Kuinka laskea valon nopeus

Napsauta sormiasi! Aikana, joka kului siihen, valonsäde pystyi kulkemaan melkein kuuhun asti. Jos napsautat sormiasi vielä kerran, annat säteelle aikaa matkan suorittamiseen. Asia on, että valo kulkee todella, todella nopeasti.

Valo kulkee nopeasti, mutta sen nopeus ei ole loputon, kuten ihmiset uskoivat ennen 1600-lukua. Nopeus on liian nopea mittaamaan lampuilla, räjähdyksillä tai muilla keinoilla, jotka riippuvat ihmisen näöntarkkuudesta ja ihmisen reaktioaikasta. Kysy Galileolta.

Galileo suunnitteli vuonna 1638 kokeen, jossa käytettiin lyhtyjä, ja paras johtopäätös, jonka hän pystyi hallitsemaan, oli se, että valo on "erittäin nopeaa" (toisin sanoen todella, todella nopeaa). Hän ei kyennyt keksimään numeroa, jos hän itse asiassa jopa kokeili kokeilua. Hän kuitenkin uskalsi sanoa uskovansa, että valo kulkee vähintään 10 kertaa niin nopeasti kuin ääni. Itse asiassa se on enemmän kuin miljoona kertaa nopeampi.

Ensimmäisen onnistuneen valon nopeuden mittauksen, jonka fyysikot yleisesti edustavat pienillä c-kirjaimilla, suoritti Ole Roemer vuonna 1676. Hän perusti mittauksensa Jupiterin kuiden havaintoihin. Siitä lähtien fyysikot ovat käyttäneet tähtien, hammastettujen pyörien, pyörivien peilien, radiointerferometrien, onteloresonaattorien ja lasereiden havaintoja mittauksen tarkentamiseen. He tietävät nyt

Valon nopeus on yleinen vakio, joten valon nopeuden kaavaa ei ole,sinänsä. Itse asiassa, joscolivat erilaisia, kaikkien mittaustemme on muututtava, koska mittari perustuu siihen. Valolla on kuitenkin aalto-ominaisuuksia, jotka sisältävät taajuudenνja aallonpituusλ, ja voit yhdistää nämä valon nopeuteen tällä yhtälöllä, jota voit kutsua valon nopeuden yhtälöksi:

Roemer oli ensimmäinen henkilö, joka keksi numeron valon nopeudesta. Hän teki sen tarkkailemalla Jupiterin kuiden, erityisesti Ion, pimennyksiä. Hän katseli Ion katoavan jättiläisplaneetan taakse ja sitten aikasi kuinka kauan kesti ilmestyä. Hän perusteli, että tämä aika voi poiketa jopa 1000 sekunnilla sen mukaan, kuinka lähellä Jupiter oli maata. Hän keksi arvon 214 000 km / s valonopeudelle, joka on samalla pallokentällä kuin nykyaikainen arvo lähes 300 000 km / s.

Vuonna 1728 englantilainen tähtitieteilijä James Bradley laski valon nopeuden tarkkailemalla tähtien poikkeamia, mikä on niiden ilmeinen sijaintimuutos maan liikkeestä auringon ympäri. Mittaamalla tämän muutoksen kulman ja vähentämällä maan nopeuden, jonka hän pystyi laskemaan tuolloin tiedossa olevista tiedoista, Bradley keksi paljon tarkemman luvun. Hän laski valon nopeuden tyhjössä olevan 301 000 km / s.

Seuraava henkilö, joka mitasi valon nopeutta, oli ranskalainen filosofi Armand Hippolyte Fizeau, eikä hän luottanut tähtitieteellisiin havaintoihin. Sen sijaan hän rakensi laitteen, joka koostui säteenjakajasta, pyörivästä hammastetusta pyörästä ja peilistä, joka sijoitettiin 8 km: n päähän valonlähteestä. Hän pystyi säätämään pyörän pyörimisnopeutta antamaan valonsäteen kulkemaan kohti peiliä, mutta tukkimaan paluusäteen. Hänen laskelmansac, jonka hän julkaisi vuonna 1849, oli 315 000 km / s, mikä ei ollut yhtä tarkka kuin Bradleyn.

