Hvordan beregnes lysets hastighed? Min viden om fysik er begrænset til, hvor meget jeg studerede indtil gymnasiet. En måde, jeg kommer til at tænke på, er: hvis vi kaster lys fra et punkt til et andet (af kendt afstand) og måler den tid, det tager, kunne vi kende lysets hastighed. men har vi et så præcist tidsmålingsværktøj?
Kommentarer
- Lyshastighed, som alle hastigheder, beregnes ved at dividere en længde med tiden behov for at rejse den længde.
- @Georg: dybest set beregnes ingen hastighed sådan. Der er zillioner af fysiske love, der involverer hastighed, og man kan bruge hvilken som helst af dem, der er bedst egnet.
- @Marek, beregnes ingen hastighed ud fra det forhold? Men for at forklare, hvad min kommentar var rettet mod: det skulle starte " lærer for evigt " til at tænke på forskellen mellem " beregning af " og " måling ". At ikke skelne mellem dette er en almindelig begynderfejl.
- @Geord: Jeg fortolkede ordet " beregnet " som målt . For ellers har spørgsmålet ikke ' t virkelig mening for mig …
Svar
Fra Wikipedia:
I øjeblikket er lysets hastighed i vakuum defineret til nøjagtigt 299.792.458 m / s (ca. 186.282 miles i sekundet). Den faste værdi af lysets hastighed i SI-enheder skyldes, at måleren nu er defineret med hensyn til lysets hastighed.
Forskellige fysikere har forsøgt at måle lysets hastighed gennem historien. Galileo forsøgte at måle lysets hastighed i det syttende århundrede. Et tidligt eksperiment til at måle lysets hastighed blev udført af Ole Rømer, en dansk fysiker, i 1676. Ved hjælp af et teleskop observerede Ole bevægelserne fra Jupiter og en af dens måner, Io. Rømer bemærkede uoverensstemmelser i den tilsyneladende periode med Ios bane og beregnede, at lys tager cirka 22 minutter at krydse diameteren af jordens bane. [4] Desværre var dens størrelse ikke kendt på det tidspunkt. Hvis Ole havde kendt diameteren på jordens bane, ville han have beregnet en hastighed på 227.000.000 m / s.
En anden, mere nøjagtig, måling af lysets hastighed blev udført i Europa af Hippolyte Fizeau i 1849. Fizeau rettet en lysstråle mod et spejl flere kilometer væk. Et roterende tandhjul blev placeret i lysstrålens sti, da det bevægede sig fra kilden til spejlet og vendte derefter tilbage til dets oprindelse. Fizeau fandt ud af, at en bestemt rotationshastighed, ville strålen passere gennem et hul i hjulet på vej ud og det næste hul på vej tilbage. At kende afstanden til spejlet, antallet af tænder på hjulet og rotationshastigheden, Fizeau var i stand til at beregne lysets hastighed som 313.000.000 m / s.
Léon Foucault brugte et eksperiment, der brugte roterende spejle for at opnå en værdi på 298.000.000 m / s i 1862. Albert A. Michelson gennemførte eksperimenter på lysets hastighed fra 1877 indtil hans død i 1931. Han forfinerede Foucaults metoder i 1926 ved hjælp af forbedrede roterende spejle til at måle den tid, det tog lys at tage en rundtur fra Mt. Wilson til Mt. San Antonio i Californien. De nøjagtige målinger gav en hastighed på 299.796.000 m / s.
Kommentarer
- Godt svar, +1. Bare for at tilføje: de moderne præcise målinger af både afstand og tid er altid baseret på " atomure ", bølgelængden eller periodiciteten af elektromagnetisk stråling udsendt af forskellige atomer. De ' beskriver, hvordan måleren og det andet blev defineret, inden lysets hastighed blev fastsat ved hjælp af SI-definitionen, du nævnte. Disse atomurmålinger giver derfor den samme relative nøjagtighed af afstande $ x $ og gange $ t $ hvis $ x \ ca ct $.
- Atomure bruger lavfrekvente mikrobølger. De tidlige brugte masere; nyere, for at være mere nøjagtige, køler sagen ned ved hjælp af lasere, og så undersøger de resonanttilstande ved hulrum i atomfontæner. Afstande måles ved lignende stråling og interferometri – normalt bruges kortere bølgelængder til at opnå den højeste nøjagtighed (for korte nok afstande).
- Wow – det næste spørgsmål skal være Hvordan var afstanden mellem de to bjerge så nøjagtigt beregnet!
- Hvordan overvurderede R ø jordens diameter ' s bane (i lysminutter) så meget?
Svar
Titlen på dit spørgsmål er om beregning af lysets hastighed ($ c $), men kroppen spørger om måling $ c $.Andre har svaret dig om måleproblemet, men jeg vil gerne medtage lidt om beregningen af $ c $ ud fra principper.
Lys, som et elektromagnetisk fænomen, beskrives af Maxwells ligninger:
$$ \ begin {eqnarray} \ nabla \ cdot E & = & \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ nabla \ cdot B & = & 0 \\ \ nabla \ times E & = & – \ frac {\ partial B} {\ partial t} \\ \ nabla \ times B & = & \ mu_0 J + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t} \ end {eqnarray} $$
hvor $ \ rho $ er ladningstætheden, $ J $ er den aktuelle tæthed, $ E $ og $ B $ er henholdsvis de elektriske og magnetiske felter, $ \ mu_0 $ er den magnetiske permeabilitet af ledig plads, og $ \ epsilon_0 $ er den elektriske permittivitet af ledig plads. I mangel af ladninger er en løsning på disse ligninger en bevægelsesplanbølge med hastighed
$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$
Selvfølgelig efterlader dette problemet med at måle $ \ mu_0 $ og $ \ epsilon_0 $, men det er en fantastisk demonstration af, at lys virkelig er et elektromagnetisk fænomen. Som en ekstra bonus kan $ \ mu_0 $ og $ \ epsilon_0 $ måles på en række forskellige måder uden at kræve meget høj tidsopløsning.