Işık Hızı Nasıl Hesaplanır

Parmaklarını şıklat! Bunu yapmak için geçen sürede, bir ışık demeti neredeyse aya kadar gidebildi. Parmaklarınızı bir kez daha şaklarsanız, ışına yolculuğu tamamlaması için zaman vermiş olursunuz. Mesele şu ki, ışık gerçekten çok hızlı hareket ediyor.

Işık hızlı hareket eder, ancak 17. yüzyıldan önce insanların inandığı gibi hızı sonsuz değildir. Bununla birlikte, hız, insanın görme keskinliğine ve tepki süresine bağlı olarak lambalar, patlamalar veya diğer araçlar kullanılarak ölçülemeyecek kadar hızlıdır. Galileo'ya sorun.

Galileo, 1638'de fener kullanan bir deney tasarladı ve elde edebileceği en iyi sonuç, ışığın "olağanüstü derecede hızlı" (başka bir deyişle, gerçekten çok hızlı) olduğuydu. Bir sayı bulamamıştı, hatta deneyse bile deneyebilirdi. Bununla birlikte, ışığın sesten en az 10 kat daha hızlı hareket ettiğine inandığını söylemeye cesaret etti. Aslında, milyonlarca kat daha hızlı.

Fizikçilerin evrensel olarak küçük c ile temsil ettikleri ışık hızının ilk başarılı ölçümü, 1676'da Ole Roemer tarafından yapıldı. Ölçümlerini Jüpiter'in uydularının gözlemlerine dayandırdı. O zamandan beri fizikçiler, ölçümü iyileştirmek için yıldızların, dişli çarkların, dönen aynaların, radyo interferometrelerinin, boşluk rezonatörlerinin ve lazerlerin gözlemlerini kullandılar. Artık biliyorlar

Işık hızı evrensel bir sabittir, dolayısıyla ışık hızı formülü yoktur.başlı başına. Aslında, eğercfarklı olsaydı, tüm ölçümlerimiz değişmek zorunda kalacaktı, çünkü sayaç buna dayanıyor. Işık, frekansı da içeren dalga özelliklerine sahiptir.νve dalga boyuλve bunları ışık hızı denklemi diyebileceğiniz bu denklemle ışık hızıyla ilişkilendirebilirsiniz:

Roemer, ışık hızı için bir sayı bulan ilk kişiydi. Jüpiter'in aylarının, özellikle Io'nun tutulmalarını gözlemlerken yaptı. Io'nun dev gezegenin arkasında kaybolmasını ve sonra yeniden ortaya çıkmasının ne kadar sürdüğünü izleyecekti. Jüpiter'in dünyaya ne kadar yakın olduğuna bağlı olarak bu sürenin 1000 saniye kadar değişebileceğini düşündü. Yaklaşık 300.000 km/s'lik modern değerle aynı oyun sahasında bulunan 214.000 km/s'lik ışık hızı için bir değer buldu.

1728'de İngiliz astronom James Bradley, dünyanın güneş etrafındaki hareketi nedeniyle konumlarındaki bariz değişim olan yıldız sapmalarını gözlemleyerek ışığın hızını hesapladı. Bradley, bu değişimin açısını ölçerek o sırada bilinen verilerden hesaplayabildiği dünyanın hızını çıkararak çok daha doğru bir sayıya ulaştı. Işığın boşluktaki hızını 301.000 km/sn olarak hesapladı.

Işık hızını ölçen bir sonraki kişi Fransız filozof Armand Hippolyte Fizeau'ydu ve o astronomik gözlemlere güvenmiyordu. Bunun yerine ışın ayırıcı, dönen dişli çark ve ışık kaynağından 8 km uzağa yerleştirilmiş bir aynadan oluşan bir aparat yaptı. Tekerleğin dönüş hızını, bir ışık huzmesinin aynaya doğru geçmesine izin verecek, ancak geri dönüş huzmesini engelleyecek şekilde ayarlayabilirdi. Onun hesaplamasıc1849'da yayınladığı, 315.000 km/s idi ve bu Bradley'inki kadar doğru değildi.

