Як розрахувати швидкість світла

Клацніть пальцями! За час, необхідний для цього, світловий промінь зміг проїхати майже весь Місяць. Якщо ще раз клацнути пальцями, ви дасте променеві час на завершення подорожі. Справа в тому, що світло подорожує дуже, дуже швидко.

Світло швидко подорожує, але його швидкість не безмежна, як вірили люди до 17 століття. Швидкість занадто висока, щоб виміряти її за допомогою ламп, вибухів чи інших засобів, які залежать від гостроти зору та часу реакції людини. Запитайте Галілея.

У 1638 р. Галілей розробив експеримент, в якому використовували ліхтарі, і найкращим висновком, який він міг зробити, було те, що світло є "надзвичайно швидким" (іншими словами, дійсно, дуже швидким). Він не зміг придумати номер, якщо навіть справді спробував експеримент. Однак він наважився сказати, що вважає, що світло подорожує щонайменше в 10 разів швидше, ніж звук. Насправді це швидше в мільйон разів швидше.

Перше успішне вимірювання швидкості світла, яке фізики універсально представляють нижньою літерою c, було здійснено Оле Ремером в 1676 році. Свої вимірювання він базував на спостереженнях супутників Юпітера. З тих пір фізики використовували спостереження за зірками, зубчастими колесами, обертовими дзеркалами, радіоінтерферометрами, резонаторами резонаторів та лазерами для уточнення вимірювань. Вони тепер знають

Швидкість світла є універсальною постійною, тому формула швидкості світла відсутня,як такі. Насправді, якщоcбули б різними, всі наші виміри довелося б змінити, оскільки лічильник базується на ньому. Однак світло має хвильові характеристики, які включають частотуνі довжина хвиліλ, і ви можете пов’язати їх зі швидкістю світла за допомогою цього рівняння, яке ви можете назвати рівнянням швидкості світла:

Ремер був першою людиною, яка придумала число для швидкості світла. Він зробив це, спостерігаючи затемнення супутників Юпітера, зокрема Іо. Він спостерігав, як Іо зникає за гігантською планетою, а потім визначав, скільки часу знадобилося, щоб знову з’явитися. Він міркував, що цей час може відрізнятися на цілих 1000 секунд, залежно від того, наскільки Юпітер був близький до землі. Він придумав значення швидкості світла 214 000 км / с, яке знаходиться в тій же точці, що і сучасне значення майже 300 000 км / с.

У 1728 році англійський астроном Джеймс Бредлі обчислив швидкість світла, спостерігаючи зоряні аберації, що є їх очевидною зміною положення внаслідок руху Землі навколо Сонця. Вимірявши кут цієї зміни і віднявши швидкість землі, яку він міг обчислити з відомих на той час даних, Бредлі придумав набагато точніше число. Він розрахував швидкість світла у вакуумі 301 000 км / с.

Наступною людиною, яка вимірювала швидкість світла, був французький філософ Арман Іпполіт Фізо, і він не покладався на астрономічні спостереження. Натомість він сконструював апарат, що складається з роздільника променя, обертового зубчастого колеса та дзеркала, розміщеного за 8 км від джерела світла. Він міг регулювати швидкість обертання колеса, щоб пучок світла проходив до дзеркала, але перекривав зворотний промінь. Його розрахунокc, який він опублікував у 1849 р., становив 315 000 км / с, що було не так точно, як у Бредлі.

Через рік Леон Фуко, французький фізик, вдосконалив експеримент Фізо, замінивши на зубчасте колесо обертове дзеркало. Значення Фуко для c становило 298 000 км / с, що було більш точно, і в процесі Фуко зробив важливе відкриття. Вставивши трубку з водою між обертовим і нерухомим дзеркалом, він визначив, що швидкість світла в повітрі вища, ніж швидкість у воді. Це суперечило тому, що передбачала корпускулярна теорія світла і допомагало встановити, що світло - це хвиля.

У 1881 р. А. А. Майкельсон покращив вимірювання Фуко, побудувавши інтерферометр, який зміг порівняти фази вихідного і повертаючого променя і показати інтерференційну картину на a екран. Його результат становив 299853 км / с.

Майкельсон розробив інтерферометр для виявлення присутностіефір, примарна речовина, через яку вважалося, що поширюються світлові хвилі. Його експеримент, проведений з фізиком Едвардом Морлі, був невдалим, і це призвело Ейнштейна до висновку, що швидкість світла є універсальною константою, однаковою у всіх системах відліку. Це було основою для спеціальної теорії відносності.

Цінність Майкельсона була загальновизнаною, поки він не вдосконалив її сам у 1926 році. З тих пір цінність уточнюється рядом дослідників із використанням різноманітних методів. Одним з таких методів є метод резонатора порожнини, який використовує пристрій, що генерує електричний струм. Це дійсний метод, оскільки після публікації рівнянь Максвелла в середині 1800-х років фізики це зробили домовились, що світло і електрика - це явища електромагнітних хвиль, і обидва вони рухаються одночасно швидкість.

Фактично, після того, як Максвелл опублікував свої рівняння, стало можливим виміряти c опосередковано, порівнюючи магнітну та електричну проникність вільного простору. Двоє дослідників, Роза і Дорсі, зробили це в 1907 році і підрахували швидкість світла в 299 788 км / с.

