Як обчислити швидкість світла

Зміст

• Легкі експерименти
• Вимірювання швидкості світла від астрономічних спостережень
• Порівняння швидкості світла у повітрі зі швидкістю у воді
• Використання рівняння для швидкості світла
• Сучасний метод вимірювання за допомогою лазерів
• Вимірювання швидкості світла більше не дає сенсу
• Використовуючи швидкість світла для калібрування експериментального апарату
• Швидкість світла у вакуумі є універсальною постійною

Притисніть пальці! У той час, як це було потрібно, світловий промінь зміг подорожувати майже весь шлях до Місяця. Якщо ви ще раз запхаєте пальці, ви дасте промінь часу, щоб завершити подорож. Справа в тому, що світло рухається дійсно, дуже швидко.

Світло подорожує швидко, але швидкість його нескінченна, як люди вірили до 17 століття. Швидкість занадто швидка для вимірювання за допомогою ламп, вибухів чи інших засобів, які залежать від гостроти зору людини та часу реакції людини. Запитайте Галілея.

Легкі експерименти

Галілей розробив експеримент у 1638 р., У якому використовували ліхтарі, і найкращим висновком, яким він міг керувати, було те, що світло "надзвичайно швидке" (іншими словами, справді, дуже швидко). Він не міг придумати номер, якщо він насправді навіть спробував експеримент. Однак він ризикнув сказати, що вважає, що світло рухається принаймні в 10 разів швидше, ніж звук. Насправді це більше, як мільйон разів швидше.

Перше вдале вимірювання швидкості світла, яке фізики універсально представляють з малого с, зробив Оле Ромер в 1676 році. Він базувався на спостереженнях за місяцями Юпітерів. З того часу фізики використовували спостереження за зірками, зубчастими колесами, обертовими дзеркалами, радіоінтерферометрами, резонаторами порожнини та лазерами для уточнення вимірювання. Вони тепер знають c настільки точно, що Генеральна рада з ваг і заходів базувала на ньому вимірювач, який є основною одиницею довжини в системі СІ.

Швидкість світла є універсальною постійною, тому немає формули швидкості світла, як така. Насправді, якщо c будь-які різні, всі наші вимірювання повинні були б змінитися, тому що лічильник базується на ньому. Однак світло має хвильові характеристики, які включають частоту ν і довжина хвилі λ, і ви можете пов'язати їх зі швидкістю світла за допомогою цього рівняння, яке ви можете назвати рівнянням швидкості світла:

c = νλ

Вимірювання швидкості світла від астрономічних спостережень

Рьомер був першою людиною, яка придумала номер для швидкості світла. Він робив це під час спостереження за затемненнями супутників Юпітерів, зокрема Іо. Він спостерігав за тим, як Іо зникає за гігантською планетою, а потім час, скільки часу потрібно, щоб знову з’явитися. Він аргументував, що цей час може відрізнятися на цілих 1000 секунд, залежно від того, наскільки Юпітер був близький до землі. Він придумав значення для швидкості світла 214 000 км / с, що знаходиться в тому ж самому шарі, що і сучасне значення майже 300 000 км / с.

У 1728 році англійський астроном Джеймс Бредлі підрахував швидкість світла, спостерігаючи зоряні аберації, що є їх очевидною зміною положення через рух Землі навколо Сонця. Виміряючи кут цієї зміни і віднімаючи швидкість Землі, яку він міг обчислити з відомих на той час даних, Бредлі придумав набагато більш точне число. Він розраховував швидкість світла у вакуумі до 301 000 км / с.

Порівняння швидкості світла у повітрі зі швидкістю у воді

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

Через рік Леон Фуко, французький фізик, покращився на експерименті Фізе, замінивши обертове дзеркало на зубчасте колесо. Значення фуко для c становило 298 000 км / с, що було більш точним, і в процесі Фуко зробив важливе відкриття. Вставивши трубку з водою між обертовим дзеркалом і нерухомим, він визначив, що швидкість світла в повітрі вище, ніж швидкість у воді. Це суперечило тому, що корпускулярна теорія світла передбачила і допомогла встановити, що світло - це хвиля.

У 1881 р. А. А. Міхельсон покращив вимірювання Фуко, побудувавши інтерферометр, який зміг порівняти фази вихідного проміння та повертаючого та відобразити на екрані інтерференційний малюнок. Його результат склав 299 853 км / с.

Міхельсон розробив інтерферометр для виявлення присутності ефір, примарна речовина, через яку, як вважалося, поширюються легкі хвилі. Його експеримент, проведений з фізиком Едвардом Морлі, зазнав невдачі, і це призвело Ейнштейна до висновку, що швидкість світла є універсальною постійною, однаковою у всіх системах відліку. Це було фундаментом спеціальної теорії відносності.