Vuotta myöhemmin ranskalainen fyysikko Léon Foucault paransi Fizeaun kokeilua korvaamalla pyörivä peili hammaspyörällä. Foucaultin arvo c: lle oli 298000 km / s, mikä oli tarkempaa, ja prosessin aikana Foucault teki tärkeän löydön. Työntämällä vesiputken pyörivän peilin ja kiinteän väliin, hän totesi, että valon nopeus ilmassa on suurempi kuin vedessä. Tämä oli ristiriidassa sen kanssa, mitä valon korpuskulaariteoria ennusti ja auttoi todistamaan, että valo on aalto.

Vuonna 1881 A. A. Michelson parani Foucaultin mittausten perusteella rakentamalla interferometrin, joka pystyi vertaa alkuperäisen ja palautuvan vaiheen vaiheita ja näytä häiriökuvio a: lla -näyttö. Hänen tuloksensa oli 299853 km / s.

Michelson oli kehittänyt interferometrin havaitsemaaneetteri, aavemainen aine, jonka kautta valoaaltojen uskottiin etenevän. Hänen fyysikko Edward Morleyn kanssa tekemä kokeilu oli epäonnistunut, ja se sai Einsteinin päättelemään, että valon nopeus on universaali vakio, joka on sama kaikissa vertailukehyksissä. Se oli erityisen suhteellisuusteorian perusta.

Michelsonin arvo oli hyväksytty, kunnes hän paransi sitä itse vuonna 1926. Siitä lähtien useat tutkijat ovat tarkentaneet arvoa käyttämällä erilaisia ​​tekniikoita. Yksi tällainen tekniikka on onteloresonaattorimenetelmä, jossa käytetään sähkövirtaa tuottavaa laitetta. Tämä on kelvollinen menetelmä, koska fyysikot ovat Maxwellin yhtälöiden julkaisemisen jälkeen 1800-luvun puolivälissä ovat olleet yhtä mieltä siitä, että valo ja sähkö ovat molemmat sähkömagneettisia aaltoja ja molemmat kulkevat samalla tavalla nopeus.

Itse asiassa, kun Maxwell julkaisi yhtälönsä, oli mahdollista mitata c epäsuorasti vertaamalla vapaan tilan magneettista ja sähköistä läpäisevyyttä. Kaksi tutkijaa, Rosa ja Dorsey, tekivät tämän vuonna 1907 ja laskivat valonopeudeksi 299788 km / s.

Vuonna 1950 brittiläiset fyysikot Louis Essen ja A.C. Gordon-Smith käyttivät onteloresonaattoria laskeakseen valon nopeuden mittaamalla sen aallonpituuden ja taajuuden. Valon nopeus on yhtä suuri kuin etäisyys, jonka valo kulkeedjaettuna kuluvalla ajanjaksolla.T​: ​c = d / ∆t. Ajattele, että yksittäisen aallonpituuden aikaλpisteen kulkeminen on aaltomuodon jakso, joka on taajuuden vastavuoroinenv, ja saat valon nopeuden kaavan:

Käytetty laite Essen ja Gordon-Smith tunnetaan nimelläonkalon resonanssiaaltomittari. Se tuottaa tunnetun taajuuden sähkövirran, ja he pystyivät laskemaan aallonpituuden mittaamalla aaltomittarin mitat. Heidän laskelmansa tuottivat 299792 km / s, mikä oli tähän mennessä tarkin määritys.

Yksi nykyaikainen mittaustekniikka herättää Fizeaun ja Foucaultin käyttämän säteen jakamismenetelmän uudelleen, mutta parantaa lasereita tarkkuuden parantamiseksi. Tässä menetelmässä pulssi-lasersäde jaetaan. Yksi säde menee ilmaisimeen, kun taas toinen kulkee kohtisuoraan lyhyen matkan päässä olevaan peiliin. Peili heijastaa säteen takaisin toiseen peiliin, joka ohjaa sen toiseen ilmaisimeen. Molemmat ilmaisimet on kytketty oskilloskooppiin, joka tallentaa pulssien taajuuden.

Oskilloskoopin pulssien huiput erotetaan, koska toinen säde kulkee suuremman etäisyyden kuin ensimmäinen. Mittaamalla piikkien etäisyys ja peilien välinen etäisyys on mahdollista johtaa valonsäteen nopeus. Tämä on yksinkertainen tekniikka, ja se tuottaa melko tarkkoja tuloksia. Australian uuden Etelä-Walesin yliopiston tutkijan arvo oli 300 000 km / s.

