Cara Menghitung Kecepatan Cahaya

Jepitkan jarimu! Dalam waktu yang diperlukan untuk melakukan itu, seberkas cahaya mampu melakukan perjalanan hampir sampai ke bulan. Jika Anda menjentikkan jari sekali lagi, Anda akan memberikan waktu sinar untuk menyelesaikan perjalanan. Intinya adalah cahaya bergerak sangat, sangat cepat.

Cahaya bergerak dengan cepat, tetapi kecepatannya tidak terbatas, seperti yang diyakini orang sebelum abad ke-17. Namun, kecepatannya terlalu cepat untuk diukur menggunakan lampu, ledakan, atau cara lain yang bergantung pada ketajaman visual manusia dan waktu reaksi manusia. Tanya Galileo.

Galileo merancang sebuah eksperimen pada tahun 1638 yang menggunakan lentera, dan kesimpulan terbaik yang dapat dia ambil adalah bahwa cahaya "sangat cepat" (dengan kata lain, sangat, sangat cepat). Dia tidak dapat menemukan angka, bahkan jika dia melakukannya, bahkan mencoba eksperimen. Namun, dia berani mengatakan bahwa dia percaya cahaya bergerak setidaknya 10 kali lebih cepat dari suara. Sebenarnya, ini lebih seperti satu juta kali lebih cepat.

Pengukuran kecepatan cahaya pertama yang berhasil, yang secara universal diwakili oleh fisikawan dengan huruf kecil c, dibuat oleh Ole Roemer pada tahun 1676. Dia mendasarkan pengukurannya pada pengamatan bulan-bulan Jupiter. Sejak itu, fisikawan telah menggunakan pengamatan bintang, roda bergigi, cermin berputar, interferometer radio, resonator rongga, dan laser untuk menyempurnakan pengukuran. Mereka sekarang tahucbegitu akurat sehingga Dewan Umum Berat dan Ukuran mendasarkan meter, yang merupakan satuan dasar panjang dalam sistem SI, di atasnya.

Kecepatan cahaya adalah konstanta universal, jadi tidak ada rumus kecepatan cahaya,sendiri. Bahkan, jikacyang berbeda, semua pengukuran kami harus berubah, karena meteran didasarkan pada itu. Cahaya memang memiliki karakteristik gelombang, yang meliputi frekuensiνdan panjang gelombangλ, dan Anda dapat menghubungkannya dengan kecepatan cahaya dengan persamaan ini, yang dapat Anda sebut persamaan untuk kecepatan cahaya:

Roemer adalah orang pertama yang menemukan angka untuk kecepatan cahaya. Dia melakukannya saat mengamati gerhana bulan Jupiter, khususnya Io. Dia akan menyaksikan Io menghilang di balik planet raksasa dan kemudian menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk muncul kembali. Dia beralasan bahwa waktu ini bisa berbeda sebanyak 1.000 detik, tergantung seberapa dekat Jupiter dengan bumi. Dia datang dengan nilai kecepatan cahaya 214.000 km/s, yang berada di rata-rata yang sama dengan nilai modern hampir 300.000 km/s.

Pada tahun 1728, astronom Inggris James Bradley menghitung kecepatan cahaya dengan mengamati penyimpangan bintang, yang merupakan perubahan posisi yang tampak karena gerakan bumi mengelilingi matahari. Dengan mengukur sudut perubahan ini dan mengurangi kecepatan bumi, yang dapat dihitungnya dari data yang diketahui pada saat itu, Bradley mendapatkan angka yang jauh lebih akurat. Dia menghitung kecepatan cahaya dalam ruang hampa menjadi 301.000 km/s.

Orang berikutnya yang mengukur kecepatan cahaya adalah filsuf Prancis Armand Hippolyte Fizeau, dan dia tidak mengandalkan pengamatan astronomi. Sebagai gantinya, ia membuat peralatan yang terdiri dari beam splitter, roda bergigi yang berputar, dan cermin yang ditempatkan 8 km dari sumber cahaya. Dia bisa mengatur kecepatan putaran roda untuk memungkinkan seberkas cahaya melewati cermin tetapi menghalangi sinar kembali. Perhitungannyac, yang diterbitkannya pada tahun 1849, adalah 315.000 km/s, yang tidak seakurat Bradley.

