Klõpsa sõrmedega! Selle aja jooksul, mis selleks kulus, suutis valgusvihk liikuda peaaegu kogu kuuni. Kui klõpsate veel kord sõrmi, annate kiirele teekonna lõpuleviimiseks aega. Asi on selles, et valgus liigub tõesti väga kiiresti.
Valgus liigub kiiresti, kuid selle kiirus pole lõpmatu, nagu inimesed enne 17. sajandit uskusid. Kiirus on liiga kiire, et mõõta lampe, plahvatusi või muid vahendeid, mis sõltuvad inimese nägemisteravusest ja reaktsiooniajast. Küsige Galileolt.
Valguskatsed
Galileo mõtles 1638. aastal välja katse, milles kasutati laternaid, ja parim järeldus, millega ta hakkama sai, oli see, et valgus on "erakordselt kiire" (teisisõnu, tõesti väga kiire). Ta ei suutnud numbrit välja mõelda, kui tegelikult isegi katset proovis. Ta julges siiski öelda, et uskus, et valgus liigub vähemalt kümme korda kiiremini kui heli. Tegelikult on see pigem miljon korda kiirem.
Esimese eduka valguse kiiruse mõõtmise, mida füüsikud universaalselt tähistavad väiketähega c, tegi Ole Roemer 1676. aastal. Ta tugines mõõtmistel Jupiteri kuude vaatlustele. Sellest ajast alates on füüsikud mõõtmise täpsustamiseks kasutanud tähtede, hammasrataste, pöörlevate peeglite, raadio-interferomeetrite, süvendresonaatorite ja laserite vaatlusi. Nad teavad nüüd
cnii täpselt, et kaalu ja mõõtude üldnõukogu põhines sellel mõõturil, mis on SI süsteemi põhiline pikkuse mõõtühik.Valguskiirus on universaalne konstant, seega pole valguskiiruse valemit,iseenesest. Tegelikult, kuicolid erinevad, peaksid kõik meie mõõtmised muutuma, sest arvesti põhineb sellel. Valgusel on siiski laineomadused, mis sisaldavad ka sagedustνja lainepikkusλja saate neid võrrelda valguse kiirusega selle võrrandiga, mida võite nimetada valguskiiruse võrrandiks:
c = \ nu \ lambda
Valguse kiiruse mõõtmine astronoomiliste vaatluste põhjal
Roemer oli esimene inimene, kes mõtles välja valguskiiruse numbri. Ta tegi seda Jupiteri kuude, täpsemalt Io, varjutusi jälgides. Ta jälgiks, kuidas Io hiiglasliku planeedi taha kadus, ja siis aega, kui kaua uuesti ilmumine aega võttis. Ta põhjendas, et see aeg võib erineda kuni 1000 sekundi võrra, sõltuvalt sellest, kui lähedal Jupiter maale oli. Ta mõtles välja valguskiiruse väärtuse 214 000 km / s, mis asub samas palliplatsis tänapäevase väärtusega ligi 300 000 km / s.
1728. aastal arvutas inglise astronoom James Bradley valguse kiiruse, jälgides tähe kõrvalekaldeid, mis on nende näiline asendimuutus Maa liikumise tõttu päikese ümber. Mõõtes selle muutuse nurka ja lahutades maa kiiruse, mille ta sai arvutada tol ajal teadaolevate andmete põhjal, tuli Bradley välja palju täpsema arvuga. Ta arvutas valguse kiiruseks vaakumis 301 000 km / s.
Võrreldes valguse kiirust õhus kiirusega vees
Järgmine inimene, kes mõõtis valguse kiirust, oli prantsuse filosoof Armand Hippolyte Fizeau ja ta ei toetunud astronoomilistele vaatlustele. Selle asemel ehitas ta aparatuuri, mis koosnes valgusallikast 8 km kaugusel asetsevast kiirtejagurist, pöörlevast hammasrattast ja peeglist. Ta sai reguleerida ratta pöörlemiskiirust, et valgusvihk saaks peegli poole liikuda, kuid blokeeriks tagasituleku. Tema arvutusc, mille ta avaldas 1849. aastal, oli 315 000 km / s, mis polnud nii täpne kui Bradley oma.
