Sådan beregnes lysets hastighed

Snap fingrene! I den tid det tog at gøre det, var en lysstråle i stand til at rejse næsten hele vejen til månen. Hvis du klikker fingrene en gang til, giver du strålen tid til at gennemføre rejsen. Pointen er, at lys bevæger sig rigtig hurtigt.

Lys bevæger sig hurtigt, men dets hastighed er ikke uendelig, som folk troede før det 17. århundrede. Hastigheden er for hurtig til at måle ved hjælp af lamper, eksplosioner eller andre måder, der afhænger af menneskelig synsstyrke og menneskelig reaktionstid. Spørg Galileo.

Galileo udtænkte et eksperiment i 1638, der brugte lanterner, og den bedste konklusion, han kunne klare, var at lyset var "ekstraordinært hurtigt" (med andre ord virkelig, virkelig hurtigt). Han var ikke i stand til at komme med et nummer, hvis han faktisk endda prøvede eksperimentet. Han vovede sig dog at sige, at han troede, at lys rejser mindst 10 gange så hurtigt som lyd. Faktisk er det mere som en million gange så hurtigt.

Den første vellykkede måling af lysets hastighed, som fysikere universelt repræsenterer med små bogstaver c, blev foretaget af Ole Roemer i 1676. Han baserede sine målinger på observationer af Jupiters måner. Siden da har fysikere brugt observationer af stjernerne, tandhjul, roterende spejle, radiointerferometre, hulrumsresonatorer og lasere til at forfine målingen. De ved det nu

Lysets hastighed er en universel konstant, så der er ingen formel for lysets hastighed,i sig selv. Faktisk hviscvar anderledes, ville alle vores målinger skulle ændres, fordi måleren er baseret på den. Lys har dog bølgeegenskaber, som inkluderer frekvensνog bølgelængdeλ, og du kan relatere disse til lysets hastighed med denne ligning, som du måske kalder ligningen for lysets hastighed:

Roemer var den første person, der kom med et nummer til lysets hastighed. Han gjorde det, mens han observerede formørkelserne på Jupiters måner, specielt Io. Han ville se, hvordan jeg forsvandt bag den kæmpe planet og derefter tid, hvor lang tid det tog at dukke op igen. Han begrundede, at denne gang kunne afvige så meget som 1.000 sekunder, afhængigt af hvor tæt Jupiter var jorden. Han kom op med en værdi for lysets hastighed på 214.000 km / s, som er i samme ballpark som den moderne værdi på næsten 300.000 km / s.

I 1728 beregnede den engelske astronom James Bradley lysets hastighed ved at observere stjerneafvigelser, hvilket er deres tilsyneladende ændring i position på grund af jordens bevægelse omkring solen. Ved at måle vinklen på denne ændring og trække jordens hastighed, som han kunne beregne ud fra data, der var kendt på det tidspunkt, kom Bradley med et meget mere nøjagtigt tal. Han beregnede lysets hastighed i vakuum til at være 301.000 km / s.

Den næste person til at måle lysets hastighed var den franske filosof Armand Hippolyte Fizeau, og han stole ikke på astronomiske observationer. I stedet konstruerede han et apparat bestående af en stråledeler, et roterende tandhjul og et spejl placeret 8 km fra lyskilden. Han kunne justere hjulets rotationshastighed for at lade en lysstråle passere mod spejlet, men blokere returstrålen. Hans beregning afc, som han offentliggjorde i 1849, var 315.000 km / s, hvilket ikke var så nøjagtigt som Bradleys.

Et år senere forbedrede Léon Foucault, en fransk fysiker, Fizeaus eksperiment ved at erstatte et roterende spejl med tandhjulet. Foucaults værdi for c var 298.000 km / s, hvilket var mere nøjagtigt, og i processen lavede Foucault en vigtig opdagelse. Ved at indsætte et vandrør mellem det roterende spejl og det stationære bestemte han, at lysets hastighed i luft er højere end hastigheden i vand. Dette var i strid med hvad den korpuskulære teori om lys forudsagde og hjalp med at fastslå, at lys er en bølge.

I 1881, A. EN. Michelson forbedrede Foucaults målinger ved at konstruere et interferometer, som var i stand til sammenlign faserne i den originale stråle og den tilbagevendende og vis et interferensmønster på en skærm. Hans resultat var 299.853 km / s.

Michelson havde udviklet interferometeret til at opdage tilstedeværelsen afæter, et spøgelsesagtigt stof, gennem hvilket lysbølger blev antaget at sprede sig. Hans eksperiment udført med fysikeren Edward Morley var en fiasko, og det fik Einstein til at konkludere, at lysets hastighed er en universel konstant, der er den samme i alle referencerammer. Det var grundlaget for speciel relativitetsteori.

Michelsons værdi var den accepterede, indtil han selv forbedrede det i 1926. Siden da er værdien blevet raffineret af en række forskere ved hjælp af en række forskellige teknikker. En sådan teknik er hulrumsresonatormetoden, der bruger en enhed, der genererer elektrisk strøm. Dette er en gyldig metode, fordi fysikere har gjort det efter offentliggørelsen af ​​Maxwells ligninger i midten af ​​1800-tallet været enige om, at både lys og elektricitet er fænomener med elektromagnetisk bølge, og at begge bevæger sig på samme måde fart.

Efter Maxwell offentliggjorde sine ligninger blev det faktisk muligt at måle c indirekte ved at sammenligne den magnetiske permeabilitet og den elektriske permeabilitet af frit rum. To forskere, Rosa og Dorsey, gjorde dette i 1907 og beregnede lysets hastighed til 299.788 km / s.

