วิธีคำนวนความเร็วแสง

ดีดนิ้วของคุณ! ในช่วงเวลาดังกล่าว ลำแสงสามารถเดินทางได้เกือบตลอดทางไปยังดวงจันทร์ หากคุณดีดนิ้วอีกครั้ง คุณจะให้เวลาบีมเพื่อสิ้นสุดการเดินทาง ประเด็นคือแสงเดินทางเร็วมากจริงๆ

แสงเดินทางได้เร็ว แต่ความเร็วไม่ได้ไม่มีที่สิ้นสุดอย่างที่คนเชื่อก่อนศตวรรษที่ 17 อย่างไรก็ตาม ความเร็วนั้นเร็วเกินไปที่จะวัดโดยใช้หลอดไฟ การระเบิด หรือวิธีการอื่นๆ ที่ขึ้นอยู่กับการมองเห็นและเวลาในการตอบสนองของมนุษย์ ถามกาลิเลโอ.

กาลิเลโอคิดค้นการทดลองในปี 1638 ที่ใช้โคมไฟ และข้อสรุปที่ดีที่สุดที่เขาสามารถจัดการได้ก็คือแสงนั้น "เร็วมากเป็นพิเศษ" (กล่าวอีกนัยหนึ่ง เร็วมากจริงๆ) เขาไม่สามารถคิดเลขได้ ถ้าเขาทำจริง ให้ลองทดลองดูด้วยซ้ำ อย่างไรก็ตาม เขากล้าพูดว่าเขาเชื่อว่าแสงเดินทางได้เร็วกว่าเสียงอย่างน้อย 10 เท่า อันที่จริง มันเร็วกว่าเป็นล้านเท่า

การวัดความเร็วแสงที่ประสบความสำเร็จครั้งแรกซึ่งนักฟิสิกส์ใช้อักษรตัวพิมพ์เล็ก c เป็นตัวพิมพ์เล็ก ทำโดย Ole Roemer ในปี 1676 เขาใช้การวัดของเขาจากการสังเกตดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี ตั้งแต่นั้นมา นักฟิสิกส์ได้ใช้การสังเกตดาวฤกษ์ ล้อที่มีฟัน กระจกที่หมุนได้ อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์วิทยุ เรโซเนเตอร์ในโพรง และเลเซอร์เพื่อปรับแต่งการวัด ตอนนี้พวกเขารู้

ความเร็วของแสงเป็นค่าคงที่สากล ดังนั้นจึงไม่มีสูตรความเร็วของแสงต่อตัว. ในความเป็นจริง ifคต่างกันแค่ไหน การวัดของเราทั้งหมดจะต้องเปลี่ยน เพราะมิเตอร์นั้นยึดตามมัน แม้ว่าแสงจะมีลักษณะคลื่น ซึ่งรวมถึงความถี่ด้วยνและความยาวคลื่นλและคุณสามารถเชื่อมโยงสิ่งเหล่านี้กับความเร็วของแสงด้วยสมการนี้ ซึ่งคุณอาจเรียกสมการนี้ว่าความเร็วของแสง:

Roemer เป็นคนแรกที่คิดเลขความเร็วแสง เขาทำมันในขณะที่สังเกตสุริยุปราคาของดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี โดยเฉพาะไอโอ เขาจะดูไอโอหายตัวไปหลังดาวเคราะห์ยักษ์แล้วเวลาที่ใช้ในการปรากฏขึ้นอีกครั้ง เขาให้เหตุผลว่าคราวนี้อาจแตกต่างกันมากถึง 1,000 วินาที ขึ้นอยู่กับว่าดาวพฤหัสบดีอยู่ใกล้โลกแค่ไหน เขาคิดค่าความเร็วแสง 214,000 กม./วินาที ซึ่งอยู่ในสนามเบสบอลเดียวกันกับค่าปัจจุบันเกือบ 300,000 กม./วินาที

