Τραβήξτε τα δάχτυλά σας! Στο χρόνο που χρειάστηκε για να γίνει αυτό, μια φωτεινή δέσμη μπόρεσε να ταξιδέψει σχεδόν μέχρι το φεγγάρι. Αν τραβήξετε ξανά τα δάχτυλά σας, θα δώσετε στον ακτίνα χρόνο να ολοκληρώσετε το ταξίδι. Το θέμα είναι ότι το φως ταξιδεύει πολύ γρήγορα.
Το φως ταξιδεύει γρήγορα, αλλά η ταχύτητά του δεν είναι απεριόριστη, όπως πίστευαν οι άνθρωποι πριν από τον 17ο αιώνα. Ωστόσο, η ταχύτητα είναι πολύ γρήγορη για τη μέτρηση χρησιμοποιώντας λαμπτήρες, εκρήξεις ή άλλα μέσα που εξαρτώνται από την ανθρώπινη οπτική οξύτητα και τον χρόνο αντίδρασης του ανθρώπου. Ρωτήστε το Galileo.
Ελαφριά πειράματα
Ο Γαλιλαίος επινόησε ένα πείραμα το 1638 που χρησιμοποίησε φανάρια, και το καλύτερο συμπέρασμα που μπορούσε να καταφέρει ήταν ότι το φως είναι "εξαιρετικά γρήγορο" (με άλλα λόγια, πραγματικά, πολύ γρήγορο). Δεν ήταν σε θέση να βρει έναν αριθμό, αν έκανε, στην πραγματικότητα, ακόμη και να δοκιμάσει το πείραμα. Ωστόσο, τολμούσε να πει ότι πίστευε ότι το φως ταξιδεύει τουλάχιστον 10 φορές πιο γρήγορα από τον ήχο. Στην πραγματικότητα, μοιάζει περισσότερο με ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα.
Η πρώτη επιτυχημένη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, την οποία οι φυσικοί αντιπροσωπεύουν παγκοσμίως με πεζά c, έγινε από τον Ole Roemer το 1676. Βασίστηκε στις μετρήσεις του σε παρατηρήσεις των φεγγαριών του Δία. Έκτοτε, οι φυσικοί χρησιμοποίησαν παρατηρήσεις των αστεριών, οδοντωτών τροχών, περιστρεφόμενων καθρεπτών, ραδιοφωνικών παρεμβολών, συντονιστών κοιλότητας και λέιζερ για να βελτιώσουν τη μέτρηση. Τώρα ξέρουνντοτόσο ακριβή που το Γενικό Συμβούλιο για Βάρη και Μέτρα βασίστηκε στον μετρητή, που είναι η θεμελιώδης μονάδα μήκους στο σύστημα SI.
Η ταχύτητα του φωτός είναι μια καθολική σταθερά, οπότε δεν υπάρχει τύπος ταχύτητας φωτός,καθαυτή. Στην πραγματικότητα, εάνντοήταν διαφορετικά, όλες οι μετρήσεις μας θα έπρεπε να αλλάξουν, επειδή ο μετρητής βασίζεται σε αυτόν. Το φως έχει όμως χαρακτηριστικά κύματος, τα οποία περιλαμβάνουν τη συχνότητανκαι μήκος κύματοςλκαι μπορείτε να τα συσχετίσετε με την ταχύτητα του φωτός με αυτήν την εξίσωση, την οποία μπορείτε να ονομάσετε εξίσωση για την ταχύτητα του φωτός:
c = \ nu \ λάμδα
Μέτρηση της ταχύτητας του φωτός από τις αστρονομικές παρατηρήσεις
Ο Roemer ήταν το πρώτο άτομο που βρήκε έναν αριθμό για την ταχύτητα του φωτός. Το έκανε ενώ παρατηρούσε τις εκλείψεις των φεγγαριών του Δία, ειδικά του Ιω. Θα παρακολουθούσε τον Io να εξαφανίζεται πίσω από τον γιγαντιαίο πλανήτη και στη συνέχεια πόσο χρόνο χρειάστηκε για να εμφανιστεί ξανά. Ισχυρίστηκε ότι αυτή τη φορά θα μπορούσε να διαφέρει έως και 1.000 δευτερόλεπτα, ανάλογα με το πόσο κοντά ήταν ο Δίας στη γη. Ήρθε με μια τιμή για την ταχύτητα του φωτός των 214.000 km / s, η οποία είναι στο ίδιο πάρκο με τη σύγχρονη τιμή των 300.000 km / s.
