Generaal

'N Kort geskiedenis van die snelheid van die lig


Wat is die snelheid van die lig? So 'n maklike vraag om vandag in die era van die internet te beantwoord. Het u al ooit gewonder hoe ons die huidige skatting van presies bereik het?299.792.458 m / s? Kan u u voorstel hoe u dit sou meet? Baie groot geeste het hierdie vraag sedert die oudheid regdeur die geskiedenis aangepak.

[Beeldbron:LucasVB via Wikimedia Commons]

Hierdie oënskynlik eenvoudige vraag is sedert Antieke Griekeland aangepak en eers redelik onlangs beantwoord. Vir 'n groot deel van hierdie tyd kon ons nie regtig seker wees of die lig onmiddellik of baie vinnig sou reis nie. Baie groot geeste het die raaisel probeer oplos deur middel van waarneming en indirekte denke-eksperimente. Vroeë pogings tot werklike 'fisiese' metings het goed begin met Galileo. Hierdie vroeë eksperimente het byna altyd 'onoortuigende' resultate tot gevolg gehad. Dit lyk asof baanbrekerswerk van soos Romer en Einstein dit uiteindelik in die bed gesit het. Latere werke, soos u sal sien, is werklik geïnspireer. So vernuftig was hulle dat latere verfyning blykbaar bloot 'die T's oorsteek en die ek's stippel' in vergelyking.

So sluit u sonder meer aan by 'n toer deur tyd en ruimte. Dit is tyd om die interessante verhaal van die snelheid van die lig te ontbloot.

Vroeë idees

Lank voordat Einstein en sy relatiwiteitsteorie oor lig bespreek het, en die spoed daarvan was nog lank nie skaars nie. Sommige van die vroegste besprekings kom blykbaar van Aristoteles. Hy haal beroemd Empedocles aan wat voorgestel het dat die lig van die son 'n tydjie moet neem om na die aarde te kom. Getrou aan die vorm, stem Aristoteles nie met hierdie aanname saam nie. Dit lyk asof Aristoteles voorstel dat die lig onmiddellik beweeg.

"lig is te danke aan die aanwesigheid van iets, maar dit is nie 'n beweging nie" - Aristoteles

Euclid en Ptolemeus het op Empedocles se idees voortgebou en bespiegel dat lig uit die oog sou uitstraal wat sig moontlik gemaak het. Interessant! Later beweer Heron van Alexandrië dat die snelheid van die lig waarskynlik oneindig is, aangesien verre voorwerpe, sterre, ens. Onmiddellik verskyn as u u oë oopmaak.

Roger Bacon het 'n kraak in die vraag in die 13de eeu gehad. Hy het gepostuleer dat die spoed van lig in lug nie oneindig was nie. Hy gebruik filosofiese argumente wat ondersteun word deur die geskrifte van Alhazen en Aristoteles. Later daardie eeu het Witelo gemeen dat die lig in 'n lugversnelling in 'n lugdruk beweeg, maar dat dit deur digter mediums vertraag het.

Johannes Kepler, wat vorentoe spring na die 17de eeu, het tot die slotsom gekom dat as die snelheid van die lig eindig is, die son, die aarde en die maan nie in lyn moes wees tydens maansverduisterings nie. Aangesien dit nie gelyk het nie, het Descartes tot dieselfde gevolgtrekking gekom as Aristoteles. Descartes het gepostuleer dat die snelheid van die lig oneindig of oombliklik is en dat dit selfs deur digter mediums versnel. Pierre de Fermat het later die wet van Snell op soortgelyke wyse afgelei as Descartes, maar tot die teenoorgestelde gevolgtrekking gekom oor lig deur digte mediums. Hy het egter geglo dat die spoed van die lig eindig.

Hoe om die "oneindig" vinnig te meet

Een van die eerste ernstige pogings om die snelheid van die lig te meet, kom van die Nederlandse wetenskaplike Isaac Beeckman. In 1629, met behulp van buskruit, het hy natuurlik spieëls op verskillende afstande van die ontploffings geplaas. Hy het waarnemers gevra of hulle enige verskil kan sien in wanneer die ontploffingsflits van elke spieël met hul oë weerkaats word. Soos u kan dink, was die resultate ietwat onoortuigend. Later, in 1638, die groot Galileo in sy werk Twee nuwe wetenskappe som die Aristoteliaanse posisie redelik netjies op.

