Ako vypočítať rýchlosť svetla

Luskni prstami! V čase, ktorý to bolo potrebné, bol svetelný lúč schopný cestovať takmer až na Mesiac. Ak lusknete prstami ešte raz, dáte lúču čas na dokončenie cesty. Ide o to, že svetlo cestuje naozaj, naozaj rýchlo.

Svetlo cestuje rýchlo, ale jeho rýchlosť nie je nekonečná, ako ľudia verili pred 17. storočím. Rýchlosť je príliš vysoká na to, aby sa dala merať pomocou žiaroviek, výbuchov alebo iných prostriedkov, ktoré však závisia od zrakovej ostrosti človeka a času reakcie človeka. Spýtajte sa Galileo.

Galileo vymyslel v roku 1638 experiment, ktorý používal lampióny, a najlepší záver, ktorý dokázal, bol, že svetlo je „mimoriadne rýchle“ (inými slovami, naozaj, naozaj rýchle). Nebol schopný prísť s nejakým číslom, ak by to skutočne urobil, experiment dokonca vyskúšať. Odvážil sa však povedať, že verí, že svetlo cestuje najmenej 10-krát rýchlejšie ako zvuk. V skutočnosti je to miliónkrát rýchlejšie.

Prvé úspešné meranie rýchlosti svetla, ktoré fyzici všeobecne predstavujú malým písmenom c, urobil Ole Roemer v roku 1676. Pri svojich meraniach vychádzal z pozorovaní Jupiterových mesiacov. Odvtedy fyzici na spresnenie merania použili pozorovania hviezd, ozubených kolies, rotujúcich zrkadiel, rádiových interferometrov, rezonátorov dutín a laserov. Teraz už vedia

Rýchlosť svetla je univerzálna konštanta, takže neexistuje vzorec rýchlosti svetla,per se. V skutočnosti, akcboli iné, museli by sa zmeniť všetky naše merania, pretože merač je založený na tom. Svetlo má však vlnové charakteristiky, ktoré zahŕňajú aj frekvenciuνa vlnovej dlzkyλ, a tieto môžete spojiť s rýchlosťou svetla pomocou tejto rovnice, ktorú môžete nazvať rovnica pre rýchlosť svetla:

Roemer bol prvým človekom, ktorý prišiel s číslom pre rýchlosť svetla. Urobil to pri pozorovaní zatmenia Jupiterových mesiacov, konkrétne Io. Sledoval by, ako Io zmizne za obrovskou planétou, a potom meral, ako dlho trvalo, kým sa znovu objavila. Usúdil, že tento čas sa môže líšiť až o 1 000 sekúnd, v závislosti od toho, ako blízko bol Jupiter k Zemi. Prišiel s hodnotou pre rýchlosť svetla 214 000 km / s, čo je v rovnakom ballparku ako moderná hodnota takmer 300 000 km / s.

V roku 1728 anglický astronóm James Bradley vypočítal rýchlosť svetla pozorovaním hviezdnych aberácií, čo je ich zjavná zmena polohy v dôsledku pohybu Zeme okolo Slnka. Zmeraním uhla tejto zmeny a odpočítaním rýchlosti Zeme, ktoré dokázal vypočítať z vtedy známych údajov, prišiel Bradley k oveľa presnejšiemu číslu. Rýchlosť svetla vo vákuu vypočítal na 301 000 km / s.

Ďalším človekom, ktorý meral rýchlosť svetla, bol francúzsky filozof Armand Hippolyte Fizeau a nespoliehal sa na astronomické pozorovania. Namiesto toho skonštruoval prístroj pozostávajúci z deliča lúčov, rotujúceho ozubeného kolesa a zrkadla umiestneného 8 km od zdroja svetla. Mohol nastaviť rýchlosť otáčania kolesa tak, aby umožňoval priechod lúča svetla smerom k zrkadlu, ale blokoval spätný lúč. Jeho výpočetc, ktorý zverejnil v roku 1849, mal rýchlosť 315 000 km / s, čo nebolo také presné ako v prípade Bradleyho.

