Schnipse deine Finger! In der dafür benötigten Zeit konnte ein Lichtstrahl fast bis zum Mond reisen. Wenn Sie noch einmal mit den Fingern schnippen, geben Sie dem Strahl Zeit, die Reise zu beenden. Der Punkt ist, dass sich Licht wirklich sehr schnell ausbreitet.
Licht breitet sich schnell aus, aber seine Geschwindigkeit ist nicht unendlich, wie die Menschen vor dem 17. Jahrhundert glaubten. Die Geschwindigkeit ist jedoch zu hoch, um sie mit Lampen, Explosionen oder anderen Mitteln zu messen, die von der menschlichen Sehschärfe und der menschlichen Reaktionszeit abhängen. Frag Galilei.
Lichtexperimente
Galileo entwickelte 1638 ein Experiment, bei dem Laternen verwendet wurden, und die beste Schlussfolgerung, die er ziehen konnte, war, dass Licht "außerordentlich schnell" (mit anderen Worten, wirklich, sehr schnell) ist. Er war nicht in der Lage, eine Zahl zu nennen, wenn er das Experiment tatsächlich versuchte. Er wagte jedoch zu behaupten, dass Licht seiner Meinung nach mindestens zehnmal so schnell wie Schall reist. Eigentlich ist es mehr wie eine Million Mal so schnell.
Die erste erfolgreiche Messung der Lichtgeschwindigkeit, die Physiker allgemein durch ein kleines c darstellen, wurde 1676 von Ole Roemer durchgeführt. Er stützte seine Messungen auf Beobachtungen der Jupitermonde. Physiker nutzen seitdem Beobachtungen von Sternen, Zahnrädern, rotierenden Spiegeln, Radiointerferometern, Hohlraumresonatoren und Lasern, um die Messung zu verfeinern. Sie wissen es jetztcso genau, dass der Generalrat für Maß und Gewicht darauf das Meter, die grundlegende Längeneinheit des SI-Systems, basierte.
Die Lichtgeschwindigkeit ist eine universelle Konstante, daher gibt es keine Lichtgeschwindigkeitsformel.an sich. Tatsächlich, wenncanders wären, müssten sich alle unsere Messungen ändern, da das Messgerät darauf basiert. Licht hat jedoch Welleneigenschaften, zu denen auch die Frequenz gehörtνund Wellenlängeλ, und Sie können diese mit dieser Gleichung, die Sie die Gleichung für die Lichtgeschwindigkeit nennen könnten, auf die Lichtgeschwindigkeit beziehen:
c=\nu \lambda
Messung der Lichtgeschwindigkeit aus astronomischen Beobachtungen
Roemer hat als erster Mensch eine Zahl für die Lichtgeschwindigkeit entwickelt. Er tat es, während er die Finsternisse der Jupitermonde, insbesondere Io, beobachtete. Er würde zusehen, wie Io hinter dem Riesenplaneten verschwand und dann die Zeit, die er brauchte, um wieder aufzutauchen. Er argumentierte, dass diese Zeit um bis zu 1.000 Sekunden abweichen könnte, je nachdem, wie nahe Jupiter an der Erde war. Er ermittelte einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit von 214.000 km/s, was auf dem gleichen Niveau wie der heutige Wert von fast 300.000 km/s liegt.
Im Jahr 1728 berechnete der englische Astronom James Bradley die Lichtgeschwindigkeit, indem er Sternaberrationen beobachtete, die ihre scheinbare Positionsänderung aufgrund der Bewegung der Erde um die Sonne sind. Indem er den Winkel dieser Änderung maß und die Geschwindigkeit der Erde abzog, die er aus den damals bekannten Daten berechnen konnte, kam Bradley auf eine viel genauere Zahl. Er berechnete die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum auf 301.000 km/s.
Vergleich der Lichtgeschwindigkeit in Luft mit der Geschwindigkeit im Wasser
Die nächste Person, die die Lichtgeschwindigkeit maß, war der französische Philosoph Armand Hippolyte Fizeau, und er verließ sich nicht auf astronomische Beobachtungen. Stattdessen konstruierte er eine Apparatur bestehend aus einem Strahlteiler, einem rotierenden Zahnrad und einem 8 km von der Lichtquelle entfernten Spiegel. Er konnte die Rotationsgeschwindigkeit des Rades so einstellen, dass ein Lichtstrahl zum Spiegel gelangt, aber den Rückstrahl blockiert. Seine Berechnung vonc, die er 1849 veröffentlichte, betrug 315.000 km/s, was nicht so genau war wie die von Bradley.
