Como a velocidade da luz é calculada? Meu conhecimento de física é limitado ao quanto estudei até o colegial. Uma maneira que me vem à mente é: se jogarmos luz de um ponto a outro (de distância conhecida) e medirmos o tempo gasto, poderemos saber a velocidade da luz. mas temos uma ferramenta de medição de tempo tão precisa?
Comentários
- A velocidade da luz, como todas as velocidades, é calculada dividindo o comprimento pelo tempo precisava percorrer esse comprimento.
- @Georg: basicamente nenhuma velocidade é calculada assim. Existem zilhões de leis físicas envolvendo velocidade e pode-se usar qualquer uma delas que seja mais adequada.
- @Marek, Nenhuma velocidade é calculada por essa razão? Mas, para explicar o objetivo do meu comentário: ele deve começar " learnerforever " a pensar sobre a diferença de " calculando " e " medição ". Não distinguir isso é um erro comum de iniciante.
- @Geord: interpretei a palavra " calculado " conforme medido . Porque do contrário, a pergunta não ' realmente não faria nenhum sentido para mim …
Resposta
Da Wikipedia:
Atualmente, a velocidade da luz no vácuo é definida como exatamente 299.792.458 m / s (aproximadamente 186.282 milhas por segundo). O valor fixo da velocidade da luz em unidades do SI resulta do fato de que o medidor agora é definido em termos da velocidade da luz.
Diferentes físicos tentaram medir a velocidade da luz ao longo da história. Galileu tentou medir a velocidade da luz no século XVII. Um experimento inicial para medir a velocidade da luz foi conduzido por Ole Rømer, um físico dinamarquês, em 1676. Usando um telescópio, Ole observou os movimentos de Júpiter e uma de suas luas, Io. Observando discrepâncias no período aparente da órbita de Io, Rømer calculou que a luz leva cerca de 22 minutos para atravessar o diâmetro da órbita da Terra. [4] Infelizmente, seu tamanho não era conhecido naquela época. Se Ole soubesse o diâmetro da órbita da Terra, ele teria calculado uma velocidade de 227 milhões de m / s.
Outra medição mais precisa da velocidade da luz foi realizada na Europa por Hippolyte Fizeau de a uma certa taxa de rotação, o feixe passaria por uma lacuna na roda na saída e a próxima lacuna no caminho de volta. Sabendo a distância até o espelho, o número de dentes na roda e a taxa de rotação, Fizeau foi capaz de calcular a velocidade da luz como 313.000.000 m / s.
Léon Foucault usou um experimento que usou espelhos rotativos para obter um valor de 298.000.000 m / s em 1862. Albert A. Michelson conduziu experimentos em a velocidade da luz de 1877 até sua morte em 1931. Ele refinou os métodos de Foucault em 1926 usando espelhos giratórios aprimorados para medir o tempo que a luz levou para fazer uma viagem de ida e volta do Monte. Wilson para o Monte. San Antonio, na Califórnia. As medições precisas geraram uma velocidade de 299.796.000 m / s.
Comentários
- Boa resposta, +1. Só para adicionar: as medições modernas precisas de distância e tempo são sempre baseadas em " relógios atômicos ", o comprimento de onda ou periodicidade do radiação eletromagnética emitida por vários átomos. Eles ' são como o metro e o segundo foram definidos antes que a velocidade da luz fosse fixada pela definição SI que você mencionou. Essas medições do relógio atômico, portanto, rendem a mesma precisão relativa de distâncias $ x $ e vezes $ t $ se $ x \ approx ct $.
- Os relógios atômicos usam microondas de baixa frequência. Os primeiros usavam masers; os mais novos, para ser mais preciso, esfriam a matéria com lasers e depois sondam os estados ressonantes por cavidades, em fontes atômicas. As distâncias são medidas por radiação e interferometria semelhantes – normalmente comprimentos de onda mais curtos estão sendo usados para alcançar a maior precisão (para distâncias curtas o suficiente).
- Uau – a próxima pergunta deve ser Qual foi a distância entre as duas montanhas calculadas com tanta precisão!
- Como R ø mer superestimou o diâmetro da Terra ' s órbita (em minutos-luz) por tanto?
Resposta
O título da sua pergunta é sobre calcular a velocidade da luz ($ c $), mas o corpo pergunta sobre medir $ c $.Outros responderam a você sobre a questão da medição, mas eu gostaria de incluir um pouco sobre o cálculo de $ c $ a partir dos princípios.
A luz, como um fenômeno eletromagnético, é descrita pelas equações de Maxwell:
$$ \ begin {eqnarray} \ nabla \ cdot E & = & \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ nabla \ cdot B & = & 0 \\ \ nabla \ times E & = & – \ frac {\ partial B} {\ partial t} \\ \ nabla \ times B & = & \ mu_0 J + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t} \ end {eqnarray} $$
onde $ \ rho $ é a densidade de carga, $ J $ é a densidade de corrente, $ E $ e $ B $ são os campos elétrico e magnético, respectivamente, $ \ mu_0 $ é a permeabilidade magnética do espaço livre, e $ \ epsilon_0 $ é a permissividade elétrica do espaço livre. Na ausência de quaisquer cargas, uma solução para essas equações é uma onda plana viajante com velocidade
$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$
Claro, isso deixa o problema de medir $ \ mu_0 $ e $ \ epsilon_0 $, mas é uma grande demonstração do fato de que a luz é realmente um fenômeno eletromagnético. Como um bônus adicional, $ \ mu_0 $ e $ \ epsilon_0 $ podem ser medidos de várias maneiras, sem exigir uma resolução de tempo muito alta.