O rok neskôr francúzsky fyzik Léon Foucault zdokonalil Fizeauov experiment nahradením ozubeného kolesa otočným zrkadlom. Foucaultova hodnota pre c bola 298 000 km / s, čo bolo presnejšie, a v tomto procese urobil Foucault dôležitý objav. Vložením trubice s vodou medzi rotujúce zrkadlo a nehybné zrkadlo určil, že rýchlosť svetla vo vzduchu je vyššia ako rýchlosť vo vode. To bolo v rozpore s tým, čo predpovedala korpuskulárna teória svetla, a pomohla zistiť, že svetlo je vlna.

V roku 1881 A. A. Michelson vylepšil Foucaultove merania zostrojením interferometra, ktorý bol schopný porovnajte fázy pôvodného lúča a vratného lúča a zobrazte interferenčný obrazec na a obrazovka. Jeho výsledok bol 299 853 km / s.

Michelson vyvinul interferometer na zisťovanie prítomnostiéter, strašidelná látka, cez ktorú sa predpokladalo, že sa šíria svetelné vlny. Jeho experiment uskutočnený s fyzikom Edwardom Morleyom bol neúspechom a viedol Einsteina k záveru, že rýchlosť svetla je univerzálna konštanta rovnaká vo všetkých referenčných rámcoch. To bol základ pre Špeciálnu teóriu relativity.

Hodnota Michelsona bola akceptovaná, až kým si ju v roku 1926 sám nezlepšil. Odvtedy túto hodnotu vylepšilo množstvo výskumníkov pomocou rôznych techník. Jednou z takýchto techník je metóda rezonátora dutín, pri ktorej sa využíva zariadenie generujúce elektrický prúd. Toto je platná metóda, pretože po publikovaní Maxwellových rovníc v polovici 18. storočia to fyzici majú sa dohodli, že svetlo a elektrina sú javmi elektromagnetických vĺn a obe sa pohybujú súčasne rýchlosť.

Potom, čo Maxwell zverejnil svoje rovnice, bolo možné nepriamo merať c porovnaním magnetickej a elektrickej priepustnosti voľného priestoru. Urobili to dvaja vedci, Rosa a Dorsey, v roku 1907 a vypočítali rýchlosť svetla na 299 788 km / s.

V roku 1950 britskí fyzici Louis Essen a A.C. Gordon-Smith použili dutinový rezonátor na výpočet rýchlosti svetla meraním jeho vlnovej dĺžky a frekvencie. Rýchlosť svetla sa rovná vzdialenosti, ktorú svetlo prejdedvydelený časom.T​: ​c = d / ∆t. Zvážte, že čas pre jednu vlnovú dĺžkuλna prechod bodu je perióda tvaru vlny, ktorá je prevrátenou hodnotou frekvenciev, a získate rýchlosť vzorca svetla:

Použité zariadenie Essen a Gordon-Smith je známe ako adutinový rezonančný wavemeter. Generuje elektrický prúd známej frekvencie a boli schopní vypočítať vlnovú dĺžku meraním rozmerov vlnovodu. Ich výpočty priniesli 299 792 km / s, čo bolo doposiaľ najpresnejšie určenie.

Jedna súčasná technika merania vzkriesi metódu delenia lúčov, ktorú používajú Fizeau a Foucault, ale na zvýšenie presnosti používa lasery. Pri tejto metóde sa pulzný laserový lúč rozdelí. Jeden lúč smeruje k detektoru, zatiaľ čo druhý cestuje kolmo k zrkadlu umiestnenému neďaleko. Zrkadlo odráža lúč späť na druhé zrkadlo, ktoré ho vychyľuje k druhému detektoru. Oba detektory sú napojené na osciloskop, ktorý zaznamenáva frekvenciu impulzov.

Vrcholy impulzov osciloskopu sú oddelené, pretože druhý lúč prechádza väčšiu vzdialenosť ako ten prvý. Meraním vzdialenosti vrcholov a vzdialenosti medzi zrkadlami je možné odvodiť rýchlosť svetelného lúča. Jedná sa o jednoduchú techniku ​​a poskytuje pomerne presné výsledky. Vedec z University of New South Wales v Austrálii zaznamenal hodnotu 300 000 km / s.

