Hvordan beregne lysets hastighet

Fest fingrene! På den tiden det tok å gjøre det, var en lysstråle i stand til å reise nesten helt til månen. Hvis du klikker fingrene igjen, gir du strålen tid til å fullføre reisen. Poenget er at lys beveger seg veldig, veldig fort.

Lys reiser raskt, men hastigheten er ikke uendelig, slik folk trodde før 1600-tallet. Hastigheten er for rask til å måle ved hjelp av lamper, eksplosjoner eller andre måter som avhenger av menneskelig synsstyrke og menneskelig reaksjonstid. Spør Galileo.

Galileo utviklet et eksperiment i 1638 som brukte lanterner, og den beste konklusjonen han kunne klare var at lyset er "ekstraordinært raskt" (med andre ord virkelig, veldig raskt). Han var ikke i stand til å komme opp med et tall, hvis han faktisk prøvde eksperimentet. Han våget imidlertid å si at han trodde at lyset beveger seg minst 10 ganger så raskt som lyden. Egentlig er det mer som en million ganger så fort.

Den første vellykkede målingen av lysets hastighet, som fysikere universelt representerer med små bokstaver c, ble gjort av Ole Roemer i 1676. Han baserte sine målinger på observasjoner av Jupiters måner. Siden den gang har fysikere brukt observasjoner av stjernene, tannhjul, roterende speil, radiointerferometre, hulromresonatorer og lasere for å avgrense målingen. De vet det nå

Lysets hastighet er en universell konstant, så det er ingen formel for lysets hastighet,per se. Faktisk, hviscvar forskjellige, må alle målingene våre endres fordi måleren er basert på den. Lys har imidlertid bølgefunksjoner som inkluderer frekvensνog bølgelengdeλ, og du kan relatere disse til lysets hastighet med denne ligningen, som du kan kalle ligningen for lysets hastighet:

Roemer var den første personen som kom med et tall for lysets hastighet. Han gjorde det mens han observerte formørkelsene til Jupiters måner, spesielt Io. Han ville se Io forsvinne bak den gigantiske planeten og deretter tid hvor lang tid det tok å dukke opp igjen. Han resonnerte at denne gangen kunne variere med så mye som 1000 sekunder, avhengig av hvor nær Jupiter var jorden. Han kom med en verdi for lyshastigheten på 214 000 km / s, som er i samme ballpark som den moderne verdien på nesten 300 000 km / s.

I 1728 beregnet den engelske astronomen James Bradley lysets hastighet ved å observere stjerneavvik, som er deres tilsynelatende endring i posisjon på grunn av jordens bevegelse rundt solen. Ved å måle vinkelen på denne endringen og trekke jordens hastighet, som han kunne beregne ut fra data som var kjent på den tiden, kom Bradley med et mye mer nøyaktig tall. Han beregnet lysets hastighet i vakuum til 301.000 km / s.

Den neste personen som målte lysets hastighet var den franske filosofen Armand Hippolyte Fizeau, og han stolte ikke på astronomiske observasjoner. I stedet konstruerte han et apparat bestående av en stråledeler, et roterende tannhjul og et speil plassert 8 km fra lyskilden. Han kunne justere hjulets rotasjonshastighet for å tillate en lysstråle å passere mot speilet, men blokkere returstrålen. Hans beregning avc, som han publiserte i 1849, var 315 000 km / s, noe som ikke var like nøyaktig som Bradleys.

Et år senere forbedret Léon Foucault, en fransk fysiker, Fizeaus eksperiment ved å erstatte et roterende speil for tannhjulet. Foucaults verdi for c var 298 000 km / s, noe som var mer nøyaktig, og i prosessen gjorde Foucault et viktig funn. Ved å sette inn et rør med vann mellom det roterende speilet og det stasjonære, bestemte han at lysets hastighet i luft er høyere enn hastigheten i vann. Dette var i strid med hva den korpuskulære teorien om lys forutsa og bidro til å etablere at lys er en bølge.

I 1881 ble A. EN. Michelson forbedret Foucaults målinger ved å konstruere et interferometer som var i stand til sammenligne fasene til den opprinnelige strålen og den tilbake og vise et interferensmønster på en skjerm. Hans resultat var 299 853 km / s.

Michelson hadde utviklet interferometeret for å oppdage tilstedeværelsen aveter, et spøkelsesstoff som lysbølger ble antatt å forplante seg gjennom. Eksperimentet hans, utført med fysikeren Edward Morley, var en fiasko, og det fikk Einstein til å konkludere med at lysets hastighet er en universell konstant som er den samme i alle referanserammer. Det var grunnlaget for spesiell relativitetsteori.

Michelsons verdi var den aksepterte verdien til han forbedret det selv i 1926. Siden den gang har verdien blitt raffinert av en rekke forskere som bruker en rekke teknikker. En slik teknikk er hulromsresonatormetoden, som bruker en enhet som genererer elektrisk strøm. Dette er en gyldig metode fordi, etter publiseringen av Maxwells ligninger på midten av 1800-tallet, har fysikere det vært enige om at både lys og elektrisitet er elektromagnetiske bølgefenomener, og begge reiser på samme måte hastighet.

Etter at Maxwell publiserte ligningene sine, ble det faktisk mulig å måle c indirekte ved å sammenligne den magnetiske permeabiliteten og den elektriske permeabiliteten til ledig plass. To forskere, Rosa og Dorsey, gjorde dette i 1907 og beregnet lysets hastighet til 299 788 km / s.

