Cum se calculează viteza luminii

Pocneste-ti degetele! În timpul necesar pentru a face acest lucru, un fascicul de lumină a reușit să călătorească aproape până la lună. Dacă mai bateți din nou degetele, veți acorda fasciculului timp pentru a finaliza călătoria. Ideea este că lumina călătorește foarte, foarte repede.

Lumina călătorește repede, dar viteza ei nu este infinită, așa cum credeau oamenii înainte de secolul al XVII-lea. Viteza este prea rapidă pentru a putea fi măsurată folosind lămpi, explozii sau alte mijloace care depind de acuitatea vizuală a omului și de timpul de reacție al omului. Întrebați-l pe Galileo.

Galileo a conceput în 1638 un experiment care folosea felinare și cea mai bună concluzie pe care a reușit-o a fost că lumina este „extraordinar de rapidă” (cu alte cuvinte, într-adevăr, foarte rapid). Nu a reușit să vină cu un număr, chiar dacă a încercat, de fapt, chiar experimentul. Cu toate acestea, s-a aventurat să spună că el credea că lumina călătorește de cel puțin 10 ori mai rapid decât sunetul. De fapt, este mai mult de un milion de ori mai rapid.

Prima măsurare reușită a vitezei luminii, pe care fizicienii o reprezintă universal cu o literă mică, a fost făcută de Ole Roemer în 1676. El și-a bazat măsurătorile pe observațiile lunilor lui Jupiter. De atunci, fizicienii au folosit observații ale stelelor, roților dințate, oglinzilor rotative, interferometrelor radio, rezonanților cavității și laserelor pentru a rafina măsurarea. Acum știucatât de precis, încât Consiliul general pentru greutăți și măsuri a bazat contorul, care este unitatea fundamentală de lungime a sistemului SI, pe acesta.

Viteza luminii este o constantă universală, deci nu există o formulă a vitezei luminii,în sine. De fapt, dacăcau fost diferite, toate măsurătorile noastre ar trebui să se schimbe, deoarece contorul se bazează pe el. Cu toate acestea, lumina are caracteristici ale undelor, care includ frecvențaνși lungimea de undăλ, și le puteți raporta la viteza luminii cu această ecuație, pe care ați putea-o numi ecuația pentru viteza luminii:

Roemer a fost prima persoană care a venit cu un număr pentru viteza luminii. A făcut-o în timp ce observa eclipsele lunilor lui Jupiter, în special Io. El îl va urmări pe Io dispărând în spatele planetei uriașe și apoi va afla cât timp a durat să reapară. El a argumentat că acest timp ar putea diferi cu până la 1.000 de secunde, în funcție de cât de aproape era Jupiter de pământ. El a venit cu o valoare pentru viteza luminii de 214.000 km / s, care se află în același stadion cu valoarea modernă de aproape 300.000 km / s.

În 1728, astronomul englez James Bradley a calculat viteza luminii observând aberații stelare, care este schimbarea lor aparentă de poziție datorită mișcării pământului în jurul soarelui. Măsurând unghiul acestei schimbări și scăzând viteza pământului, pe care el o putea calcula din datele cunoscute la acea vreme, Bradley a venit cu un număr mult mai precis. El a calculat viteza luminii în vid la 301.000 km / s.

Următoarea persoană care a măsurat viteza luminii a fost filosoful francez Armand Hippolyte Fizeau și nu s-a bazat pe observații astronomice. În schimb, el a construit un aparat format dintr-un separator de fascicul, o roată dințată rotativă și o oglindă plasată la 8 km de sursa de lumină. Ar putea regla viteza de rotație a roții pentru a permite trecerea unui fascicul de lumină spre oglindă, dar să blocheze fasciculul de întoarcere. Calculul lui dec, pe care l-a publicat în 1849, avea 315.000 km / s, ceea ce nu era la fel de precis ca al lui Bradley.

