Hvordan beregne lysets hastighet

Innhold

• Lette eksperimenter
• Måling av lysets hastighet fra astronomiske observasjoner
• Sammenligning av lysets hastighet i luften med hastigheten i vann
• Bruke ligningen for lysets hastighet
• En moderne målemetode ved bruk av lasere
• Å måle lysets hastighet ikke lenger gir mening
• Bruke lysets hastighet for å kalibrere eksperimentelle apparater
• Lysets hastighet i vakuum er en universell konstant

Knips fingrene! I tiden det tok å gjøre det, klarte en lysstråle å reise nesten helt til månen. Hvis du knipser fingrene en gang til, gir du strålen tid til å fullføre reisen. Poenget er at lys reiser veldig, veldig raskt.

Lyset kjører raskt, men hastigheten er ikke uendelig, slik folk trodde før 1600-tallet. Hastigheten er for rask til å måle ved bruk av lamper, eksplosjoner eller andre midler som avhenger av menneskets synsskarphet og menneskets reaksjonstid. Spør Galileo.

Lette eksperimenter

Galileo tenkte på et eksperiment i 1638 som brukte lykter, og den beste konklusjonen han kunne klare var at lyset er "ekstraordinært raskt" (med andre ord, virkelig, veldig raskt). Han var ikke i stand til å komme med et nummer, hvis han faktisk også prøvde eksperimentet. Han våget imidlertid å si at han trodde lyset reiser minst 10 ganger så raskt som lyd. Egentlig er det mer enn en million ganger så raskt.

Den første vellykkede måling av lysets hastighet, som fysikere universelt representerer med en liten bokstav c, ble foretatt av Ole Roemer i 1676. Han baserte sine målinger på observasjoner av Jupiters måner. Siden den gang har fysikere brukt observasjoner av stjernene, tannhjul, roterende speil, radiointerferometre, hulromresonatorer og lasere for å avgrense målingen. Det vet de nå c så nøyaktig at General Council for Vekter og Tiltak baserte måleren, som er den grunnleggende lengdenheten i SI-systemet, på den.

Lysets hastighet er en universell konstant, så det er ingen hastighet på lysformelen, per se. Faktisk, hvis c var forskjellige, alle målingene våre måtte endre seg, fordi måleren er basert på den. Lys har bølgende kjennetegn, men inkluderer frekvens ν og bølgelengde λ, og du kan relatere disse til lysets hastighet med denne ligningen, som du kan kalle ligningen for lysets hastighet:

c = νλ

Måling av lysets hastighet fra astronomiske observasjoner

Roemer var den første personen som kom med et nummer for lysets hastighet. Han gjorde det mens han observerte formørkelsene av Jupiters måner, nærmere bestemt Io. Han ville se Io forsvinne bak den gigantiske planeten og deretter tid hvor lang tid det tok å dukke opp igjen. Han resonnerte at denne tiden kunne variere med så mye som 1000 sekunder, avhengig av hvor nær Jupiter var jorden. Han kom med en verdi for lyshastigheten på 214.000 km / s, som er i samme ballpark som den moderne verdien på nesten 300 000 km / s.

I 1728 beregnet den engelske astronomen James Bradley lysets hastighet ved å observere stellaravvik, som er deres tilsynelatende endring i posisjon på grunn av jordens bevegelse rundt solen. Ved å måle vinkelen på denne endringen og trekke fra hastigheten på jorden, som han kunne beregne ut fra data som den gang var kjent, kom Bradley med et mye mer nøyaktig tall. Han beregnet lysets hastighet i et vakuum til å være 301 000 km / s.

Sammenligning av lysets hastighet i luften med hastigheten i vann

Den neste personen som målte lysets hastighet var den franske filosofen Armand Hippolyte Fizeau, og han stolte ikke på astronomiske observasjoner. I stedet konstruerte han et apparat bestående av en strålesplitter, et roterende tannhjul og et speil plassert 8 km fra lyskilden. Han kunne justere rotasjonshastigheten på hjulet slik at en lysstråle kan passere mot speilet, men blokkere returstrålen. Hans beregning av c, som han publiserte i 1849, var 315 000 km / s, noe som ikke var så nøyaktig som Bradleys.

