Tartalom
- Könnyű kísérletek
- A fény sebességének mérése a csillagászati megfigyelésekből
- A levegőben lévő fénysebesség és a vízsebesség összehasonlítása
- Az egyenlet használata a fénysebességhez
- Modern lézermérő módszer
- A fénysebesség mérése már nem érez érzékeltetést
- A fénysebesség használata a kísérleti készülék kalibrálásához
- A fénysebesség vákuumban univerzális állandó
Csettints az ujjaddal! Az ehhez szükséges idő alatt egy fénysugár szinte egészen a holdig tudott eljutni. Ha ismét bekattintja az ujját, megadja a sugárzásnak az idejét az utazás befejezéséhez. A lényeg az, hogy a fény nagyon, nagyon gyorsan utazik.
A fény gyorsan halad, de sebessége nem végtelen, ahogy az emberek hittek a 17. század előtt. A sebesség túl gyors ahhoz, hogy lámpákkal, robbanásokkal vagy más eszközökkel mérje, amelyek azonban az emberi látásélességtől és az emberi reakcióidőtől függnek. Kérdezd meg a Galileót.
Könnyű kísérletek
Galileo 1638-ban kidolgozott egy kísérletet, amelyben lámpákat használtak, és a legjobb következtetése, amit tudott kezelni, az volt, hogy a fény "rendkívül gyors" (más szóval, valóban, nagyon gyors). Nem tudott felállítani egy számot, ha valójában még megpróbálta volna a kísérletet. Megpróbálta mondani, hogy azt gondolja, hogy a fény legalább tízszer olyan gyorsan halad, mint a hang. Valójában ez több, mint milliószor gyorsabb.
A fénysebesség első sikeres mérését, amelyet a fizikusok általánosan képviselnek egy kis kisbetűvel, Ole Roemer készítette 1676-ban. Méréseit a Jupiters holdok megfigyeléseire alapozta. Azóta a fizikusok csillagok, fogaskerekek, forgó tükrök, rádió-interferométerek, üreges rezonátorok és lézerek megfigyeléseit használják a mérés finomítására. Most már tudják c annyira pontosan, hogy a Mérnöki Tanács a mérőt, amely az SI rendszer alapvető hosszúságának mértékegysége, rajta alapozta.
A fénysebesség egy univerzális állandó, tehát nincs a fénysebesség képlete, önmagában. Valójában, ha c bármilyen eltérőek lennének, minden mérésünknek meg kell változnia, mert a mérő rajta alapul. A fénynek azonban vannak hullámjellemzői, amelyek magukban foglalják a frekvenciát ν és hullámhossz λ, és ezeket a fénysebességgel összekapcsolhatja ezzel az egyenlettel, amelyet a fénysebesség egyenletének nevezhetünk:
c = λλ
A fény sebességének mérése a csillagászati megfigyelésekből
Roemer volt az első, aki a fénysebesség számával állt elő. Csinálta, miközben megfigyelte a Jupiters holdak, elsősorban az Io árnyékát. Figyeli, hogy Io eltűnik az óriási bolygó mögött, és aztán megmutatja, mennyi időbe telik az újbóli megjelenés. Azt állította, hogy ez az idő akár 1000 másodperccel is eltérhet attól függően, milyen közel volt Jupiter a földhez. 214 000 km / s fénysebességet ért el, amely ugyanabban a gördülőparkban fekszik, mint a közel 300 000 km / s modern érték.
James Bradley angol csillagász 1728-ban kiszámította a fénysebességet csillag-rendellenességek megfigyelésével, ami a helyzetnek a föld körül a Nap körül történő mozgása miatt nyilvánvaló változása. Bradley a változás szögének mérésével és a föld sebességének kivonásával, amelyet az akkor ismert adatok alapján kiszámíthatott, sokkal pontosabb számmal állt elő. A fénysebességet vákuumban kiszámította 301 000 km / s-ra.
A levegőben lévő fénysebesség és a vízsebesség összehasonlítása
A következő személy a fénysebesség mérésére Armand Hippolyte Fizeau francia filozófus volt, aki nem a csillagászati megfigyelésekre támaszkodott. Ehelyett egy olyan készüléket készített, amely egy fényszóróból, egy forgó fogaskerékből és egy tükörből áll, amely 8 km-re van a fényforrástól. Be tudta állítani a kerék fordulatszámát, hogy a fénynyaláb áthaladjon a tükör felé, de blokkolja a visszatérő fényt. Számítása: c, amelyet 1849-ben publikált, 315 000 km / s sebességgel rendelkezik, amely nem volt olyan pontos, mint a Bradleys.