Un an mai târziu, Léon Foucault, un fizician francez, a îmbunătățit experimentul lui Fizeau prin înlocuirea roții dințate cu o oglindă rotativă. Valoarea lui Foucault pentru c a fost de 298.000 km / s, ceea ce a fost mai precis și, în acest proces, Foucault a făcut o descoperire importantă. Prin introducerea unui tub de apă între oglinda rotativă și cea staționară, el a stabilit că viteza luminii în aer este mai mare decât viteza în apă. Acest lucru a fost contrar a ceea ce teoria corpusculară a luminii a prezis și a ajutat la stabilirea faptului că lumina este o undă.

În 1881, A. A. Michelson a îmbunătățit măsurătorile lui Foucault prin construirea unui interferometru, care a reușit comparați fazele fasciculului original și cel care revine și afișați un model de interferență pe un ecran. Rezultatul său a fost de 299.853 km / s.

Michelson dezvoltase interferometrul pentru a detecta prezențaeter, o substanță fantomatică prin care se credea că se propagă undele luminoase. Experimentul său, efectuat cu fizicianul Edward Morley, a fost un eșec și l-a determinat pe Einstein să concluzioneze că viteza luminii este o constantă universală care este aceeași în toate cadrele de referință. Aceasta a fost fundamentul pentru teoria relativității speciale.

Valoarea lui Michelson a fost cea acceptată până când a îmbunătățit-o el însuși în 1926. De atunci, valoarea a fost rafinată de un număr de cercetători folosind o varietate de tehnici. O astfel de tehnică este metoda rezonatorului cavității, care folosește un dispozitiv care generează curent electric. Aceasta este o metodă validă, deoarece, în urma publicării ecuațiilor lui Maxwell la mijlocul anilor 1800, fizicienii au făcut-o Am fost de acord că lumina și electricitatea sunt ambele fenomene de undă electromagnetică și ambele călătoresc în același timp viteză.

De fapt, după ce Maxwell și-a publicat ecuațiile, a devenit posibil să se măsoare indirect c comparând permeabilitatea magnetică și permeabilitatea electrică a spațiului liber. Doi cercetători, Rosa și Dorsey, au făcut acest lucru în 1907 și au calculat viteza luminii la 299.788 km / s.

În 1950, fizicienii britanici Louis Essen și A.C. Gordon-Smith au folosit un rezonator de cavitate pentru a calcula viteza luminii măsurând lungimea de undă și frecvența acesteia. Viteza luminii este egală cu distanța pe care o parcurge luminadîmpărțit la timpul necesar∆t​: ​c = d / ∆t. Luați în considerare faptul că timpul pentru o singură lungime de undăλa trece un punct este perioada formei de undă, care este reciprocă a frecvențeiv, și veți obține formula vitezei luminii:

Dispozitivul folosit de Essen și Gordon-Smith este cunoscut sub numele demetru de undă de rezonanță a cavității. Acesta generează un curent electric cu o frecvență cunoscută și au reușit să calculeze lungimea de undă măsurând dimensiunile contorului de undă. Calculele lor au dat 299.792 km / s, ceea ce a fost cea mai exactă determinare până în prezent.

O tehnică de măsurare contemporană reînvie metoda de divizare a fasciculului folosită de Fizeau și Foucault, dar folosește lasere pentru a îmbunătăți precizia. În această metodă, un fascicul laser pulsat este divizat. Un fascicul se îndreaptă către un detector, în timp ce altul se deplasează perpendicular pe o oglindă plasată la mică distanță. Oglinda reflectă fasciculul înapoi către o a doua oglindă care o deviază către un al doilea detector. Ambii detectoare sunt conectați la un osciloscop, care înregistrează frecvența impulsurilor.

Vârfurile impulsurilor osciloscopului sunt separate deoarece al doilea fascicul parcurge o distanță mai mare decât primul. Măsurând separarea vârfurilor și distanța dintre oglinzi, este posibil să se obțină viteza fasciculului de lumină. Aceasta este o tehnică simplă și oferă rezultate destul de precise. Un cercetător de la Universitatea New South Wales din Australia a înregistrat o valoare de 300.000 km / s.