"Die alledaagse ervaring toon dat die voortplanting van die lig oombliklik is; want as ons 'n stuk artillerie op 'n groot afstand sien afvuur, bereik die flits ons oë sonder tydsverloop; maar die geluid bereik die oor eers na 'n merkbare interval."

Galileo het voortgegaan met die afleiding dat niks van die snelheid daarvan in werklikheid verkry kan word deur bloot die lig waar te neem nie. Hy merk op dat dit vinniger as klank moet wees. Later in die stuk suggereer Galileo 'n manier om die snelheid van die lig moontlik te meet.

Galileo se ligspoedmeter

Die idee van Galileo om die snelheid van die lig te meet, is verbasend eenvoudig. Hy stel voor om twee mense op 'n bekende afstand van mekaar met bedekte lanterns te hê. Die plan is eenvoudig, een van die lantaarndraers ontbloot hul lantaarn. Die ander een wat die lig van die eerste lantern aanskou, ontbloot dadelik hul eie. Hierdie proses moet 'n paar keer herhaal word sodat die deelnemers goed geoefen word om reaksietye so klein as moontlik te verbeter.

Sodra hulle aan die proses gewoond geraak het, moes hulle die proses oor steeds groter afstande herhaal totdat hulle uiteindelik teleskope nodig gehad het om mekaar se lanternligte te sien. Dit was om die eksperiment in staat te stel om te ontdek of daar wel 'n waarneembare tydsinterval en die snelheid van die lig is. Galileo beweer dat hy hierdie eksperiment uitgevoer het, maar soos u kan raai, tevergeefs. Hy kon nie 'n waarneembare vertraging opspoor nie, soos ons vandag sou verwag, gegewe ligsnelheid. Hy het tot die gevolgtrekking gekom dat lig "indien nie oombliklik nie, dit buitengewoon vinnig is". Daar word geglo dat hy 'n waterklok gebruik het om die tydsduur vir die eksperiment te meet. Hy slaag egter daarin om af te lei dat die lig minstens tien keer vinniger as die klank moet beweeg.

Meting word ernstig

Die Deense sterrekundige Ole Romer het die eerste werklike metings van die snelheid van die lig ongeveer 50 jaar na Galileo begin doen. Toe hy in 1676 by sy Parys-sterrewag werk, begin hy 'n stelselmatige studie te maak van I0, een van Jupiter se mane. Hierdie maan word redelik gereeld verduister deurdat dit om die reuse-planeet wentel. Hierdie mosie is voorspelbaar en handig vir hierdie soort eksperimente. Terwyl hy sy waarnemings voortgesit het, het hy gevind dat die verduistering oor etlike maande meer en meer agtergebly het as wat andersins verwag kon word. Toe begin hulle weer optel. Vreemd!

In September van dieselfde jaar het hy reg voorspel dat die verduistering op 9 November ongeveer tien minute "laat" sou wees. Tot sy vreugde, miskien verligting, was dit inderdaad die geval wat hom toelaat om voor sy skeptiese kollegas by die Sterrewag te glo. Romer het verduidelik dat hierdie vertraging waarskynlik is omdat die aarde en Jupiter in verskillende wentelbane beweeg het en dat hulle die afstand tussen hulle verander het. Die lig wat deur Io gereflekteer word, moet dus 'n rukkie neem om die aarde te bereik met die grootste "vertraging" wat plaasgevind het toe die Aarde en Jupiter maksimaal geskei was. Die verduistering "vertragings" was ook 'n gevolg van hierdie afwyking in afstand tussen ons en Io / Jupiter.

[Beeldbron: NASA / JPL / Universiteit van Arizona]

Sy waarnemings het Romer verder in staat gestel om tot die gevolgtrekking te kom dat die lig rondneem twee en twintig minute om die aarde te bereik.

Bou voort op Romer se werk

Romer se dapper skatting was 'n goeie begin, maar 'n bietjie oorskatting. Later sou Sir Isaac Newton skryf: -

"Want dit is nou seker uit die verskynsels van Jupiter se satelliete, bevestig deur die waarnemings van verskillende sterrekundiges, dat lig agtereenvolgens vermeerder word (opmerking: Ek dink dit beteken op 'n eindige spoed) en neem ongeveer sewe of agt minute om van die son na die aarde te reis. ”

Newton het die afstand tussen die aarde en die son aangepas om te bereken dat dit ongeveer sou duur sewe of agt minute om tussen hulle te reis. In beide Romer- en Newtons-beramings was die syfer wat hulle afgelei het, so ver weg.

