Kuinka laskea valon nopeus

Sisältö

• Kevyet kokeilut
• Valon nopeuden mittaaminen tähtitieteellisistä havainnoista
• Vertaamalla valon nopeutta ilmassa veden nopeuteen
• Yhtälön käyttäminen valonopeudelle
• Moderni lasereita käyttävä mittausmenetelmä
• Valon nopeuden mittaaminen ei ole enää järkevää
• Valonopeuden käyttäminen kokeellisten laitteiden kalibrointiin
• Valon nopeus tyhjiössä on yleinen vakio

Napsauta sormesi! Aikana, jonka se vaati sen tekemiseen, valonsäde pystyi kulkemaan melkein kokonaan kuuhun. Jos napsautat sormea ​​vielä kerran, annat palkkiin aikaa matkan loppuun saattamiseksi. Asia on, että valo kulkee todella, todella nopeasti.

Valo kulkee nopeasti, mutta sen nopeus ei ole ääretön, kuten ihmiset uskoivat ennen 1700-luvua. Nopeus on liian nopea mittaamaan lampuilla, räjähdyksillä tai muilla keinoilla, jotka riippuvat kuitenkin ihmisen näköterävyydestä ja ihmisen reaktioajasta. Kysy Galileolta.

Kevyet kokeilut

Galileo suunnitteli vuonna 1638 kokeilun, jossa käytettiin lyhtyjä, ja paras päätelmä, jonka hän pystyi hallitsemaan, oli, että valo on "erityisen nopea" (toisin sanoen todella, todella nopea). Hän ei pystynyt keksimään numeroa, jos hän itse asiassa jopa yritti kokeilua. Hän kuitenkin uskalsi sanoa uskovansa valon liikkuvan vähintään 10 kertaa niin nopeasti kuin ääni. Itse asiassa se on enemmän kuin miljoona kertaa niin nopeasti.

Ensimmäisen onnistuneen valonopeuden mittauksen, jonka fyysikot yleisesti edustavat pienillä kirjaimilla c, teki Ole Roemer vuonna 1676. Hän perusti mittauksensa Jupiters-kuun havaintoihin. Siitä lähtien fyysikot ovat tähtien, hammaspyörien, pyörivien peilien, radiointerferometrien, onkaloresonaattoreiden ja lasereiden havainnointia mittauksen hiomiseksi. He tietävät nyt C niin tarkasti, että yleinen paino- ja mittaneuvosto perusti mittarin, joka on SI-järjestelmän peruspituusyksikkö, siihen.

Valon nopeus on yleinen vakio, joten valon nopeutta ei ole, sinänsä. Itse asiassa, jos C olivat erilaisia, kaikkien mittaustemme olisi muututtava, koska mittari perustuu siihen. Valolla on kuitenkin aalto-ominaisuudet, joihin sisältyy taajuus ν ja aallonpituus λ, ja voit liittää nämä valon nopeuteen tähän yhtälöön, jota voisit kutsua yhtälöksi valon nopeudelle:

c = νλ

Valon nopeuden mittaaminen tähtitieteellisistä havainnoista

Roemer oli ensimmäinen henkilö, joka keksi numeron valon nopeudelle. Hän teki sen tarkkailemalla Jupiters-kuun, erityisesti Ion, pimennyksiä. Hän valvoi, kuinka Io katosi jättiläisen planeetan taakse ja kuinka kauan sen uudelleen ilmestyminen kesti. Hän päätteli, että tämä aika saattoi poiketa jopa 1000 sekunnilla riippuen siitä, kuinka lähellä Jupiter oli maapallolle. Hän keksi valonopeuden arvolle 214 000 km / s, joka on samassa pallopuistossa kuin nykyaikainen arvo, joka on lähes 300 000 km / s.

Englantilainen tähtitieteilijä James Bradley laski vuonna 1728 valon nopeuden tarkkailemalla tähtien poikkeavuuksia, mikä on niiden näennäinen sijainnin muutos, joka johtuu maan liikkeestä auringon ympärillä. Mittaamalla tämän muutoksen kulma ja vähentämällä maan nopeus, jonka hän pystyi laskemaan tuolloin tiedossa olevista tiedoista, Bradley keksi paljon tarkemman luvun. Hän laski valon nopeuden tyhjiössä olevan 301 000 km / s.

Vertaamalla valon nopeutta ilmassa veden nopeuteen

Seuraava henkilö valonopeuden mittaamiseksi oli ranskalainen filosofi Armand Hippolyte Fizeau, ja hän ei luottanut tähtitieteellisiin havaintoihin. Sen sijaan hän rakensi laitteen, joka koostui säteenjakajasta, pyörivästä hammaspyörästä ja peilistä, joka oli sijoitettu 8 km: n päähän valonlähteestä. Hän pystyi säätämään pyörän pyörimisnopeutta salliakseen valonsäteen kulkemisen kohti peiliä, mutta estää paluun. Hänen laskelmansa C, jonka hän julkaisi vuonna 1849, oli 315 000 km / s, joka ei ollut yhtä tarkka kuin Bradley.

