손가락을 튕겨 라! 그렇게하는 데 걸리는 시간에는 광선이 거의 달까지 이동할 수있었습니다. 다시 한 번 손가락을 스냅하면 빔이 여행을 완료 할 시간을줍니다. 요점은 빛이 정말, 정말 빠르게 이동한다는 것입니다.
빛은 빠르게 이동하지만 17 세기 이전에 사람들이 믿었던 것처럼 속도는 무한하지 않습니다. 그러나 인간의 시력과 반응 시간에 의존하는 램프, 폭발 또는 기타 수단을 사용하여 측정하기에는 속도가 너무 빠릅니다. 갈릴레오에게 물어보세요.
가벼운 실험
갈릴레오는 1638 년에 랜턴을 사용하는 실험을 고안했고, 그가 관리 할 수있는 가장 좋은 결론은 빛이 "매우 빠르다"는 것입니다 (즉, 정말 정말 빠르다는 것입니다). 그는 실제로 실험을 시도해도 번호를 제시 할 수 없었습니다. 그러나 그는 빛이 소리의 10 배 이상 빠르게 이동한다고 믿었다 고 말했습니다. 사실, 그것은 백만 배나 더 빠릅니다.
물리학 자들이 보편적으로 소문자 c로 나타내는 빛의 속도에 대한 최초의 성공적인 측정은 1676 년 Ole Roemer에 의해 이루어졌습니다. 그는 목성의 위성 관측을 기반으로 측정했습니다. 그 이후로 물리학 자들은 측정을 개선하기 위해 별, 톱니 바퀴, 회전 거울, 무선 간섭계, 공동 공진기 및 레이저 관찰을 사용했습니다. 그들은 이제 알아씨SI 시스템의 기본 길이 단위 인 미터를 기반으로하는 중량 및 측정에 관한 총회가 그 위에 정확하게 표시했습니다.
빛의 속도는 보편적 인 상수이므로 빛의 속도 공식은 없습니다.그 자체로. 실제로씨미터가 기준이기 때문에 모든 측정 값이 변경되어야합니다. 하지만 빛에는 주파수를 포함한 파동 특성이 있습니다.ν및 파장λ, 그리고이 방정식을 사용하여 빛의 속도와 연관시킬 수 있습니다.이 방정식을 빛의 속도에 대한 방정식이라고 부를 수 있습니다.
c = \ nu \ lambda
천문 관측에서 빛의 속도 측정
Roemer는 빛의 속도에 대한 숫자를 제시 한 최초의 사람입니다. 그는 목성의 위성, 특히 이오의 일식을 관찰하면서 그렇게했습니다. 그는 이오가 거대한 행성 뒤에서 사라지는 것을보고 다시 나타나는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. 그는 목성이 지구에 얼마나 가까이 있느냐에 따라이 시간이 최대 1,000 초까지 다를 수 있다고 생각했습니다. 그는 빛의 속도가 214,000km / s라는 값을 내놓았는데, 이는 거의 300,000km / s의 현대적 값과 동일한 야구장에 있습니다.
1728 년 영국의 천문학 자 제임스 브래들리는 태양 주위의 지구 운동으로 인한 위치의 명백한 변화 인 항성 수차를 관찰하여 빛의 속도를 계산했습니다. 이 변화의 각도를 측정하고 당시 알려진 데이터에서 계산할 수있는 지구의 속도를 빼서 Bradley는 훨씬 더 정확한 숫자를 찾았습니다. 그는 진공 상태에서 빛의 속도를 301,000km / s로 계산했습니다.
공기 속의 빛의 속도와 물 속의 속도 비교
빛의 속도를 측정 한 다음 사람은 프랑스의 철학자 Armand Hippolyte Fizeau였으며 천문 관측에 의존하지 않았습니다. 대신 그는 빔 스플리터, 회전 톱니 바퀴 및 광원에서 8km 떨어진 거울로 구성된 장치를 구성했습니다. 그는 바퀴의 회전 속도를 조정하여 빛의 광선이 거울을 향해 통과하지만 반사 광선은 차단할 수 있습니다. 그의 계산씨그가 1849 년에 출판 한은 315,000km / s로 Bradley만큼 정확하지 않았습니다.