Bir yıl sonra, Fransız fizikçi Léon Foucault, Fizeau'nun deneyini dişli çarkın yerine dönen bir ayna koyarak geliştirdi. Foucault'nun c için değeri 298.000 km/s idi, bu daha doğruydu ve bu süreçte Foucault önemli bir keşif yaptı. Dönen ayna ile sabit ayna arasına bir su tüpü sokarak, ışığın havadaki hızının sudaki hızından daha yüksek olduğunu belirledi. Bu, ışığın cisimcik teorisinin öngördüğüne aykırıydı ve ışığın bir dalga olduğunu belirlemeye yardımcı oldu.

1881 yılında A.Ö. A. Michelson, bir interferometre inşa ederek Foucault'nun ölçümlerini geliştirdi. orijinal ışının ve geri dönenin fazlarını karşılaştırın ve bir girişim deseni görüntüleyin. ekran. Sonucu 299.853 km/s idi.

Michelson, maddenin varlığını tespit etmek için interferometreyi geliştirmişti.eterışık dalgalarının yayıldığı düşünülen hayaletimsi bir madde. Fizikçi Edward Morley ile yaptığı deney başarısız oldu ve Einstein'ın ışık hızının tüm referans çerçevelerinde aynı olan evrensel bir sabit olduğu sonucuna varmasına yol açtı. Özel Görelilik Teorisi'nin temeli buydu.

Michelson'ın değeri, 1926'da kendisi geliştirene kadar kabul edilen değerdi. O zamandan beri, değer, çeşitli teknikler kullanılarak bir dizi araştırmacı tarafından rafine edildi. Böyle bir teknik, elektrik akımı üreten bir cihaz kullanan kavite rezonatör yöntemidir. Bu geçerli bir yöntemdir çünkü 1800'lerin ortalarında Maxwell denklemlerinin yayınlanmasının ardından fizikçiler ışık ve elektriğin elektromanyetik dalga fenomeni olduğu ve her ikisinin de aynı anda hareket ettiği konusunda hemfikirdi. hız.

Aslında, Maxwell denklemlerini yayınladıktan sonra, boş uzayın manyetik geçirgenliğini ve elektrik geçirgenliğini karşılaştırarak dolaylı olarak c'yi ölçmek mümkün oldu. İki araştırmacı, Rosa ve Dorsey, bunu 1907'de yaptılar ve ışığın hızını 299.788 km/s olarak hesapladılar.

1950'de İngiliz fizikçiler Louis Essen ve A.C. Gordon-Smith, dalga boyunu ve frekansını ölçerek ışığın hızını hesaplamak için bir boşluk rezonatörü kullandılar. Işığın hızı, ışığın aldığı yola eşittirdgeçen zamana bölünür∆t​: ​c = d/∆t. Tek bir dalga boyu için zamanınλbir noktayı geçmek, frekansın tersi olan dalga biçiminin periyodudur.v, ve ışık hızı formülünü elde edersiniz:

Essen ve Gordon-Smith'in kullandığı cihaz,boşluk rezonans dalga ölçer. Bilinen bir frekansta elektrik akımı üretir ve dalga ölçerin boyutlarını ölçerek dalga boyunu hesaplayabildiler. Hesaplamaları, bugüne kadarki en doğru tespit olan 299.792 km/s verdi.

Çağdaş bir ölçüm tekniği, Fizeau ve Foucault tarafından kullanılan ışın bölme yöntemini yeniden canlandırıyor, ancak doğruluğu artırmak için lazerleri kullanıyor. Bu yöntemde darbeli bir lazer ışını bölünür. Bir ışın bir dedektöre giderken diğeri kısa bir mesafeye yerleştirilmiş bir aynaya dik olarak hareket eder. Ayna, ışını ikinci bir detektöre saptıran ikinci bir aynaya geri yansıtır. Her iki dedektör de darbelerin frekansını kaydeden bir osiloskopa bağlıdır.

Osiloskop darbelerinin tepe noktaları, ikinci ışın ilkinden daha büyük bir mesafe kat ettiği için ayrılır. Tepelerin ayrılmasını ve aynalar arasındaki mesafeyi ölçerek ışık huzmesinin hızını elde etmek mümkündür. Bu basit bir tekniktir ve oldukça doğru sonuçlar verir. Avustralya'daki New South Wales Üniversitesi'ndeki bir araştırmacı, 300.000 km/s'lik bir değer kaydetti.