Vuotta myöhemmin ranskalainen fyysikko Léon Foucault paransi Fizeaus-kokeilua korvaamalla hammaspyörän pyörivän peilin. Foucaults-arvo c: lle oli 298 000 km / s, mikä oli tarkempi, ja prosessissa Foucault teki tärkeän löytön. Laittamalla vesiputken pyörivän peilin ja liikkumattoman peilin väliin, hän totesi, että valon nopeus ilmassa on suurempi kuin veden nopeus. Tämä oli vastoin sitä, mitä korpkulaarinen valoteoria ennusti ja auttoi todentamaan, että valo on aalto.

Vuonna 1881 A. A. Michelson paransi Foucaults-mittauksia rakentamalla interferometri, joka kykeni vertailemaan alkuperäisen säteen ja paluuvaiheen vaiheita ja esittämään häiriökuvion näytöllä. Hänen tulos oli 299 853 km / s.

Michelson oli kehittänyt interferometrin havaitsemaan eetteri, aavemainen aine, jonka läpi valon aaltojen ajateltiin leviävän. Hänen fyysikko Edward Morleyn kanssa suorittama kokeilu oli epäonnistuminen, ja se sai Einsteinin päätelmään, että valon nopeus on yleinen vakio, joka on sama kaikissa viitekehyksissä. Se oli erityisen suhteellisuusteorian perusta.

Yhtälön käyttäminen valonopeudelle

Michelsons-arvo hyväksyttiin, kunnes hän paransi sitä itse vuonna 1926. Sittemmin monet tutkijat ovat tarkenneet arvoa useilla eri tekniikoilla. Yksi tällainen tekniikka on onteloresonaattorimenetelmä, joka käyttää laitetta, joka tuottaa sähkövirtaa. Tämä on pätevä menetelmä, koska Maxwellsin yhtälöiden julkaisemisen jälkeen 1800-luvun puolivälissä fyysikot olivat yhtä mieltä siitä, että valo ja sähkö ovat molemmat sähkömagneettisia aaltoilmiöitä ja molemmat kulkevat samalla nopeudella.

Itse asiassa sen jälkeen kun Maxwell julkaisi yhtälönsä, tuli mahdolliseksi mitata c epäsuorasti vertaamalla vapaan tilan magneettista ja sähköistä läpäisevyyttä. Kaksi tutkijaa, Rosa ja Dorsey, tekivät tämän vuonna 1907 ja laskivat valon nopeudeksi 299 788 km / s.

Vuonna 1950 brittiläiset fyysikot Louis Essen ja A. C. Gordon-Smith käyttivät onkaloresonaattoria laskeakseen valon nopeuden mittaamalla sen aallonpituus ja taajuus. Valon nopeus on yhtä suuri kuin valon kulkema etäisyys d jaettuna aikaa, joka vie At: c = d / ∆t. Ajattele, että aika yhdelle aallonpituudelle λ pisteen ohittaminen on aaltomuodon jakso, joka on taajuuden vastavuoroinen v, ja saat valon nopeuden kaavan:

c = νλ

Essenin ja Gordon-Smithin käytetty laite tunnetaan nimellä onteloresonanssimittari. Se tuottaa tunnetun taajuuden sähkövirran, ja he pystyivät laskemaan aallonpituuden mittaamalla aallonmittarin mitat. Heidän laskelmansa tuottivat 299 792 km / s, mikä oli tähän mennessä tarkin määritys.

Moderni lasereita käyttävä mittausmenetelmä

Yksi nykyaikainen mittaustekniikka herättää Fizeaun ja Foucaultin käyttämän säteen jakamismenetelmän, mutta käyttää lasereita tarkkuuden parantamiseksi. Tässä menetelmässä pulssitettu lasersäde jaetaan. Yksi säde menee ilmaisimeen, kun taas toinen kulkee kohtisuoraan pienen matkan päässä olevaan peiliin. Peili heijastaa säteen takaisin toiseen peiliin, joka taipuu sen toiseen ilmaisimeen. Molemmat ilmaisimet on kytketty oskilloskooppiin, joka tallentaa pulssien taajuuden.

Oskilloskoopin pulssien huiput erotetaan, koska toinen säde kulkee suuremman etäisyyden kuin ensimmäinen. Mittaamalla piikkien etäisyys ja peilien välinen etäisyys on mahdollista saada aikaan valonsäteen nopeus. Tämä on yksinkertainen tekniikka, ja se tuottaa melko tarkkoja tuloksia. Australian Uuden Etelä-Walesin yliopiston tutkijan arvo oli 300 000 km / s.

