Işık Hızı Nasıl Hesaplanır?

İçerik

• Işık Deneyleri
• Astronomik Gözlemlerden Işığın Hızını Ölçme
• Havadaki Işık Hızının Sudaki Hızla Karşılaştırılması
• Işık Hızı için Denklemi Kullanma
• Lazerler Kullanan Modern Bir Ölçüm Yöntemi
• Işığın Hızını Ölçmek Artık Anlamda Değil
• Deneysel Cihazları Kalibre Etmek için Işık Hızını Kullanma
• Vakumdaki Işık Hızı Evrensel Bir Sabit mi

Parmaklarını şıklat! Bunu başardığı zaman, bir ışık demeti neredeyse aya kadar seyahat edebildi. Parmaklarınızı bir kez daha bastırırsanız, yolculuğu tamamlamak için hüzmeye zaman tanıyacaksınız. Mesele şu ki, ışık gerçekten çok hızlı hareket ediyor.

Işık hızla hareket eder, ancak hızı 17. yüzyıldan önce insanların inandığı gibi sonsuz değildir. Bununla birlikte hız, insan görme keskinliğine ve insan reaksiyon süresine bağlı lamba, patlama veya diğer araçları kullanarak ölçmek için çok hızlı. Galileo'ya sor.

Işık Deneyleri

Galileo, 1638'de fener kullanan bir deney tasarladı ve yönetebileceği en iyi sonuç, ışığın "olağanüstü hızlı" olduğudur (başka bir deyişle, gerçekten çok hızlı). Aslında, denemeyi denemiş olsa bile, bir sayı bulamadı. Ancak ışığın, sesin en az 10 kat daha hızlı gittiğine inandığını söylemeye teşebbüs etti. Aslında, bir milyon kat daha hızlı.

Fizikçilerin küçük harf c ile temsil ettiği ışık hızının ilk başarılı ölçümü 1676'da Ole Roemer tarafından yapıldı. Ölçümlerini Jüpiters aylarının gözlemlerine dayandırdı. O zamandan beri fizikçiler ölçümü, yıldızları, dişli tekerlekleri, döner aynaları, radyo interferometrelerini, boşluk rezonatörlerini ve lazerleri gözlemlemişlerdir. Şimdi biliyorlar c Öyleyse, Ağırlık ve Ölçüler Genel Kurulu, SI sistemindeki temel uzunluk birimi olan sayacı buna dayandırdı.

Işık hızı evrensel bir sabittir, dolayısıyla ışık formülünün hızı yoktur, kendi başına. Aslında, eğer c farklıydı, tüm ölçümlerimiz değişmeli, çünkü sayaç buna bağlıydı. Işık, frekans içeren dalga özelliklerine sahiptir. ν ve dalga boyu λve bunları, ışık hızı için denklem olarak adlandırabileceğiniz bu denklem ile ışık hızıyla ilişkilendirebilirsiniz:

c = νλ

Astronomik Gözlemlerden Işığın Hızını Ölçme

Roemer, ışık hızında bir numara bulan ilk kişiydi. Jupiters uydularının tutulmalarını, özellikle de Io'yu gözlemlerken yaptı. Io'nun dev gezegenin arkasında kaybolduğunu ve sonra yeniden ortaya çıkmasının ne kadar zaman alacağını izlerdi. Jüpiter'in dünyaya ne kadar yakın olduğuna bağlı olarak, bu sürenin 1000 saniye kadar değişebileceğini belirtti. Neredeyse 300.000 km / s'lik modern değerle aynı olan oyun parkında olan 214.000 km / s'lik ışık hızında bir değer buldu.

1728'de İngiliz gökbilimci James Bradley, ışığın hızını, yeryüzünde güneşin etrafında hareket etmesi nedeniyle pozisyondaki görünür değişimleri olan yıldız sapmalarını gözlemleyerek hesapladı. Bradley, bu değişimin açısını ölçerek ve o zaman bilinen verilerden hesaplayabildiği yeryüzü hızını çıkararak, Bradley çok daha doğru bir sayı buldu. Vakumdaki ışığın hızını 301.000 km / s olarak hesapladı.

Havadaki Işık Hızının Sudaki Hızla Karşılaştırılması

Işığın hızını ölçen bir sonraki kişi Fransız filozof Armand Hippolyte Fizeau idi ve astronomik gözlemlere güvenmedi. Bunun yerine, bir kiriş ayırıcı, dönen dişli bir tekerlek ve ışık kaynağından 8 km uzağa yerleştirilmiş bir aynadan oluşan bir cihaz yaptı. Bir ışık demetinin aynaya doğru geçmesine izin vermek, ancak dönüş ışınını engellemek için tekerleğin dönüş hızını ayarlayabilir. Onun hesaplama c1849 yılında yayınladığı, Bradley kadar doğru olmayan 315.000 km / s idi.

