Kaip apskaičiuoti šviesos greitį

Suimkite pirštus! Per tą laiką, kol reikėjo tai padaryti, šviesos pluoštas galėjo nukeliauti beveik iki pat mėnulio. Dar kartą spustelėję pirštais, spinduliui suteiksite laiko kelionei užbaigti. Esmė ta, kad šviesa sklinda tikrai labai greitai.

Šviesa sklinda greitai, tačiau jos greitis nėra begalinis, kaip žmonės tikėjo iki XVII a. Greitis yra per greitas matuoti lempomis, sprogimais ar kitomis priemonėmis, kurios priklauso nuo žmogaus regėjimo aštrumo ir žmogaus reakcijos laiko. Paklauskite Galileo.

Galileo 1638 m. Sukūrė eksperimentą, kuriame buvo naudojami žibintai, ir geriausia išvada, kurią jis galėjo valdyti, buvo tai, kad šviesa yra „nepaprastai greita“ (kitaip tariant, tikrai labai greita). Jis nesugebėjo sugalvoti skaičiaus, jei iš tikrųjų netgi išbandė eksperimentą. Tačiau jis išdrįso pasakyti, kad, jo manymu, šviesa sklinda mažiausiai 10 kartų greičiau nei garsas. Tiesą sakant, tai daugiau kaip milijoną kartų greičiau.

Pirmąjį sėkmingą šviesos greičio matavimą, kurį fizikai visuotinai rodo mažąja raide c, Ole Roemeris atliko 1676 m. Matavimus jis grindė Jupiterio mėnulių stebėjimais. Nuo to laiko fizikai naudojo žvaigždžių, dantytų ratų, besisukančių veidrodžių, radijo interferometrų, ertmės rezonatorių ir lazerių stebėjimus tikslindami matavimą. Jie dabar žino

Šviesos greitis yra universali konstanta, todėl nėra šviesos greičio formulės,per se. Tiesą sakant, jeicbuvo kitokie, visi mūsų matavimai turės keistis, nes matuoklis yra jo pagrindu. Vis dėlto šviesa turi bangų charakteristikas, kurios apima dažnįνir bangos ilgisλ, ir jūs galite susieti juos su šviesos greičiu pagal šią lygtį, kurią galite pavadinti šviesos greičio lygtimi:

Roemeris buvo pirmasis asmuo, sugalvojęs šviesos greičio skaičių. Jis tai padarė stebėdamas Jupiterio mėnulių, ypač Io, užtemimus. Jis stebėjo, kaip Io dingo už milžiniškos planetos, ir paskui laiką, per kiek laiko jis vėl pasirodė. Jis samprotavo, kad šis laikas gali skirtis net 1000 sekundžių, priklausomai nuo to, arti Jupiteris buvo žemei. Jis sugalvojo 214 000 km / s šviesos greičio vertę, kuri yra tame pačiame aikštelėje, kur šiuolaikinė vertė yra beveik 300 000 km / s.

1728 m. Anglų astronomas Jamesas Bradley apskaičiavo šviesos greitį stebėdamas žvaigždžių aberacijas, kurios yra akivaizdus jų padėties pasikeitimas dėl žemės judėjimo aplink saulę. Matuodamas šio pokyčio kampą ir atimdamas žemės greitį, kurį jis galėjo apskaičiuoti iš tuo metu žinomų duomenų, Bradley sugalvojo daug tikslesnį skaičių. Jis apskaičiavo, kad šviesos greitis vakuume yra 301 000 km / s.

Kitas šviesos greičio matuoklis buvo prancūzų filosofas Armandas Hippolyte'as Fizeau, kuris nepasitikėjo astronominiais stebėjimais. Vietoj to jis sukonstravo aparatą, susidedantį iš pluošto daliklio, besisukančio dantyto rato ir veidrodžio, pastatyto 8 km nuo šviesos šaltinio. Jis galėjo sureguliuoti rato sukimosi greitį, kad šviesos pluoštas eitų link veidrodžio, tačiau blokuotų grįžtamąjį spindulį. Jo apskaičiavimasc, kurį jis paskelbė 1849 m., buvo 315 000 km / s, o tai nebuvo taip tiksliai, kaip Bradley.

