Wie wird die Lichtgeschwindigkeit berechnet? Meine Kenntnisse der Physik beschränken sich darauf, wie viel ich bis zur High School studiert habe. Ein Weg, der mir in den Sinn kommt, ist: Wenn wir Licht von einem Punkt zum anderen werfen (von bekannter Entfernung) und die benötigte Zeit messen, können wir die Lichtgeschwindigkeit kennen. Aber haben wir ein so genaues Zeitmesswerkzeug?
Kommentare
- Die Lichtgeschwindigkeit wird wie alle Geschwindigkeiten berechnet, indem eine Länge durch die Zeit geteilt wird benötigt, um diese Länge zu fahren.
- @Georg: Grundsätzlich wird keine Geschwindigkeit so berechnet. Es gibt zig physikalische Gesetze, die Geschwindigkeit betreffen, und man kann dasjenige verwenden, das am besten geeignet ist.
- @Marek, Mit diesem Verhältnis wird keine Geschwindigkeit berechnet? Um zu erklären, worauf mein Kommentar abzielte: Er sollte " beginnen, bevor " über den Unterschied von Berechnung von " und " Messung ". Das nicht zu unterscheiden ist ein häufiger Anfängerfehler.
- @Geord: Ich habe das Wort " berechnet " als gemessen interpretiert . Weil sonst die Frage ' für mich keinen Sinn ergibt …
Antwort
Aus Wikipedia:
Derzeit ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum auf genau 299.792.458 m / s (ungefähr 186.282 Meilen pro Sekunde) definiert. Der feste Wert der Lichtgeschwindigkeit in SI-Einheiten ergibt sich aus der Tatsache, dass das Messgerät jetzt als Lichtgeschwindigkeit definiert ist.
Verschiedene Physiker haben im Laufe der Geschichte versucht, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Galileo versuchte im 17. Jahrhundert, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Ein frühes Experiment zur Messung der Lichtgeschwindigkeit wurde 1676 von Ole Rømer, einem dänischen Physiker, durchgeführt. Mit einem Teleskop beobachtete Ole die Bewegungen des Jupiter und eines seiner Monde, Io. Rømer stellte Unstimmigkeiten in der scheinbaren Periode der Umlaufbahn von Io fest und berechnete, dass Licht etwa 22 Minuten benötigt, um den Durchmesser der Erdumlaufbahn zu durchqueren. [4] Leider war seine Größe zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt. Wenn Ole den Durchmesser der Erdumlaufbahn gekannt hätte, hätte er eine Geschwindigkeit von 227.000.000 m / s berechnet.
Eine weitere, genauere Messung der Lichtgeschwindigkeit wurde in Europa von Hippolyte Fizeau durchgeführt 1849. Fizeau richtete einen Lichtstrahl auf einen mehrere Kilometer entfernten Spiegel. Ein rotierendes Zahnrad wurde auf dem Weg des Lichtstrahls von der Quelle zum Spiegel platziert und kehrte dann zu seinem Ursprung zurück. Fizeau fand das bei Bei einer bestimmten Drehzahl würde der Strahl auf dem Weg nach draußen durch eine Lücke im Rad und auf dem Rückweg durch die nächste Lücke gehen. Wenn man den Abstand zum Spiegel, die Anzahl der Zähne am Rad und die Drehzahl kennt, Fizeau konnte die Lichtgeschwindigkeit mit 313.000.000 m / s berechnen.
Léon Foucault verwendete ein Experiment, bei dem 1862 rotierende Spiegel verwendet wurden, um einen Wert von 298.000.000 m / s zu erhalten. Albert A. Michelson führte Experimente mit durch die Lichtgeschwindigkeit von 1877 bis zu seinem Tod im Jahr 1931. Er verfeinerte Foucaults Methoden im Jahr 1926 mit verbesserte rotierende Spiegel, um die Zeit zu messen, die Licht für eine Rundreise vom Berg benötigt. Wilson zum Mt. San Antonio in Kalifornien. Die genauen Messungen ergaben eine Geschwindigkeit von 299.796.000 m / s.
Kommentare
- Gute Antwort, +1. Nur um hinzuzufügen: Die modernen präzisen Messungen von Entfernung und Zeit basieren immer auf " Atomuhren ", der Wellenlänge oder Periodizität der elektromagnetische Strahlung, die von verschiedenen Atomen emittiert wird. Sie ' geben an, wie der Zähler und der zweite definiert wurden, bevor die Lichtgeschwindigkeit durch die von Ihnen erwähnte SI-Definition festgelegt wurde. Diese Atomuhrmessungen ergeben daher die gleiche relative Genauigkeit der Abstände $ x $ und Zeiten $ t $, wenn $ x \ ungefähr ct $.
- Atomuhren verwenden niederfrequente Mikrowellen. Die frühen benutzten Masers; Neuere, um genauer zu sein, kühlen die Materie mit Lasern ab und untersuchen dann die Resonanzzustände durch Hohlräume in Atombrunnen. Die Abstände werden durch ähnliche Strahlung und Interferometrie gemessen – normalerweise werden kürzere Wellenlängen verwendet, um die höchste Genauigkeit zu erzielen (für ausreichend kurze Abstände).
- Wow – die nächste Frage sollte lauten: Wie war der Abstand zwischen Die beiden Berge wurden so genau berechnet!
- Wie hat R ø mer den Durchmesser der Erde überschätzt ' s Umlaufbahn (in Lichtminuten) um so viel?
Antwort
Der Titel Ihrer Frage lautet über Berechnung der Lichtgeschwindigkeit ($ c $), aber der Körper fragt nach Messung $ c $.Andere haben Ihnen zu diesem Messproblem geantwortet, aber ich möchte ein wenig über die Berechnung von $ c $ aus Prinzipien aufnehmen.
Licht als elektromagnetisches Phänomen wird durch Maxwells Gleichungen beschrieben:
$$ \ begin {eqnarray} \ nabla \ cdot E & = & \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ nabla \ cdot B & = & 0 \\ \ nabla \ times E & = & – \ frac {\ partielles B} {\ partielles t} \\ \ nabla \ times B & = & \ mu_0 J + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partielles E} {\ partielles t} \ end {eqnarray} $$
wobei $ \ rho $ ist die Ladungsdichte, $ J $ ist die Stromdichte, $ E $ und $ B $ sind die elektrischen bzw. magnetischen Felder, $ \ mu_0 $ ist die magnetische Permeabilität des freien Raums und $ \ epsilon_0 $ ist die elektrische Permittivität des freien Raums. In Abwesenheit von Ladungen ist eine Lösung für diese Gleichungen eine sich bewegende ebene Welle mit der Geschwindigkeit
$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$
Damit bleibt natürlich das Problem der Messung von $ \ mu_0 $ und $ \ epsilon_0 $, aber es ist eine großartige Demonstration der Tatsache, dass Licht wirklich ein elektromagnetisches Phänomen ist. Als zusätzlichen Bonus können $ \ mu_0 $ und $ \ epsilon_0 $ auf verschiedene Arten gemessen werden, ohne dass eine sehr hohe Zeitauflösung erforderlich ist.