Cách tính tốc độ ánh sáng

NộI Dung

• Thí nghiệm ánh sáng
• Đo tốc độ ánh sáng từ các quan sát thiên văn
• So sánh tốc độ ánh sáng trong không khí với tốc độ trong nước
• Sử dụng phương trình tốc độ ánh sáng
• Một phương pháp đo lường hiện đại sử dụng laser
• Đo tốc độ ánh sáng không còn làm cho ý thức
• Sử dụng tốc độ ánh sáng để hiệu chỉnh thiết bị thí nghiệm
• Tốc độ của ánh sáng trong chân không là một hằng số phổ quát

Búng ngón tay của bạn! Trong thời gian cần thiết để làm điều đó, một chùm ánh sáng có thể đi gần như toàn bộ mặt trăng. Nếu bạn búng ngón tay một lần nữa, bạn sẽ cho chùm thời gian để hoàn thành hành trình. Vấn đề là ánh sáng đi rất nhanh.

Ánh sáng truyền đi nhanh chóng, nhưng tốc độ của nó không phải là vô hạn, như mọi người tin trước thế kỷ 17. Tốc độ quá nhanh để đo bằng cách sử dụng đèn, vụ nổ hoặc các phương tiện khác phụ thuộc vào thị lực của con người và thời gian phản ứng của con người. Hỏi Galileo.

Thí nghiệm ánh sáng

Galileo đã nghĩ ra một thí nghiệm vào năm 1638 sử dụng đèn lồng và kết luận tốt nhất mà ông có thể quản lý là ánh sáng là "cực kỳ nhanh" (nói cách khác, thực sự, rất nhanh). Anh ta đã không thể đưa ra một con số, trên thực tế, thậm chí anh ta đã thử làm thí nghiệm. Tuy nhiên, ông đã mạo hiểm nói rằng ông tin rằng ánh sáng truyền đi nhanh hơn ít nhất 10 lần so với âm thanh. Trên thực tế, nó nhanh hơn gấp triệu lần.

Phép đo thành công đầu tiên về tốc độ ánh sáng, mà các nhà vật lý đại diện cho chữ thường c, được thực hiện bởi Ole Roemer vào năm 1676. Ông dựa trên các phép đo của mình dựa trên các quan sát về các mặt trăng của Sao Mộc. Kể từ đó, các nhà vật lý đã sử dụng các quan sát của các ngôi sao, bánh răng, gương xoay, giao thoa vô tuyến, bộ cộng hưởng khoang và laser để tinh chỉnh phép đo. Bây giờ họ biết c chính xác đến mức Hội đồng chung về Trọng lượng và Đo lường dựa trên máy đo, là đơn vị cơ bản của chiều dài trong hệ thống SI, trên đó.

Tốc độ của ánh sáng là một hằng số phổ quát, vì vậy không có tốc độ của công thức ánh sáng, mỗi gia nhập. Trong thực tế, nếu c là khác nhau, tất cả các phép đo của chúng tôi sẽ phải thay đổi, bởi vì đồng hồ dựa trên nó. Ánh sáng có đặc điểm sóng, bao gồm tần số ν và bước sóng λvà bạn có thể liên hệ những điều này với tốc độ ánh sáng với phương trình này, mà bạn có thể gọi phương trình cho tốc độ ánh sáng:

c = λλ

Đo tốc độ ánh sáng từ các quan sát thiên văn

RoTable là người đầu tiên đưa ra một con số cho tốc độ ánh sáng. Ông đã làm điều đó trong khi quan sát nhật thực của các mặt trăng của Sao Mộc, đặc biệt là Io. Anh ta sẽ chứng kiến ​​Io biến mất sau hành tinh khổng lồ và sau đó mất bao lâu để xuất hiện trở lại. Ông lý luận rằng thời gian này có thể khác nhau tới 1.000 giây, tùy thuộc vào mức độ sao Mộc ở gần trái đất. Ông đã đưa ra một giá trị cho tốc độ ánh sáng là 214.000 km / giây, trong cùng một sân bóng với giá trị hiện đại gần 300.000 km / giây.

Năm 1728, nhà thiên văn học người Anh James Bradley đã tính toán tốc độ ánh sáng bằng cách quan sát quang sai của sao, đó là sự thay đổi rõ ràng về vị trí của chúng do chuyển động của trái đất quanh mặt trời. Bằng cách đo góc của sự thay đổi này và trừ đi tốc độ của trái đất, thứ mà anh ta có thể tính được từ dữ liệu được biết vào thời điểm đó, Bradley đã đưa ra một con số chính xác hơn nhiều. Ông tính toán tốc độ ánh sáng trong chân không là 301.000 km / s.

