Kuidas arvutada valguse kiirust

Sisu

• Valguskatsed
• Valguse kiiruse mõõtmine astronoomiliste vaatluste põhjal
• Valguse kiiruse võrdlus õhus kiirusega vees
• Valguskiiruse võrrandi kasutamine
• Kaasaegne mõõtmismeetod laserite abil
• Valguse kiiruse mõõtmine pole enam mõistlik
• Valguse kiiruse kasutamine katseseadme kalibreerimiseks
• Valguse kiirus vaakumis on universaalne konstant

Lükake sõrmed kinni! Selle aja jooksul, milleks see kulus, suutis valgusvihk liikuda peaaegu kogu kuuni. Kui te veel kord sõrmi koputate, annate kiirele teekonnale aega. Asi on selles, et valgus liigub tõesti, väga kiiresti.

Valgus liigub kiiresti, kuid selle kiirus pole lõpmatu, nagu inimesed enne 17. sajandit uskusid. Kiirus on liiga kiire, et seda mõõta lampide, plahvatuste või muude vahenditega, mis sõltuvad inimese nägemisteravusest ja inimese reageerimisajast. Küsige Galileolt.

Valguskatsed

Galileo kavandas 1638. aastal eksperimendi, milles kasutati laternaid, ja parim järeldus, mida ta suutis juhtida, oli see, et valgus on "erakordselt kiire" (teisisõnu, tõesti, väga kiire). Ta ei suutnud numbrit välja tulla, kui ta tegelikult isegi katset prooviks. Ta julges siiski öelda, et tema arvates liigub valgus vähemalt kümme korda kiiremini kui heli. Tegelikult on see miljon korda kiirem.

Esimese eduka valguse kiiruse mõõtmise, mida füüsikud üldiselt tähistavad väiketähisega c, tegi Ole Roemer 1676. Ta põhines oma mõõtmistel Jupiterite kuude vaatlustega. Sellest ajast alates on füüsikud mõõtmise täpsustamiseks kasutanud tähtede, hammasrataste, pöörlevate peeglite, raadiointerferomeetrite, süvendresonaatorite ja laserite vaatlusi. Nüüd nad teavad c nii täpselt, et kaalude ja mõõtmete üldnõukogu põhines sellel arvestil, mis on SI-süsteemi põhiline pikkuseühik.

Valguskiirus on universaalne konstant, seega puudub valguse kiiruse valem, iseenesest. Tegelikult, kui c olid erinevad, peaksid kõik meie mõõtmised muutuma, kuna arvesti põhineb sellel. Valgusel on laineomadused, sealhulgas sagedus ν ja lainepikkus λ, ja saate neid valguse kiirusega seostada selle võrrandiga, mida võite nimetada valguse kiiruse võrrandiks:

c = λλ

Valguse kiiruse mõõtmine astronoomiliste vaatluste põhjal

Roemer tuli esimesena välja valguse kiiruse numbriga. Ta tegi seda, jälgides Jupiterite kuude, eriti Io varju. Ta jälgis, kuidas Io hiiglasliku planeedi taha kadus ja kui palju aega kulus uuesti ilmumiseks. Ta põhjendas, et see aeg võib erineda koguni 1000 sekundi võrra, sõltuvalt sellest, kui lähedal oli Jupiter maapinnale. Ta tuli välja valguse kiiruse väärtusega 214 000 km / s, mis on samas kuulipargis kaasaegse väärtusega peaaegu 300 000 km / s.

Inglise astronoom James Bradley arvutas 1728. aastal tähehälbeid jälgides valguse kiiruse, mis on nende ilmne positsioonimuutus, mis on tingitud maakera liikumisest päikese ümber. Mõõtes selle muutuse nurka ja lahutades maakiiruse, mille ta suutis omal ajal teadaolevate andmete põhjal välja arvutada, tuli Bradley palju täpsema numbriga. Ta arvutas valguse kiiruseks vaakumis 301 000 km / s.

Valguse kiiruse võrdlus õhus kiirusega vees

Järgmine inimene, kes valguse kiirust mõõtis, oli prantsuse filosoof Armand Hippolyte Fizeau ja ta ei tuginenud astronoomilistele tähelepanekutele. Selle asemel konstrueeris ta aparaadi, mis koosnes valgusallikast 8 km kaugusel asuvast talajaoturist, pöörlevast hammasrattast ja peeglist. Ta sai reguleerida ratta pöörlemiskiirust, et valguskiir saaks peegli poole liikuda, kuid tagasitule blokeerida. Tema arvutus c, mille ta avaldas 1849. aastal, oli 315 000 km / s, mis ei olnud sama täpne kui Bradley.

