kapituy warmiskiej od 1511 roku kanonik warmiski

wstrzyma Soce, ruszy Ziemi.

PIERWSZE ZAOENIE. Nie istnieje wsplny rodek dla wszystkich krgw, czyli sfer niebieskich.DRUGIE ZAOENIE. rodek Ziemi nie jest rodkiem wiata, ale jedynie rodkiem cikoci oraz rodkiem drogi Ksiyca.TRZECIE ZAOENIE. Wszystkie drogi gwiazd bdnych [planet] otaczaj dookoa Soce, w pobliu ktrego znajduje si rodek wiata. zmieni ukad odniesienia

Powstawanie ptli zataczanych przez planety wedug modelu Kopernika.Dlaczego wic wahamy si jeszcze przyzwoli na jej [tj. Ziemi} ruch ju z natury ksztatowi jej odpowiednio, anieli utrzymywa, e cay wiat si obraca, ktrego granic nie znamy, ani ich nawet zna nie moemy, a raczej nie uznamy, e obrt dzienny caego nieba jest tylko pozorny, natomiast obrt Ziemi rzeczywisty?

Zudzenie jest tu powiem takie samo, o jakim wspomina Eneasz Wirgiliusza mwic:- Odbijamy od portu, a ldy i miasta wstecz pomykaj. Wzgldno ruchu

Zoenie ruchwSZSTE ZAOENIE. Jakikolwiek ruch wydawaoby si mie Soce, zjawisko takie nie pochodzi z wasnego jego ruchu, lecz jest zudzeniem powstaym skutkiem ruchu Ziemi oraz jej krgu, po ktrym toczymy si dookoa Soca, albo te jakiej innej jeszcze gwiazdy, co znaczy, e Ziemia odbywa rwnoczenie kilka ruchw. Obrt dziennyObieg rocznyPrecesja

Kopernik: - wzgldno ruchw- zoono ruchw- rodek cikoci

a centrum Wszechwiata?

James Clerk MaxwellPan Bg powiedzia:

I stao si wiato!

Fizycy w XIX w. zakadali, e fale rozprzestrzeniaj si tylko w orodkach sprystych (np. dwik - w powietrzu).

wiato jako fala elektromagnetyczna te powinna rozprzestrzenia si w jakim orodku, orodek ten nazywano eterem (Maxwell eterem kosmicznym, 1867 r.).

Wielu badaczom wydawao si, e istnienie eteru jest naturaln koniecznoci dla wczesnej nauki, by elektrodynamika Maxwella bya suszna.

Eter miaby przenika ca przestrze, powinien pozostawa w spoczynku wzgldem Wszechwiata i powinien wyznacza absolutny ukad odniesienia.

Prdko wiata powinna by staa wzgldem tego orodka, a dla obserwatorw poruszajcych wzgldem eteru prdko wiata powinna by inna i rwna rnicy wektorowej prdkoci wiata w orodku i prdkoci obserwatora wzgldem orodka.

Moliwe wic byoby wyznaczenie prdkociabsolutnych ruchu

James Clerk Maxwell zauway, e mierzc prdko wiata w rnych okresach roku lub doby mona by wyznaczy prdko ruchu Ziemi wzgldem eteru, ale nie wierzy w moliwo wykonania dowiadczenia z wystarczajco du dokadnoci.

Problem czy istnieje wiatr eteru?

Powstawa jednak pewien problem do rozstrzygnicia w ktr stron porusza si eter? Czy wieje w ktr stron, czy jest nieruchomy wzgldem Soca (a moe wzgldem Galaktyki)?Rys. Wiatr eteru wywoany ruchem Soca wzgldem rodka Galaktyki i Ziemi wok Soca.

Fakt, e prdko wiata tak dalece przekracza pojmowanie ludzkiego rozumu, a zarazem niezwykadokadno, z jak t prdko mona zmierzy, czynijej wyznaczenie jednym z najbardziej fascynujcychproblemw przypadajcych badaczowi w udziale.

Albert Abraham Michelson Jedynym kryterium susznoci teorii jest eksperyment.

Albert EinsteinDowiadczenie Michelsona

W rnych ziemskich pomiarach prdkoci wiata biegnie ono tam i z powrotem, a otrzymana warto prdkoci, to warto rednia prdkoci ruchu w obu kierunkach.

