Ako vypočítať rýchlosť svetla

Obsah

• Ľahké experimenty
• Meranie rýchlosti svetla z astronomických pozorovaní
• Porovnanie rýchlosti svetla vo vzduchu s rýchlosťou vo vode
• Použitie rovnice pre rýchlosť svetla
• Moderná metóda merania pomocou laserov
• Meranie rýchlosti svetla už nezmysel
• Použitie rýchlosti svetla na kalibráciu experimentálnych prístrojov
• Rýchlosť svetla vo vákuu je univerzálna konštanta

Luskni prstami! V čase, keď to bolo potrebné, svetelný lúč dokázal cestovať takmer celú cestu na Mesiac. Ak zacvaknete prsty ešte raz, dáte lúču čas na dokončenie cesty. Ide o to, že svetlo cestuje skutočne, naozaj rýchlo.

Svetlo cestuje rýchlo, ale jeho rýchlosť nie je nekonečná, ako ľudia verili pred 17. storočím. Rýchlosť je príliš vysoká na to, aby sa dala merať pomocou lámp, výbuchov alebo iných prostriedkov, ktoré však závisia od ľudskej zrakovej ostrosti a času reakcie človeka. Opýtajte sa Galileo.

Ľahké experimenty

Galileo vymyslel experiment v roku 1638, ktorý používal lucerny, a najlepším záverom, ktorý dokázal, bolo to, že svetlo je „mimoriadne rýchle“ (inými slovami, naozaj, naozaj rýchle). Nebol schopný prísť s nejakým počtom, ak v skutočnosti experiment dokonca vyskúšal. Odvážil sa však povedať, že veril, že svetlo prechádza najmenej 10-krát rýchlejšie ako zvuk. Vlastne je to viac ako miliónkrát rýchlejšie.

Prvé úspešné meranie rýchlosti svetla, ktoré fyzici všeobecne reprezentujú malými písmenami c, vykonal Ole Roemer v roku 1676. Svoje merania založil na pozorovaní Jupitersových mesiacov. Odvtedy používali fyzici na spresnenie merania hviezdy, ozubené kolesá, rotačné zrkadlá, rádiofrekvenčné interferometre, dutinové rezonátory a lasery. Teraz to vedia C tak presne, že Generálna rada pre váhy a miery vychádzala z merača, ktorý je základnou jednotkou dĺžky v systéme SI.

Rýchlosť svetla je univerzálna konštanta, takže neexistuje vzorec rýchlosti svetla, per se, V skutočnosti, ak C Ak by sa líšili, všetky naše merania by sa museli zmeniť, pretože merač je na nich založený. Svetlo však má vlnové charakteristiky, ktoré zahŕňajú frekvenciu ν a vlnová dĺžka λa pomocou tejto rovnice ich môžete priradiť k rýchlosti svetla, ktorú by ste mohli nazvať rovnicou pre rýchlosť svetla:

c = νλ

Meranie rýchlosti svetla z astronomických pozorovaní

Roemer bol prvý, kto prišiel s číslom pre rýchlosť svetla. Urobil to, keď pozoroval zatmenie Jupiterových mesiacov, konkrétne Io. Sledoval, ako Io zmizne za obrovskou planétou a potom zistí, ako dlho to trvalo, kým sa znova objavilo. Zdôvodnil, že tento čas sa môže líšiť až o 1000 sekúnd, v závislosti od toho, ako blízko bol Jupiter k Zemi. Prišiel s hodnotou rýchlosti svetla 214 000 km / s, čo je v rovnakom parku ako moderná hodnota takmer 300 000 km / s.

V roku 1728 vypočítal anglický astronóm James Bradley rýchlosť svetla pozorovaním hviezdnych aberácií, čo je ich zjavná zmena polohy v dôsledku zemského pohybu okolo Slnka. Meraním uhla tejto zmeny a odpočítaním rýchlosti Zeme, ktorú dokázal vypočítať z údajov známych v tom čase, prišiel Bradley s oveľa presnejším číslom. Vypočítal rýchlosť svetla vo vákuu na 301 000 km / s.

Porovnanie rýchlosti svetla vo vzduchu s rýchlosťou vo vode

Ďalším človekom, ktorý meral rýchlosť svetla, bol francúzsky filozof Armand Hippolyte Fizeau a nespoliehal sa na astronomické pozorovania. Namiesto toho skonštruoval prístroj pozostávajúci z rozdeľovača lúčov, rotujúceho ozubeného kolesa a zrkadla umiestneného 8 km od zdroja svetla. Mohol nastaviť rýchlosť otáčania kolesa tak, aby lúč svetla mohol prechádzať smerom k zrkadlu, ale blokovať spätný lúč. Jeho výpočet C, ktorý publikoval v roku 1849, bol 315 000 km / s, čo nebolo také presné ako Bradleys.