Ons weet nou dat dit 'n baie beter skatting is, maar 'rom' vir Romer. Om die "spoed" van enigiets te meet, moet u die afstand tussen twee punte ken. Laat ons byvoorbeeld die afstand van die son vanaf die aarde neem. Gedurende die 1670's is verskillende pogings aangewend om die parallaks van Mars te meet. Die parallaks is 'n meting van hoe ver Mars teen 'n agtergrond van sterre verwyder het. Om dit te doen, moet waarnemings gelyktydig vanaf verskillende plekke op aarde gedoen word. Dit sal 'n baie subtiele verskuiwing toon wat gebruik kan word om die afstand van Mars vanaf die aarde te meet. Met hierdie meting in die hand kon sterrekundiges dan die aardse relatiewe afstand van die son skat. Die relatiewe afstande van hemelliggame in ons sonnestelsel is op hierdie stadium reeds vasgestel deur waarnemings en meetkundige ontleding.

Eksperimente word al hoe presieser

In Moderne teorieë van die heelale deur Michael J.Crowe, het hierdie waarnemings tot die gevolgtrekking gekom dat hierdie afstand ongeveer is 40 tot 90 miljoen myl. Hierdie metings stem uiteindelik ooreen met 'n waarde van 93 miljoen myle (149,6 miljoen kilometer), wat min of meer korrek is soos ons dit vandag ken. Die ooreenkoms tussen sterrekundiges kom van Romer's, of die gebruik van sy data deur Huygens, se korrekte waarde vir die afstand.

Christiaan Huygens het die skatting van Romer gebruik en dit gekombineer met 'n skatting van die aarde se deursnee om 'n nuwe ligspoed af te lei. Huygens se werk het daartoe gelei dat die spoed van lig daar was 201 168 (tot die naaste heelgetal) kilometer per sekonde. Dit is ongeveer driekwart van die werklike waarde van 299 793 (tot die naaste heelgetal) kilometer per sekonde.

Waarom die fout? Ons sal dit kan verklaar deur die tydsduur van die lig om die baan van die aarde oor te neem, ongeveer twee-en-twintig minute in ag neem eerder as die korrekte waarde van sestien minute.

Verdere verbeterings is aangebring aan die skatting van die snelheid van die lig in 1728 deur die Engelse sterrekundige James Bradley. Hy het tydens 'n seilvaart langs die Teems opgemerk dat die klein vinkeltjie op die skeepsmas van posisie verander het elke keer as die boot "rondry". Hy vergelyk hierdie gebeurtenis met die aarde in 'n wentelbaan met sterlig soos die wind wat met die boot se seile en wimpel speel. Bradley het verder geredeneer dat daar aan die sterlig "wind" gedink kan word dat ons agter of in die aankomende "Earth boat" waai.

Dit reën nooit, dit giet!

'N Ander analogie is sterrelig soos 'n stortreën op 'n windstil dag. Die aarde is 'n persoon wat in 'n sirkel in 'n ruimtetempo daardeur loop. Die inkomende rigting van reën sou nie vertikaal wees nie, maar eerder skuins. Gestel die reën val teen ongeveer 10 km / h en jy loop ongeveer 5 km / h. Die reën het 'n vertikale en horisontale spoed wat by hierdie syfers pas. James Bradley het gedink dat daar aan ons gedink kan word dat ons op dieselfde manier optree.

Hy redeneer dit gegewe die aardspoed van ongeveer 18 myl per sekonde hy het geweet dat Romer se werk geskat het dat die lig ongeveer sou wees 10 000 keer meer. Hieruit dink Bradley dat die hoekvariasie in inkomende lig ongeveer die grootte van die klein hoek van 'n reghoekige driehoek was. Die driehoek sal een sy hê 10 000 keer langer as die ander en omtrent tweehonderdstes van 'n graad. Die koms van die teleskoop en die verbetering van die ingenieurswese in hierdie tyd laat hierdie klein hoekie akkuraat meet. Uit sy gedagte-eksperiment en waarnemings het Bradley tot die gevolgtrekking gekom dat die snelheid van die lig rondom is 297 729 kilometer per sekonde. Dit is slegs ongeveer 1 % van die punt !! Nogal ongelooflik.

Wat is met al die indirekte metings?