Et år senere forbedret Léon Foucault, en fransk fysiker, Fizeaus-eksperimentet ved å erstatte et roterende speil for tannhjulet. Foucaults verdi for c var 298 000 km / s, noe som var mer nøyaktig, og i prosessen gjorde Foucault et viktig funn. Ved å sette inn et rør vann mellom det roterende speilet og det stasjonære, bestemte han at lysets hastighet i luft er høyere enn hastigheten i vann. Dette var i strid med hva den corpuskulære teorien om lys forutså og bidro til å fastslå at lys er en bølge.

I 1881 forbedret A. A. Michelson Foucaults målinger ved å konstruere et interferometer, som var i stand til å sammenligne fasene til den opprinnelige strålen og den returnerende en og vise et interferensmønster på en skjerm. Resultatet hans var 299 853 km / s.

Michelson hadde utviklet interferometeret for å oppdage tilstedeværelsen av eter, et spøkelsesaktig stoff som lysbølger ble antatt å forplante seg gjennom. Eksperimentet hans, utført med fysikeren Edward Morley, var en fiasko, og det førte til at Einstein konkluderte med at lysets hastighet er en universell konstant som er den samme i alle referanserammer. Det var grunnlaget for spesiell relativitetsteori.

Bruke ligningen for lysets hastighet

Michelsons verdi var den aksepterte til han forbedret den selv i 1926. Siden den gang har verdien blitt foredlet av et antall forskere som bruker en rekke teknikker. En slik teknikk er hulromresonatormetoden, som bruker en enhet som genererer elektrisk strøm. Dette er en gyldig metode fordi fysikere etter publiseringen av Maxwells-ligninger på midten av 1800-tallet har vært enige om at lys og elektrisitet begge er elektromagnetiske bølgefenomener, og begge kjører med samme hastighet.

Etter at Maxwell publiserte likningene, ble det faktisk mulig å måle c indirekte ved å sammenligne magnetisk permeabilitet og elektrisk permeabilitet i fritt rom. To forskere, Rosa og Dorsey, gjorde dette i 1907 og beregnet lysets hastighet til å være 299 778 km / s.

I 1950 brukte de britiske fysikerne Louis Essen og A. C. Gordon-Smith en hulromresonator for å beregne lysets hastighet ved å måle bølgelengde og frekvens. Lysets hastighet er lik avstanden lyset beveger seg d delt på tiden det tar At: c = d / ∆t. Tenk på at tiden for en enkelt bølgelengde λ å passere et punkt er perioden med bølgeformen, som er gjensidigheten til frekvensen v, og du får hastigheten på lysformelen:

c = νλ

Enheten som Essen og Gordon-Smith brukte er kjent som en hulrom resonans bølgemeter. Den genererer en elektrisk strøm med en kjent frekvens, og de var i stand til å beregne bølgelengden ved å måle dimensjonene til bølgemålet. Beregningene deres ga 299.792 km / s, noe som var den hittil mest nøyaktige bestemmelsen.

En moderne målemetode ved bruk av lasere

Én moderne målingsteknikk gjenoppligner den strålesplittende metoden som brukes av Fizeau og Foucault, men bruker lasere for å forbedre nøyaktigheten. I denne metoden er en pulserende laserstråle delt. Den ene bjelken går til en detektor, mens den andre reiser vinkelrett på et speil plassert et lite stykke unna. Speilet reflekterer strålen tilbake til et andre speil som avleder den til en andre detektor. Begge detektorene er koblet til et oscilloskop, som registrerer frekvensen av pulsen.

Toppene til oscilloskoppulsene skilles fordi den andre strålen beveger seg større avstand enn den første. Ved å måle avstanden mellom toppene og avstanden mellom speilene, er det mulig å utlede lysstrålens hastighet. Dette er en enkel teknikk, og den gir ganske nøyaktige resultater. En forsker ved University of New South Wales i Australia registrerte en verdi på 300.000 km / s.