Aasta hiljem parandas Prantsuse füüsik Léon Foucault Fizeau katset, asendades hambarattal pöörleva peegli. Foucault 'väärtus c oli 298 000 km / s, mis oli täpsem ja selle käigus tegi Foucault olulise avastuse. Sisestades veetoru pöörleva ja statsionaarse peegli vahele, tegi ta kindlaks, et valguse kiirus õhus on suurem kui vees. See oli vastuolus sellega, mida valguse korpuskulaarne teooria ennustas ja aitas kindlaks teha, et valgus on laine.
Aastal 1881 oli A. A. Michelson parandas Foucault mõõtmisi, konstrueerides interferomeetri, mis suutis võrrelda algse ja tagasituleva faasi faase ning kuvada a-l häiremuster ekraan. Tema tulemuseks oli 299 853 km / s.
Michelson oli interferomeetri olemasolu välja töötanud interferomeetrieeter, kummituslik aine, mille kaudu arvati, et valguslained levivad. Tema füüsik Edward Morleyga läbi viidud katse oli ebaõnnestunud ja see viis Einsteini järeldusele, et valguse kiirus on universaalne konstant, mis on kõigis võrdlusraamides sama. See oli spetsiaalse suhtelisuse teooria alus.
Valemi kiiruse võrrandi kasutamine
Michelsoni väärtus oli aktsepteeritud, kuni ta seda 1926. aastal ise parandas. Sellest ajast alates on paljud teadlased väärtust täpsustanud, kasutades erinevaid tehnikaid. Üheks selliseks tehnikaks on õõnsuse resonaatori meetod, kus kasutatakse elektrivoolu tekitavat seadet. See on kehtiv meetod, sest pärast Maxwelli võrrandite avaldamist 1800. aastate keskel on seda teinud füüsikud olnud nõus, et valgus ja elekter on mõlemad elektromagnetlaine nähtused ja mõlemad liiguvad samal ajal kiirus.
Tegelikult sai pärast Maxwelli võrrandite avaldamist võimaluse c-d kaudselt mõõta, võrreldes vaba ruumi magnetilist läbilaskvust ja elektrilist läbilaskvust. Kaks teadlast, Rosa ja Dorsey, tegid seda 1907. aastal ja arvasid valguse kiiruseks 299 788 km / s.
1950. aastal kasutasid Briti füüsikud Louis Essen ja A. G. Gordon-Smith õõnsuse resonaatorit, et arvutada valguse kiirus, mõõtes selle lainepikkust ja sagedust. Valguse kiirus on võrdne valguse läbitud vahemaagadjagatud kuluva ajaga.T: c = d / ∆t. Mõelge, et ühe lainepikkuse aegλpunkti läbimine on lainekuju periood, mis on sageduse vastastikunevja saate valguskiiruse valemi:
c = \ nu \ lambda
Kasutatav seade Essen ja Gordon-Smith on tuntud kui aõõnsuse resonantsi lainemõõtur. See tekitab teadaoleva sagedusega elektrivoolu ja nad suutsid lainepikkuse mõõtmise abil arvutada lainepikkuse. Nende arvutused andsid tulemuseks 299 792 km / s, mis oli seni kõige täpsem otsus.
Kaasaegne mõõtmismeetod laserite abil
Üks kaasaegne mõõtmistehnika taastab Fizeau ja Foucault poolt kasutatava kiirte jagamise meetodi, kuid kasutab täpsuse parandamiseks lasereid. Selles meetodis impulsslaserikiir jagatakse. Üks kiir suundub detektorile, teine aga risti lühikese vahemaa tagant asetatud peegliga. Peegel peegeldab kiiret tagasi teise peegli külge, mis suunab selle teise detektorini. Mõlemad detektorid on ühendatud ostsilloskoobi külge, mis registreerib impulsside sageduse.
Ostsilloskoobi impulsside tipud on eraldatud, kuna teine kiir läbib suurema kui esimene. Piikide ja peeglite vahekauguse mõõtmise abil on võimalik tuletada valgusvihu kiirus. See on lihtne tehnika ja see annab üsna täpseid tulemusi. Austraalia Uus-Lõuna-Walesi ülikooli teadlane registreeris väärtuse 300 000 km / s.