Egy évvel később, Léon Foucault, egy francia fizikus, javult a Fizeaus-kísérletben azáltal, hogy a fogaskerékhez egy forgó tükröt cserélt. A Foucaults értéke c = 298 000 km / s volt, ami pontosabb volt, és a folyamat során a Foucault fontos felfedezést tett. Vízcsövet helyezve a forgó tükör és az álló tükör közé, megállapította, hogy a levegőben a fény sebessége nagyobb, mint a víz sebessége. Ez ellentétes volt azzal, amit a corpuscularis fényelmélet előrejött és segített megállapítani, hogy a fény egy hullám.
1881-ben A. A. Michelson javította a Foucaults-méréseket azáltal, hogy egy interferométert készített, amely összehasonlította az eredeti és a visszatérő fázis fázisait, és interferenciamintát mutatott a képernyőn. Eredménye 299 853 km / s volt.
Michelson kifejlesztette az interferométert a éter, egy kísérteties anyag, amelyen keresztül úgy gondolták, hogy a fényhullámok terjednek. Edward Morley fizikusával végzett kísérlete kudarcot vallott, és Einstein-t arra a következtetésre késztette, hogy a fénysebesség egy univerzális állandó, amely minden referenciakeretben azonos. Ez volt a speciális relativitáselmélet alapja.
Az egyenlet használata a fénysebességhez
A Michelsons-értéket elfogadták mindaddig, amíg 1926-ban maga nem javította azt. Azóta számos kutató finomította az értéket, különféle technikák alkalmazásával. Az egyik ilyen módszer az üreges rezonátor módszer, amely elektromos áramot generáló eszközt használ. Ez egy érvényes módszer, mivel a Maxwells-egyenleteknek az 1800-as évek közepén tett közzétételét követően a fizikusok egyetértettek abban, hogy a fény és az elektromosság egyaránt elektromágneses hullám jelenség, és mindkettő azonos sebességgel halad.
Valójában, miután Maxwell közzétette egyenleteit, lehetővé vált a közvetett c mérése a szabad tér mágneses és elektromos permeabilitásának összehasonlításával. Két kutató, Rosa és Dorsey, ezt megtette 1907-ben, és a fénysebességet 299 788 km / s-ra becsülte.
1950-ben a brit fizikusok, Louis Essen és A.C. Gordon-Smith üreges rezonátort használtak a fénysebesség kiszámításához a hullámhossz és a frekvencia mérésével. A fénysebesség megegyezik a fény megtett távolságával d elosztva a szükséges idővel At: c = d / ∆t. Vegye figyelembe, hogy az idő egyetlen hullámhosszra vonatkozik λ egy pont átadása a hullámforma időszaka, amely a frekvencia viszonossága v, és megkapja a fénysebesség képletet:
c = λλ
Az Essen és Gordon-Smith által használt eszköz a üreg rezonancia hullámmérő. Ismert frekvenciájú elektromos áramot generál, és képesek voltak kiszámítani a hullámhosszt a hullámmérő méretének mérésével. Számításuk eredménye 299 792 km / s volt, ami eddig a legpontosabb meghatározás volt.
Modern lézermérő módszer
Az egyik kortárs mérési technika feltámasztja a Fizeau és a Foucault által alkalmazott sugár-megosztási módszert, de lézerrel javítja a pontosságot. Ebben a módszerben egy impulzusos lézersugarat osztunk fel. Az egyik fénysugár detektor felé megy, míg a másik merőlegesen egy távolságra helyezett tükörhöz megy. A tükör visszatükrözi a fényt egy második tükörre, amely egy második érzékelő felé irányítja azt. Mindkét detektor egy oszcilloszkóphoz van rögzítve, amely rögzíti az impulzusok frekvenciáját.
Az oszcilloszkóp impulzusok csúcsait elválasztják, mivel a második sugár nagyobb távolságot hajt meg, mint az első. A csúcsok távolságának és a tükrök közötti távolság mérésével meg lehet határozni a fénysugár sebességét. Ez egy egyszerű technika, és meglehetősen pontos eredményeket ad. Az ausztráliai Új-dél-walesi egyetem kutatója 300 000 km / s értéket vett fel.