Το 1728, ο Άγγλος αστρονόμος Τζέιμς Μπράντλεϋ υπολόγισε την ταχύτητα του φωτός παρατηρώντας αστρικές εκτροπές, που είναι η φαινομενική αλλαγή της θέσης τους λόγω της κίνησης της γης γύρω από τον ήλιο. Μετρώντας τη γωνία αυτής της αλλαγής και αφαιρώντας την ταχύτητα της γης, την οποία μπορούσε να υπολογίσει από γνωστά δεδομένα εκείνη την εποχή, ο Μπράντλεϋ βρήκε έναν πολύ πιο ακριβή αριθμό. Υπολόγισε την ταχύτητα του φωτός στο κενό να είναι 301.000 km / s.
Συγκρίνοντας την ταχύτητα φωτός στον αέρα με την ταχύτητα στο νερό
Το επόμενο άτομο που μετρούσε την ταχύτητα του φωτός ήταν ο Γάλλος φιλόσοφος Armand Hippolyte Fizeau, και δεν βασίστηκε σε αστρονομικές παρατηρήσεις. Αντ 'αυτού, δημιούργησε μια συσκευή που αποτελείται από έναν διαχωριστή δοκού, έναν περιστρεφόμενο οδοντωτό τροχό και έναν καθρέφτη τοποθετημένο 8 χλμ. Από την πηγή φωτός. Θα μπορούσε να ρυθμίσει την ταχύτητα περιστροφής του τροχού για να επιτρέψει σε μια ακτίνα φωτός να περάσει προς τον καθρέφτη, αλλά να εμποδίσει τη δέσμη επιστροφής. Ο υπολογισμός τουντο, το οποίο δημοσίευσε το 1849, ήταν 315.000 km / s, κάτι που δεν ήταν τόσο ακριβές όσο του Bradley.
Ένα χρόνο αργότερα, ο Léon Foucault, ένας Γάλλος φυσικός, βελτιώθηκε στο πείραμα του Fizeau αντικαθιστώντας έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη με τον οδοντωτό τροχό. Η τιμή του Foucault για c ήταν 298.000 km / s, κάτι που ήταν πιο ακριβές και στη διαδικασία, ο Foucault έκανε μια σημαντική ανακάλυψη. Εισάγοντας ένα σωλήνα νερού μεταξύ του περιστρεφόμενου καθρέφτη και του στάσιμου, έκρινε ότι η ταχύτητα του φωτός στον αέρα είναι υψηλότερη από την ταχύτητα στο νερό. Αυτό ήταν αντίθετο με αυτό που προέβλεπε η θεωρία του φωτός στο σώμα και βοήθησε να αποδειχθεί ότι το φως είναι κύμα.
Το 1881, Α. ΕΝΑ. Ο Michelson βελτιώθηκε στις μετρήσεις του Foucault, κατασκευάζοντας ένα ιντερφερόμετρο, το οποίο κατάφερε συγκρίνετε τις φάσεις της αρχικής δέσμης και της επιστρεφόμενης και εμφανίστε ένα μοτίβο παρεμβολών σε ένα οθόνη. Το αποτέλεσμα ήταν 299.853 km / s.
Ο Michelson είχε αναπτύξει το ιντερφερόμετρο για να ανιχνεύσει την παρουσία τουαιθέρας, μια φάντασμα ουσία μέσω της οποίας πιστεύεται ότι διαδίδονται τα φωτεινά κύματα. Το πείραμά του, που διεξήχθη με τον φυσικό Edward Morley, ήταν μια αποτυχία και οδήγησε τον Einstein να συμπεράνει ότι η ταχύτητα του φωτός είναι μια καθολική σταθερά που είναι η ίδια σε όλα τα πλαίσια αναφοράς. Αυτό ήταν το θεμέλιο της Ειδικής Θεωρίας Σχετικότητας.
Χρήση της εξίσωσης για την ταχύτητα του φωτός
Η αξία του Michelson ήταν η αποδεκτή μέχρι να βελτιωθεί ο ίδιος το 1926. Από τότε, η αξία έχει βελτιωθεί από έναν αριθμό ερευνητών χρησιμοποιώντας μια ποικιλία τεχνικών. Μία τέτοια τεχνική είναι η μέθοδος συντονισμού κοιλότητας, η οποία χρησιμοποιεί μια συσκευή που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή είναι μια έγκυρη μέθοδος επειδή, μετά τη δημοσίευση των εξισώσεων του Maxwell στα μέσα του 1800, οι φυσικοί έχουν συμφώνησαν ότι το φως και ο ηλεκτρισμός είναι και τα δύο φαινόμενα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, και τα δύο ταξιδεύουν ταυτόχρονα Ταχύτητα.
