Како израчунати брзину светлости

Пуцни прстима! У време потребно за то, светлосни сноп је могао да путује скоро све до Месеца. Ако још једном пуцнете прстима, дат ћете снопу времена да заврши путовање. Поента је у томе што светлост путује врло, врло брзо.

Светлост путује брзо, али њена брзина није бесконачна, као што су људи веровали пре 17. века. Брзина је пребрза за мерење, међутим, употребом лампи, експлозија или других средстава која зависе од оштрине вида и времена реакције човека. Питајте Галилеа.

Галилео је 1638. осмислио експеримент који је користио фењере, а најбољи закључак којим је могао да управља био је да је светлост „изузетно брза“ (другим речима, заиста, заиста брза). Није могао да смисли број, ако је, заправо, чак и покушао експеримент. Међутим, усудио се да каже да верује да светлост путује најмање 10 пута брже од звука. Заправо, то је брже милион пута брже.

Прво успешно мерење брзине светлости, које физичари универзално представљају малим словом, извршио је Оле Роемер 1676. године. Своја мерења заснивао је на посматрању Јупитерових месеца. Од тада су физичари користили посматрања звезда, назубљене точкове, ротирајућа огледала, радио интерферометре, шупљинске резонаторе и ласере да би усавршили мерење. Они сада знају

Брзина светлости је универзална константа, тако да не постоји формула брзине светлости,по себи. У ствари, акоцбили другачији, сва наша мерења би се морала променити, јер је мерач заснован на њему. Светлост ипак има таласне карактеристике које укључују фреквенцијуνи таласне дужинеλ, и можете их повезати са брзином светлости помоћу ове једначине, коју бисте могли назвати једначином за брзину светлости:

Роемер је био прва особа која је смислила број за брзину светлости. Учинио је то посматрајући помрачења Јупитерових месеца, тачније Јоа. Гледао би како Ио нестаје иза џиновске планете, а затим би утврдио колико је времена требало да се поново појави. Образложио је да се ово време може разликовати и до 1.000 секунди, у зависности од тога колико је Јупитер био близу земље. Дошао је до вредности за брзину светлости од 214.000 км / с, што је у истом игралишту као и савремена вредност од скоро 300.000 км / с.

1728. године енглески астроном Џејмс Бредли израчунао је брзину светлости посматрајући звездане аберације, што је њихова очигледна промена положаја услед кретања Земље око Сунца. Мерећи угао ове промене и одузимајући брзину земље, коју је могао да израчуна из тада познатих података, Бредли је дошао до много тачнијег броја. Израчунао је брзину светлости у вакууму на 301.000 км / с.

Следећа особа која је мерила брзину светлости био је француски филозоф Арманд Хипполите Физеау и није се ослањао на астрономска посматрања. Уместо тога, конструисао је апарат који се састоји од разделника снопа, ротирајућег назубљеног точка и огледала постављеног на 8 км од извора светлости. Могао је да подеси брзину ротације точка да дозволи снопу светлости да пролази према огледалу, али блокира повратни сноп. Његов прорачун одц, коју је објавио 1849. године, био је 315.000 км / с, што није било тачно као Бредлијево.

Годину дана касније, Леон Фоуцаулт, француски физичар, побољшао је Физеауов експеримент заменом ротирајућег огледала за назубљени точак. Фоуцаултова вредност за ц износила је 298 000 км / с, што је било тачније, а Фоуцаулт је притом направио важно откриће. Убацивањем цеви са водом између ротирајућег и непокретног огледала утврдио је да је брзина светлости у ваздуху већа од брзине воде. То је било супротно ономе што је телесна теорија светлости предвидела и помогло да се утврди да је светлост талас.

1881. године А. А. Мицхелсон је побољшао Фоуцаултова мерења конструисањем интерферометра, који је то могао упоредите фазе оригиналног и повратног снопа и прикажите узорак сметњи на а екран. Његов резултат је био 299.853 км / с.

Мицхелсон је развио интерферометар за откривање присустваетер, сабласна супстанца кроз коју се сматрало да се шире светлосни таласи. Његов експеримент, спроведен са физичаром Едвардом Морлеием, био је неуспех и навео је Ајнштајна да закључи да је брзина светлости универзална константа која је иста у свим референтним оквирима. То је била основа за специјалну теорију релативности.

Мишелсонова вредност била је прихваћена док је 1926. сам није побољшао. Од тада су бројни истраживачи вредност побољшали користећи разне технике. Једна од таквих техника је метода резонатора шупљине, која користи уређај који генерише електричну струју. Ово је ваљана метода јер су, након објављивања Маквеллових једначина средином 1800-их, физичари то учинили сложили су се да су и светлост и електрична енергија феномен електромагнетног таласа и да обе путују истовремено брзина.

Заправо, након што је Маквелл објавио своје једначине, постало је могуће мерити ц индиректно упоређивањем магнетне и електричне пропустљивости слободног простора. Двоје истраживача, Роса и Дорсеи, учинили су то 1907. године и израчунали су брзину светлости од 299.788 км / с.

