Pucni prstima! U vremenu koje je bilo potrebno za to, svjetlosna zraka mogla je putovati gotovo sve do Mjeseca. Ako još jednom pucnete prstima, dat ćete zraci vremena da završi putovanje. Poanta je u tome što svjetlost putuje jako, jako brzo.
Svjetlost putuje brzo, ali brzina joj nije beskonačna, kako su ljudi vjerovali prije 17. stoljeća. Brzinu je prebrzu za mjerenje, međutim, pomoću lampica, eksplozija ili drugih sredstava koja ovise o oštrini vida i vremenu reakcije čovjeka. Pitajte Galilea.
Svjetlosni eksperimenti
Galileo je 1638. osmislio eksperiment koji je koristio lampione, a najbolji zaključak kojim je mogao upravljati bio je da je svjetlost "izvanredno brza" (drugim riječima, stvarno, jako brza). Nije mogao smisliti broj, ako je, zapravo, čak i pokušao eksperiment. Ipak, usudio se reći da vjeruje da svjetlost putuje barem 10 puta brže od zvuka. Zapravo je više poput milijun puta brže.
Prvo uspješno mjerenje brzine svjetlosti, koje fizičari univerzalno predstavljaju malim slovom c, izvršio je Ole Roemer 1676. godine. Mjerenja je temeljio na promatranjima Jupiterovih mjeseci. Od tada su fizičari koristili promatranja zvijezda, nazubljene kotače, rotirajuća ogledala, radio interferometre, šupljine rezonatore i lasere kako bi pročistili mjerenje. Oni sada znaju
ctoliko precizno da je Generalno vijeće za utege i mjere na njemu temeljilo mjerač, koji je temeljna duljina jedinice u SI sustavu.Brzina svjetlosti univerzalna je konstanta, tako da ne postoji formula brzine svjetlosti,po sebi. Zapravo, akocbili različiti, sva bi se naša mjerenja morala promijeniti, jer se mjerač temelji na njemu. Svjetlo ipak ima valne karakteristike koje uključuju frekvencijuνi valna duljinaλ, a možete ih povezati sa brzinom svjetlosti pomoću ove jednadžbe, koju biste mogli nazvati jednadžbom za brzinu svjetlosti:
c = \ nu \ lambda
Mjerenje brzine svjetlosti iz astronomskih promatranja
Roemer je bio prva osoba koja je smislila broj za brzinu svjetlosti. Učinio je to dok je promatrao pomrčine Jupiterovih mjeseci, točnije Io-a. Gledao bi kako Io nestaje iza divovskog planeta, a zatim bi utvrdio koliko je vremena trebalo da se ponovno pojavi. Obrazložio je da se to vrijeme može razlikovati za čak 1000 sekundi, ovisno o tome koliko je Jupiter bio blizu zemlje. Došao je do vrijednosti za svjetlosnu brzinu od 214 000 km / s, što je na istom mjestu kao i moderna vrijednost od gotovo 300 000 km / s.
1728. godine engleski astronom James Bradley izračunao je brzinu svjetlosti promatrajući zvjezdane aberacije, što je njihova očita promjena položaja uslijed kretanja Zemlje oko Sunca. Mjereći kut ove promjene i oduzimajući brzinu zemlje, koju je mogao izračunati iz tada poznatih podataka, Bradley je došao do puno preciznijeg broja. Izračunao je brzinu svjetlosti u vakuumu na 301 000 km / s.
Usporedba brzine svjetlosti u zraku sa brzinom vode
Sljedeća osoba koja je mjerila brzinu svjetlosti bio je francuski filozof Armand Hippolyte Fizeau i nije se oslanjao na astronomska promatranja. Umjesto toga, konstruirao je aparat koji se sastoji od razdjelnika snopa, rotirajućeg nazubljenog kotača i zrcala smještenog 8 km od izvora svjetlosti. Mogao je prilagoditi brzinu vrtnje kotača kako bi zraci svjetlosti prolazio prema zrcalu, ali blokirao povratnu svjetlost. Njegov izračun odc, koju je objavio 1849. godine, bio je 315 000 km / s, što nije bilo točno kao Bradleyjevo.
