Jak obliczana jest prędkość światła? Moja wiedza z fizyki ogranicza się do tego, ile studiowałem do liceum. Przychodzi mi na myśl tylko jeden sposób: jeśli rzucamy światło z jednego punktu do drugiego (na znaną odległość) i mierzymy czas, to możemy poznać prędkość światła. ale czy mamy tak precyzyjne narzędzie do pomiaru czasu?
Komentarze
- Prędkość światła, podobnie jak wszystkie prędkości, jest obliczana przez podzielenie długości przez czas potrzebował do przebycia takiej długości.
- @Georg: w zasadzie żadna prędkość nie jest obliczana w ten sposób. Istnieją miliony praw fizycznych dotyczących szybkości i można użyć tego, które z nich jest najbardziej odpowiednie.
- @Marek, Żadna prędkość nie jest obliczana na podstawie tego współczynnika? Ale żeby wyjaśnić, do czego był skierowany mój komentarz: powinien zacząć " learnerforever ", aby pomyśleć o różnicy " obliczanie " i " pomiaru ". Brak rozróżnienia to częsty błąd początkujących.
- @Geord: zinterpretowałem słowo " obliczone " zgodnie z pomiarem . W przeciwnym razie pytanie nie ' nie ma dla mnie żadnego sensu …
Odpowiedź
Z Wikipedii:
Obecnie prędkość światła w próżni jest określona na dokładnie 299 792 458 m / s (około 186 282 mil na sekundę). Stała wartość prędkości światła w jednostkach SI wynika z faktu, że miernik jest obecnie definiowany w kategoriach prędkości światła.
Różni fizycy próbowali mierzyć prędkość światła na przestrzeni dziejów. Galileusz próbował zmierzyć prędkość światła w XVII wieku. Wczesny eksperyment mierzący prędkość światła został przeprowadzony przez Ole Rømera, duńskiego fizyka, w 1676 roku. Za pomocą teleskopu Ole obserwował ruchy Jowisza i jednego z jego księżyców, Io. Zauważając rozbieżności w pozornym okresie orbity Io, Rømer obliczył, że światło potrzebuje około 22 minut, aby przejść przez średnicę orbity Ziemi. [4] Niestety, jego wielkość nie była wówczas znana. Gdyby Ole znał średnicę orbity Ziemi, obliczyłby prędkość 227 000 000 m / s.
Inny, dokładniejszy pomiar prędkości światła został przeprowadzony w Europie przez Hippolyte Fizeau w 1849 r. Fizeau skierował wiązkę światła w lustro oddalone o kilka kilometrów. Obracające się koło zębate zostało umieszczone na torze wiązki światła, gdy podróżował od źródła do lustra, a następnie powrócił do źródła. Fizeau stwierdził, że w pewną prędkość obrotu, wiązka przechodziłaby przez jedną szczelinę w kole przy wyjściu i następną w drodze powrotnej. Znając odległość do lusterka, liczbę zębów na kole i prędkość obrotu, Fizeau był w stanie obliczyć prędkość światła na 313 000 000 m / s.
Léon Foucault zastosował eksperyment, w którym wykorzystano obracające się lustra, aby uzyskać wartość 298 000 000 m / s w 1862 r. Albert A. Michelson przeprowadził eksperymenty na prędkość światła od 1877 do jego śmierci w 1931 roku. Metody Foucaulta udoskonalił w 1926 roku, używając ulepszone obrotowe lusterka do pomiaru czasu potrzebnego światła na podróż w obie strony z Mt. Wilson do Mt. San Antonio w Kalifornii. Precyzyjne pomiary dały prędkość 299 796 000 m / s.
Komentarze
- Dobra odpowiedź, +1. Wystarczy dodać: nowoczesne precyzyjne pomiary zarówno odległości, jak i czasu są zawsze oparte na " zegarach atomowych ", długości fali lub okresowości promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez różne atomy. ' mówią, w jaki sposób miernik i sekunda zostały zdefiniowane, zanim prędkość światła została ustalona przez wspomnianą definicję SI. Te pomiary zegara atomowego dają zatem tę samą względną dokładność odległości $ x $ i razy $ t $, jeśli $ x \ ok. Ct $.
- Zegary atomowe wykorzystują mikrofale o niskiej częstotliwości. Wczesne używali maserów; nowsze, dokładniej mówiąc, chłodzą materię za pomocą laserów, a następnie sondują stany rezonansowe przez wnęki, w fontannach atomowych. Odległości są mierzone za pomocą podobnego promieniowania i interferometrii – zwykle używa się krótszych długości fal, aby osiągnąć najwyższą dokładność (na wystarczająco krótkie odległości).
- Wow – następne pytanie powinno brzmieć Jaka była odległość między dwie góry tak dokładnie obliczone!
- W jaki sposób R ø mer przeszacował średnicę Ziemi ' s orbita (w minutach świetlnych) o tyle?
Odpowiedź
Tytuł Twojego pytania to o obliczeniu prędkości światła ($ c $), ale ciało pyta o zmierzenie $ c $.Inni odpowiedzieli na pytania dotyczące pomiaru, ale chciałbym dodać trochę informacji na temat obliczania $ c $ na podstawie zasad.
Światło, jako zjawisko elektromagnetyczne, jest opisane równaniami Maxwella:
$$ \ begin {eqnarray} \ nabla \ cdot E & = & \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ nabla \ cdot B & = & 0 \\ \ nabla \ times E & = & – \ frac {\ part B} {\ part t} \\ \ nabla \ times B & = & \ mu_0 J + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ częściowe E} {\ częściowe t} \ end {eqnarray} $$
gdzie $ \ rho $ to gęstość ładunku, $ J $ to gęstość prądu, $ E $ i $ B $ to odpowiednio pola elektryczne i magnetyczne, $ \ mu_0 $ to przenikalność magnetyczna wolnej przestrzeni, a $ \ epsilon_0 $ to przenikalność elektryczna wolnej przestrzeni. W przypadku braku jakichkolwiek ładunków jednym z rozwiązań tych równań jest podróżująca fala płaska z prędkością
$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$
Oczywiście pozostawia to problem z pomiarem $ \ mu_0 $ i $ \ epsilon_0 $, ale jest to świetny dowód na to, że światło jest naprawdę zjawiskiem elektromagnetycznym. Jako dodatkowy bonus, $ \ mu_0 $ i $ \ epsilon_0 $ można mierzyć na różne sposoby, bez konieczności bardzo dużej rozdzielczości czasowej.