Ein Jahr später verbesserte Léon Foucault, ein französischer Physiker, Fizeaus Experiment, indem er das Zahnrad durch einen rotierenden Spiegel ersetzte. Foucaults Wert für c war 298.000 km/s, was genauer war, und dabei machte Foucault eine wichtige Entdeckung. Indem er eine Wasserröhre zwischen den rotierenden und den feststehenden Spiegel einführte, stellte er fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in der Luft höher ist als die im Wasser. Dies stand im Gegensatz zu dem, was die Korpuskulartheorie des Lichts vorhersagte und half bei der Feststellung, dass Licht eine Welle ist.
Im Jahr 1881 A. EIN. Michelson verbesserte die Messungen von Foucault, indem er ein Interferometer konstruierte, das in der Lage war, vergleiche die Phasen des ursprünglichen und des zurückkehrenden Strahls und zeige ein Interferenzmuster auf a Bildschirm. Sein Ergebnis waren 299.853 km/s.
Michelson hatte das Interferometer entwickelt, um das Vorhandensein vonÄther, eine geisterhafte Substanz, durch die sich Lichtwellen ausbreiten sollen. Sein Experiment, das mit dem Physiker Edward Morley durchgeführt wurde, war ein Fehlschlag und führte Einstein zu dem Schluss, dass die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Konstante ist, die in allen Referenzsystemen gleich ist. Das war die Grundlage für die Spezielle Relativitätstheorie.
Verwenden der Gleichung für die Lichtgeschwindigkeit
Michelsons Wert war der akzeptierte, bis er ihn 1926 selbst verbesserte. Seitdem wurde der Wert von einer Reihe von Forschern mit einer Vielzahl von Techniken verfeinert. Eine solche Technik ist das Hohlraumresonatorverfahren, das eine Vorrichtung verwendet, die elektrischen Strom erzeugt. Dies ist eine gültige Methode, da Physiker nach der Veröffentlichung der Maxwell-Gleichungen Mitte des 19. waren sich einig, dass Licht und Elektrizität beide Phänomene elektromagnetischer Wellen sind und sich beide gleichzeitig ausbreiten Geschwindigkeit.
Nachdem Maxwell seine Gleichungen veröffentlicht hatte, wurde es tatsächlich möglich, c indirekt zu messen, indem man die magnetische Permeabilität und die elektrische Permeabilität des freien Raums vergleicht. Zwei Forscher, Rosa und Dorsey, taten dies 1907 und berechneten die Lichtgeschwindigkeit mit 299.788 km/s.
1950 verwendeten die britischen Physiker Louis Essen und A.C. Gordon-Smith einen Hohlraumresonator, um die Lichtgeschwindigkeit durch Messung seiner Wellenlänge und Frequenz zu berechnen. Die Lichtgeschwindigkeit ist gleich der Strecke, die das Licht zurücklegtdgeteilt durch die benötigte Zeit itt: c = d/∆t. Bedenken Sie, dass die Zeit für eine einzelne Wellenlängeλeinen Punkt zu passieren ist die Periode der Wellenform, die der Kehrwert der Frequenz istv, und Sie erhalten die Lichtgeschwindigkeitsformel:
c=\nu \lambda
Das von Essen und Gordon-Smith verwendete Gerät ist als a. bekanntHohlraumresonanzwellenmesser. Es erzeugt einen elektrischen Strom bekannter Frequenz, und sie konnten die Wellenlänge durch Messen der Abmessungen des Wellenlängenmessers berechnen. Ihre Berechnungen ergaben 299.792 km/s, was die bisher genaueste Bestimmung war.
Ein modernes Messverfahren mit Laser
Eine moderne Messtechnik belebt die von Fizeau und Foucault verwendete Strahlteilungsmethode wieder, verwendet jedoch Laser, um die Genauigkeit zu verbessern. Bei diesem Verfahren wird ein gepulster Laserstrahl geteilt. Ein Strahl geht zu einem Detektor, während ein anderer senkrecht zu einem Spiegel wandert, der in kurzer Entfernung platziert ist. Der Spiegel reflektiert den Strahl zurück zu einem zweiten Spiegel, der ihn zu einem zweiten Detektor umlenkt. Beide Detektoren sind an ein Oszilloskop angeschlossen, das die Frequenz der Impulse aufzeichnet.
Die Spitzen der Oszilloskopimpulse werden getrennt, weil der zweite Strahl eine größere Strecke zurücklegt als der erste. Durch Messung des Abstands der Peaks und des Abstands zwischen den Spiegeln ist es möglich, die Geschwindigkeit des Lichtstrahls abzuleiten. Dies ist eine einfache Technik, die ziemlich genaue Ergebnisse liefert. Ein Forscher der University of New South Wales in Australien ermittelte einen Wert von 300.000 km/s.