Ta warto powinna zalee take od kierunku biegu wiata wzgldem wiatru eteru.

Efekt ten jest efektem drugiego rzdu, tzn. rnice mierzonej prdkoci byyby rzdu v2/c2, gdzie v oznacza warto prdkoci Ziemi wzgldem eteru. Jeeli v= 30 km/s, to v2/c2=10-8 jest bardzo ma wielkoci (poprawka spowodowana wystpowaniem efektu Dopplera).

Z tego powodu Maxwell by nastawiony sceptycznie co do moliwoci dowiadczalnego wyznaczenia wartoci v.

Mimo tego, znajc powysze pogldy Maxwella, Albert Michelson podj pierwsz prb wykrycia ruchu Ziemi wzgldem eteru w roku 1881 w Poczdamie. Uzna, e do okrelenia prdkoci wiatru eteru nie potrzeba wyznacza prdkoci wiata, wystarczy porwna prdko wiata w dwch rnych kierunkach.

Michelson wykorzysta do tego skonstruowany przez siebie interferometr.

W instrumencie tym wizka wiata ze rda w postaci szczeliny S pada na pprzezroczyst pytk P i zostaje podzielona na dwie wizki, ktre biegn w kierunkach tworzcych ze sob kt prosty do zwierciade Z1 i Z2. Po odbiciu od zwierciade w drodze powrotnej znw przechodz przez pytk P i zostaj skierowane do lunetki, w ktrej wida, w wyniku wystpowania interferencji, ciemne i jasne prki. Obraz interferencyjny zaley od rnicy drg optycznych wizek, ktre powstaj jedynie na odcinkach PZ1P i PZ2P. Niech dugoci tych odcinkw zmierzonych przez obserwatora zwizanego z Ziemi wynosz odpowiednio L1 i L2.

ze wzgldu na ruch obrotowy Ziemi i jej ruch orbitalny dookoa Soca ustawienie interferometru wzgldem wektora prdkoci Ziemi stale si zmienia. dodatkowa pytka kompensacyjna P powoduje, e promie biegncy do zwierciada Z2 , przechodzi przez tak sam drog w szkle pytki, jak promie biegncy do zwierciada Z1 .

Rnica czasw biegu promieni wiata powinna da zmian obrazu interferencyjnego przesunicie o k prkw, gdzie: vz=30 km/sL1=L2=1,2 m Po wykonaniu oblicze Michelson otrzyma k0,04 prka. Ku jego zdumieniu obserwowany efekt przy obracaniu interferometru by mniejszy ni 0,01 prka.

Wynik dowiadczenia Michelsona by tak nieoczekiwany i zdumiewajcy, e wielu wczesnych fizykw nie dao mu wiary, cho Michelson ju wwczas mia opini wietnego eksperymentatora.

Fizycy ci twierdzili, e eksperyment by niedostatecznie dokadny.

Michelson postanowi powtrzy dowiadczenie z wiksz dokadnoci. Dokona tego razem z Edwardem Morleyem sze lat pniej w 1887 r. W Cleveland.

W dowiadczeniu tym zwikszono dziesiciokrotnie dugo drogi wiata, zwikszajc dokadno pomiaru.

Spektrometr by obracany o 90. By zapobiec nawet najmniejszym drganiom zwierciade, ukad interferometru pywa w korytach wypenionych rtci.

A. K. Wrblewski, Wstp do fizyki, tom I, s. 141

Dziki dziesiciokrotnemu powikszeniu drogi przebywanej przez wiato efekt powinien wynosi 0,4 prka. Tymczasem okazao si po wielomiesicznych, nieprzerwanych obserwacjach prkw przy wolno obracajcym si interferometrze, e efekt by mniejszy ni 0,01 prka.

Pomimo takiej precyzji i przeprowadzenia wielu dowiadcze w wielu kierunkach, przez rok nie zauwaono zmian w ukadzie prkw interferencyjnych. W wynikach dowiadczenia Michelson i Morley ogosili, e prdko Ziemi wzgldem eteru jest mniejsza od 5 km/s.

Michelson i Morley dowiedli, e prdko wiata nie zaley od ruchu Ziemi (o wschodzie i o zachodzie wiato napywa od Soca z t sam prdkoci).