Meradlom používaným vedeckou komunitou je meter. Pôvodne to bolo definované ako jedna desaťmiliontina vzdialenosti od rovníka k severnému pólu a definícia bola neskôr zmenená na určitý počet vlnových dĺžok jednej z emisných línií kryptónu-86. V roku 1983 Všeobecná rada pre váhy a miery vyradila tieto definície a prijala túto:

​Themeterje vzdialenosť prejdená lúčom svetla vo vákuu za 1 299 792 458 sekundy, pričom druhá je založená na rádioaktívnom rozpade atómu cézia-133.​

Definovanie merača z hľadiska rýchlosti svetla v zásade fixuje rýchlosť svetla na 299 792 458 m / s. Ak experiment prinesie iný výsledok, znamená to len, že prístroj je chybný. Vedci namiesto ďalších experimentov na meranie rýchlosti svetla používajú na kalibráciu svojich zariadení rýchlosť svetla.

Rýchlosť svetla sa prejaví v rôznych kontextoch fyziky a je technicky možné ju vypočítať z iných nameraných údajov. Napríklad Planck demonštroval, že energia kvanta, napríklad fotónu, sa rovná jeho frekvencii krát Planckova konštanta (h), ktorá sa rovná 6,6262 x 10^-34 Joule⋅sekunda. Pretože frekvencia jec / λ, Planckovu rovnicu môžeme napísať pomocou vlnovej dĺžky:

Bombardovaním fotoelektrickej platne svetlom známej vlnovej dĺžky a meraním energie vysunutých elektrónov je možné získať hodnotu prec. Tento typ kalkulačky rýchlosti svetla nie je potrebný na meranie c, pretožecjedefinovanébyť tým, čím je. Môže sa však použiť na testovanie prístroja. AkEλ / hnevyjde ako c, niečo nie je v poriadku ani s meraniami elektrónovej energie, ani s vlnovou dĺžkou dopadajúceho svetla.

Je logické definovať merač z hľadiska rýchlosti svetla vo vákuu, pretože je to najzásadnejšia konštanta vo vesmíre. Einstein ukázal, že je to rovnaké pre každý referenčný bod bez ohľadu na pohyb, a je to tiež najrýchlejšie všetko, čo môže vo vesmíre cestovať - ​​teda aspoň čokoľvek s hmotou. Einsteinova rovnica a jedna z najslávnejších rovníc fyziky,E = mc², poskytuje informácie o dôvode, prečo je to tak.

V najrozpoznateľnejšej podobe platí Einsteinova rovnica iba pre telá v pokoji. Všeobecná rovnica však obsahujeLorentzov faktor​ ​γ, kde

Pre telo v pohybe s hmotouma rýchlosťv, Mala by byť napísaná Einsteinova rovnicaE = mc²γ. Keď sa pozriete na toto, uvidíte, že keďv​ = 0, ​γ= 1 a mášE = mc²​.

Kedy všakv = c, γsa stáva nekonečným a musíte vyvodiť záver, že na urýchlenie akejkoľvek konečnej hmoty na túto rýchlosť by bolo potrebné nekonečné množstvo energie. Ďalším spôsobom, ako sa na to pozerať, je to, že hmotnosť sa stáva nekonečnou rýchlosťou svetla.

Podľa súčasnej definície meradla je rýchlosť svetla štandardom pre pozemské merania vzdialenosti, ale už dlho sa používa na meranie vzdialeností v priestore. Svetelný rok je vzdialenosť, ktorú svetlo prejde za jeden pozemský rok a ktorá sa ukáže na 9,46 × 10¹⁵ m.

To množstvo metrov je príliš veľa na to, aby sme ich pochopili, ale svetelný rok je ľahko pochopiteľný a pretože rýchlosť svetla je konštantná vo všetkých inerciálnych referenčných rámcoch, je to spoľahlivá jednotka vzdialenosti. Je o niečo menej spoľahlivý tým, že vychádza z roku, čo je časový rámec, ktorý by nemal žiadny význam pre kohokoľvek z inej planéty.