Wie man die Lichtgeschwindigkeit berechnet

Inhalt

• Lichtexperimente
• Messung der Lichtgeschwindigkeit aus astronomischen Beobachtungen
• Vergleich der Lichtgeschwindigkeit in der Luft mit der Geschwindigkeit im Wasser
• Verwenden der Gleichung für die Lichtgeschwindigkeit
• Eine moderne Messmethode mit Lasern
• Die Messung der Lichtgeschwindigkeit macht keinen Sinn mehr
• Verwenden der Lichtgeschwindigkeit zum Kalibrieren von Versuchsapparaturen
• Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine universelle Konstante

Schnipse deine Finger! In der dafür benötigten Zeit konnte ein Lichtstrahl fast bis zum Mond wandern. Wenn Sie noch einmal mit den Fingern schnippen, haben Sie Zeit, um die Reise zu beenden. Der Punkt ist, dass das Licht wirklich sehr, sehr schnell ist.

Licht breitet sich schnell aus, aber seine Geschwindigkeit ist nicht unendlich, wie die Menschen vor dem 17. Jahrhundert glaubten. Die Geschwindigkeit ist zu schnell, um sie mit Lampen, Explosionen oder anderen Mitteln zu messen, die jedoch von der menschlichen Sehschärfe und Reaktionszeit abhängen. Fragen Sie Galileo.

Lichtexperimente

Galileo entwickelte 1638 ein Experiment mit Laternen, und die beste Schlussfolgerung, die er ziehen konnte, war, dass Licht "außerordentlich schnell" ist (mit anderen Worten, wirklich, wirklich schnell). Er war nicht in der Lage, eine Nummer zu finden, wenn er es tatsächlich versuchte. Er wagte jedoch zu sagen, dass er glaubte, dass Licht sich mindestens zehnmal so schnell wie Schall ausbreitet. Eigentlich ist es mehr wie eine Million Mal so schnell.

Die erste erfolgreiche Messung der Lichtgeschwindigkeit, die von Physikern allgemein durch Kleinbuchstaben c dargestellt wird, wurde 1676 von Ole Roemer durchgeführt. Seine Messungen basierten auf Beobachtungen von Jupitermonden. Seitdem verwenden Physiker Beobachtungen von Sternen, Zahnrädern, rotierenden Spiegeln, Funkinterferometern, Hohlraumresonatoren und Lasern, um die Messung zu verfeinern. Sie wissen es jetzt c so genau, dass der Allgemeine Rat für Maße und Gewichte den Zähler, der die grundlegende Längeneinheit im SI-System darstellt, darauf stützte.

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine universelle Konstante, es gibt also keine Lichtgeschwindigkeitsformel. an sich. In der Tat, wenn c Wenn es anders wäre, müssten sich alle unsere Maße ändern, da das Messgerät darauf basiert. Licht hat jedoch Welleneigenschaften, die die Frequenz einschließen ν und Wellenlänge λund Sie können diese mit der Lichtgeschwindigkeit in Beziehung setzen mit dieser Gleichung, die Sie die Gleichung für die Lichtgeschwindigkeit nennen könnten:

c = νλ

Messung der Lichtgeschwindigkeit aus astronomischen Beobachtungen

Roemer war der erste, der eine Zahl für die Lichtgeschwindigkeit erfand. Er tat es, während er die Finsternisse der Jupitermonde beobachtete, insbesondere Io. Er würde sehen, wie Io hinter dem riesigen Planeten verschwand und wie lange es dauerte, bis er wieder auftauchte. Er vermutete, dass diese Zeit um bis zu 1.000 Sekunden abweichen könnte, abhängig davon, wie nah Jupiter an der Erde war. Er hat einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit von 214.000 km / s gefunden, was im gleichen Rahmen liegt wie der moderne Wert von fast 300.000 km / s.

1728 berechnete der englische Astronom James Bradley die Lichtgeschwindigkeit durch Beobachtung von Sternfehlern, bei denen es sich um die scheinbare Änderung der Position aufgrund der Erdbewegung um die Sonne handelt. Durch Messen des Winkels dieser Änderung und Subtrahieren der Erdgeschwindigkeit, die er aus damals bekannten Daten berechnen konnte, kam Bradley zu einer viel genaueren Zahl. Er berechnete die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum auf 301.000 km / s.

Vergleich der Lichtgeschwindigkeit in der Luft mit der Geschwindigkeit im Wasser

Die nächste Person, die die Lichtgeschwindigkeit maß, war der französische Philosoph Armand Hippolyte Fizeau, der sich nicht auf astronomische Beobachtungen stützte. Stattdessen konstruierte er eine Apparatur bestehend aus einem Strahlteiler, einem rotierenden Zahnrad und einem Spiegel, der 8 km von der Lichtquelle entfernt angeordnet war. Er konnte die Rotationsgeschwindigkeit des Rades einstellen, um zu ermöglichen, dass ein Lichtstrahl auf den Spiegel fällt, aber den Rückstrahl blockiert. Seine Berechnung von c, die er im Jahr 1849 veröffentlichte, war 315.000 km / s, was nicht so genau wie Bradleys war.