A fénysebesség mérése már nem érez érzékeltetést
A tudományos közösség által használt mérőpálca a mérő. Eredetileg az Egyenlítőtől az Északi-sarkig mért távolság tízmilliárd részévé vált, és a meghatározást később úgy módosították, hogy az a kripton-86 egyik emissziós vonalának bizonyos számú hullámhossza legyen. 1983-ban a Súlyok és Méretek Általános Tanácsa törölte ezeket a meghatározásokat és elfogadta ezt:
A méter a fényszóró által vákuumban megtett távolság egy másodperc 1 / 299,792,458-ban, ahol a második a cézium-133 atom radioaktív bomlásán alapul.
A méternek a fénysebesség alapján történő meghatározása alapvetően rögzíti a fénysebességet 299,792,458 m / s-on. Ha egy kísérlet más eredményt ad, ez csak azt jelenti, hogy a készülék hibás. A fénysebesség mérésére szolgáló további kísérletek elvégzése helyett a tudósok a fénysebességet használják felszerelésük kalibrálására.
A fénysebesség használata a kísérleti készülék kalibrálásához
A fénysebesség a fizikában sokféle szempontból megmutatkozik, és technikailag lehetséges kiszámítani azt más mért adatok alapján. Pl. Például Planck kimutatta, hogy egy kvantum, például egy foton energiája megegyezik a frekvencia és a Planck-állandó (h) hányszorosával, amely egyenlő: 6,6262 x 10-34 Joule⋅second. Mivel a frekvencia c / λ, Plancks-egyenlet hullámhosszon is megadható:
E = hν = hc / λ
c = Eλ / h
Ha fotoelektromos lemezt bombáznak egy ismert hullámhosszú fénnyel és megmérik a kibocsátott elektronok energiáját, akkor c. A fényszámológép ilyen típusú sebessége azonban nem szükséges a c méréséhez, mert c jelentése meghatározott hogy mi legyen. Használható azonban a készülék tesztelésére. Ha Eλ / h nem úgy tűnik, hogy c, valami nincs rendben sem az elektron energia mérésével, sem a beeső fény hullámhosszával.
A fénysebesség vákuumban univerzális állandó
Érdemes a mérőt a vákuumban levő fénysebesség alapján meghatározni, mivel az a világ legalapvetőbb állandója az univerzumban. Einstein megmutatta, hogy minden referenciapont esetében azonos, mozgástól függetlenül, és a leggyorsabb bármi, ami képes az univerzumban utazni - legalábbis bármi, amely tömeg. Einsteins egyenlet és a fizika egyik leghíresebb egyenlete, E = mc2, megmutatja, miért van ez így.
Leginkább felismerhető formájában az Einsteins-egyenlet csak a nyugalmi testre vonatkozik. Az általános egyenlet azonban magában foglalja a Lorentz tényező γ, ahol γ = 1 / √ (1- v2/ c2). Mozgó test számára egy tömeggel m és sebesség v, Einsteins egyenletet kell írni E = mc2γ. Ha megnézi ezt, láthatja, hogy mikor v = 0, γ = 1 és megkapod E = mc2.
Azonban mikor v = c, γ végtelenné válik, és azt a következtetést kell levonnod, hogy végtelen sok energiára lenne szükség ahhoz, hogy bármilyen véges tömeget erre a sebességre gyorsítson. Másik nézőpont az, hogy a tömeg a fénysebességgel végtelenné válik.
A mérő jelenlegi meghatározása alapján a fénysebességet a földfelszíni távolságmérés standardjává kell tenni, de régóta használják a távolság mérésére az űrben. A fényév az a távolság, amelyet a fény egy földi évben meghalad, amely 9,46 × 10-re nő15 m.
Ez a sok méter túl sok ahhoz, hogy megértsük, de egy fényév könnyen érthető, és mivel a fénysebesség állandó minden inerciális referenciakeretben, megbízható távolság-egysége van. Kissé kevésbé megbízhatóvá tette azáltal, hogy az évre támaszkodik, ami egy olyan időkeret, amelynek nincs jelentősége más bolygó senkitől.