كيف تحسب سرعة الضوء

فرقع أصابعك! في الوقت الذي استغرقه القيام بذلك ، كان شعاع الضوء قادرًا على الانتقال تقريبًا إلى القمر. إذا نقرت بأصابعك مرة أخرى ، فستمنح الشعاع الوقت لإكمال الرحلة. النقطة المهمة هي أن الضوء ينتقل بسرعة كبيرة جدًا.

ينتقل الضوء بسرعة ، لكن سرعته ليست بلا حدود ، كما كان يعتقد الناس قبل القرن السابع عشر. ومع ذلك ، فإن السرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها باستخدام المصابيح أو الانفجارات أو غيرها من الوسائل التي تعتمد على حدة البصر البشري ووقت رد الفعل البشري. اسأل جاليليو.

ابتكر جاليليو تجربة في عام 1638 باستخدام الفوانيس ، وكان أفضل نتيجة تمكن من إدارتها هي أن الضوء "سريع للغاية" (بعبارة أخرى ، سريع حقًا حقًا). لم يكن قادرًا على التوصل إلى رقم ، إذا فعل ، في الواقع ، حتى حاول التجربة. ومع ذلك ، فقد تجرأ ليقول إنه يعتقد أن الضوء ينتقل أسرع بعشر مرات على الأقل من الصوت. في الواقع ، إنها أسرع مليون مرة.

أول قياس ناجح لسرعة الضوء ، والذي يمثله الفيزيائيون عالميًا بواسطة حرف c صغير ، تم إجراؤه بواسطة Ole Roemer في عام 1676. استند قياساته على ملاحظات أقمار المشتري. منذ ذلك الحين ، استخدم الفيزيائيون ملاحظات النجوم ، والعجلات المسننة ، والمرايا الدوارة ، ومقاييس التداخل الراديوية ، ومرنانات التجويف والليزر لتحسين القياس. هم يعرفون الآن

سرعة الضوء هي ثابت عالمي ، لذلك لا توجد صيغة لسرعة الضوء ،في حد ذاته. في الواقع ، إذاجإذا كانت مختلفة ، فجميع قياساتنا يجب أن تتغير ، لأن العداد يعتمد عليها. ومع ذلك ، فإن للضوء خصائص موجية تشمل الترددνوالطول الموجيλويمكنك ربطها بسرعة الضوء بهذه المعادلة التي قد تسميها معادلة سرعة الضوء:

كان Roemer أول شخص توصل إلى رقم لسرعة الضوء. لقد فعل ذلك أثناء مراقبة خسوف أقمار المشتري ، وتحديداً آيو. كان يشاهد آيو يختفي خلف الكوكب العملاق ، ثم يحين الوقت الذي يستغرقه ظهوره مرة أخرى. ورأى أن هذه المرة يمكن أن تختلف بما يصل إلى 1000 ثانية ، اعتمادًا على مدى قرب المشتري من الأرض. لقد توصل إلى قيمة لسرعة الضوء تبلغ 214000 كم / ثانية ، وهي في نفس الملعب مثل القيمة الحديثة التي تبلغ 300000 كم / ثانية تقريبًا.

في عام 1728 ، قام عالم الفلك الإنجليزي جيمس برادلي بحساب سرعة الضوء من خلال ملاحظة الانحرافات النجمية ، وهو تغير واضح في موضعها بسبب حركة الأرض حول الشمس. من خلال قياس زاوية هذا التغيير وطرح سرعة الأرض ، والتي يمكنه حسابها من البيانات المعروفة في ذلك الوقت ، توصل برادلي إلى رقم أكثر دقة. حسب سرعة الضوء في الفراغ لتكون 301،000 كم / ثانية.

الشخص التالي الذي قام بقياس سرعة الضوء كان الفيلسوف الفرنسي أرماند هيبوليت فيزو ، ولم يعتمد على الملاحظات الفلكية. بدلاً من ذلك ، قام ببناء جهاز يتكون من مقسم شعاع وعجلة مسننة دوارة ومرآة على بعد 8 كم من مصدر الضوء. يمكنه ضبط سرعة دوران العجلة للسماح لشعاع من الضوء بالمرور نحو المرآة مع منع شعاع العودة. حسابهج، الذي نشره في عام 1849 ، كان 315000 كم / ثانية ، وهي ليست دقيقة مثل برادلي.