Setahun kemudian, Léon Foucault, seorang fisikawan Prancis, meningkatkan eksperimen Fizeau dengan mengganti cermin yang berputar dengan roda bergigi. Nilai Foucault untuk c adalah 298.000 km/s, yang lebih akurat, dan dalam prosesnya, Foucault membuat penemuan penting. Dengan memasukkan tabung air di antara cermin yang berputar dan cermin yang diam, ia menentukan bahwa kecepatan cahaya di udara lebih tinggi daripada kecepatan di air. Ini bertentangan dengan apa yang diprediksi oleh teori sel cahaya dan membantu menetapkan bahwa cahaya adalah gelombang.

Pada tahun 1881, A SEBUAH. Michelson memperbaiki pengukuran Foucault dengan membangun interferometer, yang mampu membandingkan fase sinar asli dan yang kembali dan menampilkan pola interferensi pada a layar. Hasilnya adalah 299.853 km/s.

Michelson telah mengembangkan interferometer untuk mendeteksi keberadaaneter, zat hantu yang melaluinya gelombang cahaya dianggap merambat. Eksperimennya, yang dilakukan dengan fisikawan Edward Morley, gagal, dan itu membuat Einstein menyimpulkan bahwa kecepatan cahaya adalah konstanta universal yang sama di semua kerangka acuan. Itu adalah dasar dari Teori Relativitas Khusus.

Nilai Michelson adalah yang diterima sampai dia memperbaikinya sendiri pada tahun 1926. Sejak itu, nilai telah disempurnakan oleh sejumlah peneliti menggunakan berbagai teknik. Salah satu teknik tersebut adalah metode resonator rongga, yang menggunakan perangkat yang menghasilkan arus listrik. Ini adalah metode yang valid karena, setelah publikasi persamaan Maxwell pada pertengahan 1800-an, fisikawan telah telah sepakat bahwa cahaya dan listrik keduanya merupakan fenomena gelombang elektromagnetik, dan keduanya merambat pada waktu yang sama kecepatan.

Bahkan, setelah Maxwell menerbitkan persamaannya, menjadi mungkin untuk mengukur c secara tidak langsung dengan membandingkan permeabilitas magnetik dan permeabilitas listrik ruang bebas. Dua peneliti, Rosa dan Dorsey, melakukan ini pada tahun 1907 dan menghitung kecepatan cahaya menjadi 299.788 km/s.

Pada tahun 1950, fisikawan Inggris Louis Essen dan A.C. Gordon-Smith menggunakan resonator rongga untuk menghitung kecepatan cahaya dengan mengukur panjang gelombang dan frekuensinya. Kecepatan cahaya sama dengan jarak yang ditempuh cahayaddibagi dengan waktu yang dibutuhkant​: ​c = d/∆t. Pertimbangkan bahwa waktu untuk satu panjang gelombangλuntuk melewati suatu titik adalah periode bentuk gelombang, yang merupakan kebalikan dari frekuensiv, dan Anda mendapatkan rumus kecepatan cahaya:

Perangkat yang digunakan Essen dan Gordon-Smith dikenal sebagaipengukur gelombang resonansi rongga. Ini menghasilkan arus listrik dengan frekuensi yang diketahui, dan mereka dapat menghitung panjang gelombang dengan mengukur dimensi pengukur gelombang. Perhitungan mereka menghasilkan 299.792 km/s, yang merupakan penentuan paling akurat hingga saat ini.

Salah satu teknik pengukuran kontemporer membangkitkan kembali metode beam-splitting yang digunakan oleh Fizeau dan Foucault, tetapi menggunakan laser untuk meningkatkan akurasi. Dalam metode ini, sinar laser berdenyut dibagi. Satu sinar menuju detektor sementara yang lain berjalan tegak lurus ke cermin yang ditempatkan tidak jauh. Cermin memantulkan sinar kembali ke cermin kedua yang membelokkannya ke detektor kedua. Kedua detektor dihubungkan ke osiloskop, yang mencatat frekuensi pulsa.

Puncak pulsa osiloskop dipisahkan karena berkas kedua menempuh jarak yang lebih jauh dari yang pertama. Dengan mengukur pemisahan puncak dan jarak antara cermin, dimungkinkan untuk menurunkan kecepatan berkas cahaya. Ini adalah teknik sederhana, dan menghasilkan hasil yang cukup akurat. Seorang peneliti di University of New South Wales di Australia mencatat nilai 300.000 km/s.

