הצמד את האצבעות! בזמן שלקח לעשות זאת, קרן אור הצליחה לנסוע כמעט עד הירח. אם אתה מצמיד את האצבעות פעם נוספת, תתן לקרן זמן להשלים את המסע. העניין הוא שאור עובר ממש ממש מהר.
האור נוסע במהירות, אך המהירות שלו אינה אינסופית, כפי שאנשים האמינו לפני המאה ה -17. המהירות מהירה מדי למדידה באמצעות מנורות, פיצוצים או אמצעים אחרים התלויים בחדות הראייה האנושית ובזמן התגובה האנושי. תשאלו את גלילאו.
ניסויים קלים
גלילאו המציא ניסוי בשנת 1638 שהשתמש בפנסים, והמסקנה הטובה ביותר שהוא הצליח היה שהאור הוא "מהיר במיוחד" (במילים אחרות, ממש ממש מהיר). הוא לא היה מסוגל להמציא מספר, אם אכן ניסה אפילו את הניסוי. עם זאת, הוא העז לומר כי הוא מאמין שאור נע לפחות פי 10 מהצליל. למעשה, זה דומה למיליון פעמים מהר יותר.
המדידה המוצלחת הראשונה של מהירות האור, אותה פיסיקאים מייצגים באופן אוניברסלי על ידי אות קטנה, נעשתה על ידי אולה רומר בשנת 1676. הוא ביסס את מדידותיו על תצפיות על ירחי צדק. מאז, פיזיקאים השתמשו בתצפיות על הכוכבים, גלגלי שיניים, מראות מסתובבות, אינטרפרומטרים רדיו, מהוד חלל ולייזרים כדי לחדד את המדידה. עכשיו הם יודעים
גכל כך מדויק שהמועצה הכללית למשקלים ומדידות ביססה עליו את המונה, שהיא יחידת האורך הבסיסית במערכת SI.מהירות האור היא קבוע אוניברסלי, ולכן אין נוסחת מהירות האור,כְּשֶׁלְעַצמוֹ. למעשה, אםגהיו שונים, כל המידות שלנו יצטרכו להשתנות מכיוון שהמטר מבוסס על זה. לאור יש מאפייני גל, עם זאת, הכוללים תדרνואורך גלλ, ואתה יכול לקשר את אלה למהירות האור עם המשוואה הזו, שאתה יכול לקרוא למשוואה למהירות האור:
c = \ nu \ lambda
מדידת מהירות האור מתצפיות אסטרונומיות
רומר היה האדם הראשון שהעלה מספר למהירות האור. הוא עשה זאת תוך שהוא מתבונן בליקויי הירח של צדק, ובמיוחד איו. הוא היה רואה את איו נעלם מאחורי כוכב הלכת הענק ואז הזמן כמה זמן לקח להופיע מחדש. הוא נימק שהפעם יכול להיות שונה באלף שניות, תלוי כמה קרוב היה צדק לכדור הארץ. הוא הגיע עם ערך למהירות האור של 214,000 קמ"ש, שנמצא באותו כדור כדורים כמו הערך המודרני של כמעט 300,000 קמ"ש.
בשנת 1728, האסטרונום האנגלי ג'יימס בראדלי חישב את מהירות האור על ידי התבוננות בסטיות כוכביות, המהווה את שינוי המיקום הניכר שלהן בגלל תנועת כדור הארץ סביב השמש. על ידי מדידת זווית השינוי הזה וחיסור מהירות כדור הארץ, שאותה הוא יכול היה לחשב מנתונים שהיו ידועים באותה תקופה, העלה בראדלי מספר מדויק בהרבה. הוא חישב את מהירות האור בוואקום להיות 301,000 קמ"ש.
השוואת מהירות האור באוויר למהירות במים
האדם הבא שמודד את מהירות האור היה הפילוסוף הצרפתי ארמנד היפוליטו פיזו, והוא לא הסתמך על תצפיות אסטרונומיות. במקום זאת הוא בנה מכשיר המורכב מפצל קרן, גלגל שיניים מסתובב ומראה שהוצבו 8 ק"מ ממקור האור. הוא יכול היה לכוון את מהירות הסיבוב של הגלגל כדי לאפשר לקרן אור לעבור לכיוון המראה אך לחסום את קרן החזרה. החישוב שלו שלגשפרסם בשנת 1849 היה 315,000 קמ"ש, וזה לא היה מדויק כמו ברדלי.
