Jak obliczyć prędkość światła

Zawartość

• Lekkie eksperymenty
• Pomiar prędkości światła z obserwacji astronomicznych
• Porównywanie prędkości światła w powietrzu do prędkości w wodzie
• Korzystanie z równania prędkości światła
• Nowoczesna metoda pomiaru z wykorzystaniem laserów
• Pomiar prędkości światła już nie ma sensu
• Wykorzystanie prędkości światła do kalibracji eksperymentalnego aparatu
• Prędkość światła w próżni jest stałą uniwersalną

Pstryknij palcami! W tym czasie wiązka światła mogła przemierzyć prawie całą drogę na Księżyc. Jeśli ponownie pstrykniesz palcami, dasz wiązce czas na ukończenie podróży. Chodzi o to, że światło porusza się naprawdę, bardzo szybko.

Światło porusza się szybko, ale jego prędkość nie jest nieskończona, jak wierzyli ludzie przed XVII wiekiem. Prędkość jest jednak zbyt duża, aby ją zmierzyć za pomocą lamp, eksplozji lub innych środków, które zależą jednak od ludzkiej ostrości wzroku i czasu reakcji człowieka. Zapytaj Galileusza.

Lekkie eksperymenty

Galileusz opracował eksperyment w 1638 r., Który wykorzystywał latarnie, a najlepszym wnioskiem, jaki udało mu się osiągnąć, było to, że światło jest „wyjątkowo szybkie” (innymi słowy, naprawdę, bardzo szybko). Nie był w stanie wymyślić numeru, nawet gdyby nawet spróbował eksperymentu. Zaryzykował jednak stwierdzenie, że wierzy, że światło podróżuje co najmniej 10 razy szybciej niż dźwięk. W rzeczywistości jest to prawie milion razy szybsze.

Pierwszy udany pomiar prędkości światła, który fizycy powszechnie reprezentują małą literą c, został wykonany przez Ole Roemera w 1676 roku. Oparł swoje pomiary na obserwacjach księżyców Jowisza. Od tego czasu fizycy wykorzystali obserwacje gwiazd, kół zębatych, obracających się luster, interferometrów radiowych, rezonatorów wnęk i laserów w celu udoskonalenia pomiaru. Teraz wiedzą do tak dokładnie, że Rada Ogólna ds. Miar i Miar oparła na nim miernik, który jest podstawową jednostką długości w układzie SI.

Prędkość światła jest uniwersalną stałą, więc nie ma formuły prędkości światła, jako taki. W rzeczywistości, jeśli do gdyby były inne, wszystkie nasze pomiary musiałyby się zmienić, ponieważ miernik jest na nim oparty. Światło ma jednak charakterystykę falową, która obejmuje częstotliwość ν i długość fali λ, i możesz powiązać je z prędkością światła za pomocą tego równania, które możesz nazwać równaniem prędkości światła:

c = νλ

Pomiar prędkości światła z obserwacji astronomicznych

Roemer był pierwszą osobą, która wymyśliła liczbę określającą prędkość światła. Zrobił to, obserwując zaćmienia księżyców Jowisza, szczególnie Io. Obserwował, jak Io znika za gigantyczną planetą, a potem czas, jaki zajęło mu ponowne pojawienie się. Uznał, że ten czas może różnić się nawet o 1000 sekund, w zależności od odległości Jowisza od ziemi. Wymyślił wartość prędkości światła 214 000 km / s, która jest na tym samym poziomie, co współczesna wartość prawie 300 000 km / s.

W 1728 roku angielski astronom James Bradley obliczył prędkość światła, obserwując aberracje gwiezdne, które są ich pozorną zmianą położenia w wyniku ruchu Ziemi wokół Słońca. Mierząc kąt tej zmiany i odejmując prędkość Ziemi, którą mógł obliczyć na podstawie danych znanych w tym czasie, Bradley opracował znacznie dokładniejszą liczbę. Obliczył prędkość światła w próżni na 301 000 km / s.

Porównywanie prędkości światła w powietrzu do prędkości w wodzie

Następną osobą, która zmierzyła prędkość światła, był francuski filozof Armand Hippolyte Fizeau i nie polegał na obserwacjach astronomicznych. Zamiast tego skonstruował aparat składający się z dzielnika wiązki, obracającego się koła zębatego i lustra umieszczonego 8 km od źródła światła. Mógł regulować prędkość obrotu koła, aby pozwolić wiązce światła przechodzić w kierunku lustra, ale blokować wiązkę zwrotną. Jego obliczenia do, który opublikował w 1849 r., miał prędkość 315 000 km / s, co nie było tak dokładne jak Bradleys.