Bir yıl sonra, Fransız bir fizikçi olan Léon Foucault, dişli çark için döner bir ayna kullanarak Fizeaus deneyinde gelişme gösterdi. C için Foucaults değeri 298.000 km / s idi, bu daha doğruydu ve bu süreçte Foucault önemli bir keşif yaptı. Dönen ayna ile sabit olan arasına bir su tüpü sokarak, havadaki ışık hızının sudaki hızdan daha yüksek olduğunu belirledi. Bu, ışıksal ışığın teorisinin öngördüğü ve ışığın bir dalga olduğunu belirlemeye yardım ettiği şeyin tersiydi.

1881’de A. A. Michelson, Foucaults ölçümlerinde, orijinal ışının fazlarını ve geri dönüşün fazlarını karşılaştırabilen ve ekranda bir girişim deseni görüntüleyebilen bir interferometre kurarak gelişti. Elde ettiği sonuç 299.853 km / s'dir.

Michelson varlığı tespit etmek için interferometre geliştirmişti eterIşık dalgalarının yayıldığı düşünülen hayalet bir madde. Fizikçi Edward Morley ile yapılan deneyi bir başarısızlıktı ve Einstein'ı ışık hızının tüm referans çerçevelerinde aynı olan evrensel bir sabit olduğu sonucuna varmasına neden oldu. Özel Görelilik Teorisi'nin temeli buydu.

Işık Hızı için Denklemi Kullanma

Michelsons'un değeri, 1926'da kendisini geliştirene kadar kabul edildi. O zamandan bu yana, çeşitli teknikler kullanan bir çok araştırmacı tarafından değer rafine edildi. Bu tekniklerden biri, elektrik akımı üreten bir cihaz kullanan boşluk rezonatör yöntemidir. Bu, geçerli bir yöntemdir, çünkü 1800'lerin ortalarında Maxwells denklemlerinin yayınlanmasından sonra fizikçiler, ışığın ve elektriğin hem elektromanyetik dalga fenomenleri hem de aynı hızda hareket ettiği konusunda hemfikirdirler.

Aslında, Maxwell denklemlerini yayınladıktan sonra, serbest alanın manyetik geçirgenliğini ve elektrik geçirgenliğini karşılaştırarak dolaylı olarak ölçüm yapmak mümkün hale geldi. İki araştırmacı, Rosa ve Dorsey, 1907'de bunu yaptı ve ışığın hızını 299.788 km / s olarak hesapladılar.

1950'de İngiliz fizikçiler Louis Essen ve A.C. Gordon-Smith, dalga boyunu ve frekansını ölçerek ışığın hızını hesaplamak için bir boşluk rezonatörü kullandı. Işığın hızı, gidilen mesafenin ışığına eşittir. d süresine bölünerek At: c = d / ∆t. Tek bir dalga boyu için zaman düşünün λ bir noktadan geçmek, frekansın tersi olan dalga formunun periyodudur. vve ışık formülünün hızını alıyorsunuz:

c = νλ

Kullanılan cihaz Essen ve Gordon-Smith bir boşluk rezonans dalgası. Bilinen bir frekansta elektrik akımı üretir ve dalgaboyunun boyutlarını ölçerek dalga boyunu hesaplayabilirler. Hesaplamaları, 299.792 km / s oldu ve bugüne kadarki en doğru karardı.

Lazerler Kullanan Modern Bir Ölçüm Yöntemi

Çağdaş bir ölçüm tekniği Fizeau ve Foucault tarafından kullanılan ışın ayırma yöntemini yeniden canlandırıyor, ancak doğruluğu arttırmak için lazer kullanıyor. Bu yöntemde, darbeli bir lazer ışını ayrılmıştır. Bir ışın dedektöre gider, diğeri ise kısa mesafeli bir aynaya dik olarak hareket eder. Ayna, ışını tekrar ikinci bir dedektöre yönlendiren ikinci bir aynaya yansıtır. Her iki detektör de darbelerin frekansını kaydeden bir osiloskoba bağlanır.

Osiloskop darbelerinin tepe noktaları birbirinden ayrılır çünkü ikinci ışın birinciden daha büyük bir mesafe kat eder. Tepelerin birbirinden ayrılmasını ve aynalar arasındaki mesafeyi ölçerek, ışık huzmesinin hızını elde etmek mümkündür. Bu basit bir tekniktir ve oldukça doğru sonuçlar verir. Avustralya'daki Yeni Güney Galler Üniversitesi'ndeki bir araştırmacı 300.000 km / s değerinde bir kayıt yaptı.

