Hur mätt vi ljusets hastighet?

Anonim

Det första Maglev-tåget började sin resa 2004 och det har fortsatt bländat passagerare sedan dess. Världens snabbaste passagerartåg färdas vid en skandalig 431 km / h, som ökar omgivningen, vilket ger utsikten till någon som klibbar spetsen av tågets näsa av rocketing genom ett maskhål. Vid denna hastighet är sträckan mellan New York och Los Angeles täckt på mindre än 7 timmar. Men en av mänsklighetens mest uppfriskande uppfinningar är fortfarande astronomiskt underlägsen jämfört med en av naturens underliv. Ljuset färdas med en oförklarlig hastighet på 299.792.458 km / s eller 107.925, 28, 48.8 km / h. En Maglev åker runt omkring 0.00004% av ljusets hastighet.

Jag överhuvudtaget inte överdriver eller använder ett glatt uppblåst adjektiv för att beskriva dess storlek. Hastigheten är bokstavligen oförståelig. Vår mentala fakultet är inte utrustad för att bedöma objekt som rör sig så snabbt. Ändå är det inte lämpligt att beräkna stora hastigheter från en lämplig utsiktspunkt. Det enklaste sättet är att låta objektet resa en krets av ett känt avstånd medan man observerar den förflutna tiden för ett varv. Dela avståndet vid denna tid och du får avståndet i vilken avståndsenhet som helst som objektet färdas per enskild tidsenhet. Ganska enkelt. Denna metod är lukrativ för att mäta hastigheten hos rullstenar, sprintjaktar och Maglev-tåg.

Usain Bolt, den snabbaste mannen som levde, sprang på en rekord 44, 72 km / h under den sista 100m sprinten 2009, en mindre än mindre 0, 0000004% ljushastighet.

Men mätning av ljusets hastighet på jorden verkar omöjligt, så hur mättes det upp till tre decimaler, baserat på vilka vi definierade standardenheten avstånd - en mätare - den mest exakta mäta fysiska kvantiteten?

Galileos lampor

Galileo 1636, efter att han misslyckats misslyckat vid sitt experiment, i färg.

Moonwatching och stargazing

Benämningen Draco är härledd från latin termen draconem, som översätter till en "stor orm". Konstellationen liknar en drake. (Foto Kredit: Till Credner / Wikimedia Commons)

Senare, med hjälp av hans fynd, approximerade Roemer ljusets hastighet till 214 000 km / s. Trots att han är 80 000 km / s långsammare är hans geni anmärkningsvärt med tanke på att han anlände till detta värde för 300 år sedan före den teknik vi har till vårt förfogande under de senaste 50 åren. Faktum är att hans approximation avviker från det verkliga värdet eftersom hans beräkningar förlitade sig på planetariska avstånd som troddes vara sanna sedan dess. Avstånden från sina föregångare var felaktiga, och du använde hans nummer med rätt avstånd nu, gissade du det, resulterar i nära approximation av ljusets hastighet. Geni.

Fortfarande 80 000 km / s kort fortsatte astronomer att dumma för att begränsa felet till ett minimum. 1728 gjorde James Bradley en uppskattning genom att observera en avvikelse. En avvikelse är en liten förändring i en stjärnas eller någon himmelsk kropps ställning genom ljussens och observatörens rörelse. James observerade en stjärna i Draco, en konstellation av den norra himlen, och fann att dess uppenbara position förändrats under hela året när jorden roterade runt solen. Han använde vinkeln för stjärnljusets avvikelse, tillsammans med jordens hastighet runt solen, och beräkna ljusets hastighet till 301 000 km / s. Ja, det är fel, men igen måste vi uppskatta hur nära James kom trots tekniken. Ändå är numret inte tillräckligt nära.

Närmar sig

Fizeaus experiment skulle se ut så här, även om detta är mycket förenklat. Fizeau använde ett antal konvexa linser för att konvergera ljuset i en smal stråle.

Ett århundrade senare, 1849, satte Armand Fizeau ut för att mäta ljusets hastighet. Fizeau var den första personen som skulle mäta den terrestriskt, bortse från den skrämmande ensamma isoleringen av himlen. Fizeaus apparat innehöll en ljuskälla, en reflekterande spegel och ett hjul genom vilket ljusstrålen gick igenom. Spegeln placerades ett visst avstånd från ljuskällan, med hjulet roterande mellan dem. Ljusstrålen korsade hjulet två gånger - först när man åkte mot spegeln och andra medan den återvände tillbaka reflekterad.

I början gick ljuset slumpmässigt genom rattets tänder, men gradvis kalibrerade Fizeau rotationshastigheten så att ljuset gick igenom ett mellanrum under avgången och genom det efterföljande gapet vid ankomsten. Med kännedom om avståndet mellan spegeln och ljusets källa och hjulets rotationshastighet beräknade Fizeau ljusets hastighet till omkring 315 000 km / s. Leon Foucault använde dock en förbättrad apparat som innefattade roterande speglar och drog ner värdet till 298 000 km / s. Fortfarande en tum eller två bakom.

Efter att Maxwell bett oss med elektromagnetismens lagar, kunde ljusets hastighet "c" erhållas av reciprok av kvadratroten av produkten av magnetisk permeabilitet och elektrisk permittivitet för ledigt utrymme. 1907 beräknade Rosa och Dorsey detta för att vara 299 788 km / s, det mest exakta värdet vid den tiden. Senare, som tekniken som hunnit med vår tidlösa, oförskämda nyfikenhet, beräknades Froome 1958, med hjälp av laserinterferometrar, ljusets hastighet till 299.792, 5 km / s. Detta var nagelbytande nära det sanna värdet!

Cesium eller atomur är de mest korrekta klockorna vi någonsin har utvecklat. (Foto Kredit: phys.org)

Därefter insåg forskarna att nuvarande och framtida mätningar baserade på mycket sofistikerade atomstandarder inte var begränsade av tekniken utan snarare på grund av osäkerheter i deras definition av enheterna själva. Den vaga definitionen av en mätare hotade exaktheten av experiment för eftertiden. Även om värdet av ljusets hastighet var känt inom ett fel på 1 m / s, fann forskarna det obligatoriskt att bli av med varje chunk i rustningen, och därvid konstruera en ofelbar definition av en mätare.

National Bureau of Standards i Boulder Colorado använde helium-neon-lasrar och noggrant korrekta cesiumklockor för att mäta ljusets hastighet. De definierade mätaren när distansljuset reste i vakuum för 1/299 792 458 av en sekund, så att ljusets hastighet i ett vakuum är * trummanrulle * 299 792 458 m / s eller 299 792 458 km / s. Inte ögonblicklig, men ja, extremt snabb!