Valon nopeuden mittaaminen ei ole enää järkevää

Tiedeyhteisön käyttämä mittatikku on mittari. Alun perin sen määriteltiin olevan kymmenen miljoonasosa etäisyydestä päiväntasaajasta pohjoisnapaan, ja määritelmä muutettiin myöhemmin tietyn määrän aallonpituuksia yhdestä krypton-86 päästöjohdosta. Vuonna 1983 yleinen paino- ja mittaneuvosto hylkäsi nämä määritelmät ja hyväksyi tämän:

mittari on tyhjiössä olevan valonsäteen kulkema etäisyys sekunnissa 1 / 299,792,458, jossa toinen perustuu cesium-133-atomin radioaktiiviseen hajoamiseen.

Mittarin määritteleminen valonopeuden perusteella vahvistaa valon nopeuden periaatteessa 299 792 458 m / s. Jos kokeilu antaa erilaisen tuloksen, se tarkoittaa vain, että laite on viallinen. Sen sijaan, että suorittaisi lisää kokeita valon nopeuden mittaamiseksi, tutkijat käyttävät valon nopeutta kalibroimaan laitteitaan.

Valonopeuden käyttäminen kokeellisten laitteiden kalibrointiin

Valon nopeus näkyy useissa fysiikan haitoissa, ja se on teknisesti mahdollista laskea muusta mitatusta tiedosta. Esimerkiksi Planck osoitti, että kvantin, kuten fotonin, energia on yhtä suuri kuin sen taajuuskertoimet Planckin vakiona (h), joka on yhtä suuri kuin 6,6262 x 10^-34 Joule⋅second. Koska taajuus on c / λ, Plancks-yhtälö voidaan kirjoittaa aallonpituudella:

E = hν = hc / λ

c = Eλ / h

Pommittamalla valosähköistä levyä tunnetun aallonpituuden valolla ja mittaamalla emittoituneiden elektronien energia, on mahdollista saada arvo C. Tämän tyyppinen valonlaskimen nopeus ei kuitenkaan ole välttämätöntä mittaamaan c, koska C on määritellyt olla mikä se on. Sitä voidaan kuitenkin käyttää laitteen testaamiseen. Jos Eλ / h ei tule c: ksi, jotain on vialla joko elektronien energian tai tulevan valon aallonpituuden mittauksissa.

Valon nopeus tyhjiössä on yleinen vakio

On mielekästä määrittää mittari valon nopeuden perusteella tyhjiössä, koska se on maailmankaikkeuden perustavanlaatuisin vakio. Einstein osoitti, että se on sama jokaisessa vertailupisteessä liikkeestä riippumatta, ja se on myös nopein mikä tahansa, joka voi matkustaa maailmankaikkeudessa - ainakin mitä tahansa massalla. Einsteins-yhtälö ja yksi fysiikan tunnetuimmista yhtälöistä, E = mc², antaa vihjeen miksi näin on.

Tunnistetuimmassa muodossaan Einsteins-yhtälö koskee vain levossa olevia kehoja. Yleinen yhtälö sisältää kuitenkin: Lorentzin tekijä γ, missä γ = 1 / √ (1- v²/ C²). Liikkeelle, jolla on massa m ja nopeus v, Einsteins-yhtälö tulisi kirjoittaa E = mc²γ. Kun tarkastelet tätä, voit nähdä, että milloin v = 0, γ = 1 ja saat E = mc².

Kuitenkin milloin v = c, y tulee äärettömäksi, ja johtopäätös, joka sinun on tehtävä, on, että kuluttaisi ääretön määrä energiaa kiihdyttääksesi kaikki äärelliset massat tähän nopeuteen. Toinen tapa katsoa sitä on, että massasta tulee ääretön valon nopeudella.

Mittarin nykyinen määritelmä tekee valonopeudesta standardin maanpäällisille etäisyysmittauksille, mutta sitä on käytetty pitkään etäisyyksien mittaamiseen avaruudessa. Kevyt vuosi on etäisyys, jonka valo kulkee yhden maallisen vuoden aikana, ja se osoittaa 9,46 × 10¹⁵ m.

Monta metriä on liian monta ymmärtää, mutta valovuosi on helppo ymmärtää, ja koska valon nopeus on vakio kaikissa inertioissa referenssikehyksissä, se on luotettava etäisyysyksikkö. Se on tehty hieman vähemmän luotettavaksi perustuen vuoteen, joka on aikataulu, jolla ei olisi merkitystä ketään eri planeetalta.