Valguskiiruse mõõtmine pole enam mõistlik
Teadusringkondade kasutatav mõõtepulk on arvesti. Algselt määratleti see, et ekvaatorist põhjapooluseni ulatub üks kümnemiljonikosa ja definitsiooni muudeti hiljem, et see oleks teatud arv krüptoon-86 ühe emissiooniliini lainepikkusi. 1983. aastal tühistas kaalu ja mõõtude üldnõukogu need määratlused ning võttis selle vastu:
Themeeteron valgusvihu vaakumis läbitud vahemaa 1/299 792 458 sekundi jooksul, kus teine põhineb tseesium-133 aatomi radioaktiivsel lagunemisel.
Mõõturi määratlemine valguse kiiruse järgi fikseerib valguse kiiruse põhimõtteliselt 299 792 458 m / s. Kui katse annab teistsuguse tulemuse, tähendab see lihtsalt, et seade on vigane. Selle asemel, et teha rohkem katseid valguse kiiruse mõõtmiseks, kasutavad teadlased valguse kiirust oma seadmete kalibreerimiseks.
Valguskiiruse kasutamine katselise seadme kalibreerimiseks
Valguskiirus ilmneb füüsikas erinevates kontekstides ja seda on tehniliselt võimalik arvutada muude mõõdetud andmete põhjal. Näiteks näitas Planck, et kvandi, näiteks footoni energia on võrdne tema sageduse korrutamisega Plancki konstandiga (h), mis on võrdne 6,6262 x 10-34 Joule⋅sekund. Kuna sagedus onc / λ, Plancki võrrandi saab kirjutada lainepikkuse järgi:
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ tähendab, et c = \ frac {E \ lambda} {h}
Pommitades fotoelektrilist plaati teadaoleva lainepikkusega valgusega ja mõõtes väljutatud elektronide energiat, on võimalik saada väärtusc. Seda tüüpi valguse kiiruse kalkulaator pole aga c mõõtmiseks vajalik, kunaconmääratletudolla see, mis ta on. Kuid seda võiks kasutada aparaadi testimiseks. KuiEλ / hei tule välja c, midagi on valesti kas elektronenergia mõõtmisel või langeva valguse lainepikkusel.
Valguse kiirus vaakumis on universaalne konstant
Mõõtur on mõistlik määratleda vaakumis oleva valguse kiiruse järgi, kuna see on universumi kõige olulisem konstant. Einstein näitas, et see on igas võrdluspunktis sama, sõltumata liikumisest, ja see on ka kõige kiirem, mida universumis saab liikuda - vähemalt kõik, mis on massiga. Einsteini võrrand ja üks füüsika kuulsamaid võrrandeid,E = mc2, annab vihje, miks see nii on.
Kõige äratuntavamas vormis kehtib Einsteini võrrand ainult puhkeasendis. Üldvõrrand sisaldab agaLorentzi faktor γ, kus
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
Massiga liikuva keha jaoksmja kiirusv, Tuleks kirjutada Einsteini võrrandE = mc2γ. Seda vaadates näete, et millalv = 0, γ= 1 ja saadE = mc2.
Ent millalv = c, ymuutub lõpmatuks ja järeldus, mille peate tegema, on see, et lõpmatu massi kiirendamiseks selle kiiruseni kuluks lõpmatult palju energiat. Teine võimalus seda vaadata on see, et mass muutub valguse kiirusel lõpmatuks.
Mõõturi praegune määratlus muudab valguse kiiruse maapealse kauguse mõõtmise standardiks, kuid seda on pikka aega kasutatud kosmoses tehtud kauguste mõõtmiseks. Valgusaasta on kaugus, mille valgus läbib ühe maise aasta jooksul, mis osutub suuruseks 9,46 × 1015 m.
Nii palju meetreid on liiga palju aru saada, kuid valgusaastat on lihtne mõista ja kuna valguskiirus on kõigis inertsiaalsetes võrdlusraamides püsiv, on see usaldusväärne kauguse ühik. Selle muutis veidi vähem usaldusväärseks, kui lähtuda aastast, mis on ajaline raamistik, mis poleks asjakohane kellelegi teiselt planeedilt.