Ein Jahr später verbesserte der französische Physiker Léon Foucault das Fizeau-Experiment, indem er das Zahnrad durch einen rotierenden Spiegel ersetzte. Der Foucaults-Wert für c betrug 298.000 km / s, was genauer war. Dabei machte Foucault eine wichtige Entdeckung. Indem er ein Wasserröhrchen zwischen den rotierenden und den stationären Spiegel steckte, stellte er fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in Luft höher ist als die Geschwindigkeit in Wasser. Dies widersprach den Vorhersagen der korpuskularen Lichttheorie und trug dazu bei, dass Licht eine Welle ist.

Im Jahr 1881 verbesserte A. A. Michelson die Foucaults-Messungen, indem er ein Interferometer konstruierte, mit dem die Phasen des ursprünglichen und des zurückkehrenden Strahls verglichen und ein Interferenzmuster auf einem Bildschirm angezeigt werden konnte. Sein Ergebnis war 299.853 km / s.

Michelson hatte das Interferometer entwickelt, um das Vorhandensein des zu erfassen Äther, eine gespenstische Substanz, durch die sich Lichtwellen ausbreiten sollten. Sein mit dem Physiker Edward Morley durchgeführtes Experiment war ein Misserfolg und führte Einstein zu dem Schluss, dass die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Konstante ist, die in allen Bezugssystemen gleich ist. Das war die Grundlage für die Spezielle Relativitätstheorie.

Verwenden der Gleichung für die Lichtgeschwindigkeit

Michelsons Wert wurde akzeptiert, bis er ihn 1926 selbst verbesserte. Seitdem wurde der Wert von einer Reihe von Forschern mithilfe verschiedener Techniken verfeinert. Eine solche Technik ist das Hohlraumresonatorverfahren, bei dem eine Vorrichtung verwendet wird, die elektrischen Strom erzeugt. Dies ist eine gültige Methode, da sich die Physiker nach der Veröffentlichung der Maxwells-Gleichungen Mitte des 19. Jahrhunderts einig waren, dass Licht und Elektrizität beide elektromagnetische Wellenphänomene sind und sich mit derselben Geschwindigkeit fortbewegen.

Tatsächlich wurde es nach der Veröffentlichung seiner Gleichungen durch Maxwell möglich, c indirekt zu messen, indem die magnetische Permeabilität und die elektrische Permeabilität des freien Raums verglichen wurden. Zwei Forscher, Rosa und Dorsey, taten dies 1907 und berechneten die Lichtgeschwindigkeit auf 299.788 km / s.

1950 verwendeten die britischen Physiker Louis Essen und A.C. Gordon-Smith einen Hohlraumresonator, um die Lichtgeschwindigkeit durch Messung ihrer Wellenlänge und Frequenz zu berechnen. Die Lichtgeschwindigkeit ist gleich der Entfernung, die das Licht zurücklegt d geteilt durch die Zeit, die es braucht T: c = d / t. Bedenken Sie, dass die Zeit für eine einzelne Wellenlänge λ Durchlaufen eines Punktes ist die Periode der Wellenform, die der Kehrwert der Frequenz ist vund Sie erhalten die Lichtgeschwindigkeitsformel:

c = νλ

Das verwendete Gerät Essen und Gordon-Smith ist bekannt als a Hohlraumresonanz-Wellenmesser. Es erzeugt einen elektrischen Strom mit einer bekannten Frequenz, und sie konnten die Wellenlänge durch Messen der Abmessungen des Wellenlängenmessers berechnen. Ihre Berechnungen ergaben 299.792 km / s, was die bisher genaueste Bestimmung war.

Eine moderne Messmethode mit Lasern

Eine moderne Messtechnik revidiert die von Fizeau und Foucault angewandte Strahlteilungsmethode, verwendet jedoch Laser, um die Genauigkeit zu verbessern. Bei diesem Verfahren wird ein gepulster Laserstrahl aufgeteilt. Ein Strahl trifft auf einen Detektor, während ein anderer senkrecht auf einen in geringer Entfernung befindlichen Spiegel trifft. Der Spiegel reflektiert den Strahl zurück zu einem zweiten Spiegel, der ihn zu einem zweiten Detektor ablenkt. Beide Detektoren sind an ein Oszilloskop angeschlossen, das die Frequenz der Impulse aufzeichnet.

Die Spitzen der Oszilloskopimpulse sind getrennt, weil der zweite Strahl eine größere Strecke zurücklegt als der erste. Durch Messen des Abstands der Spitzen und des Abstands zwischen den Spiegeln ist es möglich, die Geschwindigkeit des Lichtstrahls abzuleiten. Dies ist eine einfache Technik, die ziemlich genaue Ergebnisse liefert. Ein Forscher an der Universität von New South Wales in Australien verzeichnete einen Wert von 300.000 km / s.

