Как рассчитать скорость света

Щелкнуть пальцами! За время, которое потребовалось для этого, луч света смог пройти почти весь путь до Луны. Если вы щелкнете пальцами еще раз, вы дадите лучу время завершить путешествие. Дело в том, что свет распространяется очень, очень быстро.

Свет распространяется быстро, но его скорость не бесконечна, как считали люди до 17 века. Однако скорость слишком высока для измерения с помощью ламп, взрывов или других средств, которые зависят от остроты зрения человека и времени реакции человека. Спросите Галилея.

В 1638 году Галилей разработал эксперимент с использованием фонарей, и лучший вывод, который он смог сделать, заключался в том, что свет «необычайно быстр» (другими словами, действительно, очень быстр). Он не смог бы придумать число, если бы даже попытался провести эксперимент. Однако он рискнул сказать, что считал, что свет распространяется как минимум в 10 раз быстрее звука. На самом деле, это больше похоже на миллион раз быстрее.

Первое успешное измерение скорости света, которую физики обычно обозначают строчной буквой c, было сделано Оле Ремером в 1676 году. Он основывал свои измерения на наблюдениях за спутниками Юпитера. С тех пор физики использовали наблюдения за звездами, зубчатыми колесами, вращающимися зеркалами, радиоинтерферометрами, объемными резонаторами и лазерами для уточнения измерений. Теперь они знают

Скорость света - универсальная константа, поэтому формулы скорости света не существует:как таковой. Фактически, еслиcбыли бы другие, все наши измерения пришлось бы изменить, потому что счетчик основан на этом. Однако свет имеет волновые характеристики, в том числе частотуνи длина волныλ, и вы можете связать их со скоростью света с помощью этого уравнения, которое вы могли бы назвать уравнением для скорости света:

Ремер был первым, кто придумал число для скорости света. Он сделал это, наблюдая затмения лун Юпитера, в частности Ио. Он наблюдал, как Ио исчезает за гигантской планетой, а затем измерял, сколько времени потребуется, чтобы снова появиться. Он рассудил, что это время может отличаться на 1000 секунд, в зависимости от того, насколько близко Юпитер находится к Земле. Он придумал значение скорости света 214 000 км / с, что находится на том же уровне, что и современное значение, равное почти 300 000 км / с.

В 1728 году английский астроном Джеймс Брэдли вычислил скорость света, наблюдая звездные аберрации, которые представляют собой видимое изменение их положения из-за движения Земли вокруг Солнца. Измеряя угол этого изменения и вычитая скорость Земли, которую он мог вычислить на основе данных, известных в то время, Брэдли получил гораздо более точное число. Он рассчитал, что скорость света в вакууме составляет 301 000 км / с.

Следующим, кто измерил скорость света, был французский философ Арман Ипполит Физо, и он не полагался на астрономические наблюдения. Вместо этого он сконструировал прибор, состоящий из светоделителя, вращающегося зубчатого колеса и зеркала, расположенного в 8 км от источника света. Он мог регулировать скорость вращения колеса, чтобы луч света проходил к зеркалу, но блокировал обратный луч. Его расчетc, которое он опубликовал в 1849 году, составлял 315 000 км / с, что не было таким точным, как у Брэдли.

Год спустя Леон Фуко, французский физик, усовершенствовал эксперимент Физо, заменив зубчатое колесо вращающимся зеркалом. Значение c, полученное Фуко, составило 298 000 км / с, что было более точным, и в процессе Фуко сделал важное открытие. Вставив трубку с водой между вращающимся и неподвижным зеркалами, он определил, что скорость света в воздухе выше, чем скорость в воде. Это противоречило предсказаниям корпускулярной теории света и помогло установить, что свет - это волна.

В 1881 году А. А. Майкельсон усовершенствовал измерения Фуко, построив интерферометр, который смог сравнить фазы исходного луча и возвращаемого луча и отобразить интерференционную картину на экран. Его результат составил 299 853 км / с.

Майкельсон разработал интерферометр для обнаружения присутствияэфир, призрачная субстанция, через которую, как считалось, распространяются световые волны. Его эксперимент, проведенный с физиком Эдвардом Морли, потерпел неудачу, и это привело Эйнштейна к выводу, что скорость света является универсальной константой, которая одинакова во всех системах отсчета. Это было основой специальной теории относительности.

Значение Майкельсона было общепринятым, пока он сам не улучшил его в 1926 году. С тех пор значение было уточнено рядом исследователей с использованием различных методов. Одним из таких методов является метод объемного резонатора, в котором используется устройство, генерирующее электрический ток. Это действенный метод, потому что после публикации уравнений Максвелла в середине 1800-х годов физики были согласны с тем, что свет и электричество являются явлениями электромагнитных волн, и оба движутся в одном и том же скорость.