O rok neskôr sa francúzsky fyzik Léon Foucault zdokonalil v experimente s Fizeaus nahradením ozubeného kolesa rotujúcim zrkadlom. Hodnota Foucaults pre c bola 298 000 km / s, čo bolo presnejšie, a v tomto procese Foucault urobil dôležitý objav. Vložením trubice vody medzi rotujúce zrkadlo a stacionárne zrkadlo určilo, že rýchlosť svetla vo vzduchu je vyššia ako rýchlosť vo vode. To bolo v rozpore s tým, čo predpovedala korpuskulárna teória svetla a pomohlo to zistiť, že svetlo je vlna.

V roku 1881 A. A. Michelson zlepšil Foucaultsove merania vytvorením interferometra, ktorý bol schopný porovnávať fázy pôvodného a návratového lúča a zobrazovať interferenčný obrazec na obrazovke. Jeho výsledok bol 299 853 km / s.

Michelson vyvinul interferometer na detekciu prítomnosti éter, strašidelná látka, cez ktorú sa šírili svetelné vlny. Jeho experiment, uskutočňovaný s fyzikom Edwardom Morleym, bol neúspechom a Einstein priviedol k záveru, že rýchlosť svetla je univerzálna konštanta, ktorá je rovnaká vo všetkých referenčných rámcoch. To bol základ pre špeciálnu teóriu relativity.

Použitie rovnice pre rýchlosť svetla

Hodnota Michelsons bola akceptovaná, kým sa v nej v roku 1926 sám nezlepšil. Od tej doby bola hodnota spresňovaná radom výskumníkov pomocou rôznych techník. Jednou takouto technikou je metóda rezonátora v dutinách, ktorá používa zariadenie, ktoré generuje elektrický prúd. Je to platná metóda, pretože po uverejnení Maxwellových rovníc v polovici 18. storočia sa fyzici zhodli, že svetlo a elektrina sú javmi elektromagnetickej vlny a obidve cestujú rovnakou rýchlosťou.

V skutočnosti, keď Maxwell zverejnil svoje rovnice, bolo možné nepriamo zmerať c porovnaním magnetickej priepustnosti a elektrickej priepustnosti voľného priestoru. Dvaja vedci, Rosa a Dorsey, to urobili v roku 1907 a vypočítali rýchlosť svetla na 299 788 km / s.

V roku 1950 britskí fyzici Louis Essen a A.C. Gordon-Smith použili na výpočet rýchlosti svetla meraním jeho vlnovej dĺžky a frekvencie dutinový rezonátor. Rýchlosť svetla sa rovná vzdialenosti, ktorú svetlo prechádza d delené časom at: c = d / ∆t, Zvážte, že je čas na jednu vlnovú dĺžku λ prejsť bod je perióda priebehu, ktorá je recipročnou frekvenciou protia získate rýchlosť vzorcov svetla:

c = νλ

Použité zariadenie Essen a Gordon-Smith je známe ako a vlnovkový rezonančný vlnovec, Vytvára elektrický prúd známej frekvencie a boli schopní vypočítať vlnovú dĺžku zmeraním rozmerov vlnkometra. Ich výpočty priniesli 299 792 km / s, čo bolo doteraz najpresnejšie určenie.

Moderná metóda merania pomocou laserov

Jedna moderná technika merania oživuje metódu delenia lúčov, ktorú používajú Fizeau a Foucault, ale používa lasery na zlepšenie presnosti. Pri tomto spôsobe je pulzný laserový lúč rozdelený. Jeden lúč ide do detektora, zatiaľ čo druhý cestuje kolmo k zrkadlu umiestnenému na krátku vzdialenosť. Zrkadlo odráža lúč späť do druhého zrkadla, ktoré ho vychyľuje do druhého detektora. Oba detektory sú spojené s osciloskopom, ktorý zaznamenáva frekvenciu impulzov.

Vrcholy impulzov osciloskopu sú oddelené, pretože druhý lúč prechádza väčšiu vzdialenosť ako prvý. Meraním vzdialenosti píkov a vzdialenosti medzi zrkadlami je možné odvodiť rýchlosť svetelného lúča. Je to jednoduchá technika a prináša pomerne presné výsledky. Výskumník z University of New South Wales v Austrálii zaznamenal hodnotu 300 000 km / s.