بعد عام ، قام الفيزيائي الفرنسي ليون فوكو بتحسين تجربة فيزو من خلال استبدال مرآة دوارة بالعجلة المسننة. كانت قيمة فوكو لـ c 298000 كم / ثانية ، والتي كانت أكثر دقة ، وفي هذه العملية ، توصل فوكو إلى اكتشاف مهم. بإدخال أنبوب ماء بين المرآة الدوارة والمرآة الثابتة ، حدد أن سرعة الضوء في الهواء أعلى من سرعة الماء. كان هذا مخالفًا لما تنبأت به نظرية الجسيمات للضوء وساعد في إثبات أن الضوء عبارة عن موجة.

في عام 1881 ، أ. أ. قام ميكلسون بتحسين قياسات فوكو من خلال بناء مقياس التداخل ، والذي كان قادرًا على ذلك قارن بين مراحل الشعاع الأصلي والمراحل العائدة واعرض نمط التداخل على أ شاشة. كانت نتيجته 299،853 كم / ثانية.

طور ميكلسون مقياس التداخل لاكتشاف وجودالأثير، مادة شبحية يُعتقد أن الموجات الضوئية تنتشر من خلالها. كانت تجربته ، التي أجراها مع الفيزيائي إدوارد مورلي ، فاشلة ، وقادت أينشتاين إلى استنتاج أن سرعة الضوء هي ثابت عالمي هو نفسه في جميع الأطر المرجعية. كان هذا هو الأساس لنظرية النسبية الخاصة.

كانت قيمة ميشيلسون هي القيمة المقبولة حتى قام بتحسينها بنفسه في عام 1926. منذ ذلك الحين ، تم تنقيح القيمة من قبل عدد من الباحثين باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. إحدى هذه التقنيات هي طريقة رنان التجويف ، والتي تستخدم جهازًا يولد تيارًا كهربائيًا. هذه طريقة صالحة لأن علماء الفيزياء ، بعد نشر معادلات ماكسويل في منتصف القرن التاسع عشر متفقون على أن الضوء والكهرباء كلاهما ظاهرتان موجتان كهرومغناطيسية ، وكلاهما يسافر في نفس الوقت سرعة.

في الواقع ، بعد أن نشر ماكسويل معادلاته ، أصبح من الممكن قياس c بشكل غير مباشر من خلال مقارنة النفاذية المغناطيسية والنفاذية الكهربائية في الفضاء الحر. قام باحثان ، روزا ودورسي ، بهذا في عام 1907 وبحسب سرعة الضوء لتكون 299،788 كم / ثانية.

في عام 1950 ، استخدم الفيزيائيان البريطانيان لويس إيسن و إيه سي جوردون سميث مرنانًا تجويفيًا لحساب سرعة الضوء عن طريق قياس الطول الموجي والتردد. سرعة الضوء تساوي المسافة التي يقطعها الضوءدمقسومًا على الوقت المستغرق∆t​: ​ج = د / ∆t. ضع في اعتبارك أن الوقت المناسب لطول موجي واحدλلتمرير نقطة هي فترة شكل الموجة ، وهو مقلوب الترددالخامس، وتحصل على صيغة سرعة الضوء:

يُعرف الجهاز المستخدم من Essen و Gordon-Smith باسم aمقياس التجويف الرنيني. يولد تيارًا كهربائيًا بتردد معروف ، وكانوا قادرين على حساب الطول الموجي عن طريق قياس أبعاد مقياس الموجة. أسفرت حساباتهم عن 299،792 كم / ثانية ، وهو التحديد الأكثر دقة حتى الآن.

تعيد إحدى تقنيات القياس المعاصرة إحياء طريقة تقسيم الحزمة التي استخدمها Fizeau و Foucault ، ولكنها تستخدم الليزر لتحسين الدقة. في هذه الطريقة ، يتم تقسيم شعاع الليزر النبضي. يذهب شعاع واحد إلى كاشف بينما يسافر الآخر بشكل عمودي على مرآة موضوعة على مسافة قصيرة. تعكس المرآة الشعاع إلى مرآة ثانية تحرفه إلى كاشف ثان. يتم توصيل كلا الكاشفين بمؤشر الذبذبات ، الذي يسجل تردد النبضات.

يتم فصل قمم نبضات راسم الذبذبات لأن الحزمة الثانية تنتقل لمسافة أكبر من الأولى. من خلال قياس المسافة الفاصلة بين القمم والمسافة بين المرايا ، يمكن استنتاج سرعة شعاع الضوء. هذه تقنية بسيطة وتؤدي إلى نتائج دقيقة إلى حد ما. سجل باحث في جامعة نيو ساوث ويلز بأستراليا قيمة 300.000 كم / ثانية.