So sánh tốc độ ánh sáng trong không khí với tốc độ trong nước

Người tiếp theo đo tốc độ ánh sáng là nhà triết học người Pháp Armand Hippolyte Fizeau, và ông không dựa vào các quan sát thiên văn. Thay vào đó, ông chế tạo một thiết bị bao gồm bộ tách chùm, bánh răng xoay và gương đặt cách nguồn sáng 8 km. Anh ta có thể điều chỉnh tốc độ quay của bánh xe để cho phép một chùm ánh sáng truyền về phía gương nhưng chặn chùm tia quay trở lại. Tính toán của anh ấy về c, mà ông đã xuất bản vào năm 1849, là 315.000 km / giây, không chính xác như Bradley.

Một năm sau, Léon Foucault, một nhà vật lý người Pháp, đã cải thiện thí nghiệm Fizeaus bằng cách thay thế một chiếc gương xoay cho bánh xe có răng. Giá trị Foucaults cho c là 298.000 km / s, chính xác hơn, và trong quá trình đó, Foucault đã thực hiện một khám phá quan trọng. Bằng cách chèn một ống nước giữa gương xoay và gương đứng yên, anh ta xác định rằng tốc độ ánh sáng trong không khí cao hơn tốc độ trong nước. Điều này trái ngược với những gì lý thuyết ánh sáng cơ thể dự đoán và giúp thiết lập rằng ánh sáng là một sóng.

Vào năm 1881, A. A. Michelson đã cải thiện các phép đo Foucaults bằng cách xây dựng một giao thoa kế, có thể so sánh các pha của chùm sáng ban đầu và trở lại và hiển thị kiểu giao thoa trên màn hình. Kết quả của anh là 299.853 km / s.

Michelson đã phát triển giao thoa kế để phát hiện sự hiện diện của ête, một chất ma quái qua đó sóng ánh sáng được cho là truyền đi. Thí nghiệm của ông, được thực hiện với nhà vật lý Edward Morley, là một thất bại, và nó đã khiến Einstein kết luận rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số phổ quát giống nhau trong tất cả các khung tham chiếu. Đó là nền tảng cho Lý thuyết tương đối đặc biệt.

Sử dụng phương trình tốc độ ánh sáng

Giá trị của Michelsons là giá trị được chấp nhận cho đến khi ông tự cải thiện nó vào năm 1926. Kể từ đó, giá trị đã được tinh chỉnh bởi một số nhà nghiên cứu sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau. Một kỹ thuật như vậy là phương pháp cộng hưởng khoang, sử dụng một thiết bị tạo ra dòng điện. Đây là một phương pháp hợp lệ bởi vì, sau khi công bố các phương trình Maxwell vào giữa những năm 1800, các nhà vật lý đã đồng ý rằng ánh sáng và điện là cả hai hiện tượng sóng điện từ và cả hai đều truyền đi với cùng tốc độ.

Trên thực tế, sau khi Maxwell công bố các phương trình của mình, người ta có thể đo c một cách gián tiếp bằng cách so sánh tính thấm từ tính và tính thấm điện của không gian trống. Hai nhà nghiên cứu, Rosa và Dorsey, đã làm điều này vào năm 1907 và tính toán tốc độ ánh sáng là 299.788 km / s.

Năm 1950, các nhà vật lý người Anh Louis Essen và A.C. Gordon-Smith đã sử dụng bộ cộng hưởng khoang để tính tốc độ ánh sáng bằng cách đo bước sóng và tần số của nó. Tốc độ của ánh sáng bằng với quãng đường ánh sáng đi được Cười mở miệng chia cho thời gian ∆t: c = d / ∆t. Hãy xem xét rằng thời gian cho một bước sóng duy nhất λ để vượt qua một điểm là khoảng thời gian của dạng sóng, là nghịch đảo của tần số vvà bạn có được tốc độ của công thức ánh sáng:

c = λλ

Thiết bị Essen và Gordon-Smith được sử dụng được gọi là khoang cộng hưởng wavemeter. Nó tạo ra một dòng điện có tần số đã biết và họ có thể tính được bước sóng bằng cách đo kích thước của wavemeter. Tính toán của họ mang lại 299.792 km / s, đó là quyết định chính xác nhất cho đến nay.

Một phương pháp đo lường hiện đại sử dụng laser

Một kỹ thuật đo lường hiện đại làm sống lại phương pháp tách chùm được sử dụng bởi Fizeau và Foucault, nhưng sử dụng tia laser để cải thiện độ chính xác. Trong phương pháp này, một chùm tia laser được tách ra. Một chùm tia tới máy dò trong khi một chùm khác đi vuông góc với một chiếc gương đặt cách đó một quãng ngắn. Chiếc gương phản chiếu chùm tia trở lại gương thứ hai làm lệch hướng nó sang máy dò thứ hai. Cả hai máy dò được nối với một máy hiện sóng, ghi lại tần số của các xung.

Các đỉnh của xung dao động được tách ra vì chùm thứ hai truyền đi một khoảng cách lớn hơn so với xung thứ nhất. Bằng cách đo sự phân tách của các cực đại và khoảng cách giữa các gương, có thể lấy được tốc độ của chùm sáng. Đây là một kỹ thuật đơn giản, và nó mang lại kết quả khá chính xác. Một nhà nghiên cứu tại Đại học New South Wales ở Úc đã ghi nhận giá trị 300.000 km / s.