Ok, so kom ons neem 'n bestek hier. Ons het die argumente oor die vraag of lig onmiddellik na 'n paar werklike syfers beweeg. Nie sleg nie. Ongelukkig is die meeste hiervan nie werklike direkte metings nie, maar indirekte bewerings. Toegeken met baie goeie presisie, maar daar is steeds 'n gebrek aan 'direkte' waarneming. Galileo se punt daarmee met lanterns sou goed gewerk het, aangesien ons 'n werklike afstand gehad het om mee te werk. Tot dusver is die spoed afgelei van indirekte aftrekkings gebaseer op geringe veranderinge in posisies van hemelliggame. Soos ons vandag weet, is relatief klein afstande soos wat Galileo benodig, te klein om 'n noemenswaardige meting te maak.

Dit is deels opgelos deur twee bitter Franse mededingers in 1850. Fizeau en Foucault het effens verskillende tegnieke gebruik om tot 'n soortgelyke gevolgtrekking te kom. Fizeau het 'n stuk apparaat gebruik wat 'n ligstraal tussen die tande van 'n vinnig draaiende wiel laat skyn het. Dit het beteken dat die ligbron voortdurend bedek en ontbloot is. Hy het ook 'n spieël gebruik om die lig terug te weerkaats waar dit 'n tweede keer deur die tandwiel beweeg. Hierdie innovasie het die noodsaaklikheid van twee lanterns duidelik uitgeskakel, soos in Galileo se eksperiment, sowel as 'n meer voorspelbare patroon, eerder as om op menslike reaksies te vertrou.

Die idee was dat die weerkaatsde lig op sekere tye deur die tandwiel kon terugspring. Byvoorbeeld, dieselfde as 'stadig' genoeg is, of 'n verdere tandgat as dit vinnig genoeg is of natuurlik geblokkeer word deur die 'wiggies' tussenin. Die skoonheid van die ontwerp was dat jy maklik wiele met honderde tande kon maak en dit baie vinnig kon draai sodat dit 'n breukdeel van 'n sekonde kon meet. Hierdie metode het inderdaad baie goed gewerk.

Foucault slaan terug

Sy mededinger, Foucault, se metode was gebaseer op 'n soortgelyke beginsel, behalwe dat dit 'n draaiende spieël eerder as 'n tandwiel bevat. Op 'n stadium in die draai, sou die weerkaatsde ligstraal op 'n ander verre spieël val wat weer na die draaiende weerkaats word. Die draaiende spieël het duidelik 'n entjie geroteer oor die tyd wat dit nodig het om weer na die lig te reflekteer. Hierdie metode het 'n manier gegee om die nuwe posisie van die ligstraal te meet en dus 'n spoed te gee. Hy kon vasstel hoe ver die spieël gedraai het gedurende die tyd wat dit die lig geneem het om sy heen- en terugreis te maak.

Albei hierdie vernuftige tegnieke het 'n spoed van298 000 kilometer per sekonde. Dit is 'n blote 0.6% die moderne skatting "af".

Albert Michelson stap na die bord

Mnr Michelson is in Strzelno, Pole, gebore. Sy ouers het na die VSA getrek toe Albert 4 jaar oud was om te ontsnap aan die toenemende antisemitisme in die streek. Later gaan hy 'n bietjie tyd saam met die Amerikaanse vloot deur voordat hy in 1875 'n instrukteur in fisika en chemie word.

Sy tyd op see en gedagtes oor alles lyk dieselfde in 'n geslote kamer wat teen 'n bestendige snelheid beweeg terwyl dit in rus herinner aan Galileo se vroeëre bevindings.

Toe hy begin doseer, besluit Michelson om die metode van Foucault uit te probeer. Hy het egter gou besef toe hy die apparaat opgestel het dat hy dit miskien sou kon herontwerp om groter akkuraatheid te bied. Hy het besluit om die ante te verhoog en die afstand tussen die spieëls en lense te vergroot. In plaas van Foucault s'n 18 meter, het hy besluit om die afstand uit te brei na 610 meter. Hy het ook daarin geslaag om fondse in te samel om spieëls van baie hoë gehalte te gebruik om die ligstrale te fokus. Sy bevindings was so goed dat hy die snelheid van die lig as 298 299,96 kilometer per sekonde enigste 48,28 kilometer per sekonde van die waarde van vandag.

Sy akkuraatheid van sy eksperiment was so goed dat dit die standaard en akkuraatste meting vir die volgende 40 jaar geword het!

Die 20ste eeu wag

Lig en elektromagnetisme was bekend dat dit teen die einde van die 19de eeu verweef was. Dit sal verdere verfyning gedurende die volgende paar dekades moontlik maak. Natuurkundiges het onvermoeid gewerk om elektromagnetiese en elektrostatiese ladings te meet om 'n numeriese waarde te kry wat baie naby is aan dié wat deur Fizeau gemeet is.

