Jak vypočítat rychlost světla

Luskněte prsty! V době, kdy to bylo nutné, byl světelný paprsek schopen cestovat téměř až na Měsíc. Pokud lusknete prsty ještě jednou, dáte paprsku čas na dokončení cesty. Jde o to, že světlo cestuje opravdu, opravdu rychle.

Světlo cestuje rychle, ale jeho rychlost není nekonečná, jak lidé věřili před 17. stoletím. Rychlost je příliš rychlá na to, aby se měřila pomocí lamp, výbuchů nebo jiných prostředků, které však závisí na ostrosti lidského zraku a době reakce člověka. Zeptejte se Galileo.

Galileo vymyslel v roce 1638 experiment, který používal lucerny, a nejlepším závěrem, který dokázal, bylo, že světlo je „mimořádně rychlé“ (jinými slovy, opravdu, opravdu rychlé). Nebyl schopen přijít s číslem, pokud to skutečně udělal, experiment dokonce vyzkoušel. Dovolil si však říci, že věří, že světlo cestuje nejméně 10krát rychleji než zvuk. Ve skutečnosti je to milionkrát rychlejší.

První úspěšné měření rychlosti světla, které fyzici všeobecně představují malým písmenem c, provedl Ole Roemer v roce 1676. Při svých měřeních vycházel z pozorování Jupiterových měsíců. Od té doby fyzici používají ke zpřesnění měření pozorování hvězd, ozubených kol, rotujících zrcadel, rádiových interferometrů, rezonátorů dutin a laserů. Teď to vědí

Rychlost světla je univerzální konstanta, takže neexistuje vzorec rychlosti světla,per se. Ve skutečnosti, pokudCbyly jiné, musela by se změnit všechna naše měření, protože měřič je na tom založen. Světlo má vlnové charakteristiky, které zahrnují frekvenciνa vlnová délkaλa můžete je spojit s rychlostí světla pomocí této rovnice, kterou můžete nazvat rovnicí pro rychlost světla:

Roemer byl první, kdo přišel s číslem rychlosti světla. Udělal to při pozorování zatmění Jupiterových měsíců, konkrétně Io. Sledoval, jak Io zmizel za obří planetou, a poté měřil, jak dlouho trvalo, než se znovu objevil. Usoudil, že tento čas se může lišit až o 1 000 sekund, podle toho, jak blízko byl Jupiter k Zemi. Přišel s hodnotou pro rychlost světla 214 000 km / s, což je ve stejné míře jako moderní hodnota téměř 300 000 km / s.

V roce 1728 anglický astronom James Bradley vypočítal rychlost světla pozorováním hvězdných aberací, což je jejich zjevná změna polohy v důsledku pohybu Země kolem Slunce. Měřením úhlu této změny a odečtením rychlosti Země, kterou dokázal vypočítat z tehdy známých údajů, přišel Bradley s mnohem přesnějším číslem. Vypočítal rychlost světla ve vakuu na 301 000 km / s.

Další osobou, která měřila rychlost světla, byl francouzský filozof Armand Hippolyte Fizeau a nespoléhal se na astronomická pozorování. Místo toho zkonstruoval aparát skládající se z děliče paprsků, rotujícího ozubeného kola a zrcadla umístěného 8 km od zdroje světla. Mohl nastavit rychlost otáčení kola tak, aby umožňoval průchod paprsku světla směrem k zrcadlu, ale blokoval zpětný paprsek. Jeho výpočetC, kterou publikoval v roce 1849, činil 315 000 km / s, což nebylo tak přesné jako u Bradleyho.

O rok později vylepšil francouzský fyzik Léon Foucault Fizeauův experiment tím, že za ozubené kolo nahradil rotující zrcadlo. Foucaultova hodnota pro c byla 298 000 km / s, což bylo přesnější, a v tomto procesu Foucault učinil důležitý objev. Vložením trubice s vodou mezi rotující zrcadlo a stacionární zrcadlo určil, že rychlost světla ve vzduchu je vyšší než rychlost ve vodě. To bylo v rozporu s tím, co předpověděla korpuskulární teorie světla, a pomohla zjistit, že světlo je vlna.

V roce 1881 A. A. Michelson vylepšil Foucaultova měření konstrukcí interferometru, který byl schopen porovnejte fáze původního paprsku a vracejícího se paprsku a zobrazte interferenční obrazec na a obrazovka. Jeho výsledek byl 299 853 km / s.

Michelson vyvinul interferometr k detekci přítomnostiéter, strašidelná látka, skrz kterou se předpokládalo, že se šíří světelné vlny. Jeho experiment provedený s fyzikem Edwardem Morleyem byl neúspěšný a vedl Einsteina k závěru, že rychlost světla je univerzální konstanta, která je ve všech referenčních rámcích stejná. To byl základ pro teorii speciální relativity.

Hodnota Michelsona byla akceptována, dokud se v roce 1926 sám nezlepšil. Od té doby byla hodnota vylepšena řadou výzkumníků využívajících různé techniky. Jednou takovou technikou je metoda rezonátoru dutiny, která využívá zařízení generující elektrický proud. Toto je platná metoda, protože po zveřejnění Maxwellových rovnic v polovině 18. století to fyzici mají shodli jsme se, že světlo a elektřina jsou fenomény elektromagnetických vln a obě se pohybují současně Rychlost.

Poté, co Maxwell zveřejnil své rovnice, bylo možné měřit c nepřímo porovnáním magnetické a elektrické propustnosti volného prostoru. Dva vědci, Rosa a Dorsey, to udělali v roce 1907 a vypočítali rychlost světla na 299 788 km / s.