Å måle lysets hastighet ikke lenger gir mening

Måleren som brukes av det vitenskapelige samfunnet er måleren. Den ble opprinnelig definert til å være en ti milliondel av avstanden fra ekvator til Nordpolen, og definisjonen ble senere endret til å være et visst antall bølgelengder for en av utslippslinjene til krypton-86. I 1983 skrapte General Council for Vekter og tiltak disse definisjonene og vedtok denne:

De måler er avstanden tilbakelagt av en lysstråle i et vakuum i 1 / 299,792,458 sekund, hvor den andre er basert på det radioaktive forfallet til cesium-133-atomet.

Å definere måleren med tanke på lysets hastighet fikser i utgangspunktet lysets hastighet til 299,792,458 m / s. Hvis et eksperiment gir et annet resultat, betyr det bare at apparatet er feil. I stedet for å utføre flere eksperimenter for å måle lysets hastighet, bruker forskere lysets hastighet for å kalibrere utstyret.

Bruke lysets hastighet for å kalibrere eksperimentelle apparater

Lysets hastighet dukker opp i en rekke ulemper innen fysikk, og det er teknisk mulig å beregne det fra andre målte data. For eksempel demonstrerte Planck at energien til et kvantum, for eksempel et foton, er lik dens frekvens ganger Planck-konstanten (h), som er lik 6.6262 x 10^-34 Joule⋅second. Siden frekvensen er c / λ, Plancks-ligningen kan skrives i form av bølgelengde:

E = hν = hc / λ

c = E / h

Ved å bombardere en fotoelektrisk plate med lys med en kjent bølgelengde og måle energien til de utkastede elektronene, er det mulig å få en verdi for c. Denne typen hastighet på kalkulatoren er ikke nødvendig å måle c, fordi c er definert å være hva det er. Imidlertid kan det brukes til å teste apparatet. Hvis Eλ / t kommer ikke ut til å være c, noe er galt verken med målingene av elektronenergien eller bølgelengden til det innfallende lyset.

Lysets hastighet i vakuum er en universell konstant

Det er fornuftig å definere måleren med tanke på lysets hastighet i et vakuum, siden det er den mest grunnleggende konstanten i universet. Einstein viste at det er det samme for hvert referansepunkt, uavhengig av bevegelse, og det er også den raskeste hva som helst kan reise i universet - i det minste alt med masse. Einsteins ligning, og en av de mest kjente ligningene i fysikk, E = mc², gir ledetråd til hvorfor dette er slik.

I sin mest gjenkjennelige form gjelder Einsteins-ligningen bare for kropper i ro. Den generelle ligningen inkluderer imidlertid Lorentz-faktor γ, hvor γ = 1 / √ (1- v²/ c²). For en kropp i bevegelse med en masse m og hastighet v, Einsteins-ligningen skal skrives E = mc²γ. Når du ser på dette, kan du se det når v = 0, γ = 1 og du får E = mc².

Imidlertid når v = c, γ blir uendelig, og konklusjonen du må trekke er at det vil ta en uendelig mengde energi for å akselerere all endelig masse til den hastigheten. En annen måte å se på det er at masse blir uendelig med lysets hastighet.

Den gjeldende definisjonen av måleren gjør lysets hastighet til standarden for landmålinger av avstand, men den har lenge vært brukt til å måle avstander i rommet. Et lysår er avstanden som lyset beveger seg i ett jordisk år, som viser seg å 9,46 × 10¹⁵ m.

At mange meter er for mange til å forstå, men et lysår er lett å forstå, og fordi lysets hastighet er konstant i alle treghetsreferanserammer, er det en pålitelig avstand. Det er gjort litt mindre pålitelig ved å være basert på året, som er en tidsramme som ikke ville ha noen relevans for noen fra en annen planet.