Aasta hiljem parandas Prantsuse füüsik Léon Foucault Fizeausi katset, asendades hammasratta pöörleva peegli. Foucaultsi väärtus c jaoks oli 298 000 km / s, mis oli täpsem ja selle käigus tegi Foucault olulise avastuse. Sisestades pöörleva peegli ja liikumatu peegli vahele veetoru, tegi ta kindlaks, et õhus on valguse kiirus suurem kui vees. See oli vastuolus valguse korpuskulaarse teooriaga ja aitas kindlaks teha, et valgus on laine.

Aastal 1881 parandas A. A. Michelson Foucaultsi mõõtmisi, ehitades interferomeetri, mis suutis võrrelda algse ja tagasituleku faase ning kuvada ekraanil häirete mustrit. Tema tulemus oli 299 853 km / s.

Michelson oli välja töötanud interferomeetri, et tuvastada mikroorganismide esinemist eeter, kummituslik aine, mille kaudu arvati, et valguslained levivad. Tema katse koos füüsik Edward Morleyga oli läbikukkumine ja see viis Einsteini järeldusele, et valguse kiirus on universaalne konstant, mis on kõigis võrdlusraamides sama. See oli spetsiaalse relatiivsusteooria alus.

Valguskiiruse võrrandi kasutamine

Michelsoni väärtust aktsepteeriti, kuni ta parandas seda ise 1926. aastal. Sellest ajast alates on mitmed teadlased seda väärtust rafineerinud, kasutades erinevaid tehnikaid. Üks selline tehnika on õõnsuse resonaatori meetod, mille puhul kasutatakse seadet, mis genereerib elektrivoolu. See on kehtiv meetod, kuna pärast Maxwellsi võrrandite avaldamist 1800. aastate keskel on füüsikud jõudnud kokkuleppele, et valgus ja elekter on mõlemad elektromagnetiliste lainete nähtused ja mõlemad liiguvad sama kiirusega.

Pärast Maxwelli võrrandite avaldamist sai c võimaluse kaudselt mõõta, võrreldes vaba ruumi magnetilist ja elektrilist läbilaskvust. Kaks uurijat, Rosa ja Dorsey, tegid seda 1907. aastal ja arvutasid valguse kiiruseks 299 788 km / s.

1950. aastal kasutasid Briti füüsikud Louis Essen ja A. C. Gordon-Smith valguse kiiruse arvutamiseks õõnsuse resonaatorit, mõõtes selle lainepikkust ja sagedust. Valguskiirus võrdub valguse läbitud vahemaaga d jagatud ajaga, mis kulub .T: c = d / ∆t. Mõelge, et aeg ühe lainepikkuse jaoks λ Punkti läbimiseks on lainekuju periood, mis on sageduse vastastikune väärtus v, ja saate valguse kiiruse valemi:

c = λλ

Essenis ja Gordon-Smithis kasutatud seadet tuntakse kui a õõnsuse resonantslaine mõõtja. See genereerib teadaoleva sagedusega elektrivoolu ja nad suutsid lainepikkuse mõõtmiseks mõõta lainepikkust. Nende arvutused andsid tulemuseks 299 792 km / s, mis oli seni kõige täpsem määramine.

Kaasaegne mõõtmismeetod laserite abil

Üks tänapäevane mõõtmistehnika taaselustab Fizeau ja Foucault kasutatud kiirguse jaotuse meetodi, kuid täpsuse parandamiseks kasutatakse lasereid. Selle meetodi korral jagatakse pulseeriv laserkiir. Üks kiir läheb detektorisse, teine ​​aga risti väikese vahemaa taha asetatud peegli juurde. Peegel peegeldab tala tagasi teiseks peegliks, mis suunab selle teise detektorini. Mõlemad detektorid ühendatakse ostsilloskoobiga, mis registreerib impulsside sageduse.

Ostsilloskoobi impulsside tipud eraldatakse, kuna teine ​​kiir liigub suurema vahemaaga kui esimene. Mõõtes tippude eraldumist ja peeglite vahelist kaugust, on võimalik tuletada valguskiire kiirust. See on lihtne tehnika ja annab üsna täpsed tulemused. Austraalia Uus-Lõuna-Walesi ülikooli teadlane registreeris kiiruse 300 000 km / s.