Bastonul de măsurare folosit de comunitatea științifică este contorul. S-a definit inițial a fi o zece-milionime din distanța de la ecuator la Polul Nord și definiția a fost modificată ulterior pentru a fi un anumit număr de lungimi de undă ale uneia dintre liniile de emisie ale kripton-86. În 1983, Consiliul general pentru greutăți și măsuri a anulat aceste definiții și a adoptat-o:

​metrueste distanța parcursă de un fascicul de lumină în vid în 1/299.792.458 dintr-o secundă, unde a doua se bazează pe dezintegrarea radioactivă a atomului de cesiu-133.​

Definirea contorului în ceea ce privește viteza luminii fixează practic viteza luminii la 299.792.458 m / s. Dacă un experiment produce un rezultat diferit, înseamnă doar că aparatul este defect. În loc să efectueze mai multe experimente pentru a măsura viteza luminii, oamenii de știință folosesc viteza luminii pentru a-și calibra echipamentul.

Viteza luminii apare într-o varietate de contexte din fizică și este posibil din punct de vedere tehnic să o calculăm din alte date măsurate. De exemplu, Planck a demonstrat că energia unei cuantice, cum ar fi un foton, este egală cu frecvența sa ori a constantei Planck (h), care este egală cu 6,6262 x 10^-34 Joule⋅second. Deoarece frecvența estec / λ, Ecuația lui Planck poate fi scrisă în termeni de lungime de undă:

Bombardând o placă fotoelectrică cu lumină de o lungime de undă cunoscută și măsurând energia electronilor expulzați, este posibil să obțineți o valoare pentruc. Cu toate acestea, acest tip de calculator pentru viteza luminii nu este necesar pentru a măsura ccestedefinita fi ceea ce este. Cu toate acestea, ar putea fi folosit pentru a testa aparatul. DacăEλ / hnu se dovedește a fi c, ceva nu este în regulă fie cu măsurătorile energiei electronice, fie cu lungimea de undă a luminii incidente.

Este logic să definim contorul în termeni de viteză a luminii în vid, deoarece este cea mai fundamentală constantă din univers. Einstein a arătat că este același pentru fiecare punct de referință, indiferent de mișcare și, de asemenea, este cel mai rapid ce poate călători orice în univers - cel puțin, orice cu masă. Ecuația lui Einstein și una dintre cele mai faimoase ecuații din fizică,E = mc², oferă indiciul de ce este așa.

În forma sa cea mai recunoscută, ecuația lui Einstein se aplică numai corpurilor în repaus. Cu toate acestea, ecuația generală includeFactorul Lorentz​ ​γ, Unde

Pentru un corp în mișcare cu o masămși vitezav, Ecuația lui Einstein ar trebui scrisăE = mc²γ. Când te uiți la asta, poți vedea asta cândv​ = 0, ​γ= 1 și veți obțineE = mc²​.

Cu toate acestea, cândv = c, γdevine infinit, iar concluzia pe care trebuie să o trageți este că ar fi nevoie de o cantitate infinită de energie pentru a accelera orice masă finită la acea viteză. Un alt mod de a o privi este că masa devine infinită cu viteza luminii.

Definiția actuală a contorului face ca viteza luminii să fie standardul pentru măsurătorile terestre ale distanței, dar a fost mult timp folosită pentru a măsura distanțele în spațiu. Un an lumină este distanța pe care o parcurge lumina într-un an pământesc, care se dovedește la 9,46 × 10¹⁵ m.

Mulți metri sunt prea mulți pentru a fi înțelese, dar un an lumină este ușor de înțeles și, deoarece viteza luminii este constantă în toate cadrele de referință inerțiale, este o unitate fiabilă de distanță. S-a făcut puțin mai fiabil bazându-se pe anul, care este un interval de timp care nu ar avea nicio relevanță pentru nimeni de pe o altă planetă.