Godinu dana kasnije, Léon Foucault, francuski fizičar, poboljšao je Fizeauov eksperiment zamjenom rotirajućeg zrcala za nazubljeni kotač. Foucaultova vrijednost za c iznosila je 298 000 km / s, što je bilo točnije, a Foucault je pritom napravio važno otkriće. Umetanjem cijevi vode između rotirajućeg i nepokretnog zrcala, utvrdio je da je brzina svjetlosti u zraku veća od brzine vode. To je bilo suprotno onome što je predviđala korpuskularna teorija svjetlosti i pomoglo utvrditi da je svjetlost val.
1881. godine A. A. Michelson je poboljšao Foucaultova mjerenja konstruirajući interferometar, koji je to mogao usporedite faze izvorne zrake i one koja se vraća i prikažite uzorak smetnji na a zaslon. Njegov je rezultat bio 299.853 km / s.
Michelson je razvio interferometar kako bi otkrio prisutnosteter, sablasna tvar kroz koju se mislilo da se šire svjetlosni valovi. Njegov eksperiment, proveden s fizičarom Edwardom Morleyem, bio je neuspjeh i naveo je Einsteina da zaključi da je brzina svjetlosti univerzalna konstanta koja je ista u svim referentnim okvirima. To je bio temelj posebne teorije relativnosti.
Korištenje jednadžbe za brzinu svjetlosti
Michelsonova vrijednost bila je prihvaćena dok je 1926. sam nije poboljšao. Od tada su brojni istraživači vrijednost usavršavali pomoću različitih tehnika. Jedna od takvih tehnika je metoda rezonatora šupljine, koja koristi uređaj koji generira električnu struju. Ovo je valjana metoda jer su, nakon objave Maxwellovih jednadžbi sredinom 1800-ih, fizičari to učinili složili su se da su svjetlost i električna energija pojave elektromagnetskog vala i da obje putuju istovremeno ubrzati.
Zapravo, nakon što je Maxwell objavio svoje jednadžbe, postalo je moguće izravno izmjeriti c uspoređujući magnetsku i električnu propusnost slobodnog prostora. Dvije su istraživačice, Rosa i Dorsey, to učinile 1907. godine i izračunale su brzinu svjetlosti na 299.788 km / s.
Godine 1950. britanski fizičari Louis Essen i A.C.Gordon-Smith koristili su šupljinski rezonator za izračunavanje brzine svjetlosti mjereći njegovu valnu duljinu i frekvenciju. Brzina svjetlosti jednaka je udaljenosti koju svjetlost prijeđedpodijeljeno s vremenom koje je potrebno∆t: c = d / ∆t. Uzmite u obzir da je vrijeme za jednu valnu duljinuλproći kroz točku je period valnog oblika, koji je recipročna vrijednost frekvencijev, i dobivate formulu brzine svjetlosti:
c = \ nu \ lambda
Uređaj koji su koristili Essen i Gordon-Smith poznat je pod nazivomšupljinski rezonancijski val. On generira električnu struju poznate frekvencije, a oni su uspjeli izračunati valnu duljinu mjerenjem dimenzija valnog metra. Njihovi izračuni dali su 299.792 km / s, što je bilo najtočnije utvrđivanje do danas.
Suvremena metoda mjerenja pomoću lasera
Jedna suvremena mjerna tehnika oživljava metodu cijepanja zraka koju su koristili Fizeau i Foucault, ali koristi lasere za poboljšanje preciznosti. U ovoj se metodi pulsira laserska zraka. Jedna zraka ide do detektora, dok druga putuje okomito na zrcalo smješteno na maloj udaljenosti. Zrcalo odbija snop natrag u drugo zrcalo koje ga odbija u drugi detektor. Oba su detektora spojena na osciloskop, koji bilježi frekvenciju impulsa.
Vrhovi impulsa osciloskopa su odvojeni jer druga zraka prelazi veću udaljenost od prve. Mjereći razdvajanje vrhova i udaljenost između zrcala, moguće je izvesti brzinu svjetlosne zrake. Ovo je jednostavna tehnika i daje prilično točne rezultate. Istraživač sa Sveučilišta New South Wales u Australiji zabilježio je vrijednost od 300 000 km / s.
