A fénysebesség kiszámítása

Csettints az ujjaddal! A szükséges idő alatt egy fénysugár szinte a Holdig tudott haladni. Ha még egyszer megpattintja az ujjait, időt ad a sugárnak az út befejezésére. A lényeg az, hogy a fény nagyon-nagyon gyorsan halad.

A fény gyorsan halad, de sebessége nem végtelen, amint azt az emberek a 17. század előtt hitték. A sebesség túl gyors ahhoz, hogy lámpákkal, robbanásokkal vagy más, az emberi látásélességtől és az emberi reakcióidőtől függő eszközökkel mérni lehessen. Kérdezze meg Galileót.

Galilei 1638-ban kidolgozott egy kísérletet, amely lámpásokat használt, és a legjobb következtetés, amelyet kezelni tudott, az volt, hogy a fény "rendkívül gyors" (más szóval, nagyon-nagyon gyors). Nem tudott előállni egy számmal, ha valóban meg is próbálta a kísérletet. Azt azonban megkockáztatta, hogy szerinte a fény legalább 10-szer olyan gyorsan halad, mint a hang. Valójában ez több mint milliószor olyan gyors.

A fénysebesség első sikeres mérését, amelyet a fizikusok általánosan kisbetűvel jelölnek, Ole Roemer végezte el 1676-ban. Méréseit a Jupiter holdjainak megfigyelésére alapozta. Azóta a fizikusok a csillagok, fogazott kerekek, forgó tükrök, rádió interferométerek, üregrezonátorok és lézerek megfigyelését használták a mérés finomításához. Most már tudják

A fénysebesség univerzális állandó, ezért nincs meg a fénysebesség képlete,önmagában. Valójában, hackülönböznének, minden mérésünknek meg kell változnia, mert a mérő ezen alapul. A fénynek vannak hullámjellemzői, amelyek magukban foglalják a frekvenciát isνés hullámhosszλ, és ezeket a fénysebességhez kapcsolhatja ezzel az egyenlettel, amelyet hívhatunk a fénysebesség egyenletének:

Roemer volt az első, aki kitalált egy számot a fény sebességére. A Jupiter holdjainak, különösen az Io-nak a napfogyatkozásait figyelve tette. Figyelte, ahogy Io eltűnik az óriásbolygó mögött, majd időzíti, hogy mennyi időbe telik a megjelenése. Úgy vélte, hogy ez az idő akár 1000 másodperccel is eltérhet, attól függően, hogy Jupiter milyen közel van a földhöz. A fénysebesség 214 000 km / s értékével állt elő, amely ugyanabban a gömbtérben van, mint a közel 300 000 km / s modern érték.

1728-ban James Bradley angol csillagász a csillagsebességek megfigyelésével kiszámította a fénysebességet, ami a földnek a nap körüli mozgása miatti látszólagos helyzetváltozásuk. Ennek a változásnak a szögét megmérve és kivonva a föld sebességét, amelyet az akkor ismert adatokból ki tudott számolni, Bradley sokkal pontosabb számmal állt elő. Számította a fénysebességet vákuumban 301 000 km / s-ra.

Armand Hippolyte Fizeau francia filozófus volt a következő, aki megmérte a fénysebességet, és nem támaszkodott csillagászati ​​megfigyelésekre. Ehelyett egy készüléket épített, amely egy fénysugár-elosztóból, egy forgó fogaskerékből és egy tükörből állt, 8 km-re a fényforrástól. Beállíthatta a kerék forgási sebességét, hogy a fénysugár áthaladjon a tükör felé, de elzárja a visszatérő fénysugarat. Az ő számításac, amelyet 1849-ben publikált, 315 000 km / s volt, ami nem volt olyan pontos, mint Bradleyé.

Egy évvel később Léon Foucault francia fizikus javította Fizeau kísérletét azzal, hogy forgó tükröt cserélt a fogazott kerékre. Foucault c értéke 298 000 km / s volt, ami pontosabb volt, és ennek során Foucault fontos felfedezést tett. Azáltal, hogy a forgótükör és az álló tükör közé egy csövet helyezett be, megállapította, hogy a levegőben lévő fénysebesség nagyobb, mint a vízben. Ez ellentétes azzal, amit a fény korpuszkuláris elmélete megjósolt és segített megállapítani, hogy a fény hullám.

1881-ben A. A. Michelson javította Foucault méréseit egy interferométer elkészítésével, amely képes volt rá hasonlítsa össze az eredeti nyaláb és a visszatérő fázisait, és jelenítsen meg interferencia mintát az a-on képernyő. Eredménye 299 853 km / s volt.

Michelson kifejlesztette az interferométert aéter, egy kísérteties anyag, amelyen keresztül fényhullámok terjedését gondolták. Edward Morley fizikussal végzett kísérlete kudarcot vallott, és Einsteint arra a következtetésre késztette, hogy a fénysebesség univerzális állandó, amely minden referenciakeretben azonos. Ez volt a különleges relativitáselmélet alapja.

Michelson értéke elfogadott volt, amíg 1926-ban maga nem javított rajta. Azóta számos kutató finomította az értéket, különféle technikák alkalmazásával. Ilyen technika az üregrezonátoros módszer, amely elektromos áramot generáló eszközt használ. Ez azért érvényes módszer, mert a Maxwell-egyenletek 1800-as évek közepén történt publikálását követően a fizikusok ezt megtették egyetértett abban, hogy a fény és az elektromosság egyaránt elektromágneses hullám jelenség, és mindkettő ugyanabban az időben halad sebesség.

Valójában, miután Maxwell közzétette egyenleteit, lehetővé vált a c közvetett mérése a szabad tér mágneses és elektromos permeabilitásának összehasonlításával. Két kutató, Rosa és Dorsey ezt 1907-ben meg is tette, és 299 788 km / s sebességre számította a fénysebességet.