To dowiadczenie wykazujce brak wpywu ruchu orbitalnego Ziemi na prdko wiata miao doniose znaczenie dla szczeglnej teorii wzgldnoci.

Ostatecznym wyjanieniem tego efektu i upadku koncepcji eteru byo ogoszenie przez A. Einsteina w 1905 roku zaoe szczeglnej teorii wzgldnoci z jej gwnym postulatem goszcym, e prdko wiata w prni jest jednakowa we wszystkich inercjalnych ukadach odniesienia.

Podczas uroczystego przyjcia wydanego w roku 1920 w Pasadenie na cze dwch Albertw: Michelsona i Einsteina, ten drugi powiedzia o tym pierwszym, e obalajc tez o istnieniu eteru i modyfikujc dawne pogldy na temat wiata sta si on inspiratorem idei Lorentza i Fitzgeralda, ktre z kolei sprawiy, e moliwe stao si sformuowanie szczeglnej teorii wzgldnoci.

Na pocztku XX w. dowiadczenie byo wielokrotnie powtarzane w rnych warunkach i zawsze z takim samym skutkiem.

W celu obalenia hipotezy skrcenia Fitzgeralada-Lorenza fizycy amerykascy R. J. Kennedy i E. M. Thorndike wykonali specjalne dowiadczenie, w ktrym ramiona interferometru miay nierwn dugo (o ok. 16 cm), a ponadto instrument pozostawa nieruchomy wzgldem laboratorium.

Obserwacje wykonywano o rnych porach dnia i nocy, nieprzerwanie przez wiele miesicy od kwietnia 1929 r. do sierpnia 1931 r.

Nie zaobserwowano adnych przesuni prkw (w granicach bdu dowiadczalnego).

WyjanienieJedn z hipotez przedstawi Hendrik Antoon Lorentz. Zaproponowa, e ruch cia wzgldem eteru skraca dugo ciaa o czynnik: Byo to pocztkiem przeksztacenia znanego obecnie jako transformacja Lorentza.Ale

Albert i Milevac = const !

W latach 60-tych XX wieku zastosowanie laserw i maserw pozwolio jeszcze znacznie polepszy dokadno w porwnaniu z tradycyjnymi rdami wiata.

Wedug T. S. Jaseja i innych, Phys. Rev., 133, A 1221 (1964) gra granica wzgldem eteru (gdyby istnia) wynosi tylko 1/1000 prdkoci orbitalnej Ziemi, czyli 30 m/s. Zmiany czstotliwoci dwch laserw He-Ne zmierzone 20 stycznia 1963 roku midzy godzinami 6:00 rano a 24:00.Schemat dowiadczenia

Najdokadniejszy eksperyment typu Michelsona-Morleya wykonali A. Brillot i J. L. Hall (Phys. Rev. Letters, 42, 549 (1979)). Badali oni czstoci lasera He-Ne umieszczonego na stoliku obrotowym.

Dowiadczenie Brilleta i Halla jest testem 4000 razy dokadniejszym od wyniku Jaseji i wsppracownikw. Schemat dowiadczenia Brilleta i Halla.Michelson (i Kopernik) mieli racj: nie ma absolutnego ukadu odniesienia

Johann Christian Doppler29.11.1803, Salzburg17.03.1853, Wenecja

Zjawisko Dopplera dla wiatawzr oglnypoduny efekt Dopplerapoprzeczny efekt Dopplerav prdko wzgldna obserwatora i rda kt obserwacji

Przesunicie ku czerwieni

75.000 km/s

15.000 km/s

3000 km/s 393 & 397 nm: Ca+410, 434, 486 & 656 nm: H 518 nm: Mg 589 nm: Na

Belgijski ksidz Georges Lematre w roku 1927 jako pierwszy zaproponowa, e Wszechwiat zacz si od wybuchu pierwotnego atomu.

Pomys ten powzi na podstawie obserwacji przesunicia ku czerwieni widm odlegych galaktyk.