Die Messung der Lichtgeschwindigkeit macht keinen Sinn mehr

Der von der wissenschaftlichen Gemeinschaft verwendete Messstab ist das Messgerät. Es wurde ursprünglich als ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Äquator zum Nordpol definiert, und die Definition wurde später geändert, um eine bestimmte Anzahl von Wellenlängen einer der Emissionslinien von Krypton-86 zu sein. 1983 hat der Allgemeine Rat für Maße und Gewichte diese Definitionen gestrichen und diese angenommen:

Das Meter ist die Entfernung, die ein Lichtstrahl im Vakuum in 1 / 299,792,458 Sekunden zurücklegt, wobei die Sekunde auf dem radioaktiven Zerfall des Cäsium-133-Atoms basiert.

Durch die Festlegung des Messgeräts in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit wird die Lichtgeschwindigkeit im Wesentlichen auf 299.792.458 m / s festgelegt. Wenn ein Experiment zu einem anderen Ergebnis führt, bedeutet dies nur, dass das Gerät fehlerhaft ist. Anstatt mehr Experimente durchzuführen, um die Lichtgeschwindigkeit zu messen, verwenden Wissenschaftler die Lichtgeschwindigkeit, um ihre Ausrüstung zu kalibrieren.

Verwenden der Lichtgeschwindigkeit zum Kalibrieren von Versuchsapparaturen

Die Lichtgeschwindigkeit zeigt sich in der Physik in einer Vielzahl von Nachteilen, und es ist technisch möglich, sie aus anderen gemessenen Daten zu berechnen. Zum Beispiel hat Planck gezeigt, dass die Energie eines Quantens wie eines Photons gleich der Frequenz multipliziert mit der Planck-Konstante (h) ist, die gleich 6,6262 x 10 ist^-34 Joule⋅second. Da ist Frequenz c / λDie Plancks-Gleichung kann in Bezug auf die Wellenlänge geschrieben werden:

E = hν = hc / λ

c = Eλ / h

Durch Beschuss einer fotoelektrischen Platte mit Licht bekannter Wellenlänge und durch Messung der Energie der ausgestoßenen Elektronen kann ein Wert für erhalten werden c. Diese Art der Lichtgeschwindigkeitsberechnung ist jedoch nicht erforderlich, um c zu messen, weil c ist definiert zu sein, was es ist. Es könnte jedoch verwendet werden, um die Vorrichtung zu testen. Wenn Eλ / h Wenn c nicht herauskommt, stimmt etwas nicht, entweder mit den Messungen der Elektronenenergie oder der Wellenlänge des einfallenden Lichts.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine universelle Konstante

Es ist sinnvoll, das Messgerät als Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu definieren, da es die grundlegendste Konstante im Universum ist. Einstein hat gezeigt, dass es für jeden Bezugspunkt gleich ist, unabhängig von der Bewegung, und es ist auch das schnellste, was sich im Universum bewegen kann - zumindest alles, was Masse hat. Einsteins Gleichung, und eine der bekanntesten Gleichungen in der Physik, E = mc²liefert den Anhaltspunkt, warum dies so ist.

In ihrer bekanntesten Form gilt die Einsteins-Gleichung nur für ruhende Körper. Die allgemeine Gleichung beinhaltet jedoch die Lorentz-Faktor γ, wo γ = 1 / √ (1 - v²/ c²). Für einen Körper in Bewegung mit einer Masse m und Geschwindigkeit v, Einsteins Gleichung sollte geschrieben werden E = mc²γ. Wenn Sie sich das ansehen, können Sie sehen, wann v = 0, γ = 1 und du bekommst E = mc².

Wenn jedoch v = c, γ wird unendlich, und die Schlussfolgerung, die Sie ziehen müssen, ist, dass es unendlich viel Energie braucht, um eine endliche Masse auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen. Eine andere Sichtweise ist, dass Masse mit Lichtgeschwindigkeit unendlich wird.

Die derzeitige Definition des Messgeräts macht die Lichtgeschwindigkeit zum Standard für terrestrische Entfernungsmessungen, wird jedoch seit langem zur Messung von Entfernungen im Weltraum verwendet. Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem irdischen Jahr zurücklegt, was 9,46 × 10 ergibt¹⁵ m.

So viele Meter sind zu viele, um sie zu verstehen, aber ein Lichtjahr ist leicht zu verstehen, und da die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsreferenzrahmen konstant ist, ist es eine zuverlässige Einheit für die Entfernung. Es ist etwas weniger zuverlässig, weil es auf dem Jahr basiert. Dies ist ein Zeitrahmen, der für niemanden von einem anderen Planeten relevant ist.