Come viene calcolata la velocità della luce? La mia conoscenza della fisica è limitata a quanto ho studiato fino al liceo. Un modo che mi viene in mente è: se proiettiamo la luce da un punto a un altro (di distanza nota) e misuriamo il tempo impiegato, potremmo conoscere la velocità della luce. ma abbiamo uno strumento di misurazione del tempo così preciso?
Commenti
- La velocità della luce, come tutte le velocità, viene calcolata dividendo una lunghezza per il tempo necessario per percorrere quella lunghezza.
- @Georg: praticamente nessuna velocità viene calcolata in questo modo. Esistono miliardi di leggi fisiche che coinvolgono la velocità e si può usare quella più adatta.
- @Marek, nessuna velocità è calcolata con quel rapporto? Ma, per spiegare a cosa mirava il mio commento: dovrebbe iniziare " learnerforever " a pensare alla differenza di " calcolando " e " misurazione ". Non distinguerlo è un errore comune per principianti.
- @Geord: ho interpretato la parola " calcolato " come misurato . Perché altrimenti la domanda non ' non ha davvero alcun senso per me …
Risposta
Da Wikipedia:
Attualmente, la velocità della luce nel vuoto è definita esattamente come 299.792.458 m / s (circa 186.282 miglia al secondo). Il valore fisso della velocità della luce nelle unità SI risulta dal fatto che il misuratore è ora definito in termini di velocità della luce.
Diversi fisici hanno tentato di misurare la velocità della luce nel corso della storia. Galileo tentò di misurare la velocità della luce nel XVII secolo. Un primo esperimento per misurare la velocità della luce è stato condotto da Ole Rømer, un fisico danese, nel 1676. Utilizzando un telescopio, Ole ha osservato i movimenti di Giove e di una delle sue lune, Io. Notando discrepanze nel periodo apparente dellorbita di Io, Rømer ha calcolato che la luce impiega circa 22 minuti per attraversare il diametro dellorbita terrestre. [4] Sfortunatamente, le sue dimensioni non erano note a quel tempo. Se Ole avesse conosciuto il diametro dellorbita terrestre, avrebbe calcolato una velocità di 227.000.000 m / s.
Unaltra misurazione più accurata della velocità della luce è stata eseguita in Europa da Hippolyte Fizeau nel 1849. Fizeau diresse un raggio di luce verso uno specchio a diversi chilometri di distanza. Una ruota dentata rotante fu collocata nel percorso del raggio di luce mentre viaggiava dalla sorgente allo specchio e poi tornava alla sua origine. Fizeau scoprì che a una certa velocità di rotazione, il raggio passerebbe attraverso una fessura nella ruota alluscita e la fessura successiva sulla via del ritorno. Conoscendo la distanza dallo specchio, il numero di denti sulla ruota e la velocità di rotazione, Fizeau è stato in grado di calcolare la velocità della luce come 313.000.000 m / s.
Léon Foucault ha utilizzato un esperimento che utilizzava specchi rotanti per ottenere un valore di 298.000.000 m / s nel 1862. Albert A. Michelson ha condotto esperimenti su la velocità della luce dal 1877 fino alla sua morte nel 1931. Ha perfezionato i metodi di Foucault nel 1926 utilizzando specchi rotanti migliorati per misurare il tempo impiegato dalla luce per fare un viaggio di andata e ritorno dal Monte. Wilson al Monte. San Antonio in California. Le misurazioni precise hanno prodotto una velocità di 299.796.000 m / s.
Commenti
- Buona risposta, +1. Giusto per aggiungere: le moderne misurazioni precise sia della distanza che del tempo si basano sempre su " orologi atomici ", la lunghezza donda o la periodicità del radiazione elettromagnetica emessa da vari atomi. ' spiegano come il contatore e il secondo erano definiti prima che la velocità della luce fosse fissata dalla definizione SI che hai citato. Queste misurazioni dellorologio atomico producono quindi la stessa accuratezza relativa delle distanze $ x $ e dei tempi $ t $ se $ x \ approx ct $.
- Gli orologi atomici usano microonde a bassa frequenza. I primi usavano i maser; quelli più recenti, per essere più precisi, raffreddano la materia con i laser e poi sondano gli stati di risonanza per cavità, in fontane atomiche. Le distanze sono misurate da radiazioni e interferometria simili: di solito vengono utilizzate lunghezze donda più corte per ottenere la massima precisione (per distanze sufficientemente brevi).
- Wow, la domanda successiva dovrebbe essere Comera la distanza tra le due montagne calcolate in modo così accurato!
- In che modo R ø mer ha sovrastimato il diametro della Terra ' s orbita (in minuti luce) così tanto?
Risposta
Il titolo della tua domanda è sul calcolo della velocità della luce ($ c $), ma il corpo chiede di misurare $ c $.Altri ti hanno risposto sulla questione della misurazione, ma vorrei “includere qualcosa sul calcolo di $ c $ dai principi.
La luce, come fenomeno elettromagnetico, è descritta dalle equazioni di Maxwell:
$$ \ begin {eqnarray} \ nabla \ cdot E & = & \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ nabla \ cdot B & = & 0 \\ \ nabla \ times E & = & – \ frac {\ partial B} {\ partial t} \\ \ nabla \ times B & = & \ mu_0 J + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t} \ end {eqnarray} $$
dove $ \ rho $ è la densità di carica, $ J $ è la densità di corrente, $ E $ e $ B $ sono rispettivamente i campi elettrico e magnetico, $ \ mu_0 $ è la permeabilità magnetica dello spazio libero e $ \ epsilon_0 $ è la permettività elettrica dello spazio libero. In assenza di addebiti, una soluzione a queste equazioni è unonda piana viaggiante con velocità
$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$
Naturalmente, questo lascia il problema di misurare $ \ mu_0 $ e $ \ epsilon_0 $, ma è una grande dimostrazione del fatto che la luce è veramente un fenomeno elettromagnetico. Come bonus aggiuntivo, $ \ mu_0 $ e $ \ epsilon_0 $ possono essere misurati in vari modi, senza richiedere una risoluzione temporale molto elevata.