Kā aprēķināt gaismas ātrumu

Piesitiet pirkstiem! Laikā, kad tas bija nepieciešams, gaismas stars spēja pārvietoties gandrīz līdz pat Mēnesim. Ja jūs vēlreiz uzsitīsit ar pirkstiem, jūs atdosit staram laiku, lai pabeigtu braucienu. Lieta ir tāda, ka gaisma pārvietojas ļoti, ļoti ātri.

Gaisma pārvietojas ātri, taču tās ātrums nav bezgalīgs, kā cilvēki ticēja pirms 17. gadsimta. Ātrums ir pārāk ātrs, lai izmērītu, izmantojot lampas, sprādzienus vai citus līdzekļus, kas tomēr ir atkarīgi no cilvēka redzes asuma un cilvēka reakcijas laika. Jautājiet Galileo.

Galileo 1638. gadā izstrādāja eksperimentu, kurā izmantoja laternas, un labākais secinājums, ko viņš varēja pārvaldīt, bija tas, ka gaisma ir "ārkārtīgi ātra" (citiem vārdiem sakot, patiešām, ļoti ātra). Viņš nespēja izdomāt numuru, ja patiesībā pat izmēģināja eksperimentu. Viņš tomēr uzdrošinājās teikt, ka, viņaprāt, gaisma pārvietojas vismaz 10 reizes ātrāk nekā skaņa. Patiesībā tas ir vairāk kā miljons reižu ātrāk.

Pirmo veiksmīgo gaismas ātruma mērījumu, ko fiziķi vispārīgi apzīmē ar mazo burtu c, Ole Rēmers veica 1676. gadā. Viņš pamatoja savus mērījumus uz Jupitera pavadoņu novērojumiem. Kopš tā laika fiziķi mērījumu precizēšanai ir izmantojuši zvaigžņu, zobainu riteņu, rotējošu spoguļu, radio interferometru, dobuma rezonatoru un lāzeru novērojumus. Viņi tagad zina

Gaismas ātrums ir universāla konstante, tāpēc nav gaismas ātruma formulas,per se. Patiesībā, jacbūtu atšķirīgi, visiem mūsu mērījumiem būtu jāmainās, jo skaitītājs ir balstīts uz to. Gaismai tomēr ir viļņu īpašības, kas ietver frekvenciνun viļņa garumsλ, un jūs varat saistīt tos ar gaismas ātrumu ar šo vienādojumu, kuru jūs varētu saukt par gaismas ātruma vienādojumu:

Rēmers bija pirmais, kurš izdomāja numuru gaismas ātrumam. Viņš to izdarīja, novērojot Jupitera pavadoņu, īpaši Io, aptumsumus. Viņš vērotu, kā Io pazūd aiz milzu planētas, un pēc tam laiku, cik ilgs laiks vajadzīgs, lai atkal parādītos. Viņš sprieda, ka šis laiks var atšķirties pat par 1000 sekundēm, atkarībā no tā, cik tuvu Jupiters bija zemei. Viņš nāca klajā ar gaismas ātruma vērtību 214 000 km / s, kas atrodas tajā pašā bumbas laukumā, kur mūsdienu vērtība ir gandrīz 300 000 km / s.

1728. gadā angļu astronoms Džeimss Bredlijs aprēķināja gaismas ātrumu, novērojot zvaigžņu aberācijas, kas ir viņu acīmredzamā stāvokļa maiņa, pateicoties zemes kustībai ap sauli. Mērot šo izmaiņu leņķi un atņemot zemes ātrumu, ko viņš varēja aprēķināt no tajā laikā zināmiem datiem, Bredlijs nāca klajā ar daudz precīzāku skaitli. Viņš aprēķināja, ka gaismas ātrums vakuumā ir 301 000 km / s.

Nākamais gaismas ātruma mērītājs bija franču filozofs Armands Hipolita Fizo, un viņš nepaļāvās uz astronomiskiem novērojumiem. Tā vietā viņš uzbūvēja aparātu, kas sastāv no staru sadalītāja, rotējoša zobaina riteņa un spoguļa, kas novietots 8 km attālumā no gaismas avota. Viņš varēja pielāgot riteņa griešanās ātrumu, lai gaismas stars varētu virzīties pretī spogulim, bet bloķētu atgriezenisko staru. Viņa aprēķins parc, kuru viņš publicēja 1849. gadā, bija 315 000 km / s, kas nebija tik precīzi kā Bredlija.