Meranie rýchlosti svetla už nezmysel

Meradlom používaným vedeckou komunitou je merač. Pôvodne sa definovala ako jedna desaťmilióntina vzdialenosti od rovníka k severnému pólu a definícia sa neskôr zmenila na určitý počet vlnových dĺžok jednej z emisných čiar kryptónu-86. V roku 1983 Generálna rada pre váhy a miery tieto definície zrušila a prijala túto definíciu:

meter je vzdialenosť ubehnutá lúčom svetla vo vákuu za 1/299 792 458 sekundy, kde druhá je založená na rádioaktívnom rozklade atómu cézia-133.

Definovanie merača z hľadiska rýchlosti svetla v podstate zafixuje rýchlosť svetla na 299 792 458 m / s. Ak experiment prinesie iný výsledok, znamená to, že zariadenie je chybné. Vedci namiesto meraní rýchlosti svetla viac experimentov používajú na kalibráciu svojho zariadenia rýchlosť svetla.

Použitie rýchlosti svetla na kalibráciu experimentálnych prístrojov

Rýchlosť svetla sa prejavuje v rôznych nevýhodách fyziky a je technicky možné ju vypočítať z iných nameraných údajov. Napríklad Planck preukázal, že energia kvantovej jednotky, ako je napríklad fotón, sa rovná jej frekvencii krát Planckovej konštanty (h), ktorá sa rovná 6,6262 x 10.^-34 Joule⋅second. Pretože frekvencia je c / λ, Plancksovu rovnicu možno písať z hľadiska vlnovej dĺžky:

E = hν = hc / λ

c = Eλ / h

Bombardovaním fotoelektrickej platne svetlom so známou vlnovou dĺžkou a meraním energie ejektovaných elektrónov je možné získať hodnotu pre C, Tento typ rýchlosti kalkulačky svetla však nie je potrebný na meranie c, pretože C je definovaný byť tým, čím to je. Mohlo by sa však použiť na testovanie prístroja. ak Eλ / h nevyjde c, niečo nie je v poriadku ani s meraním elektrónovej energie alebo vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla.

Rýchlosť svetla vo vákuu je univerzálna konštanta

Má zmysel definovať merač z hľadiska rýchlosti svetla vo vákuu, pretože je jeho najzákladnejšou konštantou vo vesmíre. Einstein ukázal, že je rovnaký pre každý referenčný bod, bez ohľadu na pohyb, a je tiež najrýchlejší, čo môže vo vesmíre cestovať - ​​prinajmenšom všetko s hmotnosťou. Einsteínová rovnica a jedna z najznámejších fyzikálnych rovníc, E = mc², poskytuje vodítko, prečo je to tak.

Einsteínova rovnica sa vo svojej najznámejšej podobe uplatňuje iba na pokojné telá. Všeobecná rovnica však obsahuje Lorentzov faktor γ, kde y = 1 / √ (1- v²/ c²), Pre telo v pohybe s hmotou m a rýchlosť protiMali by byť napísané Einsteinové rovnice E = mc²γ, Keď sa na to pozriete, uvidíte, kedy proti = 0, γ = 1 a dostanete E = mc².

Avšak, keď v = c, y sa stáva nekonečným a záver, ktorý musíte urobiť, je taký, že na urýchlenie konečnej hmoty na túto rýchlosť by potrebovalo nekonečné množstvo energie. Ďalším spôsobom, ako sa na to pozerať, je to, že hmota sa stáva nekonečnou rýchlosťou svetla.

Súčasná definícia merača robí z rýchlosti svetla štandard pre pozemské merania vzdialenosti, ale už dlho sa používa na meranie vzdialeností vo vesmíre. Svetelný rok je vzdialenosť, ktorú svetlo prechádza za jeden pozemský rok a ktorá sa ukazuje na 9,46 × 10¹⁵ m.

Toľko metrov je príliš veľa na to, aby sme ich pochopili, ale svetelný rok je ľahké pochopiť, a pretože rýchlosť svetla je konštantná vo všetkých inerciálnych referenčných rámcoch, je to spoľahlivá jednotka vzdialenosti. Je to o niečo menej spoľahlivé, pretože vychádza z roku, čo je časový rámec, ktorý by nemal žiaden význam pre kohokoľvek z inej planéty.