Щракнете с пръсти! Във времето, необходимо за това, светлинен лъч успя да пътува почти до Луната. Ако щракнете още веднъж с пръсти, ще дадете време на лъча да завърши пътуването. Въпросът е, че светлината пътува наистина, много бързо.
Светлината се движи бързо, но скоростта й не е безкрайна, както вярваха хората преди 17 век. Скоростта е твърде бърза за измерване с помощта на лампи, експлозии или други средства, които зависят от зрителната острота на човека и времето за реакция на човека. Попитайте Галилей.
Светлинни експерименти
През 1638 г. Галилей измисля експеримент, който използва фенери и най-добрият извод, който може да се справи, е, че светлината е „изключително бърза“ (с други думи, наистина, наистина бърза). Той не успя да измисли номер, ако всъщност дори опита опит. Той обаче се осмели да каже, че вярва, че светлината се движи поне 10 пъти по-бързо от звука. Всъщност е по-скоро милион пъти по-бързо.
Първото успешно измерване на скоростта на светлината, което физиците универсално представляват с малка буква c, е направено от Оле Ремер през 1676 година. Той основава своите измервания на наблюдения на спътниците на Юпитер. Оттогава физиците използват наблюдения на звездите, зъбни колела, въртящи се огледала, радиоинтерферометри, резонатори на кухини и лазери, за да усъвършенстват измерването. Те вече знаят
° Столкова точно, че Генералният съвет по теглилки и мерки основава на него измервателния уред, който е основната единица за дължина в системата SI.Скоростта на светлината е универсална константа, така че няма формула за скорост на светлината,сами по себе си. Всъщност, ако° Сса по-различни, всички наши измервания ще трябва да се променят, тъй като измервателният уред е базиран на него. Светлината обаче има вълнови характеристики, които включват честотаνи дължина на вълнатаλ, и можете да ги свържете със скоростта на светлината с това уравнение, което бихте могли да наречете уравнението за скоростта на светлината:
c = \ nu \ ламбда
Измерване на скоростта на светлината от астрономически наблюдения
Ремер беше първият човек, който измисли число за скоростта на светлината. Той го направи, докато наблюдаваше затъмненията на спътниците на Юпитер, по-специално Йо. Щеше да наблюдава как Ио изчезва зад гигантската планета и след това да измерва колко време е необходимо, за да се появи отново. Той разсъждава, че това време може да се различава с до 1000 секунди, в зависимост от това колко близо е Юпитер до земята. Той излезе със стойност за скоростта на светлината от 214 000 km / s, която е в същата зона като съвременната стойност от почти 300 000 km / s.
През 1728 г. английският астроном Джеймс Брадли изчислява скоростта на светлината, като наблюдава звездни аберации, което е тяхната очевидна промяна в положението поради движението на земята около слънцето. Чрез измерване на ъгъла на тази промяна и изваждане на скоростта на земята, която той може да изчисли от данни, известни по това време, Брадли излезе с много по-точно число. Той изчисли скоростта на светлината във вакуум да бъде 301 000 км / сек.
Сравняване на скоростта на светлината във въздуха със скоростта на водата
Следващият човек, който измерва скоростта на светлината, е френският философ Арман Иполит Физо и той не разчита на астрономически наблюдения. Вместо това той конструира апарат, състоящ се от разделител на лъча, въртящо се зъбно колело и огледало, поставено на 8 км от източника на светлина. Той можеше да регулира скоростта на въртене на колелото, за да позволи на лъча светлина да премине към огледалото, но да блокира обратния лъч. Неговото изчисление на° С, който той публикува през 1849 г., беше 315 000 км / сек, което не беше толкова точно като това на Брадли.
Година по-късно Леон Фуко, френски физик, подобри експеримента на Физо, като замени въртящото се огледало на зъбното колело. Стойността на Фуко за c беше 298 000 км / сек, което беше по-точно и в процеса Фуко направи важно откритие. С вмъкване на тръба с вода между въртящото се огледало и неподвижното, той установява, че скоростта на светлината във въздуха е по-висока от скоростта във водата. Това беше в противоречие с това, което предсказваше корпускулярната теория за светлината и помогна да се установи, че светлината е вълна.
През 1881 г. А. А. Майкълсън подобри измерванията на Фуко чрез конструиране на интерферометър, който успя сравнете фазите на оригиналния лъч и на връщащия се и покажете интерференционен модел на a екран. Резултатът му беше 299 853 км / сек.
Майкълсън е разработил интерферометъра, за да открие наличието наетер, призрачно вещество, през което се смята, че се разпространяват светлинни вълни. Неговият експеримент, проведен с физика Едуард Морли, е неуспешен и накара Айнщайн да заключи, че скоростта на светлината е универсална константа, която е еднаква във всички референтни рамки. Това беше основата за специална теория на относителността.
Използване на уравнението за скоростта на светлината
Стойността на Майкълсън беше приета, докато той сам не я подобри през 1926 година. Оттогава стойността е усъвършенствана от редица изследователи, използвайки различни техники. Една такава техника е резонаторният метод с кухина, който използва устройство, което генерира електрически ток. Това е валиден метод, тъй като след публикуването на уравненията на Максуел в средата на 1800 г. физиците са го направили бяха съгласни, че светлината и електричеството са и двете явления на електромагнитната вълна и и двете пътуват едновременно скорост.
Всъщност, след като Максуел публикува своите уравнения, стана възможно да се измери индиректно чрез сравняване на магнитната пропускливост и електрическата пропускливост на свободното пространство. Двама изследователи, Роза и Дорси, направиха това през 1907 г. и изчислиха скоростта на светлината на 299 788 км / сек.