1 년 후 프랑스의 물리학자인 Léon Foucault는 톱니 바퀴 대신 회전 거울을 대체하여 Fizeau의 실험을 개선했습니다. c에 대한 푸코의 값은 298,000km / s로 더 정확했으며 그 과정에서 푸코는 중요한 발견을했습니다. 회전하는 거울과 고정 된 거울 사이에 물 튜브를 삽입함으로써 그는 공기 중의 빛의 속도가 물의 속도보다 빠르다는 것을 확인했습니다. 이것은 빛의 입자 이론이 예측하고 빛이 파동이라는 것을 입증하는 데 도움이 된 것과는 반대였습니다.
1881 년 A. ㅏ. Michelson은 간섭계를 구성하여 Foucault의 측정을 개선했습니다. 원래 빔과 돌아 오는 빔의 위상을 비교하고 간섭 패턴을 표시합니다. 화면. 그의 결과는 299,853 km / s였습니다.
Michelson은 간섭계를 개발하여에테르, 빛의 파동이 전파되는 것으로 생각되는 유령 같은 물질. 물리학 자 에드워드 몰리와 함께 수행 한 그의 실험은 실패 였고, 아인슈타인은 빛의 속도가 모든 기준 프레임에서 동일한 보편적 인 상수라는 결론을 내 렸습니다. 그것이 특수 상대성 이론의 기초였습니다.
빛의 속도에 대한 방정식 사용
Michelson의 가치는 1926 년에 스스로 개선 할 때까지 받아 들여진 가치였습니다. 그 이후로 다양한 기술을 사용하는 많은 연구자들에 의해 가치가 개선되었습니다. 이러한 기술 중 하나는 전류를 생성하는 장치를 사용하는 공동 공진기 방법입니다. 1800 년대 중반에 맥스웰 방정식이 발표 된 이후 물리학 자들은 빛과 전기는 모두 전자기파 현상이며 둘 다 같은 시간에 여행한다는 데 동의했습니다. 속도.
사실 Maxwell이 방정식을 발표 한 후 자유 공간의 자기 투자율과 전기 투자율을 비교하여 간접적으로 c를 측정 할 수있게되었습니다. 두 명의 연구원 인 Rosa와 Dorsey는 1907 년에이를 수행하여 빛의 속도를 299,788km / s로 계산했습니다.
1950 년 영국의 물리학자인 Louis Essen과 A.C. Gordon-Smith는 파장과 주파수를 측정하여 빛의 속도를 계산하기 위해 공동 공진기를 사용했습니다. 빛의 속도는 빛이 이동하는 거리와 같습니다.디걸리는 시간으로 나눈∆t: c = d / ∆t. 단일 파장의 시간이λ포인트를 통과하는 것은 주파수의 역수 인 파형의주기입니다.V, 그리고 당신은 빛의 속도 공식을 얻습니다 :
c = \ nu \ lambda
사용 된 장치 Essen과 Gordon-Smith는공동 공명 파장계. 알려진 주파수의 전류를 생성하고 파장계의 치수를 측정하여 파장을 계산할 수있었습니다. 그들의 계산은 299,792 km / s를 산출했으며 이는 현재까지 가장 정확한 결정이었습니다.
레이저를 사용한 최신 측정 방법
현대 측정 기술 중 하나는 Fizeau와 Foucault가 사용하는 빔 분할 방법을 부활 시켰지만 정확도를 높이기 위해 레이저를 사용합니다. 이 방법에서는 펄스 레이저 빔이 분할됩니다. 하나의 빔은 탐지기로 이동하고 다른 하나는 가까운 거리에있는 거울에 수직으로 이동합니다. 거울은 빔을 다시 두 번째 거울로 반사하여 두 번째 검출기로 굴절시킵니다. 두 감지기는 펄스의 주파수를 기록하는 오실로스코프에 연결됩니다.
두 번째 빔이 첫 번째 빔보다 더 먼 거리를 이동하기 때문에 오실로스코프 펄스의 피크는 분리됩니다. 거울 사이의 거리와 봉우리의 분리를 측정함으로써 광선의 속도를 도출 할 수 있습니다. 이것은 간단한 기술이며 상당히 정확한 결과를 산출합니다. 호주 뉴 사우스 웨일스 대학의 한 연구원은 300,000km / s의 값을 기록했습니다.