Işığın Hızını Ölçmek Artık Anlamda Değil

Bilimsel topluluk tarafından kullanılan ölçüm çubuğu sayaçtır. Başlangıçta ekvatordan Kuzey Kutbu'na olan mesafenin on milyonda biri olarak tanımlandı ve tanım daha sonra kripton-86 emisyon hatlarından birinin belirli bir dalga boyunda olacak şekilde değiştirildi. 1983 yılında, Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Kurulu bu tanımları çıkardı ve bunu kabul etti:

metre bir saniyenin 1 / 299.792.458'sinde bir vakumda bir ışık ışını ile kat edilen mesafe, ikincisi ise sezyum-133 atomunun radyoaktif bozulmasına dayanır.

Ölçüm aletini ışık hızı cinsinden tanımlamak, temel olarak ışık hızını 299,792,458 m / s'de sabitler. Bir deney farklı bir sonuç verirse, bu sadece cihazın hatalı olduğu anlamına gelir. Işık hızını ölçmek için daha fazla deney yapmak yerine, bilim adamları ekipmanlarını kalibre etmek için ışık hızını kullanır.

Deneysel Cihazları Kalibre Etmek için Işık Hızını Kullanma

Işığın hızı, fizikte çeşitli eksilerde ortaya çıkar ve bunu ölçülen diğer verilerden hesaplamak teknik olarak mümkündür. Örneğin, Planck, bir foton gibi bir kuantum enerjisinin, 6.6262 x 10'a eşit olan Planck sabiti (h) frekans sürelerine eşit olduğunu göstermiştir.^-34 Joule⋅second. Frekans olduğundan C / λPlancks denklemi dalga boyu cinsinden yazılabilir:

E = hν = hc / λ

c = Eλ / s

Bilinen dalga boyunda bir ışıkla fotoelektrik bir plakayı bombalamak ve çıkarılan elektronların enerjisini ölçmek, c. Ancak, bu tür ışık hesaplayıcı hızı c ölçmek için gerekli değildir, çünkü c dır-dir tanımlanmış ne olduğu. Ancak, cihazı test etmek için kullanılabilir. Eğer Eλ / h c olduğu ortaya çıkmaz, elektron enerjisinin ölçümlerinde veya olay ışığının dalga boyunda bir sorun vardır.

Vakumdaki Işık Hızı Evrensel Bir Sabit mi

Sayacı bir vakumdaki ışık hızı olarak tanımlamak mantıklıdır, çünkü evrendeki en temel sabittir. Einstein, hareketten bağımsız olarak her referans noktası için aynı olduğunu ve aynı zamanda evrendeki en hızlı bir şeyin, en azından kütleli herhangi bir şeyin seyahat edebileceğini gösterdi. Einstein denklemi ve fizikteki en ünlü denklemlerden biri. E = mc², neden böyle olduğu hakkında ipucu sağlar.

En tanınabilir haliyle, Einsteins denklemi yalnızca istirahat halindeki bedenlere uygulanır. Bununla birlikte, genel denklem, Lorentz faktörü γ, nerede γ = 1 / √ (1- v²/ c²). Kütle ile hareket halindeki bir vücut için m ve hız vEinstein denklemi yazılmalıdır E = mc²γ. Buna baktığınızda, bunu ne zaman görebilirsiniz v = 0, γ = 1 ve olsun E = mc².

Ancak, ne zaman v = c, γ Sonsuz hale gelir ve çizmek zorunda olduğunuz sonuç, herhangi bir sonlu kütleyi bu hıza çıkarmak için sonsuz miktarda enerji harcaması gerektiğidir. Ona bakmanın bir başka yolu, kütlenin ışık hızında sonsuz hale gelmesidir.

Ölçüm aletinin mevcut tanımı ışık hızını mesafenin karasal ölçümleri için standart hale getirir, ancak uzayda mesafeleri ölçmek için uzun zamandan beri kullanılmaktadır. Işık yılı, ışığın dünyevi bir yılda kat ettiği mesafedir ve bu, 9.46 × 10 değerine ulaşır.¹⁵ m.

Bu metrelerin algılamayacak kadar çok olması, ancak bir ışık yılının anlaşılması kolaydır ve ışığın hızı tüm atalet referans çerçevelerinde sabit olduğundan, güvenilir bir mesafe birimidir. Farklı bir gezegenden kimseyle alakası olmayan bir zaman dilimi olan yıla göre biraz daha az güvenilir hale getirildi.