Đo tốc độ ánh sáng không còn làm cho ý thức

Thước đo được sử dụng bởi cộng đồng khoa học là máy đo. Ban đầu nó được định nghĩa là một phần mười của khoảng cách từ xích đạo đến Bắc Cực, và định nghĩa sau đó được thay đổi thành một số bước sóng nhất định của một trong những đường phát xạ của krypton-86. Năm 1983, Hội đồng chung về Trọng lượng và Đo lường đã loại bỏ các định nghĩa đó và thông qua định nghĩa này:

Các mét là quãng đường mà một chùm ánh sáng truyền được trong chân không trong 1 / 299,792,458 giây, trong đó giây thứ hai dựa trên sự phân rã phóng xạ của nguyên tử xê-xê-133.

Xác định máy đo về tốc độ ánh sáng về cơ bản sẽ cố định tốc độ ánh sáng ở mức 299.792.458 m / s. Nếu một thử nghiệm mang lại một kết quả khác, điều đó chỉ có nghĩa là bộ máy bị lỗi. Thay vì tiến hành nhiều thí nghiệm để đo tốc độ ánh sáng, các nhà khoa học sử dụng tốc độ ánh sáng để hiệu chỉnh thiết bị của họ.

Sử dụng tốc độ ánh sáng để hiệu chỉnh thiết bị thí nghiệm

Tốc độ của ánh sáng xuất hiện trong nhiều nhược điểm khác nhau trong vật lý và về mặt kỹ thuật có thể tính toán nó từ các dữ liệu đo khác. Ví dụ, Planck đã chứng minh rằng năng lượng của một lượng tử, chẳng hạn như một photon, bằng tần số của nó nhân với hằng số Planck (h), bằng 6,6262 x 10^-34 Joule giây. Vì tần số là c /Phương trình Plancks có thể được viết theo bước sóng:

E = hv = hc /

c = Eλ / h

Bằng cách bắn phá một tấm quang điện bằng ánh sáng có bước sóng đã biết và đo năng lượng của các electron bị đẩy ra, có thể nhận được giá trị cho c. Tuy nhiên, loại tốc độ của máy tính ánh sáng này không cần thiết để đo c, bởi vì c Là xác định để được những gì nó là. Tuy nhiên, nó có thể được sử dụng để kiểm tra bộ máy. Nếu như Eλ / h không xuất hiện thành c, có gì đó không đúng với các phép đo năng lượng điện tử hoặc bước sóng của ánh sáng tới.

Tốc độ của ánh sáng trong chân không là một hằng số phổ quát

Thật hợp lý khi định nghĩa máy đo theo tốc độ ánh sáng trong chân không, vì hằng số cơ bản nhất của nó trong vũ trụ. Einstein đã chỉ ra rằng nó giống nhau cho mọi điểm tham chiếu, bất kể chuyển động, và nó cũng là thứ nhanh nhất có thể di chuyển trong vũ trụ - ít nhất là, bất cứ thứ gì có khối lượng. Phương trình Einsteins, và một trong những phương trình nổi tiếng nhất trong vật lý, E = mc², cung cấp manh mối về lý do tại sao điều này là như vậy.

Ở dạng dễ nhận biết nhất, phương trình Einsteins chỉ áp dụng cho các cơ thể khi nghỉ ngơi. Phương trình tổng quát, tuy nhiên, bao gồm Yếu tố Lorentz γ, Ở đâu = 1 / (1- v²/ c²). Cho một cơ thể chuyển động với một khối lượng m và vận tốc v, Phương trình Einsteins nên được viết E = mc²γ. Khi bạn nhìn vào điều này, bạn có thể thấy rằng khi v = 0, γ = 1 và bạn nhận được E = mc².

Tuy nhiên, khi nào v = c, trở nên vô hạn, và kết luận bạn phải rút ra là sẽ cần một lượng năng lượng vô hạn để tăng tốc bất kỳ khối lượng hữu hạn nào đến tốc độ đó. Một cách khác để nhìn vào nó là khối lượng trở nên vô hạn với tốc độ ánh sáng.

Định nghĩa hiện tại của máy đo làm cho tốc độ ánh sáng trở thành tiêu chuẩn cho các phép đo khoảng cách trên mặt đất, nhưng từ lâu nó đã được sử dụng để đo khoảng cách trong không gian. Một năm ánh sáng là khoảng cách mà ánh sáng đi được trong một năm trần gian, hóa ra là 9,46 × 10¹⁵ m.

Nhiều mét đó là quá nhiều để hiểu, nhưng một năm ánh sáng là điều dễ hiểu và bởi vì tốc độ ánh sáng là không đổi trong tất cả các khung tham chiếu quán tính, là một đơn vị khoảng cách đáng tin cậy. Nó làm cho hơi kém tin cậy bằng cách dựa trên năm, đó là khung thời gian sẽ không liên quan đến bất kỳ ai từ một hành tinh khác.