Op grond hiervan het die Duitse fisikus Willhelm Eduard Weber voorgestel dat lig in werklikheid 'n elektromagnetiese golf was. Vertrek links, Albert Einstein met sy baanbrekerswerk in 1905. "On the Electrodynamics of Moving Bodies" het aan die wêreld gewys dat die spoed van lig in 'n lugleegte dieselfde is in alle "traagheids" verwysingsraamwerke. Nie net dit nie, maar dit was heeltemal onafhanklik van die beweging van die bron of waarnemer.

Einstein se berekeninge het hom verder in staat gestel om sy Theory of Special Relativity te ontwikkel wat die wetenskaplike wêreld die waarde c, nou 'n fundamentele konstante, bied. Voor Einstein was wetenskaplikes diep verskans in hul soeke na iets genaamd die 'luminiferous aether'. So 'n oënskynlik vreemde konsep is gebruik om te beskryf hoe lig eintlik voortplant. Daar is vroeër gedink dat die eter bedoel is om lig deur die hele heelal te beweeg.

Die universele spoedbeperking

Einstein se werk het die beginsel bevorder dat die spoed van die lig konstant in 'n lugleegte is en dat vreemde ding plaasvind hoe nader aan die spoed wat u bereik. Insluitende effekte soos tydverwyding of die verlangsaming van die tyd hoe vinniger u reis. Dit lyk asof die spoed van lig die vinnigste is wat 'n liggaam met massa kan beweeg. Miskien sal toekomstige ontwikkelinge in fisika ook hierdie idee omverwerp. Net die tyd sal leer.

Relatiwiteit het ook daarin geslaag om Maxwell se vergelykings vir elektrisiteit en magnetisme met die wette van meganika te versoen. Hulle het ook wiskundige berekeninge vereenvoudig deur oorbodige verduidelikings oorbodig te maak. Moderne tegnieke, insluitend interferometers en holte-resonansietegnieke, is gebruik om ons moderne waarde te gee. Dit het ons skatting vir die sogenaamde spoedbeperking van die heelal verder verfyn. Ons tans erkende waarde van 299.792.458 m / s is in 1972 afgelei deur die Amerikaanse nasionale buro vir standaarde in Boulder, Colorado.

Die laaste woord

Wel, dit is nogal 'n reis. Ons het van die groot Aristoteles na niemand anders as Albert Einstein gereis nie. Ander groot geeste, waaronder Isaac Newton, Franse en Poolse wetenskaplikes, het almal 'n slag probeer om hierdie oënskynlik eenvoudige vraag aan te pak. Dit was regtig 'n liefdeswerk gedurende die tyd en 'n universele "tag team" -geleentheid. Ons het van pure gedagtes na 'n paar blanke met lanterns oorgegaan tot uiteindelik die voorpunt van wetenskaplike eksperimente om die antwoord te gee. Ja ok, daar was 'n paar verdere verfynings en vindingryke metodes tussenin.

Die mensdom se voortdurend irriterende gewoonte om ongemaklike vrae te stel, kan soms lei tot lang wag vir oënskynlik eenvoudige vrae. Miskien is die snelheid van die lig die grootste voorbeeld hiervan. Dit is 'n goeie bewys van ons voorouers dat ons nie sou ophou om ons vraag te beantwoord nie. Alhoewel ons 'n huidige skatting het, is dit moontlik om verder te verfyn gedurende die komende eeue. Wat die toekoms ook al voorlê, ons hoop dat u dit van nou af nooit as vanselfsprekend sal aanvaar nie.

En jy het gedink dit is 'n eenvoudige vraag! So daar gaan jy. Het ons enige stappe gemis in die soeke na ligspoed? Alhoewel u dit nie hier bespreek nie, dink u ooit dat ons met die ligspoed sal kan reis? Sal ons ooit vinniger kan reis? Kom ons begin 'n gesprek.

Bronne:The Speed ​​of Light deur Michael Fowler / UVa Physics Department, Speed-Light, UniverseToday

Gewilde beeldbron:TheStarWarsWiki

SIEN OOK: Hoe vinnig die ligte reis in Star Wars regtig sou wees


Kyk die video: Kwantummechanica en de bouwstenen van het heelal - Erik Verlinde Lowlands University 2012 (Augustus 2021).