1950-ben Louis Essen és A. C. Gordon-Smith brit fizikusok üreges rezonátorral számították ki a fénysebességet annak hullámhosszának és frekvenciájának mérésével. A fény sebessége megegyezik a fény távolságávaldosztva a szükséges idővel.T​: ​c = d / ∆t. Vegyük figyelembe, hogy egyetlen hullámhosszra van szükségλegy pont áthaladása a hullámalak időszaka, amely a frekvencia reciprokav, és megkapja a fénysebesség képletét:

Az Essen és Gordon-Smith által használt eszköz aüreges rezonancia hullámmérő. Ismert frekvenciájú elektromos áramot generál, és a hullámmérő méreteinek mérésével képesek voltak kiszámítani a hullámhosszat. Számításaik alapján 299 792 km / s volt az eredmény, ami az eddigi legpontosabb meghatározás volt.

Az egyik korabeli mérési technika feléleszti a Fizeau és Foucault által alkalmazott sugárfelosztási módszert, de lézerekkel javítja a pontosságot. Ennél a módszernél egy impulzusos lézersugár hasad. Az egyik sugár egy detektorhoz megy, míg a másik merőlegesen halad a rövid távolságra elhelyezett tükörhöz. A tükör visszaveri a nyalábot egy második tükörre, amely egy második detektorra tereli. Mindkét detektor egy oszcilloszkóphoz van csatlakoztatva, amely rögzíti az impulzusok gyakoriságát.

Az oszcilloszkóp impulzusainak csúcsa elválik egymástól, mert a második nyaláb nagyobb távolságot tesz meg, mint az első. A csúcsok és a tükrök közötti távolság mérésével meg lehet határozni a fénysugár sebességét. Ez egy egyszerű technika, és meglehetősen pontos eredményeket hoz. Az ausztráliai Új-Dél-Wales-i Egyetem kutatója 300 000 km / s értéket regisztrált.

A tudományos közösség által használt mérőpálca a mérő. Eredetileg úgy határozták meg, hogy az Egyenlítőtől az Északi-sarkig egy távolság tízmilliomod része, és a A definíció később megváltozott, hogy a kripton-86 egyik emissziós vonalának bizonyos számú hullámhossza legyen. 1983-ban a Súlyok és Mérések Általános Tanácsa elvetette ezeket a meghatározásokat, és elfogadta ezt:

​Amétera fénysugár által vákuumban megtett távolság 1 / 299,792,458 másodperc alatt, ahol a második a cézium-133 atom radioaktív bomlásán alapul.​

A mérőnek a fénysebesség szempontjából történő meghatározása alapvetően 299 792 458 m / s sebességet rögzít. Ha egy kísérlet más eredményt ad, az csak azt jelenti, hogy a készülék hibás. A tudósok ahelyett, hogy több kísérletet végeznének a fénysebesség mérésére, a fénysebességet használják felszerelésük kalibrálásához.

A fénysebesség a fizika különféle összefüggéseiben jelenik meg, és technikailag lehetséges más mért adatokból kiszámítani. Planck például bebizonyította, hogy egy kvantum, például egy foton energiája megegyezik a Planck-állandó (h) frekvenciájával és 6,6262 x 10 energiával.^-34 Joule⋅másodperc. Mivel a frekvencia azc / λ, Planck-egyenlet hullámhosszra írható:

Ha egy fotoelektromos lemezt ismert hullámhosszú fénnyel bombázunk, és a kilökődött elektronok energiáját megmérjük,c. Ez a fajta fénysebesség-számológép azonban nem szükséges a c méréséhez, mertcvanmeghatározotthogy mi legyen. Használható azonban a készülék tesztelésére. HaEλ / hnem derül ki, hogy c, valami nincs rendben vagy az elektronenergia mérésével, vagy a beeső fény hullámhosszával.

Van értelme a mérőt a vákuum fénysebessége alapján meghatározni, mivel ez az univerzum legalapvetőbb állandója. Einstein megmutatta, hogy minden referenciaponthoz hasonló, függetlenül a mozgástól, és ez a leggyorsabb is, ami bármit be lehet utazni az univerzumban - legalábbis bármi, amelynek tömege van. Einstein egyenlete és a fizika egyik leghíresebb egyenlete,E = mc², biztosítja a nyomot, hogy miért van így.

Legismertebb formájában Einstein egyenlete csak a nyugalmi testekre vonatkozik. Az általános egyenlet azonban magában foglalja aLorentz-faktor​ ​γ, hol

Tömeggel mozgó test számáramés a sebességv, Einstein egyenletét meg kell írniE = mc²γ. Ha ezt megnézi, láthatja, hogy mikorv​ = 0, ​γ= 1 és megkapjaE = mc²​.

Amikor azonbanv = c, yvégtelenné válik, és azt a következtetést kell levonnia, hogy végtelen mennyiségű energiára lenne szükség ahhoz, hogy bármely véges tömeget felgyorsítson erre a sebességre. A nézés másik módja, hogy a tömeg a fény sebességével végtelenné válik.

A mérő jelenlegi meghatározása a fénysebességet teszi szabványossá a földi távolságméréseknél, de már régóta használják az űrbeli távolságok mérésére. Fényév az a távolság, amelyet a fény egy földi évben megtesz, amely 9,46 × 10-re változik¹⁵ m.

Ez a sok méter túl sok ahhoz, hogy megértsük, de egy fényév könnyen érthető, és mivel a fénysebesség állandó minden inerciális referenciakeretben, ez megbízható távolságegység. Kicsit kevésbé megbízhatóvá tette az év alapján történő megállapítás, amely olyan időkeret, amely nem releváns senki számára egy másik bolygóról.