V roce 1950 britští fyzici Louis Essen a A. Gordon-Smith použili dutinový rezonátor k výpočtu rychlosti světla měřením jeho vlnové délky a frekvence. Rychlost světla se rovná vzdálenosti, kterou světlo projdedděleno časem.T​: ​c = d / ∆t. Vezměme si, že čas pro jednu vlnovou délkuλprojít bodem je perioda tvaru vlny, která je převrácená hodnota frekvenceproti, a dostanete rychlost světelného vzorce:

Použité zařízení Essen a Gordon-Smith je známé jakodutinový rezonanční vlnovod. Generuje elektrický proud o známé frekvenci a byli schopni vypočítat vlnovou délku měřením rozměrů vlnovodu. Jejich výpočty přinesly 299 792 km / s, což bylo doposud nejpřesnější stanovení.

Jedna moderní měřicí technika vzkřísí metodu dělení paprsků používanou Fizeauem a Foucaultem, ale ke zlepšení přesnosti používá lasery. U této metody je pulzní laserový paprsek rozdělen. Jeden paprsek jde k detektoru, zatímco druhý cestuje kolmo k zrcadlu umístěnému v malé vzdálenosti. Zrcadlo odráží paprsek zpět do druhého zrcadla, které jej vychýlí do druhého detektoru. Oba detektory jsou připojeny k osciloskopu, který zaznamenává frekvenci pulzů.

Vrcholy pulzů osciloskopu jsou odděleny, protože druhý paprsek cestuje na větší vzdálenost než první. Měřením vzdálenosti vrcholů a vzdálenosti mezi zrcadly je možné odvodit rychlost světelného paprsku. Jedná se o jednoduchou techniku ​​a přináší poměrně přesné výsledky. Výzkumník z University of New South Wales v Austrálii zaznamenal hodnotu 300 000 km / s.

Měřicí tyčí používanou vědeckou komunitou je měřič. Původně byla definována jako jedna desetimiliontina vzdálenosti od rovníku k severnímu pólu a definice byla později změněna na určitý počet vlnových délek jedné z emisních linií kryptonu-86. V roce 1983 Obecná rada pro váhy a míry tyto definice zrušila a přijala tuto:

​TheMetrje vzdálenost uražená paprskem světla ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy, přičemž druhá je založena na radioaktivním rozpadu atomu cesia-133.​

Definování měřiče z hlediska rychlosti světla v zásadě stanoví rychlost světla na 299 792 458 m / s. Pokud experiment přinese jiný výsledek, znamená to jen, že je přístroj vadný. Místo toho, aby vědci prováděli více experimentů k měření rychlosti světla, používají ke kalibraci svého vybavení rychlost světla.

Rychlost světla se projevuje v různých kontextech fyziky a je technicky možné ji vypočítat z jiných naměřených dat. Například Planck prokázal, že energie kvanta, jako je foton, se rovná jeho frekvenci krát Planckovy konstanty (h), která se rovná 6,6262 x 10^-34 Joule⋅sekunda. Protože frekvence jec / λ„Planckovu rovnici lze napsat pomocí vlnové délky:

Bombardováním fotoelektrické desky světlem o známé vlnové délce a měřením energie vysunutých elektronů je možné získat hodnotu proC. Tento typ kalkulačky rychlosti světla však k měření c není nutný, protožeCjedefinovanébýt tím, čím je. Lze jej však použít k otestování přístroje. LiEλ / hnevyjde jako c, něco není v pořádku, buď s měřením energie elektronů, nebo s vlnovou délkou dopadajícího světla.

Má smysl definovat měřič z hlediska rychlosti světla ve vakuu, protože je to nejzákladnější konstanta ve vesmíru. Einstein ukázal, že je to stejné pro každý referenční bod, bez ohledu na pohyb, a je to také nejrychlejší cokoli, co může ve vesmíru cestovat - alespoň cokoli s hmotou. Einsteinova rovnice a jedna z nejslavnějších rovnic ve fyzice,E = mc², poskytuje vodítko, proč tomu tak je.

Ve své nejrozeznatelnější podobě platí Einsteinova rovnice pouze pro těla v klidu. Obecná rovnice však zahrnujeLorentzův faktor​ ​γ, kde

Pro tělo v pohybu s hmotouma rychlostproti, Měla by být napsána Einsteinova rovniceE = mc²γ. Když se na to podíváte, můžete vidět, že kdyžproti​ = 0, ​γ= 1 a dostaneteE = mc²​.

Kdy všakv = c, γstane se nekonečným a musíte vyvodit závěr, že k zrychlení jakékoli konečné hmoty na tuto rychlost by bylo zapotřebí nekonečné množství energie. Dalším způsobem, jak se na to dívat, je to, že hmotnost se stává nekonečnou rychlostí světla.

Současná definice měřiče činí rychlost světla standardem pro pozemní měření vzdálenosti, ale již dlouho se používá k měření vzdáleností v prostoru. Světelný rok je vzdálenost, kterou světlo ujede v jednom pozemském roce a která se ukáže na 9,46 × 10¹⁵ m.

Tolika metrů je příliš mnoho na to, aby to bylo možné pochopit, ale světelný rok je snadno pochopitelný, a protože rychlost světla je konstantní ve všech setrvačných referenčních rámcích, je to spolehlivá jednotka vzdálenosti. Je o něco méně spolehlivý tím, že vychází z roku, což je časový rámec, který by neměl žádný význam pro kohokoli z jiné planety.