У 1950 році британські фізики Луїс Ессен та А.Ц. Швидкість світла дорівнює відстані, яку проходить світлоdділиться на час, який потрібно.T​: ​c = d / ∆t. Вважайте, що час для однієї довжини хвиліλпройти точку - це період сигналу, який є зворотним значенням частотиv, і ви отримаєте формулу швидкості світла:

Пристрій, що використовували Ессен і Гордон-Сміт, відоме якрезонансний резонансний хвилемір. Він генерує електричний струм відомої частоти, і вони змогли обчислити довжину хвилі, вимірявши розміри хвилеметра. Їхні розрахунки дали 299 792 км / с, що було найбільш точним визначенням на сьогодні.

Одна сучасна техніка вимірювання відроджує метод розщеплення пучка, який застосовували Фізо та Фуко, але використовує лазери для підвищення точності. У цьому методі імпульсний лазерний промінь розщеплюється. Один промінь йде до детектора, тоді як інший проходить перпендикулярно до дзеркала, розташованого на невеликій відстані. Дзеркало відображає промінь назад до другого дзеркала, яке відхиляє його до другого детектора. Обидва детектори підключені до осцилографа, який реєструє частоту імпульсів.

Піки імпульсів осцилографа розділені, оскільки другий промінь проходить більшу відстань, ніж перший. Вимірюючи поділ піків та відстань між дзеркалами, можна отримати швидкість світлового променя. Це проста техніка, яка дає досить точні результати. Дослідник з Університету Нового Південного Уельсу в Австралії зафіксував значення 300 000 км / с.

Мірною паличкою, що використовується науковою спільнотою, є лічильник. Спочатку його визначали як одну десятимільйонну частину відстані від екватора до Північного полюса та до згодом визначення було змінено на певну кількість довжин хвиль однієї з ліній випромінювання криптону-86. У 1983 році Генеральна рада з мір та ваг скасувала ці визначення та прийняла таке:

​метр- відстань, пройдена пучком світла у вакуумі за 1 299 792 458 секунд, де друга заснована на радіоактивному розпаді атома цезію-133.​

Визначення лічильника з точки зору швидкості світла в основному фіксує швидкість світла в 299 792 458 м / с. Якщо експеримент дає інший результат, це просто означає, що апарат несправний. Замість того, щоб проводити більше експериментів для вимірювання швидкості світла, вчені використовують швидкість світла для калібрування свого обладнання.

Швидкість світла проявляється у різних контекстах фізики, і технічно це можливо обчислити за іншими виміряними даними. Наприклад, Планк продемонстрував, що енергія кванта, такого як фотон, дорівнює його частоті, помноженій на константу Планка (h), яка дорівнює 6,6262 x 10^-34 Джоуль⋅секунда. Оскільки частота становитьc / λ, Рівняння Планка можна записати через довжину хвилі:

Бомбардуючи фотоелектричну пластинку світлом відомої довжини хвилі та вимірюючи енергію викинутих електронів, можна отримати значенняc. Однак цей тип калькулятора швидкості світла не є необхідним для вимірювання с, оскількиcєвизначенийбути тим, що воно є. Однак його можна використовувати для випробування апарату. ЯкщоEλ / годне виявляється c, щось не так ні з вимірами енергії електрона, ні з довжиною хвилі падаючого світла.

Має сенс визначити метр з точки зору швидкості світла у вакуумі, оскільки це найважливіша константа у Всесвіті. Ейнштейн показав, що він однаковий для кожної контрольної точки, незалежно від руху, і це також найшвидший з усіх, що можуть подорожувати у Всесвіті - принаймні, що завгодно з масою. Рівняння Ейнштейна і одне з найвідоміших рівнянь у фізиці,E = mc², дає підказку, чому це так.

У своєму найбільш впізнаваному вигляді рівняння Ейнштейна застосовується лише до тіл, що перебувають у спокої. Загальне рівняння, однак, включаєФактор Лоренца​ ​γ, де

Для тіла в русі з масоюмі швидкостіv, Рівняння Ейнштейна слід написатиE = mc²γ. Коли ви подивитесь на це, ви побачите, що колиv​ = 0, ​γ= 1 і ви отримуєтеE = mc²​.

Однак колиv = c, γстає нескінченним, і висновок, який ви повинні зробити, полягає в тому, що для розгону будь-якої кінцевої маси до такої швидкості знадобиться нескінченна кількість енергії. Інший спосіб дивитись на це полягає в тому, що маса стає нескінченною зі швидкістю світла.

Поточне визначення вимірювача робить швидкість світла стандартною для наземних вимірювань відстані, але вона давно використовується для вимірювання відстаней у просторі. Світловий рік - це відстань, яку проходить світло за один земний рік, яка виявляється 9,46 × 10¹⁵ м.

Таку кількість метрів занадто багато, щоб зрозуміти, але світловий рік легко зрозуміти, а оскільки швидкість світла постійна у всіх інерційних системах відліку, це надійна одиниця відстані. Це зроблено дещо менш надійним, якщо базуватись на році, який є часовим періодом, який не мав би значення для когось із іншої планети.