المقياس المستخدم من قبل المجتمع العلمي هو العداد. تم تعريفه في الأصل على أنه واحد على عشرة ملايين من المسافة من خط الاستواء إلى القطب الشمالي ، و تم تغيير التعريف لاحقًا ليكون عددًا معينًا من الأطوال الموجية لأحد خطوط انبعاث الكريبتون 86. في عام 1983 ، ألغى المجلس العام للأوزان والمقاييس تلك التعريفات واعتمد هذا التعريف:

​المترهي المسافة التي يقطعها شعاع من الضوء في فراغ في 1 / 299،792،458 من الثانية ، حيث تعتمد الثانية على الاضمحلال الإشعاعي لذرة السيزيوم -133.​

تحديد العداد من حيث سرعة الضوء يحدد أساسًا سرعة الضوء عند 299.792.458 م / ث. إذا أسفرت التجربة عن نتيجة مختلفة ، فهذا يعني فقط أن الجهاز معيب. بدلاً من إجراء المزيد من التجارب لقياس سرعة الضوء ، يستخدم العلماء سرعة الضوء لمعايرة معداتهم.

تظهر سرعة الضوء في مجموعة متنوعة من السياقات في الفيزياء ، ومن الممكن تقنيًا حسابها من البيانات المقاسة الأخرى. على سبيل المثال ، أوضح بلانك أن طاقة الكم ، مثل الفوتون ، تساوي ترددها مضروبًا في ثابت بلانك (ح) ، والذي يساوي 6.6262 × 10^-34 جول ثاني. منذ الترددج / λ، يمكن كتابة معادلة بلانك من حيث الطول الموجي:

من خلال قصف لوحة كهروضوئية بضوء ذي طول موجي معروف وقياس طاقة الإلكترونات المقذوفة ، من الممكن الحصول على قيمةج. هذا النوع من حاسبة سرعة الضوء ليس ضروريًا لقياس c ، لأنجهومعرفليكون ما هو عليه. ومع ذلك ، يمكن استخدامه لاختبار الجهاز. إذاEλ / حلا يخرج إلى أن يكون c ، هناك خطأ ما في قياسات طاقة الإلكترون أو الطول الموجي للضوء الساقط.

من المنطقي تحديد المقياس من حيث سرعة الضوء في الفراغ ، لأنه الثابت الأساسي في الكون. أظهر أينشتاين أنه هو نفسه بالنسبة لكل نقطة مرجعية ، بغض النظر عن الحركة ، وهو أيضًا أسرع أي شيء يمكن أن ينتقل في الكون - على الأقل ، أي شيء له كتلة. معادلة أينشتاين ، ومن أشهر المعادلات في الفيزياء ،ه = مك²، يقدم الدليل على سبب ذلك.

في أكثر أشكالها تميزًا ، تنطبق معادلة أينشتاين فقط على الأجسام الساكنة. ومع ذلك ، فإن المعادلة العامة تشملعامل لورنتز​ ​γ، أين

لجسم متحرك بكتلةموالسرعةالخامس، يجب كتابة معادلة أينشتاينه = مك²γ. عندما تنظر إلى هذا ، يمكنك أن ترى ذلك متىالخامس​ = 0, ​γ= 1 وتحصل علىه = مك²​.

رغم ذلك، متىت = ج ، γيصبح لانهائيًا ، والنتيجة التي يتعين عليك استخلاصها هي أن الأمر سيستغرق كمية غير محدودة من الطاقة لتسريع أي كتلة محدودة إلى تلك السرعة. طريقة أخرى للنظر إليها هي أن الكتلة تصبح لانهائية عند سرعة الضوء.

يجعل التعريف الحالي للمتر سرعة الضوء هي المعيار للقياسات الأرضية للمسافة ، ولكن تم استخدامه منذ فترة طويلة لقياس المسافات في الفضاء. السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة أرضية واحدة ، والتي تتحول إلى 9.46 × 10¹⁵ م.

إن عدد الأمتار الكثير لا يمكن فهمه ، ولكن من السهل فهم السنة الضوئية ، ولأن سرعة الضوء ثابتة في جميع الإطارات المرجعية بالقصور الذاتي ، فهي وحدة مسافة موثوقة. لقد أصبح أقل موثوقية بقليل من خلال استنادها إلى العام ، وهو إطار زمني لا علاقة له بأي شخص من كوكب مختلف.