Die Messung der Lichtgeschwindigkeit macht keinen Sinn mehr
Der von der wissenschaftlichen Gemeinschaft verwendete Maßstab ist das Meter. Es wurde ursprünglich als ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Äquator zum Nordpol definiert, und die Die Definition wurde später geändert, um eine bestimmte Anzahl von Wellenlängen einer der Emissionslinien von Krypton-86 zu sein. 1983 hat der Allgemeine Rat für Maß und Gewicht diese Definitionen verworfen und diese angenommen:
DasMeterist die Strecke, die ein Lichtstrahl im Vakuum in 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt, wobei die Sekunde auf dem radioaktiven Zerfall des Cäsium-133-Atoms beruht.
Die Definition des Meters in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit legt die Lichtgeschwindigkeit im Wesentlichen auf 299.792.458 m/s fest. Wenn ein Experiment ein anderes Ergebnis liefert, bedeutet dies nur, dass die Apparatur defekt ist. Anstatt mehr Experimente zur Messung der Lichtgeschwindigkeit durchzuführen, verwenden Wissenschaftler die Lichtgeschwindigkeit, um ihre Ausrüstung zu kalibrieren.
Kalibrieren von Versuchsapparaturen mit Lichtgeschwindigkeit
Die Lichtgeschwindigkeit zeigt sich in verschiedenen Zusammenhängen in der Physik und ist technisch möglich, sie aus anderen Messdaten zu berechnen. Planck zeigte beispielsweise, dass die Energie eines Quants, wie eines Photons, gleich seiner Frequenz mal der Planck-Konstante (h) ist, die gleich 6,6262 x 10. ist-34 Joule⋅ Sekunde. Da die Frequenz istc/λ, kann die Planck-Gleichung in Bezug auf die Wellenlänge geschrieben werden:
E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}\impliziert c=\frac{E\lambda}{h}
Durch Beschuss einer photoelektrischen Platte mit Licht einer bekannten Wellenlänge und Messung der Energie der ausgestoßenen Elektronen erhält man einen Wert fürc. Diese Art von Lichtgeschwindigkeitsrechner ist jedoch nicht erforderlich, um c zu messen, dacistdefiniertzu sein, was es ist. Es könnte jedoch verwendet werden, um die Vorrichtung zu testen. WennEλ/hnicht als c herauskommt, stimmt entweder etwas mit den Messungen der Elektronenenergie oder der Wellenlänge des einfallenden Lichts nicht.
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine universelle Konstante
Es ist sinnvoll, das Meter als Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu definieren, da es die grundlegendste Konstante im Universum ist. Einstein zeigte, dass es für jeden Referenzpunkt gleich ist, unabhängig von der Bewegung, und es ist auch das schnellste, was sich im Universum bewegen kann – zumindest alles mit Masse. Einsteins Gleichung und eine der berühmtesten Gleichungen der Physik,E = mc2, liefert den Hinweis, warum das so ist.
In ihrer bekanntesten Form gilt Einsteins Gleichung nur für ruhende Körper. Die allgemeine Gleichung beinhaltet jedoch dieLorentz-Faktor γ, wo
\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}
Für einen bewegten Körper mit einer Masseichund Geschwindigkeitv, Einsteins Gleichung sollte geschrieben werdenE = mc2γ. Wenn du dir das ansiehst, kannst du das sehen, wennv = 0, γ= 1 und du bekommstE=mc2.
Wenn jedochv = c,unendlich wird, und die Schlussfolgerung, die Sie ziehen müssen, ist, dass es unendlich viel Energie erfordern würde, eine endliche Masse auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen. Eine andere Sichtweise ist, dass die Masse mit Lichtgeschwindigkeit unendlich wird.
Die heutige Definition des Meters macht die Lichtgeschwindigkeit zum Standard für terrestrische Entfernungsmessungen, aber sie wird seit langem verwendet, um Entfernungen im Weltraum zu messen. Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Erdenjahr zurücklegt, was 9,46 × 10. beträgt15 m.
So viele Meter sind zu viel, um sie zu verstehen, aber ein Lichtjahr ist leicht zu verstehen, und da die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsbezugssystemen konstant ist, ist es eine zuverlässige Einheit für die Entfernung. Es ist etwas weniger zuverlässig, da es auf dem Jahr basiert, einem Zeitrahmen, der für niemanden von einem anderen Planeten relevant wäre.