더 이상 빛의 속도를 측정하는 것은 의미가 없습니다
과학계에서 사용하는 측정 막대는 미터입니다. 원래 적도에서 북극까지의 거리의 1 천만 분의 1로 정의되었습니다. 정의는 나중에 크립톤 -86의 방출 선 중 하나의 특정 수의 파장으로 변경되었습니다. 1983 년에 중량 및 측정에 관한 총회는 이러한 정의를 폐기하고 다음을 채택했습니다.
그만큼미터1 초 동안 1 / 299,792,458의 진공 상태에서 빛의 빔이 이동 한 거리입니다. 두 번째는 세슘 -133 원자의 방사성 붕괴를 기반으로합니다.
광속으로 미터를 정의하면 기본적으로 광속이 299,792,458m / s로 고정됩니다. 실험에서 다른 결과가 나오면 장치에 결함이 있음을 의미합니다. 과학자들은 빛의 속도를 측정하기 위해 더 많은 실험을 수행하는 대신 빛의 속도를 사용하여 장비를 보정합니다.
빛의 속도를 사용하여 실험 장치 보정
빛의 속도는 물리학의 다양한 맥락에서 나타나며, 다른 측정 데이터에서이를 계산하는 것이 기술적으로 가능합니다. 예를 들어, 플랑크는 광자와 같은 양자의 에너지가 주파수에 플랑크 상수 (h)를 곱한 값 (6.6262 x 10)과 같다는 것을 보여주었습니다.-34 줄 ⋅ 초. 주파수는c / λ, Planck의 방정식은 파장으로 쓸 수 있습니다.
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ implies c = \ frac {E \ lambda} {h}
알려진 파장의 빛을 광전 판에 충격을 가하고 방출 된 전자의 에너지를 측정함으로써 다음과 같은 값을 얻을 수 있습니다.씨. 그러나 이러한 유형의 광속 계산기는 c를 측정하는 데 필요하지 않습니다.씨이다한정된그것이 무엇인지. 그러나 장치를 테스트하는 데 사용할 수 있습니다. 만약Eλ / hc로 나오지 않으면 전자 에너지 측정이나 입사광의 파장에 문제가 있습니다.
진공 상태에서 빛의 속도는 보편적 인 상수입니다
우주에서 가장 기본적인 상수이기 때문에 진공 상태에서 빛의 속도로 미터를 정의하는 것이 합리적입니다. 아인슈타인은 움직임에 관계없이 모든 기준점에 대해 동일하다는 것을 보여 주었다. 그리고 그것은 또한 우주를 여행 할 수있는 가장 빠른 속도이기도하다. 적어도 질량이있는 모든 것. 아인슈타인의 방정식이자 물리학에서 가장 유명한 방정식 중 하나 인E = mc2, 그 이유에 대한 단서를 제공합니다.
가장 잘 알려진 형태로, 아인슈타인 방정식은 휴식중인 신체에만 적용됩니다. 그러나 일반 방정식에는 다음이 포함됩니다.로렌츠 인자 γ, 어디
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
질량이있는 움직이는 몸미디엄및 속도V, 아인슈타인 방정식을 써야합니다E = mc2γ. 이것을 보면 알 수 있습니다.V = 0, γ= 1이면E = mc2.
그러나 언제v = c, γ당신이 그려야 할 결론은 유한 질량을 그 속도로 가속하기 위해 무한한 양의 에너지가 필요하다는 것입니다. 그것을 보는 또 다른 방법은 질량이 빛의 속도로 무한해진다는 것입니다.
미터의 현재 정의는 빛의 속도를 지상의 거리 측정의 표준으로 만들고 있지만 오랫동안 우주에서 거리를 측정하는 데 사용되어 왔습니다. 광년은 빛이 지구에서 1 년 동안 이동하는 거리로 9.46 × 10입니다.15 미디엄.
그 많은 미터는 이해하기에는 너무 많지만 광년은 이해하기 쉽고 모든 관성 기준 프레임에서 빛의 속도가 일정하기 때문에 신뢰할 수있는 거리 단위입니다. 다른 행성의 누구와도 관련이없는 기간 인 연도를 기준으로하여 신뢰성이 약간 떨어졌습니다.