Фактически, после того, как Максвелл опубликовал свои уравнения, стало возможным косвенное измерение c путем сравнения магнитной и электрической проницаемости свободного пространства. Два исследователя, Роза и Дорси, сделали это в 1907 году и рассчитали, что скорость света составляет 299 788 км / с.

В 1950 году британские физики Луи Эссен и А.К. Гордон-Смит использовали объемный резонатор для расчета скорости света путем измерения его длины волны и частоты. Скорость света равна расстоянию, которое проходит свет.dделится на время, необходимое∆t​: ​c = d / ∆t. Учтите, что время для одной длины волныλдля прохождения точки - это период формы волны, обратно пропорциональный частотеv, и вы получите формулу скорости света:

Устройство, которое использовали Эссен и Гордон-Смит, известно какобъемно-резонансный измеритель волн. Он генерирует электрический ток известной частоты, и они смогли вычислить длину волны, измерив размеры измерителя волн. Их расчеты дали 299 792 км / с, что на сегодняшний день является наиболее точным определением.

Один из современных методов измерения возрождает метод расщепления луча, применявшийся Физо и Фуко, но с использованием лазеров для повышения точности. В этом методе импульсный лазерный луч разделяется. Один луч идет к детектору, а другой - перпендикулярно зеркалу, расположенному на небольшом расстоянии. Зеркало отражает луч обратно ко второму зеркалу, которое отклоняет его ко второму детектору. Оба детектора подключены к осциллографу, который регистрирует частоту импульсов.

Пики импульсов осциллографа разделены, поскольку второй луч проходит большее расстояние, чем первый. Измеряя разделение пиков и расстояние между зеркалами, можно определить скорость светового луча. Это простой метод, который дает довольно точные результаты. Исследователь из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии зафиксировал значение 300 000 км / с.

Мерилом, используемым научным сообществом, является метр. Первоначально он был определен как одна десятимиллионная расстояния от экватора до Северного полюса, а Позднее определение было изменено на определенное количество длин волн одной из эмиссионных линий криптона-86. В 1983 году Генеральный совет мер и весов отказался от этих определений и принял следующее:

​Вметр- это расстояние, которое проходит луч света в вакууме за 1/299 792 458 секунды, причем секунда основана на радиоактивном распаде атома цезия-133.​

Определение метра в терминах скорости света в основном фиксирует скорость света на уровне 299 792 458 м / с. Если эксперимент дает другой результат, значит, прибор неисправен. Вместо того, чтобы проводить больше экспериментов по измерению скорости света, ученые используют скорость света для калибровки своего оборудования.

Скорость света проявляется в различных контекстах физики, и технически возможно вычислить ее по другим измеренным данным. Например, Планк продемонстрировал, что энергия кванта, такого как фотон, равна его частоте, умноженной на постоянную Планка (h), которая равна 6,6262 x 10^-34 Джоуль-второй. Поскольку частотас / λ, Уравнение Планка можно записать через длину волны:

Облучая фотоэлектрическую пластину светом с известной длиной волны и измеряя энергию выброшенных электронов, можно получить значение дляc. Однако этот тип калькулятора скорости света не нужен для измерения c, потому чтоcявляетсяопределенныйбыть тем, что есть. Однако его можно было использовать для проверки аппарата. ЕслиEλ / чне оказывается c, что-то не так, либо с измерениями энергии электронов, либо с длиной волны падающего света.

Имеет смысл определять метр в терминах скорости света в вакууме, поскольку это самая фундаментальная константа во Вселенной. Эйнштейн показал, что это одно и то же для каждой точки отсчета, независимо от движения, и что это также самое быстрое, что может перемещаться во Вселенной - по крайней мере, все, что имеет массу. Уравнение Эйнштейна и одно из самых известных уравнений в физике,E = mc², дает понять, почему это так.

В своей наиболее узнаваемой форме уравнение Эйнштейна применимо только к неподвижным телам. Общее уравнение, однако, включаетФактор Лоренца​ ​γ, где

Для движущегося тела с массойми скоростьv, Уравнение Эйнштейна следует записатьE = mc²γ. Когда вы посмотрите на это, вы увидите, что когдаv​ = 0, ​γ= 1, и вы получитеE = mc²​.

Однако когдаv = c, γстановится бесконечным, и вы должны сделать вывод, что потребуется бесконечное количество энергии, чтобы разогнать любую конечную массу до этой скорости. С другой стороны, масса становится бесконечной со скоростью света.

Текущее определение метра делает скорость света стандартом для наземных измерений расстояний, но он уже давно используется для измерения расстояний в космосе. Световой год - это расстояние, которое свет проходит за один земной год, которое составляет 9,46 × 10.¹⁵ м.

Такое количество метров слишком много для понимания, но световой год легко понять, а поскольку скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета, это надежная единица измерения расстояния. Он стал немного менее надежным, поскольку основан на году, который представляет собой временные рамки, которые не имеют никакого отношения к кому-либо с другой планеты.