Στην πραγματικότητα, αφού ο Maxwell δημοσίευσε τις εξισώσεις του, κατέστη δυνατή η μέτρηση του c έμμεσα συγκρίνοντας τη μαγνητική διαπερατότητα και την ηλεκτρική διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου. Δύο ερευνητές, οι Rosa και Dorsey, το έκαναν το 1907 και υπολόγισαν την ταχύτητα του φωτός σε 299.788 km / s.
Το 1950, οι Βρετανοί φυσικοί Louis Essen και A.C. Gordon-Smith χρησιμοποίησαν ένα αντηχείο κοιλότητας για να υπολογίσουν την ταχύτητα του φωτός μετρώντας το μήκος κύματος και τη συχνότητά του. Η ταχύτητα του φωτός είναι ίση με την απόσταση που διανύει το φωςρεδιαιρείται με το χρόνο που χρειάζεταιΔt: c = d / Δt. Σκεφτείτε ότι ο χρόνος για ένα μόνο μήκος κύματοςλγια να περάσει ένα σημείο είναι η περίοδος της κυματομορφής, η οποία είναι η αντίστροφη συχνότηταβκαι παίρνετε τον τύπο της ταχύτητας φωτός:
c = \ nu \ λάμδα
Η συσκευή που χρησιμοποιείται Essen και Gordon-Smith είναι γνωστή ωςκύματος συντονισμού κοιλότητας. Παράγει ηλεκτρικό ρεύμα γνωστής συχνότητας και ήταν σε θέση να υπολογίσουν το μήκος κύματος μετρώντας τις διαστάσεις του κυματομέτρου. Οι υπολογισμοί τους απέδωσαν 299.792 km / s, που ήταν ο πιο ακριβής μέχρι σήμερα προσδιορισμός.
Μια σύγχρονη μέθοδος μέτρησης με χρήση λέιζερ
Μια σύγχρονη τεχνική μέτρησης αναζωογονεί τη μέθοδο διαχωρισμού δέσμης που χρησιμοποιούν οι Fizeau και Foucault, αλλά χρησιμοποιεί λέιζερ για να βελτιώσει την ακρίβεια. Σε αυτήν τη μέθοδο, μια παλμική δέσμη λέιζερ χωρίζεται. Μια δέσμη πηγαίνει σε έναν ανιχνευτή ενώ μια άλλη ταξιδεύει κάθετα σε έναν καθρέφτη που βρίσκεται σε μικρή απόσταση. Ο καθρέφτης αντανακλά τη δέσμη πίσω σε έναν δεύτερο καθρέφτη που τον εκτρέπει σε έναν δεύτερο ανιχνευτή. Και οι δύο ανιχνευτές συνδέονται με έναν παλμογράφο, ο οποίος καταγράφει τη συχνότητα των παλμών.
Οι κορυφές των παλμών του παλμογράφου διαχωρίζονται επειδή η δεύτερη ακτίνα ταξιδεύει μεγαλύτερη απόσταση από την πρώτη. Με τη μέτρηση του διαχωρισμού των κορυφών και της απόστασης μεταξύ των καθρεπτών, είναι δυνατόν να αντλήσουμε την ταχύτητα της φωτεινής δέσμης. Αυτή είναι μια απλή τεχνική και αποδίδει αρκετά ακριβή αποτελέσματα. Ένας ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας στην Αυστραλία κατέγραψε τιμή 300.000 km / s.
Η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός δεν κάνει πλέον αίσθηση
Ο μετρητής που χρησιμοποιείται από την επιστημονική κοινότητα είναι ο μετρητής. Αρχικά ορίστηκε ως το ένα δέκατο εκατοστό της απόστασης από τον ισημερινό προς τον Βόρειο Πόλο και το Ο ορισμός άλλαξε αργότερα σε ορισμένο αριθμό μήκους κύματος μιας από τις γραμμές εκπομπών του κρυπτού-86. Το 1983, το Γενικό Συμβούλιο για τα Βάρη και τα Μέτρα διέλυσε αυτούς τους ορισμούς και υιοθέτησε αυτόν:
ομετρητήςείναι η απόσταση που διανύθηκε από μια δέσμη φωτός σε κενό στο 1 / 299.792.458 του δευτερολέπτου, όπου η δεύτερη βασίζεται στην ραδιενεργή διάσπαση του ατόμου καισίου-133.
Ο ορισμός του μετρητή ως προς την ταχύτητα του φωτός καθορίζει βασικά την ταχύτητα του φωτός στα 299.792.458 m / s. Εάν ένα πείραμα αποφέρει διαφορετικό αποτέλεσμα, αυτό σημαίνει ότι η συσκευή είναι ελαττωματική. Αντί να διεξάγουν περισσότερα πειράματα για τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την ταχύτητα του φωτός για να βαθμονομήσουν τον εξοπλισμό τους.