Valguse kiiruse mõõtmine pole enam mõistlik

Teadusringkondade kasutatav mõõtekepp on arvesti. Algselt määratleti selle järgi kümnekilomeetri kaugusel ekvaatorist põhjapooluseni ja hiljem muudeti määratlust krüptoon-86 ühe emissiooniliinide teatud arvu lainepikkustena. 1983. aastal tühistas kaalu- ja mõõtenõukogu need määratlused ja võttis selle vastu:

meeter on vaakumis läbiva valguskiire läbitud vahemaa sekundis 1 / 299,792,458, kus teine ​​põhineb tseesium-133 aatomi radioaktiivsel lagunemisel.

Mõõturi määratlemisel valguse kiiruse järgi fikseeritakse valguse kiirus 299 792 458 m / s. Kui katse annab teistsuguse tulemuse, tähendab see lihtsalt, et seade on vigane. Selle asemel, et viia läbi rohkem katseid valguse kiiruse mõõtmiseks, kasutavad teadlased valguse kiirust oma seadmete kalibreerimiseks.

Valguse kiiruse kasutamine katseseadme kalibreerimiseks

Valguse kiirus on füüsikas nähtav mitmesuguste miinustega ning tehniliselt on võimalik seda muudest mõõdetud andmetest arvutada. Näiteks näitas Planck, et kvandi, näiteks footoni energia on võrdne selle sagedusega kordades Plancki konstanti (h), mis on võrdne 6,6262 x 10^-34 Joule⋅sekund. Kuna sagedus on c / λ, Plancksi võrrandi saab kirjutada lainepikkuse järgi:

E = hν = hc / λ

c = Eλ / h

Pommides teadaoleva lainepikkusega valgusega plaati ja mõõtes väljutatud elektronide energiat, on võimalik saada c. Seda tüüpi valguse kalkulaatori kiirus pole c mõõtmiseks siiski vajalik, kuna c on määratletud olla see, mis see on. Kuid seda saaks kasutada aparaadi testimiseks. Kui Eλ / h ei tule välja c, midagi on valesti kas elektronide energia mõõtmise või langeva valguse lainepikkuse osas.

Valguse kiirus vaakumis on universaalne konstant

Mõõturit on mõistlik määratleda valguse kiiruse järgi vaakumis, kuna see on universumi kõige põhilisem konstant. Einstein näitas, et see on igas võrdluspunktis sama, sõltumata liikumisest, ja see on ka kiireim kõik, mis universumis rännata võib - vähemalt midagi, mis on massiga. Einsteini võrrand ja füüsika üks kuulsamaid võrrandit, E = mc², annab aimduse, miks see nii on.

Einsteini võrrand rakendub kõige äratuntavamal kujul ainult puhkeasendites olevatele kehadele. Üldine võrrand sisaldab siiski: Lorentzi tegur γ, kus γ = 1 / √ (1- v²/ c²). Massiga liikuva keha jaoks m ja kiirus v, Einsteini võrrand tuleks kirjutada E = mc²γ. Seda vaadates näete, et millal v = 0, γ = 1 ja saate E = mc².

Kuid millal v = c, y muutub lõpmatuks ja järeldus, mille peate tegema, on see, et mis tahes piiratud massi kiirendamiseks sellele kiirusele kulub lõpmatu hulk energiat. Teine viis seda vaadata on see, et mass muutub valguse kiirusel lõpmatuks.

Arvesti praegune määratlus muudab valguse kiiruse maapealse kauguse mõõtmise standardiks, kuid seda on juba pikka aega kasutatud vahemaa mõõtmiseks ruumis. Kerge aasta on ühe maapealse aasta jooksul läbitav vahemaa, mis osutub 9,46 × 10-ks¹⁵ m

Mitu meetrit on mõistmiseks liiga palju, kuid valgusaasta on hõlpsasti mõistetav ning kuna valguse kiirus on kõigis inertsiaalsetes referentskaadrites püsiv, on selle usaldusväärne vahemaa. See on pisut vähem usaldusväärne, kuna põhineb aastaarvul, mis on ajaline raamistik, millel poleks tähtsust kellegi teisest planeedist pärit jaoks.