Gadu vēlāk Léon Foucault, franču fiziķis, uzlaboja Fizeau eksperimentu, aizstājot zobaino riteni ar rotējošu spoguli. Fuko vērtība c bija 298 000 km / s, kas bija precīzāk, un šajā procesā Fuko veica svarīgu atklājumu. Ievietojot ūdens cauruli starp rotējošo spoguli un nekustīgo, viņš noteica, ka gaismas ātrums gaisā ir lielāks nekā ātrums ūdenī. Tas bija pretrunā ar to, ko gaismas korpuskulārā teorija paredzēja un palīdzēja noteikt, ka gaisma ir vilnis.

1881. gadā A. A. Miķelsons uzlaboja Fuko mērījumus, izveidojot interferometru, kas to spēja salīdziniet sākotnējā un atgriešanās staru posmus un uz a. parādiet traucējumu modeli ekrāns. Viņa rezultāts bija 299 853 km / s.

Miķelsons bija izstrādājis interferometru, lai noteiktuēteris, spocīga viela, caur kuru, domājams, izplatījās gaismas viļņi. Viņa eksperiments, kas tika veikts ar fiziķi Edvardu Morliju, bija neveiksmīgs, un tas lika Einšteinam secināt, ka gaismas ātrums ir universāla konstante, kas ir vienāda visos atsauces kadros. Tas bija īpašās relativitātes teorijas pamats.

Miķelsona vērtība bija pieņemta, līdz viņš pats to uzlaboja 1926. gadā. Kopš tā laika vērtību ir precizējuši vairāki pētnieki, izmantojot dažādas metodes. Viena no šādām metodēm ir dobuma rezonatora metode, kurā tiek izmantota ierīce, kas ģenerē elektrisko strāvu. Šī ir derīga metode, jo pēc Maksvela vienādojumu publicēšanas 1800. gadu vidū fiziķiem ir bijuši vienisprātis, ka gaisma un elektrība ir gan elektromagnētisko viļņu parādības, gan abi pārvietojas vienlaicīgi ātrums.

Faktiski pēc Maksvela savu vienādojumu publicēšanas kļuva iespējams netieši izmērīt c, salīdzinot brīvās telpas magnētisko caurlaidību un elektrisko caurlaidību. Divi pētnieki, Rosa un Dorsey, to izdarīja 1907. gadā un aprēķināja gaismas ātrumu 299 788 km / s.

1950. gadā britu fiziķi Luiss Esens un A. C. Gordons-Smits izmantoja dobuma rezonatoru, lai aprēķinātu gaismas ātrumu, mērot tā viļņa garumu un frekvenci. Gaismas ātrums ir vienāds ar gaismas attālumuddalīts ar laiku, kas tam nepieciešams.T​: ​c = d / ∆t. Apsveriet, ka laiks vienam viļņa garumamλiziet punkts ir viļņu formas periods, kas ir abpusējs frekvencev, un jūs saņemat gaismas ātruma formulu:

Izmantotā ierīce Esene un Gordons-Smits ir pazīstams kā adobuma rezonanses viļņmetrs. Tas ģenerē zināmas frekvences elektrisko strāvu, un viņi varēja aprēķināt viļņa garumu, izmērot viļņmetra izmērus. Viņu aprēķini deva 299 792 km / s, kas līdz šim bija visprecīzākā noteikšana.

Viena mūsdienu mērīšanas tehnika atdzīvina Fizo un Fuko izmantoto staru sadalīšanas metodi, bet precizitātes uzlabošanai izmanto lāzerus. Šajā metodē impulsa lāzera stars tiek sadalīts. Viens stars iet uz detektoru, bet otrs pārvietojas perpendikulāri spogulim, kas novietots nelielā attālumā. Spogulis atstaro staru atpakaļ uz otru spoguli, kas to novirza uz otro detektoru. Abi detektori ir savienoti ar osciloskopu, kas reģistrē impulsu biežumu.

Osciloskopa impulsu pīķi ir atdalīti, jo otrais stars veic lielāku attālumu nekā pirmais. Mērot pīķu atdalījumu un attālumu starp spoguļiem, ir iespējams iegūt gaismas kūļa ātrumu. Šī ir vienkārša tehnika, un tā dod diezgan precīzus rezultātus. Austrālijas Jaundienvidvelsas universitātes pētnieks reģistrēja 300 000 km / s vērtību.