Dwa lata pniej, Edwin Hubble stwierdzi, e odlege galaktyki oddalaj si od nas we wszystkich kierunkach, z prdkoci proporcjonaln do ich odlegoci.Big Bang Wielki WybuchWg modelu Wielkiego Wybuchu, Wszechwiat wyoni si z niesychanie gstego i gorcego stanu. Od tamtej pory sama przestrze rozszerzaa si z biegiem czasu "unoszc" ze sob galaktyki. Lematre, po dokonaniu swegoodkrycia zosta mianowany, podobnie jak Kopernik, kanonikiem katedry (w Malinas)

Hubble (1929): dopplerowskie przesunicie ku czerwieni= rozszerzajcy si WszechwiatGbokie pole teleskopu Hubble: najdalsze galaktyki (odlege 13 mld lat wietlnych) czyli cigle nie ma ukadu odniesienia!Rosnce ciasto drodowe jest najlepszym modelem ekspansji Wszechwiata: puchnie we wszystkich kierunkach, tak e nie mona okrelic z ktrego punktu ta ekspansja si zacza

Penzias i Wilson (1964); dziwny szum= promieniowanie reliktowe (Big Bang + 300 tys. lat)Obserwatorium radioastronomicznew Piwnicach k. Torunia

Promieniowanie reliktowe (ta)

Rnice temperatury wynosz 0.00335 K.Nasz Wszechwiat zacz si ok. 14.5 miliarda lat temu. Promieniowanie reliktowe ta (CMB - Cosmic Microwave Background) powstao 300 000 lat po Wielkim Wybuchu, gdy wiato oddzielio si od materii, rednia temperatura tego promieniowania wynosi 2.725 K (satelita COBE, 1992 rok).

Promieniowanie reliktowe ta (3 mK)

http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/cbr.htmlIstnieje ukad uprzywilejowany, w ktrym promieniowanie ta jest izotropowe. Ziemia porusza si wzgldem tego ukadu z prdkoci ok. 400 km/s G. F. Smoot, M. V. Gorenstein, R. A. Muller, Phys. Rev. Letters, 39, 898 (1977).

George F. Smoot przyjmue nagrod Nobla w 2006 roku od Krla Szwecji.

Amplituda temperaturowa tej anizotropii wyznaczona na podstawie efektu Dopplera wynosi T=T0v/c0.0033 K.

Wyniki te wskazuj na wypadkowy ruch z prdkoci ok. 368 2 km/s w kierunku o wsprzdnych galaktycznych l=264 oraz b=48(gwiazdozbr Lwa i Panny).

Przykady galaktyk spiralnychWzgldem rodka Galaktyki mkniemy z prdkoci ok. 300 km/s.

The indication of the above image is that the local group of galaxies, to which the Earth belongs, is moving at about 600 km/s with respect to the background radiation. It is not known why the Earth is moving with such a high velocity relative to the background radiation. Beginning the new aether drift experiment

So now here was a project that had a guaranteed signal of well-defined angular dependence, and amplitude. This made it a good candidate to propose to colleagues, funding agencies, etc. One problem to overcome was the strong prejudice of good scientists who learned the lessonof the Michelson and Morley experiment and special relativity that there were no preferred frames of reference.

Kopernik z Torunia mia racj

nie jestemy w centrum Wszechwiata.

a dlaczego?bo wiato ma sta (tzn. skoczon) prdkoniezalen od ukadu odniesieniatzn. istnieje horyzont czasoprzestrzeni

Michelson ze Strzelna

Ziemia, jakkolwiek bardzo wielk jest bry, adnego nie maporwnania z wielkoci nieba[] e cay wiat si obraca, ktrego granic nie znamy, ani ich nawet zna nie moemy, M. Kopernik, Ossolineum, DeAgostini Polska 2004

http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/dmr_image.cfmZmiany temperatury ( 27 K) promieniowania reliktowego zaobserwowane przez satelit COBE. Rozmiary ktowe fluktuacji s rzdu kilku do kilkunastu stopni. cd po odjciu przesunicia Dopplera:Gorca zupa plazmowa z pocztku Wszechwiata

cd Ciemna masa, ciemna energiaThe universe is mostly composed of dark energy and dark matter, both of which are poorly understood at present. Only 4% of the universe is ordinary matter, a relatively small perturbation.

cd Palec Boy?

ze Strzelna przyjmuje nagrod Nobla w 20 roku od Krla Szwecji.!!! Wiadomo z przyszoci