Rok później Léon Foucault, francuski fizyk, ulepszył eksperyment Fizeaus, zastępując obracające się lustro kołem zębatym. Wartość Foucaulta dla c wynosiła 298 000 km / s, co było dokładniejsze, i podczas tego procesu Foucault dokonał ważnego odkrycia. Umieszczając rurkę z wodą między obracającym się lustrem a nieruchomym, stwierdził, że prędkość światła w powietrzu jest wyższa niż prędkość w wodzie. Było to sprzeczne z przewidywaniami ciałkowej teorii światła i pomogło ustalić, że światło jest falą.

W 1881 r. A. A. Michelson poprawił pomiary Foucaulta, konstruując interferometr, który był w stanie porównać fazy pierwotnej wiązki i wiązki powrotnej i wyświetlić wzór interferencji na ekranie. Jego wynik wynosił 299 853 km / s.

Michelson opracował interferometr do wykrywania obecności eter, upiorna substancja, przez którą miały rozchodzić się fale świetlne. Jego eksperyment, przeprowadzony z fizykiem Edwardem Morleyem, był porażką i doprowadził Einsteina do wniosku, że prędkość światła jest uniwersalną stałą, która jest taka sama we wszystkich ramach odniesienia. To było podstawą specjalnej teorii względności.

Korzystanie z równania prędkości światła

Wartość Michelsona była akceptowana, dopóki sam jej nie poprawił w 1926 roku. Od tego czasu wartość została udoskonalona przez wielu badaczy stosujących różne techniki. Jedną z takich technik jest metoda rezonatora wnękowego, w której wykorzystuje się urządzenie wytwarzające prąd elektryczny. Jest to poprawna metoda, ponieważ po opublikowaniu równań Maxwella w połowie XIX wieku fizycy zgodzili się, że zarówno światło, jak i elektryczność są zjawiskami fal elektromagnetycznych i oba poruszają się z tą samą prędkością.

W rzeczywistości po opublikowaniu przez Maxwella swoich równań stało się możliwe zmierzenie c pośrednio przez porównanie przenikalności magnetycznej i elektrycznej przepuszczalności wolnej przestrzeni. Dwóch badaczy, Rosa i Dorsey, zrobili to w 1907 roku i obliczyli prędkość światła na 299 788 km / s.

W 1950 roku brytyjscy fizycy Louis Essen i A.C. Gordon-Smith wykorzystali rezonator wnękowy do obliczenia prędkości światła poprzez pomiar jego długości fali i częstotliwości. Prędkość światła jest równa odległości, którą podróżuje światło re podzielone przez czas potrzebny .T: c = d / ∆t. Weź pod uwagę, że czas dla jednej długości fali λ przekroczenie punktu to okres fali, który jest odwrotnością częstotliwości v, a otrzymasz prędkość lekkiej formuły:

c = νλ

Użyte urządzenie Essen i Gordon-Smith jest znane jako falomierz rezonansu jamy. Generuje prąd elektryczny o znanej częstotliwości i byli w stanie obliczyć długość fali poprzez pomiar wymiarów falomierza. Ich obliczenia wykazały prędkość 299 792 km / s, co było jak dotąd najdokładniejszym określeniem.

Nowoczesna metoda pomiaru z wykorzystaniem laserów

Jedna współczesna technika pomiarowa wskrzesza metodę podziału wiązki stosowaną przez Fizeau i Foucault, ale wykorzystuje lasery do poprawy dokładności. W tej metodzie pulsacyjna wiązka laserowa jest dzielona. Jedna wiązka trafia do detektora, a druga prostopadle do zwierciadła umieszczonego w niewielkiej odległości. Lustro odbija wiązkę z powrotem do drugiego lustra, które odchyla ją do drugiego detektora. Oba detektory są podłączone do oscyloskopu, który rejestruje częstotliwość impulsów.

Piki impulsów oscyloskopu są oddzielone, ponieważ druga wiązka przebywa większą odległość niż pierwsza. Mierząc odległość szczytów i odległość między zwierciadłami, możliwe jest określenie prędkości wiązki światła. Jest to prosta technika i daje dość dokładne wyniki. Badacz z University of New South Wales w Australii odnotował wartość 300 000 km / s.