Mjerenje brzine svjetlosti više nema smisla
Mjerni štap koji koristi znanstvena zajednica je mjerač. Prvotno je definirano da je jedna desetomilionita udaljenost od ekvatora do Sjevernog pola i definicija je kasnije promijenjena u određeni broj valnih duljina jedne od emisijskih linija kripton-86. Generalno vijeće za utege i mjere ukinulo je 1983. godine te definicije i usvojilo ovu:
Themetarje udaljenost koju snop svjetlosti prijeđe u vakuumu za 1 / 299,792,458 sekunde, pri čemu se druga temelji na radioaktivnom raspadanju atoma cezija-133.
Definiranje brojila u smislu brzine svjetlosti u osnovi fiksira brzinu svjetlosti na 299.792.458 m / s. Ako eksperiment daje drugačiji rezultat, to samo znači da je aparat neispravan. Umjesto da provode više eksperimenata za mjerenje brzine svjetlosti, znanstvenici koriste brzinu svjetlosti za kalibraciju svoje opreme.
Korištenje brzine svjetlosti za kalibraciju eksperimentalnih uređaja
Brzina svjetlosti pokazuje se u raznim kontekstima u fizici, a tehnički je moguće izračunati je iz ostalih izmjerenih podataka. Na primjer, Planck je pokazao da je energija kvanta, poput fotona, jednaka njegovoj frekvenciji pomnoženoj s Planckovom konstantom (h), što je jednako 6,6262 x 10-34 Joule⋅sekunda. Budući da je frekvencijac / λ, Planckova jednadžba može se zapisati u smislu valne duljine:
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ implicira c = \ frac {E \ lambda} {h}
Bombardiranjem fotoelektrične ploče svjetlošću poznate valne duljine i mjerenjem energije izbačenih elektrona moguće je dobiti vrijednost zac. Ova vrsta kalkulatora brzine svjetlosti nije potrebna za mjerenje c, jer, jercjedefiniranobiti ono što jest. Međutim, mogao bi se koristiti za ispitivanje aparata. AkoEλ / hne ispada da je c, nešto nije u redu s mjerenjima energije elektrona ili valne duljine upadne svjetlosti.
Brzina svjetlosti u vakuumu univerzalna je konstanta
Ima smisla definirati mjerač s obzirom na brzinu svjetlosti u vakuumu, jer je to najvažnija konstanta u svemiru. Einstein je pokazao da je isti za svaku referentnu točku, bez obzira na kretanje, a ujedno je i najbrže što sve može putovati u svemiru - barem sve s masom. Einsteinova jednadžba, i jedna od najpoznatijih jednadžbi u fizici,E = mc2, daje naslutiti zašto je to tako.
U svom najprepoznatljivijem obliku, Einsteinova jednadžba odnosi se samo na tijela koja miruju. Opća jednadžba, međutim, uključujeLorentzov faktor γ, gdje
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
Za tijelo u pokretu s masommi brzinev, Treba napisati Einsteinovu jednadžbuE = mc2γ. Kad ovo pogledate, možete vidjeti kadav = 0, γ= 1 i dobivateE = mc2.
Međutim, kadav = c, γpostaje beskonačno, a zaključak koji morate izvesti je da bi bila potrebna beskonačna količina energije da bi se bilo koja konačna masa ubrzala do te brzine. Drugi način gledanja na to je da masa postaje beskonačna brzinom svjetlosti.
Trenutna definicija mjerača čini brzinu svjetlosti standardom za zemaljska mjerenja udaljenosti, ali već se dugo koristi za mjerenje udaljenosti u svemiru. Svjetlosna godina je udaljenost koju svjetlost prijeđe u jednoj zemaljskoj godini, koja ispada na 9,46 × 1015 m.
Toliko je metara previše za shvatiti, ali svjetlosnu godinu lako je razumjeti, a budući da je brzina svjetlosti konstantna u svim inercijalnim referentnim okvirima, to je pouzdana jedinica udaljenosti. Nešto je manje pouzdan jer se temelji na godini, što je vremenski okvir koji ne bi imao značaja za bilo koga s drugog planeta.