ในปี ค.ศ. 1728 นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ เจมส์ แบรดลีย์ คำนวณความเร็วของแสงโดยการสังเกตความเบี่ยงเบนของดาว ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งที่ชัดเจนเนื่องจากการเคลื่อนที่ของโลกรอบดวงอาทิตย์ โดยการวัดมุมของการเปลี่ยนแปลงนี้และลบความเร็วของโลก ซึ่งเขาสามารถคำนวณได้จากข้อมูลที่ทราบในขณะนั้น แบรดลีย์ได้ตัวเลขที่แม่นยำยิ่งขึ้น เขาคำนวณความเร็วแสงในสุญญากาศเป็น 301,000 กม./วินาที

คนต่อไปที่วัดความเร็วของแสงคือ Armand Hippolyte Fizeau นักปรัชญาชาวฝรั่งเศส และเขาไม่ได้พึ่งพาการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ แต่เขาได้สร้างเครื่องมือที่ประกอบด้วยตัวแยกลำแสง ล้อฟันที่หมุนได้ และกระจกซึ่งอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดแสง 8 กม. เขาสามารถปรับความเร็วของการหมุนของล้อเพื่อให้ลำแสงส่องผ่านไปยังกระจกแต่บังลำแสงที่ย้อนกลับ การคำนวณของเขาคซึ่งเขาตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1849 คือ 315,000 กม./วินาที ซึ่งไม่แม่นยำเท่ากับของแบรดลีย์

อีกหนึ่งปีต่อมา Léon Foucault นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ปรับปรุงการทดลองของ Fizeau โดยเปลี่ยนกระจกหมุนสำหรับล้อฟันเฟือง ค่า c ของฟูโกต์อยู่ที่ 298,000 กม./วินาที ซึ่งแม่นยำกว่า และในกระบวนการนี้ ฟูโกต์ได้ค้นพบสิ่งสำคัญ โดยการสอดท่อน้ำระหว่างกระจกหมุนกับกระจกที่อยู่กับที่ เขาได้กำหนดว่าความเร็วของแสงในอากาศจะสูงกว่าความเร็วในน้ำ สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับสิ่งที่ทฤษฎีเกี่ยวกับร่างกายของแสงทำนายและช่วยสร้างแสงนั้นเป็นคลื่น

ในปี พ.ศ. 2424 เอ. ก. มิเชลสันปรับปรุงการวัดของฟูโกต์ด้วยการสร้างอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ซึ่งสามารถ เปรียบเทียบเฟสของลำแสงเดิมกับลำแสงที่ย้อนกลับและแสดงรูปแบบการรบกวนบน a หน้าจอ. ผลลัพธ์ของเขาคือ 299,853 กม./วินาที

มิเชลสันได้พัฒนาอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เพื่อตรวจจับการมีอยู่ของอีเธอร์ซึ่งเป็นสสารแห่งวิญญาณที่คาดว่าคลื่นแสงจะแพร่กระจาย การทดลองของเขากับเอ็ดเวิร์ด มอร์ลีย์ นักฟิสิกส์ล้มเหลว และทำให้ไอน์สไตน์สรุปได้ว่าความเร็วของแสงเป็นค่าคงที่สากลที่เท่ากันในทุกกรอบอ้างอิง นั่นคือรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

คุณค่าของ Michelson เป็นที่ยอมรับจนกระทั่งเขาปรับปรุงตัวเองในปี 1926 ตั้งแต่นั้นมา คุณค่าก็ได้รับการขัดเกลาโดยนักวิจัยจำนวนหนึ่งโดยใช้เทคนิคที่หลากหลาย หนึ่งในเทคนิคดังกล่าวคือวิธีการเรโซเนเตอร์โพรงซึ่งใช้อุปกรณ์ที่สร้างกระแสไฟฟ้า นี่เป็นวิธีที่ถูกต้องเพราะหลังจากการตีพิมพ์สมการของแมกซ์เวลล์ในช่วงกลางปี ​​ค.ศ. 1800 นักฟิสิกส์ได้ ตกลงกันว่าแสงและไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและทั้งสองเดินทางพร้อมกัน ความเร็ว.