Pomiar prędkości światła już nie ma sensu

Miernikiem używanym przez społeczność naukową jest miernik. Początkowo zdefiniowano ją jako jedną dziesięciomilionową odległość od równika do Bieguna Północnego, a definicję zmieniono później na pewną liczbę długości fal jednej z linii emisji krypton-86. W 1983 r. Rada Generalna ds. Miar i Miar usunęła te definicje i przyjęła następującą:

The metr jest odległością pokonywaną przez wiązkę światła w próżni w 1 / 299,792,458 sekundy, gdzie druga jest oparta na rozpadzie radioaktywnym atomu cezu-133.

Zdefiniowanie miernika pod względem prędkości światła zasadniczo ustala prędkość światła na 299 792 458 m / s. Jeśli eksperyment daje inny wynik, oznacza to po prostu, że aparat jest uszkodzony. Zamiast przeprowadzać więcej eksperymentów w celu pomiaru prędkości światła, naukowcy wykorzystują prędkość światła do kalibracji swojego sprzętu.

Wykorzystanie prędkości światła do kalibracji eksperymentalnego aparatu

Prędkość światła pojawia się w różnych wadach fizyki, a jego technicznie możliwe jest obliczenie go na podstawie innych zmierzonych danych. Na przykład Planck wykazał, że energia kwantu, takiego jak foton, jest równa jego częstotliwości razy stała Plancka (h), która jest równa 6,6262 x 10^-34 Joule⋅second. Ponieważ częstotliwość wynosi c / λ, Równanie Plancka można zapisać w kategoriach długości fali:

E = hν = hc / λ

c = Eλ / h

Bombardując płytkę fotoelektryczną światłem o znanej długości fali i mierząc energię wyrzucanych elektronów, możliwe jest uzyskanie wartości do. Ten typ kalkulatora prędkości światła nie jest jednak konieczny do pomiaru c, ponieważ do jest zdefiniowane być tym, czym jest. Można go jednak użyć do przetestowania aparatu. Jeśli Eλ / h nie wychodzi na c, coś jest nie tak z pomiarami energii elektronów, jak i długości fali padającego światła.

Prędkość światła w próżni jest stałą uniwersalną

Sensowne jest zdefiniowanie miernika pod względem prędkości światła w próżni, ponieważ jest to najbardziej podstawowa stała we wszechświecie. Einstein pokazał, że jest taki sam dla każdego punktu odniesienia, niezależnie od ruchu, i jest również najszybszy, co może poruszać się we wszechświecie - przynajmniej wszystko z masą. Równanie Einsteina i jedno z najbardziej znanych równań w fizyce, E = mc², stanowi wskazówkę, dlaczego tak jest.

W najbardziej rozpoznawalnej formie równanie Einsteina dotyczy tylko ciał w spoczynku. Ogólne równanie obejmuje jednak Współczynnik Lorentza γ, gdzie γ = 1 / √ (1- w²/do²). Dla ciała w ruchu z masą m i prędkość v, Należy zapisać równanie Einsteinsa E = mc²γ. Kiedy na to spojrzysz, możesz zobaczyć, kiedy v = 0, γ = 1 i dostajesz E = mc².

Jednak kiedy v = c, γ staje się nieskończony, a wniosek, który musisz wyciągnąć, jest taki, że przyspieszenie dowolnej skończonej masy do tej prędkości wymagałoby nieskończonej ilości energii. Innym sposobem patrzenia na to jest to, że masa staje się nieskończona z prędkością światła.

Obecna definicja miernika czyni prędkość światła standardową dla naziemnych pomiarów odległości, ale od dawna jest używana do pomiaru odległości w przestrzeni. Rok świetlny to odległość, jaką światło pokonuje w ciągu jednego roku ziemskiego, który okazuje się wynosić 9,46 × 10¹⁵ m.

Tyle metrów to zbyt wiele, aby je zrozumieć, ale rok świetlny jest łatwy do zrozumienia, a ponieważ prędkość światła jest stała we wszystkich bezwładnościowych ramach odniesienia, jego niezawodna jednostka odległości. Jest nieco mniej niezawodny, ponieważ opiera się na roku, który jest przedziałem czasowym, który nie miałby znaczenia dla nikogo z innej planety.