I 1950 brukte britiske fysikere Louis Essen og A.C. Gordon-Smith en hulromsresonator for å beregne lyshastigheten ved å måle bølgelengden og frekvensen. Lysets hastighet er lik avstanden lyset reiserddelt på tiden det tar.T​: ​c = d / ∆t. Tenk på at tiden for en enkelt bølgelengdeλå passere et punkt er bølgeformens periode, som er gjensidig av frekvensenv, og du får lysets formel:

Enheten Essen og Gordon-Smith brukte er kjent som enhulrom resonans wavemeter. Den genererer en elektrisk strøm med en kjent frekvens, og de var i stand til å beregne bølgelengden ved å måle dimensjonene til bølgemåler. Beregningene deres ga 299 792 km / s, som var den mest nøyaktige bestemmelsen til dags dato.

En moderne måleteknikk gjenoppliver strålesplitningsmetoden som brukes av Fizeau og Foucault, men bruker lasere for å forbedre nøyaktigheten. I denne metoden blir en pulserende laserstråle delt. En stråle går til en detektor mens en annen beveger seg vinkelrett på et speil plassert et lite stykke unna. Speilet reflekterer strålen tilbake til et andre speil som avbøyer den til en andre detektor. Begge detektorene er koblet til et oscilloskop, som registrerer frekvensen av pulser.

Toppene til oscilloskopimpulsene er atskilt fordi den andre strålen beveger seg større avstand enn den første. Ved å måle separasjonen av toppene og avstanden mellom speilene, er det mulig å utlede hastigheten på lysstrålen. Dette er en enkel teknikk, og den gir ganske nøyaktige resultater. En forsker ved University of New South Wales i Australia registrerte en verdi på 300 000 km / s.

Målestokken som brukes av det vitenskapelige samfunnet er måleren. Det ble opprinnelig definert til å være en ti milliondel av avstanden fra ekvator til Nordpolen, og Definisjonen ble senere endret til å være et visst antall bølgelengder for en av emisjonslinjene til krypton-86. I 1983 slo General Council on Weights and Measures bort disse definisjonene og vedtok denne:

​Demålerer avstanden som en lysstråle har gått i vakuum i 1/299 792 458 sekunder, hvor den andre er basert på det radioaktive forfallet til cesium-133-atomet.​

Å definere måleren når det gjelder lysets hastighet, løser i utgangspunktet lysets hastighet på 299.792.458 m / s. Hvis et eksperiment gir et annet resultat, betyr det bare at apparatet er feil. I stedet for å utføre flere eksperimenter for å måle lysets hastighet, bruker forskere lysets hastighet til å kalibrere utstyret sitt.

Lysets hastighet dukker opp i en rekke sammenhenger i fysikk, og det er teknisk mulig å beregne det fra andre målte data. For eksempel demonstrerte Planck at energien til et kvante, for eksempel et foton, er lik frekvensen ganger Planck-konstanten (h), som er lik 6,6262 x 10^-34 Joule⋅second. Siden frekvensen erc / λ, Plancks ligning kan skrives i form av bølgelengde:

Ved å bombardere en fotoelektrisk plate med lys med en kjent bølgelengde og måle energien til de utkastede elektronene, er det mulig å få en verdi forc. Denne typen lyskalkulatorhastighet er imidlertid ikke nødvendig for å måle c fordicerdefinertå være hva det er. Imidlertid kan det brukes til å teste apparatet. HvisEλ / hikke blir c, noe er galt enten med målingene av elektronenergien eller bølgelengden til det innfallende lyset.

Det er fornuftig å definere måleren i form av lysets hastighet i et vakuum, siden den er den mest grunnleggende konstanten i universet. Einstein viste at det er det samme for hvert referansepunkt, uavhengig av bevegelse, og det er også det raskeste alt kan reise i universet - i det minste alt med masse. Einsteins ligning, og en av de mest berømte ligningene i fysikk,E = mc², gir anelse om hvorfor dette er slik.

I sin mest gjenkjennelige form gjelder Einsteins ligning bare for legemer i ro. Den generelle ligningen inkluderer imidlertidLorentz-faktor​ ​γ, hvor

For en kropp i bevegelse med en massemog hastighetv, Einsteins ligning skal skrivesE = mc²γ. Når du ser på dette, kan du se at nårv​ = 0, ​γ= 1 og du fårE = mc²​.

Imidlertid nårv = c, γblir uendelig, og konklusjonen du må trekke er at det ville ta en uendelig mengde energi for å akselerere en endelig masse til den hastigheten. En annen måte å se på den er at massen blir uendelig med lysets hastighet.

Den nåværende definisjonen av måleren gjør lysets hastighet til standarden for terrestriske målinger av avstand, men den har lenge vært brukt til å måle avstander i rommet. Et lysår er avstanden som lyset beveger seg i ett jordisk år, som viser seg til 9,46 × 10¹⁵ m.

At mange meter er for mange til å forstå, men et lysår er lett å forstå, og fordi lysets hastighet er konstant i alle treghetsreferanserammer, er det en pålitelig avstandsenhet. Det er gjort litt mindre pålitelig ved å være basert på året, som er en tidsramme som ikke har noen relevans for noen fra en annen planet.