I 1950 brugte de britiske fysikere Louis Essen og A.C. Gordon-Smith en hulrumsresonator til at beregne lysets hastighed ved at måle dens bølgelængde og frekvens. Lysets hastighed er lig med den afstand, lyset kørerddivideret med den tid det tager.T​: ​c = d / ∆t. Overvej at tiden til en enkelt bølgelængdeλat passere et punkt er bølgeformens periode, som er den gensidige af frekvensenv, og du får lysets hastighed:

Den enhed, Essen og Gordon-Smith brugte, er kendt som enhulrum resonans wavemeter. Det genererer en elektrisk strøm med en kendt frekvens, og de var i stand til at beregne bølgelængden ved at måle dimensionerne på bølgemåler. Deres beregninger gav 299.792 km / s, hvilket var den mest nøjagtige bestemmelse til dato.

En moderne måleteknik genopliver strålesplitningsmetoden, der anvendes af Fizeau og Foucault, men bruger lasere til at forbedre nøjagtigheden. I denne metode opdeles en pulserende laserstråle. En stråle går til en detektor, mens en anden bevæger sig vinkelret på et spejl, der er placeret en kort afstand. Spejlet reflekterer strålen tilbage til et andet spejl, der afbøjer det til en anden detektor. Begge detektorer er tilsluttet et oscilloskop, der registrerer impulsfrekvensen.

Toppe af oscilloskopimpulser er adskilt, fordi den anden stråle bevæger sig en større afstand end den første. Ved at måle adskillelsen af ​​toppe og afstanden mellem spejle er det muligt at udlede lysstrålens hastighed. Dette er en simpel teknik, og den giver ret nøjagtige resultater. En forsker ved University of New South Wales i Australien registrerede en værdi på 300.000 km / s.

Målestokken, der bruges af det videnskabelige samfund, er måleren. Det blev oprindeligt defineret til at være en ti milliontedel af afstanden fra ækvator til Nordpolen og definition blev senere ændret til at være et bestemt antal bølgelængder for en af ​​emissionslinjerne for krypton-86. I 1983 slog General Council on Weights and Measures bort disse definitioner og vedtog denne:

​Detmålerer den tilbagelagte afstand af en lysstråle i et vakuum i 1 / 299.792.458 af et sekund, hvor den anden er baseret på det radioaktive henfald af cæsium-133-atomet.​

Definition af måleren med hensyn til lysets hastighed fastlægger dybest set lysets hastighed på 299.792.458 m / s. Hvis et eksperiment giver et andet resultat, betyder det bare, at apparatet er defekt. I stedet for at udføre flere eksperimenter for at måle lysets hastighed, bruger forskere lysets hastighed til at kalibrere deres udstyr.

Lysets hastighed viser sig i en række forskellige sammenhænge inden for fysik, og det er teknisk muligt at beregne det ud fra andre målte data. For eksempel demonstrerede Planck, at energien i et kvante, såsom en foton, er lig med dens frekvens gange Planck-konstanten (h), som er lig med 6,6262 x 10^-34 Joule⋅sekund. Da frekvensen erc / λ, Plancks ligning kan skrives i form af bølgelængde:

Ved at bombardere en fotoelektrisk plade med lys med en kendt bølgelængde og måle energien fra de udkastede elektroner er det muligt at få en værdi forc. Denne type lyshastighedshastighed er ikke nødvendig for at måle c, men fordicerdefineretat være hvad det er. Det kunne dog bruges til at teste apparatet. HvisEλ / hikke bliver c, er der noget galt med målingerne af elektronenergien eller bølgelængden af ​​det indfaldende lys.

Det giver mening at definere måleren med hensyn til lysets hastighed i et vakuum, da det er den mest fundamentale konstant i universet. Einstein viste, at det er det samme for hvert referencepunkt, uanset bevægelse, og det er også den hurtigste, hvad som helst, der kan rejse i universet - i det mindste alt med masse. Einsteins ligning og en af ​​de mest berømte ligninger i fysik,E = mc², giver en anelse om, hvorfor det er sådan.

I sin mest genkendelige form gælder Einsteins ligning kun for legemer i hvile. Den generelle ligning inkluderer dogLorentz-faktor​ ​γ, hvor

For en krop i bevægelse med en massemog hastighedv, Einsteins ligning skal skrivesE = mc²γ. Når du ser på dette, kan du se, hvornårv​ = 0, ​γ= 1 og du fårE = mc²​.

Men hvornårv = c, γbliver uendelig, og den konklusion, du er nødt til at drage, er, at det ville kræve en uendelig mængde energi for at fremskynde enhver endelig masse til den hastighed. En anden måde at se på det er, at massen bliver uendelig med lysets hastighed.

Den nuværende definition af måleren gør lysets hastighed til standarden for jordmåling af afstand, men den har længe været brugt til at måle afstande i rummet. Et lysår er den afstand, som lyset bevæger sig i et jordisk år, hvilket viser sig til 9,46 × 10¹⁵ m.

At mange meter er for mange til at forstå, men et lysår er let at forstå, og fordi lysets hastighed er konstant i alle inertielle referencerammer, er det en pålidelig afstandsenhed. Det er gjort lidt mindre pålideligt ved at være baseret på året, hvilket er en tidsramme, der ikke har nogen relevans for nogen fra en anden planet.