Tiedeyhteisön käyttämä mittatikku on mittari. Alun perin sen määriteltiin olevan kymmenen miljoonasosa etäisyydestä päiväntasaajan ja pohjoisnavan välillä määritelmä muutettiin myöhemmin tietyksi määräksi aallonpituuksia yhdelle krypton-86-päästölinjasta. Vuonna 1983 painojen ja mittojen yleisneuvosto hävitti nämä määritelmät ja hyväksyi tämän:

​mittarion etäisyys, jonka valonsäde kuluu tyhjössä sekunnissa 1 / 299,792,458 sekunnissa, jossa toinen perustuu cesium-133-atomin radioaktiiviseen hajoamiseen.​

Mittarin määritteleminen valon nopeuden perusteella vahvistaa valon nopeuden 299 792 458 m / s. Jos kokeesta saadaan erilainen tulos, se tarkoittaa vain, että laite on viallinen. Sen sijaan, että tekisivät enemmän kokeita valon nopeuden mittaamiseksi, tutkijat käyttävät valon nopeutta kalibroimaan laitteitaan.

Valon nopeus näkyy fysiikan monissa yhteyksissä, ja se on teknisesti mahdollista laskea muista mitatuista tiedoista. Esimerkiksi Planck osoitti, että kvantin, kuten fotonin, energia on yhtä suuri kuin sen taajuus kertaa Planckin vakio (h), joka on yhtä suuri kuin 6,6262 x 10^-34 Joule⋅sekuntia. Koska taajuus onc / λ, Planckin yhtälö voidaan kirjoittaa aallonpituudella:

Pommittamalla valosähköistä levyä tunnetun aallonpituuden valolla ja mittaamalla ulosheitettyjen elektronien energiaa, on mahdollista saada arvoc. Tämän tyyppinen valonopeuden laskin ei kuitenkaan ole tarpeen c: n mittaamiseksi, koskacOnmääriteltyolla mikä se on. Sitä voidaan kuitenkin käyttää laitteen testaamiseen. JosEλ / hei tule olemaan c, jokin on vialla joko elektronienergian mittauksissa tai tulevan valon aallonpituudessa.

On järkevää määritellä mittari valon nopeuden suhteen tyhjiössä, koska se on maailmankaikkeuden perusvakio. Einstein osoitti, että se on sama jokaiselle vertailupisteelle, riippumatta liikkeestä, ja se on myös nopein, mitä kaikki voi kulkea maailmankaikkeudessa - ainakin mikä tahansa, jolla on massa. Einsteinin yhtälö ja yksi tunnetuimmista fysiikan yhtälöistä,E = mc², antaa vihjeen miksi näin on.

Tunnetuimmassa muodossaan Einsteinin yhtälö koskee vain levossa olevia kappaleita. Yleinen yhtälö sisältää kuitenkinLorentz-tekijä​ ​γ, missä

Vartalolle, joka liikkuu massallamja nopeusv, Einsteinin yhtälö tulisi kirjoittaaE = mc²γ. Kun katsot tätä, voit nähdä sen milloinv​ = 0, ​γ= 1 ja saatE = mc²​.

Kuitenkin milloinv = c, ytulee loputtomaksi, ja johtopäätös, jonka sinun on tehtävä, on se, että kaiken äärellisen massan kiihdyttäminen kyseiseen nopeuteen vaatii äärettömän määrän energiaa. Toinen tapa tarkastella sitä on, että massasta tulee ääretön valon nopeudella.

Mittarin nykyinen määritelmä tekee valon nopeudesta standardin maanpäällisten etäisyyksien mittaamiseen, mutta sitä on jo pitkään käytetty avaruuden etäisyyksien mittaamiseen. Valovuosi on etäisyys, jonka valo kulkee yhdessä maallisessa vuodessa, joka on 9,46 × 10¹⁵ m.

Niin monta metriä on liian monta ymmärrettävää, mutta valovuosi on helppo ymmärtää, ja koska valon nopeus on vakio kaikissa inertiaalisissa viitekehyksissä, se on luotettava etäisyysyksikkö. Se on tehty hieman vähemmän luotettavaksi perustuen vuoteen, joka on aikataulu, jolla ei ole merkitystä kenellekään eri planeetalta.