Χρήση της ταχύτητας του φωτός για βαθμονόμηση των πειραματικών συσκευών
Η ταχύτητα του φωτός εμφανίζεται σε διάφορα περιβάλλοντα στη φυσική και είναι τεχνικά δυνατό να το υπολογίσετε από άλλα μετρημένα δεδομένα. Για παράδειγμα, ο Planck απέδειξε ότι η ενέργεια ενός κβαντικού, όπως ένα φωτόνιο, είναι ίση με τη συχνότητά του επί τη σταθερά Planck (h), που είναι ίση με 6,6262 x 10-34 Joule⋅second. Δεδομένου ότι η συχνότητα είναιγ / λ, Η εξίσωση του Planck μπορεί να γραφτεί με όρους μήκους κύματος:
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ σημαίνει c = \ frac {E \ lambda} {h}
Με τον βομβαρδισμό μιας φωτοηλεκτρικής πλάκας με φως γνωστού μήκους κύματος και τη μέτρηση της ενέργειας των εξαγόμενων ηλεκτρονίων, είναι δυνατόν να ληφθεί τιμή γιαντο. Αυτός ο τύπος ταχύτητας αριθμομηχανής φωτός δεν είναι απαραίτητος για τη μέτρηση του c, ωστόσο, επειδήντοείναιορίζεταινα είναι αυτό που είναι. Ωστόσο, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή της συσκευής. ΑνΗλ / ώραδεν βγαίνει ως c, κάτι δεν πάει καλά ούτε με τις μετρήσεις της ενέργειας ηλεκτρονίων ή με το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός.
Η ταχύτητα του φωτός σε ένα κενό είναι μια καθολική σταθερά
Είναι λογικό να ορίζουμε τον μετρητή ως προς την ταχύτητα του φωτός σε κενό, καθώς είναι η πιο θεμελιώδης σταθερά στο σύμπαν. Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι είναι το ίδιο για κάθε σημείο αναφοράς, ανεξάρτητα από την κίνηση, και είναι επίσης το γρηγορότερο οτιδήποτε μπορεί να ταξιδέψει στο σύμπαν - τουλάχιστον, οτιδήποτε με μάζα. Η εξίσωση του Αϊνστάιν και μια από τις πιο διάσημες εξισώσεις στη φυσική,Ε = mc2, παρέχει την ένδειξη γιατί συμβαίνει αυτό.
Στην πιο αναγνωρίσιμη μορφή του, η εξίσωση του Αϊνστάιν ισχύει μόνο για σώματα σε κατάσταση ηρεμίας. Η γενική εξίσωση, ωστόσο, περιλαμβάνει τοΣυντελεστής Lorentz γ, όπου
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
Για ένα σώμα σε κίνηση με μάζαΜκαι ταχύτηταβ, Πρέπει να γραφτεί η εξίσωση του ΑϊνστάινΕ = mc2γ. Όταν το κοιτάξετε αυτό, μπορείτε να το δείτε πότεβ = 0, γ= 1 και παίρνετεΕ = mc2.
Ωστόσο, ότανv = c, γγίνεται άπειρο, και το συμπέρασμα που πρέπει να εξαγάγετε είναι ότι θα χρειαζόταν άπειρη ενέργεια για να επιταχύνετε οποιαδήποτε πεπερασμένη μάζα σε αυτήν την ταχύτητα. Ένας άλλος τρόπος να το δούμε είναι ότι η μάζα γίνεται άπειρη με την ταχύτητα του φωτός.
Ο τρέχων ορισμός του μετρητή καθιστά την ταχύτητα του φωτός το πρότυπο για τις επίγειες μετρήσεις απόστασης, αλλά έχει χρησιμοποιηθεί από καιρό για τη μέτρηση των αποστάσεων στο διάστημα. Ένα έτος φωτός είναι η απόσταση που ταξιδεύει το φως σε ένα επίγειο έτος, η οποία μετατρέπεται σε 9,46 × 1015 Μ.
Όσοι πολλοί μετρητές είναι πάρα πολλοί για να κατανοήσουν, αλλά ένα έτος φωτός είναι εύκολο να γίνει κατανοητό και επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή σε όλα τα αδρανειακά πλαίσια αναφοράς, είναι μια αξιόπιστη μονάδα απόστασης. Είναι ελαφρώς λιγότερο αξιόπιστο με βάση το έτος, το οποίο είναι ένα χρονικό πλαίσιο που δεν θα είχε καμία σχέση με κανέναν από διαφορετικό πλανήτη.