Британски физичари Лоуис Ессен и А.Ц.Гордон-Смитх су 1950. године користили шупљински резонатор за израчунавање брзине светлости мерењем њене таласне дужине и фреквенције. Брзина светлости је једнака удаљености коју светлост пређедподељено временом које је потребно∆т​: ​ц = д / ∆т. Узмите у обзир да је време за једну таласну дужинуλпроћи тачку је период таласног облика, који је реципрочна вредност фреквенцијев, и добићете формулу брзине светлости:

Уређај који су користили Ессен и Гордон-Смитх познат је као ашупљински резонантни таласметар. Он генерише електричну струју познате фреквенције, а таласну дужину су могли да израчунају мерењем димензија таласомера. Њихови прорачуни дали су 299.792 км / с, што је било најтачније утврђивање до данас.

Једна савремена техника мерења оживљава методу цепања зрака коју су користили Физеау и Фоуцаулт, али користи ласере за побољшање тачности. У овој методи импулсни ласерски зрак се дели. Један зрак иде ка детектору, док други путује окомито до огледала постављеног на малој удаљености. Огледало одбија сноп натраг у друго огледало које га одбија на други детектор. Оба детектора су спојена на осцилоскоп, који бележи фреквенцију импулса.

Врхови импулса осцилоскопа су одвојени јер други сноп прелази већу удаљеност од првог. Мерећи раздвајање врхова и растојање између огледала, могуће је извести брзину светлосног зрака. Ово је једноставна техника и даје прилично тачне резултате. Истраживач са Универзитета у Новом Јужном Велсу у Аустралији забележио је вредност од 300.000 км / с.

Мерни штап који користи научна заједница је мерач. Првобитно је дефинисано као десетомилионита удаљеност од екватора до Северног пола и дефиниција је касније промењена да буде одређени број таласних дужина једне од емисионих линија криптон-86. Генерални савет за тегове и мере укинуо је 1983. године те дефиниције и усвојио ову:

​Тхеметарје пут који је сноп светлости прешао у вакууму за 1 / 299,792,458 секунде, при чему је други заснован на радиоактивном распадању атома цезијума-133.​

Дефинисање бројила у смислу брзине светлости у основи фиксира брзину светлости на 299.792.458 м / с. Ако експеримент да другачији резултат, то само значи да је апарат неисправан. Уместо да спроводе више експеримената за мерење брзине светлости, научници користе брзину светлости за калибрацију своје опреме.

Брзина светлости се показује у различитим контекстима у физици, а технички је могуће израчунати је из других измерених података. На пример, Планцк је показао да је енергија кванта, као што је фотон, једнака његовој фреквенцији помноженој са Планцковом константом (х), што је једнако 6,6262 к 10^-34 Јоуле⋅сецонд. Пошто је фреквенцијац / λ, Планцкова једначина се може написати у смислу таласне дужине:

Бомбардирањем фотоелектричне плоче светлошћу познате таласне дужине и мерењем енергије избачених електрона могуће је добити вредност зац. Ова врста калкулатора брзине светлости није неопходна за мерење ц, јерцједефинисанода буде оно што јесте. Међутим, могао би се користити за тестирање апарата. АкоЕλ / хне испада да је ц, нешто није у реду ни са мерењима енергије електрона ни са таласном дужином упадне светлости.

Има смисла дефинисати мерач у смислу брзине светлости у вакууму, јер је то најосновнија константа у универзуму. Ајнштајн је показао да је исти за сваку референтну тачку, без обзира на кретање, а уједно је и најбржи који све може да путује у свемиру - барем било шта са масом. Ајнштајнова једначина, и једна од најпознатијих једначина у физици,Е = мц², даје наслутити зашто је то тако.

У свом најпрепознатљивијем облику, Ајнштајнова једначина односи се само на тела која мирују. Општа једначина, међутим, укључујеЛорентзов фактор​ ​γ, где

За тело у покрету са масомми брзинев, Треба написати Ајнштајнову једначинуЕ = мц²γ. Када ово погледате, можете да видите кадав​ = 0, ​γ= 1 и добићетеЕ = мц²​.

Међутим, кадав = ц, γпостаје бесконачно, а закључак који морате извести је да би била потребна бесконачна количина енергије да би се било која коначна маса убрзала до те брзине. Други начин на који се на то гледа је да маса постаје бесконачна брзином светлости.

Тренутна дефиниција мерача чини брзину светлости стандардом за земаљска мерења даљине, али се већ дуго користи за мерење растојања у свемиру. Светлосна година је удаљеност коју светлост пређе у једној земаљској години, која испада на 9,46 × 10¹⁵ м.

Толико метара је превише за схватити, али светлосну годину је лако разумети, а будући да је брзина светлости константна у свим инерцијалним референтним оквирима, то је поуздана јединица удаљености. Учињен је нешто мање поузданим заснивањем на години, што је временски оквир који не би имао значаја за било кога са друге планете.