Hur man beräknar ljusets hastighet

Knäpp dina fingrar! Under tiden det tog att göra det kunde en ljusstråle resa nästan hela vägen till månen. Om du knäpper fingrarna en gång till ger du stråltiden tid att slutföra resan. Poängen är att ljus färdas riktigt, riktigt snabbt.

Ljuset reser snabbt, men dess hastighet är inte oändlig, som folk trodde före 1600-talet. Hastigheten är för snabb för att mäta med hjälp av lampor, explosioner eller andra medel som beror på mänsklig synskärpa och mänsklig reaktionstid. Fråga Galileo.

Galileo utarbetade ett experiment 1638 som använde lyktor, och den bästa slutsatsen han kunde hantera var att ljuset är "extremt snabbt" (med andra ord, riktigt, riktigt snabbt). Han kunde inte komma med ett nummer, om han faktiskt ens försökte experimentet. Han vågade dock säga att han trodde att ljus färdas minst tio gånger så snabbt som ljud. Egentligen är det mer som en miljon gånger så snabbt.

Den första framgångsrika mätningen av ljusets hastighet, som fysiker allmänt representerar med gemener c, gjordes av Ole Roemer 1676. Han baserade sina mätningar på observationer av Jupiters månar. Sedan dess har fysiker använt observationer av stjärnorna, tandade hjul, roterande speglar, radiointerferometrar, kavitetsresonatorer och lasrar för att förfina mätningen. De vet det nu

Ljusets hastighet är en universell konstant, så det finns ingen formel för ljushastighet,i sig. I själva verket, omcvar annorlunda, måste alla våra mätningar ändras, eftersom mätaren bygger på den. Ljus har dock vågegenskaper som inkluderar frekvensνoch våglängdλ, och du kan relatera dessa till ljusets hastighet med denna ekvation, som du kan kalla ekvationen för ljusets hastighet:

Roemer var den första personen som kom med ett nummer för ljusets hastighet. Han gjorde det medan han observerade förmörkelserna av Jupiters månar, särskilt Io. Han skulle se hur jag försvann bakom den gigantiska planeten och sedan tid hur lång tid det tog att dyka upp igen. Han resonerade att den här tiden kunde skilja sig så mycket som 1000 sekunder, beroende på hur nära Jupiter var jorden. Han kom med ett värde för ljusets hastighet på 214 000 km / s, vilket ligger i samma ballpark som det moderna värdet på nästan 300 000 km / s.

År 1728 beräknade den engelska astronomen James Bradley ljusets hastighet genom att observera stjärnavvikelser, vilket är deras uppenbara förändring i position på grund av jordens rörelse runt solen. Genom att mäta vinkeln på denna förändring och subtrahera jordens hastighet, som han kunde beräkna från data som var kända vid den tiden, kom Bradley med ett mycket mer exakt antal. Han beräknade ljusets hastighet i vakuum till 301.000 km / s.

Nästa person som mätte ljusets hastighet var den franska filosofen Armand Hippolyte Fizeau, och han litade inte på astronomiska observationer. Istället konstruerade han en apparat bestående av en stråldelare, ett roterande tandhjul och en spegel placerad 8 km från ljuskällan. Han kunde justera hjulets rotationshastighet så att en ljusstråle passerade mot spegeln men blockerade returstrålen. Hans beräkning avc, som han publicerade 1849, var 315 000 km / s, vilket inte var lika exakt som Bradleys.

Ett år senare förbättrade Léon Foucault, en fransk fysiker, Fizeaus experiment genom att ersätta en roterande spegel mot det tandade hjulet. Foucaults värde för c var 298 000 km / s, vilket var mer exakt, och under processen gjorde Foucault en viktig upptäckt. Genom att sätta in ett rör med vatten mellan den roterande spegeln och den stillastående bestämde han att ljusets hastighet i luft är högre än hastigheten i vatten. Detta stred mot vad den korpuskulära teorin om ljus förutspådde och hjälpte till att fastställa att ljus är en våg.

År 1881, A. A. Michelson förbättrade Foucaults mätningar genom att konstruera en interferometer, som kunde jämföra faserna i den ursprungliga strålen och den återvändande och visa ett störningsmönster på en skärm. Hans resultat var 299 853 km / s.

Michelson hade utvecklat interferometern för att upptäcka förekomsten aveter, ett spöklikt ämne genom vilket ljusvågor ansågs spridas. Hans experiment, utfört med fysikern Edward Morley, var ett misslyckande, och det ledde Einstein till slutsatsen att ljusets hastighet är en universell konstant som är densamma i alla referensramar. Det var grunden för Special Relativity Theory.

Michelsons värde var det accepterade tills han förbättrade det själv 1926. Sedan dess har värdet förfinats av ett antal forskare som använder en mängd olika tekniker. En sådan teknik är kavitetsresonatormetoden, som använder en enhet som genererar elektrisk ström. Detta är en giltig metod eftersom fysiker har gjort det efter publiceringen av Maxwells ekvationer i mitten av 1800-talet har varit överens om att både ljus och elektricitet är elektromagnetiska vågfenomen och att båda reser på samma sätt hastighet.

Efter att Maxwell publicerat sina ekvationer blev det faktiskt möjligt att mäta c indirekt genom att jämföra den magnetiska permeabiliteten och den elektriska permeabiliteten i det fria utrymmet. Två forskare, Rosa och Dorsey, gjorde detta 1907 och beräknade ljusets hastighet till 299 788 km / s.