Tongkat ukur yang digunakan oleh masyarakat ilmiah adalah meteran. Awalnya didefinisikan sebagai sepersepuluh juta jarak dari khatulistiwa ke Kutub Utara, dan and definisi itu kemudian diubah menjadi sejumlah panjang gelombang dari salah satu garis emisi kripton-86. Pada tahun 1983, Dewan Umum untuk Berat dan Ukuran menghapus definisi tersebut dan mengadopsi yang ini:

​Itumeteradalah jarak yang ditempuh oleh seberkas cahaya dalam ruang hampa dalam 1/299.792.458 detik, di mana yang kedua didasarkan pada peluruhan radioaktif atom cesium-133.​

Mendefinisikan meter dalam hal kecepatan cahaya pada dasarnya menetapkan kecepatan cahaya pada 299.792.458 m/s. Jika percobaan menghasilkan hasil yang berbeda, itu berarti peralatannya rusak. Daripada melakukan lebih banyak eksperimen untuk mengukur kecepatan cahaya, para ilmuwan menggunakan kecepatan cahaya untuk mengkalibrasi peralatan mereka.

Kecepatan cahaya muncul dalam berbagai konteks dalam fisika, dan secara teknis dimungkinkan untuk menghitungnya dari data terukur lainnya. Misalnya, Planck mendemonstrasikan bahwa energi kuantum, seperti foton, sama dengan frekuensinya dikalikan konstanta Planck (h), yang sama dengan 6,6262 x 10^-34 Joule⋅detik. Karena frekuensi adalahc/λ, Persamaan Planck dapat ditulis dalam panjang gelombang:

Dengan membombardir pelat fotolistrik dengan cahaya dengan panjang gelombang yang diketahui dan mengukur energi elektron yang dikeluarkan, dimungkinkan untuk mendapatkan nilai untukc. Jenis kalkulator kecepatan cahaya ini tidak diperlukan untuk mengukur c, karenacaku sditentukanmenjadi apa adanya. Namun, itu bisa digunakan untuk menguji peralatan. JikaEλ/jamtidak menjadi c, ada yang salah baik dengan pengukuran energi elektron atau panjang gelombang cahaya datang.

Masuk akal untuk mendefinisikan meter dalam hal kecepatan cahaya dalam ruang hampa, karena itu adalah konstanta paling mendasar di alam semesta. Einstein menunjukkan bahwa itu adalah sama untuk setiap titik referensi, terlepas dari gerakannya, dan itu juga yang tercepat apa pun yang dapat melakukan perjalanan di alam semesta - setidaknya, apa pun dengan massa. Persamaan Einstein, dan salah satu persamaan paling terkenal dalam fisika,E = mc², memberikan petunjuk mengapa demikian.

Dalam bentuknya yang paling mudah dikenali, persamaan Einstein hanya berlaku untuk benda yang diam. Persamaan umum, bagaimanapun, termasukFaktor Lorentz​ ​γ, dimana

Untuk benda yang bergerak dengan massasayadan kecepatanv, persamaan Einstein harus ditulisE = mc²γ. Ketika Anda melihat ini, Anda dapat melihatnya ketikav​ = 0, ​γ= 1 dan Anda mendapatkanE = mc²​.

Namun, ketikav = c,menjadi tak terhingga, dan kesimpulan yang harus Anda tarik adalah bahwa dibutuhkan energi dalam jumlah tak terhingga untuk mempercepat massa berhingga ke kecepatan itu. Cara lain untuk melihatnya adalah bahwa massa menjadi tak terbatas pada kecepatan cahaya.

Definisi meter saat ini menjadikan kecepatan cahaya sebagai standar untuk pengukuran jarak terestrial, tetapi telah lama digunakan untuk mengukur jarak di ruang angkasa. Satu tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya dalam satu tahun di bumi, yang ternyata 9,46 × 10¹⁵ m.

Banyak meter terlalu banyak untuk dipahami, tetapi satu tahun cahaya mudah dipahami, dan karena kecepatan cahaya konstan di semua kerangka acuan inersia, ini adalah satuan jarak yang dapat diandalkan. Itu dibuat sedikit kurang dapat diandalkan dengan didasarkan pada tahun, yang merupakan kerangka waktu yang tidak memiliki relevansi dengan siapa pun dari planet yang berbeda.