שנה לאחר מכן, ליאון פוקו, פיזיקאי צרפתי, שיפר את הניסוי של פיזו על ידי החלפת מראה מסתובבת לגלגל השיניים. הערך של פוקו ל- c היה 298,000 קמ"ש, וזה היה מדויק יותר, ותוך כדי כך גילה פוקו תגלית חשובה. על ידי החדרת צינור מים בין המראה המסתובבת לזו הנייחת, הוא קבע שמהירות האור באוויר גבוהה מהמהירות במים. זה היה בניגוד למה שתיאורת האור הגופנית חזתה ועזרה לקבוע כי האור הוא גל.
בשנת 1881, א. א. מיכלסון שיפר את המדידות של פוקו על ידי בניית אינטרפרומטר שהיה מסוגל השווה בין שלבי הקורה המקורית לזו החוזרת והציג דפוס הפרעה על מָסָך. התוצאה שלו הייתה 299,853 קמ"ש.
מיכלסון פיתח את האינטרפרומטר כדי לאתר את נוכחותו של ה-אֶתֶר, חומר רפאים שדרכו חשבו כי גלי אור מתפשטים. הניסוי שלו, שנערך עם הפיזיקאי אדוארד מורלי, היה כישלון, והוא הביא את איינשטיין למסקנה שמהירות האור היא קבוע אוניברסלי זהה בכל מסגרות הייחוס. זה היה הבסיס לתיאוריית היחסות המיוחדת.
שימוש במשוואה למהירות האור
הערך של מיכלסון היה המקובל עד שהוא השתפר בכך בעצמו בשנת 1926. מאז עידן הערך מספר חוקרים המשתמשים במגוון טכניקות. טכניקה כזו היא שיטת תהודה חלל, המשתמשת במכשיר המייצר זרם חשמלי. זו שיטה תקפה מכיוון שבעקבות פרסום המשוואות של מקסוול באמצע המאה העשרים, יש לפיזיקאים הסכימו כי אור וחשמל הן שתופעות גל אלקטרומגנטיות, ושתיהן נעות באותה מידה מְהִירוּת.
למעשה, לאחר שמקסוול פרסם את משוואותיו, ניתן היה למדוד את ג בעקיפין על ידי השוואת החדירות המגנטית והחדירות החשמלית של שטח פנוי. שני חוקרים, רוזה ודורסי, עשו זאת בשנת 1907 וחישבו את מהירות האור ל 299,788 קמ"ש.
בשנת 1950, הפיזיקאים הבריטים לואי אסן ו- A.C. גורדון-סמית השתמשו בתהודה לחלל כדי לחשב את מהירות האור על ידי מדידת אורך הגל והתדירות שלו. מהירות האור שווה למרחק האור שעוברדמחולק לפי הזמן שלוקח.T: c = d / ∆t. קחו בחשבון את הזמן לאורך גל יחידλלהעביר נקודה זו תקופת צורת הגל, שהיא הדדיות של התדרv, ואתה מקבל את מהירות הנוסחה של האור:
c = \ nu \ lambda
המכשיר שבו השתמשו באסן וגורדון-סמית מכונה aתהודה גל תהודה. זה מייצר זרם חשמלי בתדר ידוע, והם הצליחו לחשב את אורך הגל על ידי מדידת מידותיו של הגל. החישובים שלהם הניבו 299,792 קמ"ש, שהייתה הקביעה המדויקת ביותר עד כה.
שיטת מדידה מודרנית באמצעות לייזרים
טכניקת מדידה עכשווית אחת מחייה את שיטת פיצול הקורה בהן משתמשים פיזו ופוקו, אך משתמשת בלייזרים לשיפור הדיוק. בשיטה זו, קרן לייזר פועמת מפוצלת. קרן אחת עוברת לגלאי ואילו אחרת עוברת בניצב למראה הממוקמת במרחק קצר משם. המראה מחזירה את הקורה חזרה למראה שנייה שמסיטה אותה לגלאי שני. שני הגלאים מחוברים לאוסצילוסקופ, המתעד את תדירות הפולסים.
פסגות פולסי האוסצילוסקופ מופרדות מכיוון שהקרן השנייה עוברת מרחק גדול יותר מהראשונה. על ידי מדידת הפרדת הפסגות והמרחק בין המראות ניתן להפיק את מהירות קרן האור. זו טכניקה פשוטה והיא מניבה תוצאות די מדויקות. חוקר מאוניברסיטת ניו סאות 'ויילס באוסטרליה רשם ערך של 300,000 קמ"ש.