Mērīšanas nūja, ko izmanto zinātnieku aprindas, ir skaitītājs. Sākotnēji tika noteikts, ka tā ir viena desmitmiljona daļa no attāluma no ekvatora līdz Ziemeļpolam un definīcija vēlāk tika mainīta, lai noteiktu viļņu garumu skaitu vienai no kriptona-86 emisijas līnijām. 1983. gadā Vispārējā atsvaru un svaru padome atcēla šīs definīcijas un pieņēma šo:

​Theskaitītājsir attālums, ko gaismas stars veic vakuumā 1 / 299,792,458 sekundes laikā, kur otrais ir balstīts uz cēzija-133 atoma radioaktīvo sabrukšanu.​

Definējot skaitītāju gaismas ātruma ziņā, gaismas ātrums būtībā tiek fiksēts uz 299 792 458 m / s. Ja eksperiments dod atšķirīgu rezultātu, tas vienkārši nozīmē, ka aparāts ir bojāts. Tā vietā, lai veiktu vairāk eksperimentu gaismas ātruma mērīšanai, zinātnieki izmanto gaismas ātrumu, lai kalibrētu savu aprīkojumu.

Gaismas ātrums parādās dažādos fizikas kontekstos, un to ir tehniski iespējams aprēķināt pēc citiem izmērītajiem datiem. Piemēram, Planck parādīja, ka kvanta, piemēram, fotona, enerģija ir vienāda ar tā frekvenci reizinot ar Planck konstanti (h), kas ir vienāda ar 6,6262 x 10^-34 Džoula sekunde. Tā kā frekvence irc / λ, Plancka vienādojumu var uzrakstīt kā viļņa garumu:

Bombardējot fotoelektrisko plāksni ar zināma viļņa garuma gaismu un izmērot izstumto elektronu enerģiju, ir iespējams iegūt vērtībuc. Šāda veida gaismas ātruma kalkulatora mērīšana c nav nepieciešama, jocirdefinētsbūt tādam, kāds tas ir. Tomēr to varēja izmantot aparāta pārbaudei. JaEλ / hneiznāk kā c, kaut kas nav kārtībā ar elektronu enerģijas mērījumiem vai krītošās gaismas viļņa garumu.

Ir jēga definēt skaitītāju pēc gaismas ātruma vakuumā, jo tas ir visvienkāršākā konstante Visumā. Einšteins parādīja, ka tas ir vienāds katram atskaites punktam, neatkarīgi no kustības, un tas ir arī visātrākais, ko Visumā var ceļot - vismaz jebkas ar masu. Einšteina vienādojums un viens no slavenākajiem fizikas vienādojumiem,E = mc², sniedz norādes, kāpēc tas tā ir.

Visatpazīstamākajā formā Einšteina vienādojums attiecas tikai uz ķermeņiem, kas atrodas miera stāvoklī. Tomēr vispārīgais vienādojums ietverLorenca faktors​ ​γ, kur

Ķermenim kustībā ar masumun ātrumsv, Jāuzraksta Einšteina vienādojumsE = mc²γ. Apskatot to, jūs varat redzēt, ka kadv​ = 0, ​γ= 1 un jūs saņematE = mc²​.

Tomēr kadv = c, γkļūst bezgalīgs, un secinājums, kas jums jāizdara, ir tāds, ka, lai paātrinātu jebkuru ierobežoto masu līdz šim ātrumam, būtu nepieciešams bezgalīgi daudz enerģijas. Vēl viens veids, kā to aplūkot, ir tas, ka masa ar gaismas ātrumu kļūst bezgalīga.

Pašreizējā skaitītāja definīcija padara gaismas ātrumu par zemes sauszemes attāluma mērīšanas standartu, taču to jau sen izmanto, lai mērītu attālumus kosmosā. Gaismas gads ir attālums, ko gaisma veic vienā zemes gadā, kas izrādās 9.46 × 10¹⁵ m.

Tas, ka daudz metru ir pārāk daudz, lai to saprastu, taču gaismas gadu ir viegli saprast, un, tā kā gaismas ātrums visos inerciālajos atskaites kadros ir nemainīgs, tā ir uzticama attāluma vienība. To padara nedaudz mazāk uzticamu, pamatojoties uz gadu, kas ir laika posms, kas neattiecas uz nevienu no citas planētas.