1950 använde brittiska fysiker Louis Essen och A.C. Gordon-Smith en kavitetsresonator för att beräkna ljusets hastighet genom att mäta dess våglängd och frekvens. Ljusets hastighet är lika med det avstånd som ljuset färdasddividerat med den tid det tar.T​: ​c = d / ∆t. Tänk på att det är dags för en enda våglängdλatt passera en punkt är vågformens period, vilket är den ömsesidiga frekvensenv, och du får ljusets formel:

Enheten som Essen och Gordon-Smith använde är känd som enkavitetsresonansvågmätare. Den genererar en elektrisk ström med en känd frekvens och de kunde beräkna våglängden genom att mäta vågmålarens mått. Deras beräkningar gav 299 792 km / s, vilket var den mest exakta bestämningen hittills.

En modern mätteknik återupplivar stråldelningsmetoden som används av Fizeau och Foucault, men använder lasrar för att förbättra noggrannheten. I denna metod delas en pulserad laserstråle. En stråle går till en detektor medan en annan färdas vinkelrätt mot en spegel placerad ett kort avstånd bort. Spegeln reflekterar strålen tillbaka till en andra spegel som avböjer den till en andra detektor. Båda detektorerna är anslutna till ett oscilloskop som registrerar frekvensen för pulserna.

Topparna för oscilloskoppulserna är separerade eftersom den andra strålen färdas längre än den första. Genom att mäta topparna och avståndet mellan speglarna är det möjligt att härleda ljusstrålens hastighet. Detta är en enkel teknik och ger ganska noggranna resultat. En forskare vid University of New South Wales i Australien registrerade ett värde på 300 000 km / s.

Mätpinnen som används av vetenskapssamhället är mätaren. Det definierades ursprungligen som en tio miljondel av avståndet från ekvatorn till nordpolen och definition ändrades senare till att vara ett visst antal våglängder för en av emissionslinjerna för krypton-86. 1983 skrotade allmänna rådet för vikter och åtgärder dessa definitioner och antog den här:

​Demeterär avståndet som strålen sträcker sig i ett vakuum i 1/299 792 458 sekunder, där den andra är baserad på den radioaktiva sönderfallet av cesium-133-atomen.​

Att definiera mätaren i termer av ljusets hastighet fixar i princip ljusets hastighet till 299 792 458 m / s. Om ett experiment ger ett annat resultat betyder det bara att apparaten är felaktig. I stället för att göra fler experiment för att mäta ljusets hastighet använder forskarna ljusets hastighet för att kalibrera sin utrustning.

Ljusets hastighet dyker upp i en mängd olika sammanhang inom fysik, och det är tekniskt möjligt att beräkna det från andra uppmätta data. Till exempel demonstrerade Planck att energin i ett kvant, såsom en foton, är lika med dess frekvens gånger Planck-konstanten (h), vilket är lika med 6,6262 x 10^-34 Joule⋅second. Eftersom frekvensen ärc / λ, Plancks ekvation kan skrivas i termer av våglängd:

Genom att bombardera en fotoelektrisk platta med ljus med en känd våglängd och mäta energin hos de utkastade elektronerna är det möjligt att få ett värde förc. Denna typ av ljusräknare är dock inte nödvändig för att mäta c, förcärdefinieratatt vara vad det är. Det kan dock användas för att testa apparaten. OmEλ / hinte blir c, något är fel antingen med mätningarna av elektronenergi eller våglängden för det infallande ljuset.

Det är vettigt att definiera mätaren i termer av ljusets hastighet i ett vakuum, eftersom den är den mest grundläggande konstanten i universum. Einstein visade att det är detsamma för varje referenspunkt, oavsett rörelse, och det är också det snabbaste som någonting kan resa i universum - åtminstone allt med massa. Einsteins ekvation, och en av de mest kända ekvationerna i fysik,E = mc², ger ledtråd till varför detta är så.

I sin mest igenkännbara form gäller Einsteins ekvation endast kroppar i vila. Den allmänna ekvationen inkluderar emellertidLorentz-faktor​ ​γ, var

För en kropp i rörelse med en massamoch hastighetv, Einsteins ekvation bör skrivasE = mc²γ. När du tittar på detta kan du se att närv​ = 0, ​γ= 1 och du fårE = mc²​.

Men närv = c, yblir oändlig, och slutsatsen du måste dra är att det skulle ta en oändlig mängd energi för att påskynda en ändlig massa till den hastigheten. Ett annat sätt att se på det är att massan blir oändlig med ljusets hastighet.

Den nuvarande definitionen av mätaren gör ljusets hastighet standard för markbundna mätningar av avstånd, men den har länge använts för att mäta avstånd i rymden. Ett ljusår är det avstånd som ljuset färdas under ett jordiskt år, vilket visar sig 9,46 × 10¹⁵ m.

Att många meter är för många för att förstå, men ett ljusår är lätt att förstå, och eftersom ljusets hastighet är konstant i alla tröghetsreferensramar är det en pålitlig avståndsenhet. Det görs något mindre tillförlitligt genom att det baseras på året, vilket är en tidsram som inte skulle ha någon relevans för någon från en annan planet.