Bilim camiasının kullandığı ölçü çubuğu metredir. Başlangıçta ekvatordan Kuzey Kutbu'na olan mesafenin on milyonda biri olarak tanımlandı ve tanım daha sonra kripton-86'nın emisyon çizgilerinden birinin belirli sayıda dalga boyu olarak değiştirildi. 1983'te Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konseyi bu tanımları rafa kaldırdı ve şu tanımı kabul etti:

​metresaniyenin 1/299.792.458'inde vakumda bir ışık huzmesinin kat ettiği mesafedir, burada ikincisi sezyum-133 atomunun radyoaktif bozunmasına dayanır.​

Metreyi ışık hızı cinsinden tanımlamak, temel olarak ışık hızını 299.792.458 m/s'ye sabitler. Bir deney farklı bir sonuç verirse, bu sadece aparatın arızalı olduğu anlamına gelir. Bilim adamları, ışığın hızını ölçmek için daha fazla deney yapmak yerine, ekipmanlarını kalibre etmek için ışık hızını kullanırlar.

Işık hızı, fizikte çeşitli bağlamlarda ortaya çıkıyor ve bunu diğer ölçülen verilerden hesaplamak teknik olarak mümkün. Örneğin Planck, foton gibi bir kuantumun enerjisinin, frekansının Planck sabitinin (h) çarpımına eşit olduğunu gösterdi, bu da 6.6262 x 10'a eşittir.^-34 Joule⋅saniye. Frekans olduğundanc/λ, Planck denklemi dalga boyu cinsinden yazılabilir:

Bir fotoelektrik plakayı bilinen dalga boyunda bir ışıkla bombardıman ederek ve çıkan elektronların enerjisini ölçerek, bir değer elde etmek mümkündür.c. Bununla birlikte, c'yi ölçmek için bu tür bir ışık hesaplayıcısı gerekli değildir, çünkücdır-dirtanımlanmışneyse o olmak. Ancak, cihazı test etmek için kullanılabilir. EğerEλ/saatc olarak çıkmazsa, ya elektron enerjisinin ölçümlerinde ya da gelen ışığın dalga boyunda bir sorun vardır.

Metreyi, evrendeki en temel sabit olduğundan, ışığın boşluktaki hızı cinsinden tanımlamak mantıklıdır. Einstein, hareketten bağımsız olarak her referans noktası için aynı olduğunu ve aynı zamanda evrende herhangi bir şeyin, en azından kütlesi olan herhangi bir şeyin seyahat edebileceği en hızlı olduğunu gösterdi. Einstein'ın denklemi ve fizikteki en ünlü denklemlerden biri,E = mc², bunun neden böyle olduğuna dair ipucu veriyor.

Einstein'ın denklemi, en bilinen biçimiyle yalnızca hareketsiz cisimler için geçerlidir. Bununla birlikte, genel denklem şunları içerir:Lorentz faktörü​ ​γ, nerede

Kütlesi olan hareket eden bir cisim içinmve hızv, Einstein denklemi yazılmalıdırE = mc²γ. Buna baktığınızda, ne zaman olduğunu görebilirsiniz.v​ = 0, ​γ= 1 ve elde edersinizE=mc²​.

Ancak, ne zamanv = c, ysonsuz hale gelir ve çıkarmanız gereken sonuç, herhangi bir sonlu kütleyi o hıza çıkarmak için sonsuz miktarda enerji gerektiğidir. Buna bakmanın başka bir yolu da kütlenin ışık hızında sonsuz hale gelmesidir.

Metrenin mevcut tanımı, ışık hızını karasal mesafe ölçümleri için standart haline getirir, ancak uzaydaki mesafeleri ölçmek için uzun süredir kullanılmaktadır. Bir ışık yılı, ışığın bir dünya yılında kat ettiği mesafedir, bu da 9.46 × 10'a dönüşür.¹⁵ m.

Bu kadar çok metre anlamak için çok fazla, ancak bir ışık yılını anlamak kolaydır ve ışığın hızı tüm eylemsiz referans çerçevelerinde sabit olduğu için güvenilir bir mesafe birimidir. Farklı bir gezegenden hiç kimseyle ilgisi olmayan bir zaman çerçevesi olan yıla dayalı olarak biraz daha az güvenilir hale getirildi.