ในความเป็นจริง หลังจากที่ Maxwell ตีพิมพ์สมการของเขา มันเป็นไปได้ที่จะวัดค่า c ทางอ้อมโดยการเปรียบเทียบการซึมผ่านของแม่เหล็กและการซึมผ่านทางไฟฟ้าของพื้นที่ว่าง นักวิจัยสองคนคือโรซาและดอร์ซีย์ ทำสิ่งนี้ในปี 1907 และคำนวณความเร็วของแสงเป็น 299,788 กม./วินาที

ในปี 1950 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Louis Essen และ A.C. Gordon-Smith ใช้เครื่องสะท้อนเสียงโพรงเพื่อคำนวณความเร็วของแสงโดยการวัดความยาวคลื่นและความถี่ ความเร็วแสงเท่ากับระยะทางที่แสงเดินทางdแบ่งตามเวลาที่ใช้∆t​: ​c = d/∆t. พิจารณาว่าเวลาของความยาวคลื่นเดียวλผ่านจุดหนึ่งคือคาบของรูปคลื่นซึ่งเป็นส่วนกลับของความถี่วีและคุณจะได้สูตรความเร็วแสง:

อุปกรณ์ที่ Essen และ Gordon-Smith ใช้เรียกว่า aเครื่องวัดคลื่นเรโซแนนซ์โพรง. มันสร้างกระแสไฟฟ้าของความถี่ที่รู้จัก และสามารถคำนวณความยาวคลื่นได้โดยการวัดขนาดของเครื่องวัดคลื่น การคำนวณของพวกเขาให้ผลตอบแทน 299,792 กม./วินาที ซึ่งเป็นการคำนวณที่แม่นยำที่สุดในปัจจุบัน

เทคนิคการวัดร่วมสมัยวิธีหนึ่งฟื้นคืนวิธีการแยกลำแสงที่ใช้โดย Fizeau และ Foucault แต่ใช้เลเซอร์เพื่อปรับปรุงความแม่นยำ ในวิธีนี้ ลำแสงเลเซอร์แบบพัลซิ่งจะถูกแยกออก ลำแสงหนึ่งไปที่เครื่องตรวจจับในขณะที่อีกลำแสงหนึ่งเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับกระจกที่วางอยู่ไม่ไกล กระจกสะท้อนลำแสงกลับไปที่กระจกเงาอันที่สองซึ่งจะเบี่ยงเบนไปยังเครื่องตรวจจับที่สอง เครื่องตรวจจับทั้งสองเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคปซึ่งบันทึกความถี่ของพัลส์

ยอดของพัลส์ออสซิลโลสโคปถูกแยกออกจากกันเนื่องจากลำแสงที่สองเดินทางได้ไกลกว่าลำแสงแรก โดยการวัดระยะห่างของยอดและระยะห่างระหว่างกระจกเงา เป็นไปได้ที่จะได้รับความเร็วของลำแสง นี่เป็นเทคนิคง่ายๆ และให้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างแม่นยำ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนิวเซาธ์เวลส์ในออสเตรเลียบันทึกค่าความเร็วไว้ที่ 300,000 กม./วินาที

ไม้วัดที่ชุมชนวิทยาศาสตร์ใช้คือเครื่องวัด เดิมถูกกำหนดให้เป็นหนึ่งในสิบล้านของระยะทางจากเส้นศูนย์สูตรถึงขั้วโลกเหนือและ ต่อมาได้เปลี่ยนคำจำกัดความเป็นความยาวคลื่นจำนวนหนึ่งของเส้นการปล่อยคริปทอน-86 ในปีพ.ศ. 2526 สภาทั่วไปว่าด้วยน้ำหนักและมาตรการได้ยกเลิกคำจำกัดความเหล่านั้นและนำคำนิยามนี้มาใช้:

​เมตรคือระยะทางที่ลำแสงเดินทางในสุญญากาศใน 1/299,792,458 วินาที โดยที่ระยะที่สองคำนวณจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของอะตอมซีเซียม-133​

การกำหนดเมตรในแง่ของความเร็วแสงโดยทั่วไปจะกำหนดความเร็วของแสงที่ 299,792,458 m/s หากการทดสอบให้ผลลัพธ์ที่ต่างออกไป ก็หมายความว่าอุปกรณ์มีข้อบกพร่อง แทนที่จะทำการทดลองเพิ่มเติมเพื่อวัดความเร็วของแสง นักวิทยาศาสตร์ใช้ความเร็วของแสงเพื่อปรับเทียบอุปกรณ์ของพวกเขา