Po metų Léon Foucault, prancūzų fizikas, patobulino Fizeau eksperimentą, pakeisdamas sukamą veidrodį su dantytu ratu. Foucault vertė c ​​buvo 298 000 km / s, o tai buvo tikslesnė, ir šio proceso metu Foucault padarė svarbų atradimą. Įkišdamas vandens vamzdelį tarp besisukančio veidrodžio ir nejudančio, jis nustatė, kad šviesos greitis ore yra didesnis nei greitis vandenyje. Tai prieštaravo tam, ką prognozavo korpuskulinė šviesos teorija ir padėjo nustatyti, kad šviesa yra banga.

1881 metais A. A. Michelsonas pagerino Foucault matavimus sukonstravęs interferometrą, kuris sugebėjo palyginkite pradinio ir grįžtančio pluošto fazes ir parodykite interferencijos modelį a ekranas. Jo rezultatas buvo 299 853 km / s.

Michelsonas sukūrė interferometrą, kad būtų galima nustatytieteris, vaiduokliška medžiaga, per kurią manyta, kad sklinda šviesos bangos. Jo eksperimentas, atliktas su fiziku Edwardu Morley, buvo nesėkmingas, todėl Einšteinas padarė išvadą, kad šviesos greitis yra universali konstanta, kuri yra vienoda visuose atskaitos rėmuose. Tai buvo specialiosios reliatyvumo teorijos pagrindas.

Michelsono vertė buvo pripažinta, kol jis pats ją pagerino 1926 m. Nuo to laiko vertė buvo patikslinta daugelio tyrinėtojų, naudojant įvairius metodus. Viena iš tokių metodų yra ertmės rezonatoriaus metodas, kai naudojamas prietaisas, generuojantis elektros srovę. Tai yra tinkamas metodas, nes po Maxwello lygčių paskelbimo 1800-ųjų viduryje fizikai tai padarė buvo sutarę, kad šviesa ir elektra yra elektromagnetinių bangų reiškiniai ir jie abu keliauja tuo pačiu metu greičiu.

Tiesą sakant, po to, kai Maksvelas paskelbė savo lygtis, netiesiogiai matuoti c tapo įmanoma lyginant laisvosios erdvės magnetinį pralaidumą ir elektrinį pralaidumą. Du tyrėjai, Rosa ir Dorsey, tai padarė 1907 m. Ir apskaičiavo, kad šviesos greitis yra 299 788 km / s.

1950 m. Britų fizikai Louisas Esenas ir A. C. Gordonas-Smithas panaudojo ertmės rezonatorių, kad apskaičiuotų šviesos greitį matuodami jo bangos ilgį ir dažnį. Šviesos greitis yra lygus šviesos atstumuidpadalijamas iš laiko, kurio reikia.T​: ​c = d / ∆t. Apsvarstykite, ar reikia vieno bangos ilgioλpraleisti tašką yra bangos formos periodas, kuris yra abipusis dažnisvir gausite šviesos greičio formulę:

Naudojamas prietaisas Essenas ir Gordonas-Smithas yra žinomas kaip aertmės rezonanso bangos matuoklis. Jis sukuria žinomo dažnio elektros srovę, ir jie sugebėjo apskaičiuoti bangos ilgį, matuodami bangos matuoklio matmenis. Jų skaičiavimais buvo pasiekta 299 792 km / s, o tai buvo tiksliausias nustatymas iki šiol.

Viena šiuolaikinė matavimo technika atgaivina Fizeau ir Foucault naudojamą spindulių skaidymo metodą, tačiau tikslumui pagerinti naudojama lazeriai. Taikant šį metodą, impulsinis lazerio spindulys yra padalintas. Vienas pluoštas eina į detektorių, o kitas - statmenai trumpam atstumui pastatytam veidrodžiui. Veidrodis atspindi spindulį atgal į antrąjį veidrodį, kuris nukreipia jį į antrąjį detektorių. Abu detektoriai yra prijungti prie osciloskopo, kuris fiksuoja impulsų dažnį.

Osciloskopo impulsų smailės yra atskirtos, nes antrasis spindulys įveikia didesnį atstumą nei pirmasis. Matuojant smailių ir atstumo tarp veidrodžių atskyrimą, galima nustatyti šviesos pluošto greitį. Tai paprasta technika ir ji duoda gana tikslius rezultatus. Australijos Naujojo Pietų Velso universiteto mokslininkas užfiksavo 300 000 km / s vertę.