Використання рівняння для швидкості світла

Значення Мішельсона було прийнятим, поки він сам не вдосконалив його в 1926 році. З тих пір цінність була уточнена низкою дослідників, використовуючи різні методи. Однією з таких методик є резонаторний резонаторний метод, в якому використовується пристрій, що генерує електричний струм. Це дійсний метод, оскільки після публікації рівнянь Максвеллса в середині 1800-х років фізики домовилися, що світло і електрика є явищами електромагнітної хвилі і обидва рухаються з однаковою швидкістю.

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

У 1950 році британські фізики Луї Ессен та А. К. Гордон-Сміт використали резонатор порожнини для обчислення швидкості світла шляхом вимірювання його довжини хвилі та частоти. Швидкість світла дорівнює відстані, яку проходить світло г ділиться на час, який потрібно ∆t: c = d / ∆t. Вважайте, що час для однієї довжини хвилі λ пройти крапку - це період хвилі, який є зворотною частотою v, і ви отримуєте формулу швидкості світла:

c = νλ

Пристрій Ессен та Гордон-Сміт, що використовується, відомий як резонаторний резонатор. Він генерує електричний струм відомої частоти, і вони змогли обчислити довжину хвилі, вимірявши розміри хвилеметра. Їх розрахунки дали 299 792 км / с, що було найбільш точним визначенням на сьогоднішній день.

Сучасний метод вимірювання за допомогою лазерів

Один із сучасних методів вимірювання відроджує метод розщеплення променів, який застосовують Фізо та Фуко, але використовує лазери для підвищення точності. У цьому методі розщеплюється імпульсний лазерний промінь. Один промінь йде до детектора, а інший рухається перпендикулярно до дзеркала, розміщеного на невеликій відстані. Дзеркало відбиває промінь назад до другого дзеркала, яке відхиляє його до другого детектора. Обидва детектори підключені до осцилографа, який записує частоту імпульсів.

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

Вимірювання швидкості світла більше не дає сенсу

Вимірювальною паличкою, якою користується наукове співтовариство, є вимірювач. Спочатку було визначено десятимільйонну відстань від екватора до Північного полюса, а згодом визначення було змінено на певну кількість довжин хвиль однієї з ліній випромінювання криптон-86. У 1983 році Генеральна рада з ваги та заходів відмінила ці визначення та прийняла це:

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

Визначення лічильника за швидкістю світла в основному фіксує швидкість світла на рівні 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.

Використовуючи швидкість світла для калібрування експериментального апарату

Швидкість світла виявляється в різних мінусах фізики, і технічно це можливо обчислити з інших вимірюваних даних. Наприклад, Планк продемонстрував, що енергія кванта, такого як фотон, дорівнює його частоті, кратній постійній Планка (h), що дорівнює 6,6262 x 10^-34 Джоулесекунд. Оскільки частота є c / λ, Рівняння Планка можна записати у вигляді довжини хвилі:

E = hν = hc / λ

c = Eλ / год

Шляхом бомбардування фотоелектричної пластини світлом відомої довжини хвилі та вимірюванням енергії викинутих електронів можна отримати значення для c. Цей тип калькулятора швидкості світла не потрібен для вимірювання c, однак, оскільки c є визначений бути таким, яким воно є. Однак це може бути використане для тестування апарату. Якщо Eλ / год не виходить c, щось не так з вимірюваннями енергії електронів або довжиною хвилі падаючого світла.

Швидкість світла у вакуумі є універсальною постійною

Має сенс визначити вимірювач за швидкістю світла у вакуумі, оскільки його є найбільш фундаментальною постійною у Всесвіті. Ейнштейн показав, що це однаково для кожної точки відліку, незалежно від руху, і це також найшвидше, що може подорожувати у Всесвіті - принаймні, що завгодно з масою. Рівняння Ейнштейна і одне з найвідоміших рівнянь у фізиці, E = mc², дає поняття, чому це так.

У своїй найбільш впізнаваній формі рівняння Ейнштейна стосується лише тіл у спокої. Загальне рівняння, однак, включає Коефіцієнт Лоренца γ, де γ = 1 / √ (1- v²/ c²). Для тіла в русі масою м і швидкість v, Рівняння Ейнштейна слід записати E = mc²γ. Коли ви дивитесь на це, ви можете бачити, коли v = 0, γ = 1 і ви отримуєте E = mc².

Однак коли v = c, γ стає нескінченним, і висновок, який ви повинні зробити, полягає в тому, що для прискорення будь-якої кінцевої маси до цієї швидкості знадобиться нескінченна кількість енергії. Ще один спосіб дивитися на це - маса стає нескінченною зі швидкістю світла.

Поточне визначення лічильника робить швидкість світла стандартною для наземних вимірювань відстані, але його давно використовують для вимірювання відстаней у просторі. Світловий рік - це відстань, яку проходить світло в один земний рік, що виходить 9,46 × 10¹⁵ м.

Це багато метрів - це занадто багато для розуміння, але світловий рік легко зрозуміти, а оскільки швидкість світла є постійною у всіх інерціальних системах відліку, то це надійна одиниця відстані. Це зробило трохи менш надійним, будуючи на основі року, що є часовим рамком, який би не мав стосунку ні для кого з іншої планети.