ความเร็วของแสงปรากฏขึ้นในบริบทต่างๆ ทางฟิสิกส์ และในทางเทคนิคแล้วสามารถคำนวณได้จากข้อมูลที่วัดได้อื่นๆ ตัวอย่างเช่น พลังค์แสดงให้เห็นว่าพลังงานของควอนตัม เช่น โฟตอน เท่ากับความถี่คูณค่าคงที่พลังค์ (h) ซึ่งเท่ากับ 6.6262 x 10^-34 Joule⋅วินาที. เนื่องจากความถี่คือค/λ, สมการของพลังค์สามารถเขียนได้ในรูปของความยาวคลื่น:

โดยการทิ้งระเบิดแผ่นโฟโตอิเล็กทริกด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นที่ทราบและวัดพลังงานของอิเล็กตรอนที่พุ่งออกมา เป็นไปได้ที่จะได้ค่าค. เครื่องคำนวณความเร็วแสงประเภทนี้ไม่จำเป็นต้องวัด c เนื่องจาก,คคือกำหนดเป็นสิ่งที่มันเป็น อย่างไรก็ตาม สามารถใช้ทดสอบอุปกรณ์ได้ ถ้าEλ/ชั่วโมงไม่ได้ออกมาเป็น c มีบางอย่างผิดปกติกับการวัดพลังงานอิเล็กตรอนหรือความยาวคลื่นของแสงตกกระทบ

เหมาะสมที่จะกำหนดเมตรในแง่ของความเร็วแสงในสุญญากาศ เนื่องจากเป็นค่าคงที่พื้นฐานที่สุดในจักรวาล ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าจุดอ้างอิงทุกจุดนั้นเหมือนกัน โดยไม่คำนึงถึงการเคลื่อนไหว และยังเป็นสิ่งที่สามารถเดินทางในจักรวาลได้เร็วที่สุดด้วย อย่างน้อยก็ทุกสิ่งที่มีมวล สมการของไอน์สไตน์ และหนึ่งในสมการที่มีชื่อเสียงที่สุดในวิชาฟิสิกส์E = mc²ให้เบาะแสว่าทำไมจึงเป็นเช่นนี้

ในรูปแบบที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด สมการของไอน์สไตน์ใช้ได้กับร่างกายที่อยู่นิ่งเท่านั้น อย่างไรก็ตาม สมการทั่วไปรวมถึงลอเรนซ์แฟกเตอร์​ ​γที่ไหน

สำหรับร่างกายที่เคลื่อนไหวด้วยมวลมและความเร็ววี, ควรเขียนสมการของไอน์สไตน์E = mc²γ. เมื่อคุณดูสิ่งนี้คุณจะเห็นว่าเมื่อวี​ = 0, ​γ= 1 แล้วคุณจะได้E=mc²​.

อย่างไรก็ตาม เมื่อวี = ค, γกลายเป็นอนันต์ และข้อสรุปที่คุณต้องวาดก็คือ มันจะต้องใช้พลังงานจำนวนอนันต์เพื่อเร่งมวลจำกัดใด ๆ ให้เป็นความเร็วนั้น อีกวิธีหนึ่งในการดูก็คือมวลกลายเป็นอนันต์ด้วยความเร็วแสง

คำจำกัดความปัจจุบันของเครื่องวัดทำให้ความเร็วของแสงเป็นมาตรฐานสำหรับการวัดระยะทางภาคพื้นดิน แต่มีการใช้วัดระยะทางในอวกาศมานานแล้ว ปีแสงคือระยะทางที่แสงเดินทางในหนึ่งปีโลกซึ่งกลายเป็น 9.46 × 10¹⁵ เมตร

หลายเมตรนั้นมากเกินไปที่จะเข้าใจ แต่ปีแสงนั้นง่ายต่อการเข้าใจ และเนื่องจากความเร็วของแสงคงที่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด จึงเป็นหน่วยระยะทางที่เชื่อถือได้ ทำให้มีความน่าเชื่อถือน้อยลงเล็กน้อยโดยอิงจากปี ซึ่งเป็นกรอบเวลาที่ไม่เกี่ยวข้องกับใครก็ตามที่มาจากดาวดวงอื่น