Matavimo lazda, kurią naudoja mokslo bendruomenė, yra skaitiklis. Iš pradžių buvo apibrėžta, kad yra viena dešimtoji milijonoji atstumo nuo pusiaujo iki Šiaurės ašigalio ir apibrėžimas vėliau buvo pakeistas į tam tikrą bangos ilgių skaičių vienos iš kriptono-86 emisijos linijų. 1983 m. Bendroji svorių ir matų taryba atsisakė šių apibrėžimų ir priėmė šį:

​Themetrasyra atstumas, kurį šviesos pluoštas nuvažiuoja vakuume per 1/299 792 458 sekundės dalį, kur antrasis yra pagrįstas cezio-133 atomo radioaktyviu skilimu.​

Apibrėžiant skaitiklį pagal šviesos greitį, šviesos greitis iš esmės nustatomas 299 792 458 m / s. Jei eksperimentas duoda kitokį rezultatą, tai reiškia, kad aparatas yra sugedęs. Užuot atlikę daugiau eksperimentų šviesos greičiui matuoti, mokslininkai naudoja šviesos greitį kalibruodami savo įrangą.

Šviesos greitis pasireiškia įvairiuose fizikos kontekstuose, ir tai techniškai įmanoma apskaičiuoti pagal kitus išmatuotus duomenis. Pvz., Planckas parodė, kad kvanto, pvz., Fotono, energija yra lygi jo dažnio ir Planko konstantos (h) energijai, kuri lygi 6,6262 x 10^-34 Joule⋅sekundė. Kadangi dažnis yrac / λ, Plancko lygtį galima parašyti pagal bangos ilgį:

Bombarduojant fotoelektrinę plokštę žinomo bangos ilgio šviesa ir matuojant išstumtų elektronų energiją, galima gautic. Šio tipo šviesos skaičiuoklės matavimas c nėra būtinas, nescyraapibrėžtabūti tuo, kas yra. Tačiau juo galima būtų išbandyti aparatą. JeiEλ / hneišeina iš c, kažkas negerai arba su elektronų energijos matavimais, arba į krintančios šviesos bangos ilgį.

Tikslinga apibrėžti skaitiklį atsižvelgiant į šviesos greitį vakuume, nes tai yra pati svarbiausia visatos konstanta. Einšteinas parodė, kad jis yra tas pats kiekvienam atskaitos taškui, neatsižvelgiant į judėjimą, ir tai yra greičiausias dalykas, kurį gali keliauti visatoje - bent jau viskas, kas turi masę. Einšteino lygtis ir viena garsiausių fizikos lygčių,E = mc², pateikia užuominą, kodėl taip yra.

Labiausiai atpažįstama forma Einšteino lygtis taikoma tik ramybės būsenoje esantiems kūnams. Tačiau bendrojoje lygtyje yraLorenco faktorius​ ​γ, kur

Kūnui, judančiam su masemir greitisv, Reikėtų parašyti Einšteino lygtįE = mc²γ. Pažvelgus į tai, galima pamatyti, kadav​ = 0, ​γ= 1 ir gausiteE = mc²​.

Tačiau kadav = c, γtampa begalinis, ir jūs turite padaryti išvadą, kad norint pagreitinti bet kokią baigtinę masę iki tokio greičio, prireiks begalinio energijos kiekio. Kitas būdas pažvelgti į tai, kad masė šviesos greičiu tampa begalinė.

Pagal dabartinį skaitiklio apibrėžimą šviesos greitis yra standartinis antžeminio atstumo matavimo standartas, tačiau jis jau seniai naudojamas matuoti atstumus erdvėje. Šviesos metai - tai atstumas, kurį šviesa įveikia per vienus žemiškus metus, kuris pasirodo iki 9,46 × 10¹⁵ m.

Tiek daug metrų suvokti yra per daug, tačiau šviesos metus lengva suprasti ir kadangi šviesos greitis yra pastovus visuose inerciniuose atskaitos taškuose, tai yra patikimas atstumo vienetas. Tai padarė šiek tiek mažiau patikima, nes remiasi metais, tai yra laiko tarpas, kuris neturėtų reikšmės niekam iš kitos planetos.