מדידת מהירות האור אינה הגיונית יותר
מקל המדידה בו משתמשת הקהילה המדעית הוא המונה. במקור הוא הוגדר כעשירית מיליון מהמרחק מקו המשווה לקוטב הצפוני ההגדרה שונתה מאוחר יותר להיות מספר מסוים של אורכי גל של אחד מקווי הפליטה של קריפטון -86. בשנת 1983, המועצה הכללית למשקלים ומדידות ביטלה את ההגדרות הללו ואימצה הגדרה זו:
המטרהוא המרחק שעבר קרן אור בוואקום ב -1 / 299,792,458 שנייה, כאשר השנייה מבוססת על ריקבון רדיואקטיבי של אטום הצזיום -133.
הגדרת המונה מבחינת מהירות האור קובעת בעצם את מהירות האור על 299,792,458 מ 'לשנייה. אם ניסוי מניב תוצאה אחרת, זה רק אומר שהמנגנון פגום. במקום לערוך ניסויים נוספים למדידת מהירות האור, מדענים משתמשים במהירות האור בכיול הציוד שלהם.
באמצעות מהירות האור לכיול מכשירי הניסוי
מהירות האור מופיעה במגוון הקשרים בפיזיקה, ואפשר טכנית לחשב אותה מתוך נתונים מדודים אחרים. לדוגמא, פלאנק הוכיח כי האנרגיה של קוונט, כמו פוטון, שווה לתדירותו כפול קבוע הפלאנק (h), השווה ל 6.6262 x 10-34 ג'ולה שניה. מכיוון שתדירות היאc / λ, ניתן לכתוב את המשוואה של פלאנק במונחים של אורך גל:
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ מרמז c = \ frac {E \ lambda} {h}
על ידי הפצצת צלחת פוטואלקטרית באור אורך גל ידוע ומדידת האנרגיה של האלקטרונים שנפלטו, ניתן לקבל ערך עבורג. סוג זה של מהירות מחשבון אור אינו נחוץ למדידת c, אולם בגללגהואמוּגדָרלהיות מה שזה. עם זאת, זה יכול לשמש לבדיקת המכשיר. אםEλ / hלא יוצא c, משהו לא בסדר במדידות אנרגיית האלקטרונים או באורך הגל של האור הנפל.
מהירות האור בוואקום היא קבוע אוניברסלי
הגיוני להגדיר את המונה במונחים של מהירות האור בוואקום, מכיוון שהוא הקבוע הבסיסי ביותר ביקום. איינשטיין הראה שזה זהה לכל נקודת התייחסות, ללא קשר לתנועה, וזה גם המהיר ביותר שכל דבר יכול לנסוע ביקום - לפחות, כל דבר עם מסה. המשוואה של איינשטיין, ואחת המשוואות המפורסמות בפיזיקה,E = mc2, מספק את הרמז מדוע זה כך.
בצורתו המוכרת ביותר, משוואת איינשטיין חלה רק על גופים במנוחה. המשוואה הכללית, לעומת זאת, כוללת אתגורם לורנץ γ, איפה
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
לגוף בתנועה עם מסהMומהירותv, צריך לכתוב את המשוואה של איינשטייןE = mc2γ. כשאתה מסתכל על זה, אתה יכול לראות את זה מתיv = 0, γ= 1 ותקבלE = mc2.
עם זאת, מתיv = c, γהופך לאינסופי, והמסקנה שעליך להסיק היא שלוקח כמות אינסופית של אנרגיה כדי להאיץ כל מסת סופית למהירות זו. דרך נוספת להסתכל עליו היא שהמסה הופכת לאינסופית במהירות האור.
ההגדרה הנוכחית של המונה הופכת את מהירות האור לסטנדרט למדידות ארציות של מרחק, אך זה שימש זמן רב למדידת מרחקים בחלל. שנת אור היא המרחק שעובר האור בשנה ארצית אחת, שמתברר ל 9.46 × 1015 M.
כי מטרים רבים זה יותר מדי מלהבין, אך קל להבין שנת אור, ומכיוון שמהירות האור קבועה בכל מסגרות הייחוס האינרציאליות, זו יחידת מרחק אמינה. זה נעשה מעט פחות אמין על ידי היותו מבוסס על השנה, שהיא מסגרת זמן שלא תהיה רלוונטית לאף אחד מכוכב אחר.