Cum se calculează viteza luminii?

Din Wikipedia:
În prezent, viteza luminii într-un vid este definită ca fiind exact 299.792.458 m / s (aproximativ 186.282 mile pe secundă). Valoarea fixă a vitezei luminii în unitățile SI rezultă din faptul că acum contorul este definit în termeni de viteză a luminii.

Diferenți fizicieni au încercat să măsoare viteza luminii de-a lungul istoriei. Galileo a încercat să măsoare viteza luminii în secolul al XVII-lea. Un experiment timpuriu pentru a măsura viteza luminii a fost realizat de Ole Rømer, fizician danez, în 1676. Folosind un telescop, Ole a observat mișcările lui Jupiter și una dintre lunile sale, Io. Remarcând discrepanțele din perioada aparentă a orbitei lui Io, Rømer a calculat că lumina durează aproximativ 22 de minute pentru a traversa diametrul orbitei Pământului. [4] Din păcate, dimensiunea sa nu era cunoscută în acel moment. Dacă Ole ar fi cunoscut diametrul orbitei Pământului, ar fi calculat o viteză de 227.000.000 m / s.

O altă măsurare mai precisă a vitezei luminii a fost efectuată în Europa de Hippolyte Fizeau în 1849. Fizeau a direcționat un fascicul de lumină către o oglindă aflată la câțiva kilometri distanță. O roată dințată rotativă a fost plasată în calea fasciculului de lumină în timp ce se deplasa de la sursă la oglindă și apoi a revenit la originea sa. o anumită rată de rotație, grinda ar trece printr-un spațiu din roată la ieșire și următorul spațiu la întoarcere. Știind distanța până la oglindă, numărul de dinți de pe roată și rata de rotație, Fizeau a reușit să calculeze viteza luminii ca 313.000.000 m / s.

Léon Foucault a folosit un experiment care a folosit oglinzi rotative pentru a obține o valoare de 298.000.000 m / s în 1862. Albert A. Michelson a efectuat experimente pe viteza luminii din 1877 până la moartea sa în 1931. El a rafinat metodele lui Foucault în 1926 folosind oglinzi rotative îmbunătățite pentru a măsura timpul necesar luminii pentru a face o călătorie dus-întors de la Mt. Wilson la Mt. San Antonio în California. Măsurătorile precise au avut o viteză de 299.796.000 m / s.

Comentarii

• Răspuns bun, +1. Doar pentru a adăuga: măsurătorile precise și moderne ale distanței și timpului se bazează întotdeauna pe " ceasuri atomice ", lungimea de undă sau periodicitatea radiații electromagnetice emise de diverși atomi. Ei ' sunt modul în care contorul și al doilea au fost definite înainte ca viteza luminii să fie fixată prin definiția SI pe care ați menționat-o. Aceste măsurători ale ceasului atomic oferă, prin urmare, aceeași precizie relativă a distanțelor $ x $ și a timpilor $ t $ dacă $ x \ approx ct $.
• Ceasurile atomice utilizează microunde cu frecvență joasă. Primii foloseau masers; altele mai noi, pentru a fi mai exacte, răcesc materia prin lasere și apoi sondează stările rezonante prin cavități, în fântâni atomice. Distanțele sunt măsurate prin radiații și interferometrie similare – de obicei se utilizează lungimi de undă mai mici pentru a obține cea mai mare precizie (pentru distanțe suficient de scurte).
• Wow – următoarea întrebare ar trebui să fie Cum a fost distanța dintre cei doi munți s-au calculat atât de exact!
• Cum a putut R ø să supraestimeze diametrul Pământului ' orbita (în minute lumină) cu atât de mult?

Titlul întrebării dvs. este despre calcularea vitezei luminii ($ c $), dar corpul întreabă despre măsurarea $ c $.Alții v-au răspuns cu privire la problema măsurării, dar „aș dori să includ un pic despre calculul de $ c $ din principii.

Lumina, ca fenomen electromagnetic, este descrisă de ecuațiile lui Maxwell:

$$ \ begin {eqnarray} \ nabla \ cdot E & = & \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ nabla \ cdot B & = & 0 \\ \ nabla \ times E & = & – \ frac {\ partial B} {\ partial t} \\ \ nabla \ times B & = & \ mu_0 J + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t} \ end {eqnarray} $$

unde $ \ rho $ este densitatea de încărcare, $ J $ este densitatea curentă, $ E $ și $ B $ sunt câmpurile electrice și, respectiv, $ \ mu_0 $ este permeabilitatea magnetică a spațiului liber, iar $ \ epsilon_0 $ este permitivitatea electrică a spațiului liber. În absența oricăror sarcini, o soluție la aceste ecuații este o undă plană de deplasare cu viteză

$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$

Desigur, aceasta lasă problema măsurării $ \ mu_0 $ și $ \ epsilon_0 $, dar este o demonstrație excelentă a faptului că lumina este cu adevărat un fenomen electromagnetic. Ca bonus suplimentar, $ \ mu_0 $ și $ \ epsilon_0 $ pot fi măsurate într-o varietate de moduri, fără a necesita o rezoluție de timp foarte mare.