През 1950 г. британските физици Луис Есен и А. С. Гордън-Смит използват резонатор с кухина, за да изчислят скоростта на светлината чрез измерване на дължината на вълната и честотата. Скоростта на светлината е равна на разстоянието, което светлината изминавадразделен на времето, необходимо.T: c = d / ∆t. Помислете, че времето за една дължина на вълнатаλда премине точка е периодът на формата на вълната, който е реципрочната стойност на честотатаvи получавате формула за скоростта на светлината:
c = \ nu \ ламбда
Устройството, използвано от Есен и Гордън-Смит, е известно каторезонансен вълномер с кухина. Той генерира електрически ток с известна честота и те успяха да изчислят дължината на вълната чрез измерване на размерите на вълномера. Техните изчисления дадоха 299 792 км / сек, което беше най-точното определяне до момента.
Съвременен метод за измерване с помощта на лазери
Една съвременна измервателна техника възкресява метода за разделяне на лъча, използван от Физо и Фуко, но използва лазери за подобряване на точността. При този метод импулсен лазерен лъч се разделя. Един лъч отива към детектор, докато друг пътува перпендикулярно на огледало, поставено на кратко разстояние. Огледалото отразява лъча обратно към второ огледало, което го отклонява към втори детектор. И двата детектора са свързани към осцилоскоп, който записва честотата на импулсите.
Пиковете на импулсите на осцилоскопа са разделени, тъй като вторият лъч изминава по-голямо разстояние от първия. Чрез измерване на разделянето на върховете и разстоянието между огледалата е възможно да се изведе скоростта на светлинния лъч. Това е проста техника и дава доста точни резултати. Изследовател от Университета на Нов Южен Уелс в Австралия регистрира стойност от 300 000 км / сек.
Измерването на скоростта на светлината вече няма смисъл
Измервателната пръчка, използвана от научната общност, е измервателният уред. Първоначално беше определено да бъде една десетмилионна от разстоянието от екватора до Северния полюс и дефиницията по-късно беше променена, за да бъде определен брой дължини на вълната на една от емисионните линии на криптон-86. През 1983 г. Генералният съвет за теглилки и мерки отмени тези определения и прие това:
Theметъре разстоянието, изминато от лъча светлина във вакуум за 1 / 299,792,458 от секундата, където второто се основава на радиоактивното разпадане на атома цезий-133.
Определянето на измервателния уред по отношение на скоростта на светлината по същество определя скоростта на светлината на 299 792 458 m / s. Ако експериментът даде различен резултат, това просто означава, че апаратът е повреден. Вместо да провеждат повече експерименти за измерване на скоростта на светлината, учените използват скоростта на светлината, за да калибрират оборудването си.
Използване на скоростта на светлината за калибриране на експериментален апарат
Скоростта на светлината се проявява в различни контексти във физиката и технически е възможно да се изчисли от други измерени данни. Например, Планк демонстрира, че енергията на квант, като фотон, е равна на неговата честота, умножена по константата на Планк (h), която е равна на 6,6262 х 10-34 Джоул⋅секунда. Тъй като честотата еc / λ, Уравнението на Планк може да бъде записано по отношение на дължината на вълната:
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ предполага c = \ frac {E \ lambda} {h}
Чрез бомбардиране на фотоелектрическа плоча със светлина с известна дължина на вълната и измерване на енергията на изхвърлените електрони е възможно да се получи стойност за° С. Този тип калкулатор на скоростта на светлината не е необходим за измерване на c, тъй като° Седефиниранида бъде това, което е. Въпреки това, той може да се използва за тестване на апарата. АкоEλ / hне излиза да е c, нещо не е наред нито с измерванията на електронната енергия, нито с дължината на вълната на падащата светлина.
Скоростта на светлината във вакуум е универсална константа
Има смисъл да се дефинира измервателят по отношение на скоростта на светлината във вакуум, тъй като това е най-фундаменталната константа във Вселената. Айнщайн показа, че е еднакъв за всяка референтна точка, независимо от движението, и е най-бързото нещо, което може да пътува във Вселената - поне всичко с маса. Уравнението на Айнщайн и едно от най-известните уравнения във физиката,E = mc2, дава представа защо това е така.
В най-разпознаваемата си форма уравнението на Айнщайн се прилага само за тела в покой. Общото уравнение обаче включваФактор на Лоренц γ, където
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
За тяло в движение с масами скоростv, Трябва да се напише уравнението на АйнщайнE = mc2γ. Когато погледнете това, можете да видите това когаv = 0, γ= 1 и получаватеE = mc2.
Кога обачеv = c, γстава безкрайно и заключението, което трябва да направите, е, че ще отнеме безкрайно количество енергия, за да ускори всяка крайна маса до тази скорост. Друг начин на гледане е, че масата става безкрайна със скоростта на светлината.
Настоящата дефиниция на измервателния уред прави скоростта на светлината стандарт за земни измервания на разстоянието, но отдавна се използва за измерване на разстояния в космоса. Светлинната година е разстоянието, което светлината изминава за една земна година, което се оказва на 9.46 × 1015 м.
Толкова много метра са твърде много за разбиране, но светлинната година е лесна за разбиране и тъй като скоростта на светлината е постоянна във всички инерционни референтни рамки, това е надеждна единица за разстояние. Той е направен малко по-малко надежден, като се основава на годината, което е времева рамка, която няма да има отношение към никого от различна планета.