المحتوى
- تجارب الضوء
- قياس سرعة الضوء من الملاحظات الفلكية
- مقارنة سرعة الضوء في الهواء بالسرعة في الماء
- باستخدام المعادلة لسرعة الضوء
- طريقة قياس حديثة باستخدام الليزر
- قياس سرعة الضوء لم يعد يجعل الشعور
- استخدام سرعة الضوء لمعايرة الأجهزة التجريبية
- سرعة الضوء في فراغ ثابت عالمي
فرقع أصابعك! في الوقت الذي استغرقه القيام بذلك ، كان شعاع الضوء قادرًا على الانتقال إلى القمر تقريبًا. إذا قمت بالتقاط أصابعك مرة أخرى ، فسوف تعطي شعاع الوقت لإكمال الرحلة. النقطة المهمة هي أن الضوء يسافر حقًا بسرعة كبيرة.
يسافر الضوء بسرعة ، لكن سرعته ليست لانهائية ، كما كان يعتقد الناس قبل القرن السابع عشر. ومع ذلك ، فإن السرعة كبيرة جدًا في القياس باستخدام المصابيح أو الانفجارات أو غيرها من الوسائل التي تعتمد على حدة البصر البشرية ووقت رد الفعل البشري. اسأل جاليليو.
تجارب الضوء
ابتكر جاليليو تجربة في عام 1638 استخدمت فيها الفوانيس ، وأفضل استنتاج يمكنه إدراكه هو أن الضوء "سريع للغاية" (بمعنى آخر ، سريع حقًا). لم يستطع الوصول إلى رقم ، إذا قام ، في الواقع ، حتى بتجربة التجربة. ومع ذلك ، فقد غامر بالقول إنه يعتقد أن الضوء يسير بعشرة أضعاف سرعة الصوت. في الواقع ، أشبه مليون مرة بأسرع.
تم إجراء أول قياس ناجح لسرعة الضوء ، والذي يمثله الفيزيائيون عالمياً بواسطة حرف صغير c ، بواسطة Ole Roemer في عام 1676. واستند قياساته على ملاحظات أقمار كوكب المشتري. ومنذ ذلك الحين ، استخدم الفيزيائيون ملاحظات النجوم ، والعجلات المسننة ، والمرايا الدوارة ، ومقاييس التداخل الراديوي ، والرنانات التجويفية ، وأشعة الليزر لتحسين القياس. هم يعرفون الآن ج بدقة أن المجلس العام للأوزان والمقاييس يستند العداد ، الذي هو الوحدة الأساسية للطول في نظام SI ، عليه.
سرعة الضوء هي ثابت عالمي ، لذلك لا توجد سرعة صيغة الضوء ، في حد ذاته. في الواقع ، إذا ج كانت مختلفة ، كل القياسات لدينا يجب أن تتغير ، لأن العداد يعتمد عليه. للضوء خصائص موجة ، مع ذلك ، والتي تشمل التردد ν والطول الموجي λ، ويمكنك ربط هذه بسرعة الضوء مع هذه المعادلة ، والتي قد تسميها المعادلة لسرعة الضوء:
ج = νλ
قياس سرعة الضوء من الملاحظات الفلكية
كان رومير أول شخص يصنع رقماً لسرعة الضوء. لقد فعل ذلك أثناء مراقبة كسوف أقمار كوكب المشتري ، وتحديداً Io. كان يشاهد Io يختفي خلف الكوكب العملاق ، ثم الوقت الذي استغرقه الظهور من جديد. لقد اعتقد أن هذه المرة يمكن أن تختلف بمقدار يصل إلى 1000 ثانية ، وهذا يتوقف على مدى قرب كوكب المشتري من الأرض. لقد توصل إلى قيمة لسرعة الضوء تبلغ 214،000 كم / ثانية ، وهو في نفس الملعب مثل القيمة الحديثة التي تبلغ 300،000 كم / ثانية تقريبًا.
في عام 1728 ، قام الفلكي الإنجليزي جيمس برادلي بحساب سرعة الضوء من خلال ملاحظة الانحرافات النجمية ، وهو تغييرها الواضح في موقعها بسبب حركة الأرض حول الشمس. من خلال قياس زاوية هذا التغيير وطرح سرعة الأرض ، والتي يمكنه حسابها من البيانات المعروفة في ذلك الوقت ، توصل برادلي إلى رقم أكثر دقة. قام بحساب سرعة الضوء في الفراغ لتكون 301000 كم / ثانية.
مقارنة سرعة الضوء في الهواء بالسرعة في الماء
الشخص التالي الذي يقيس سرعة الضوء هو الفيلسوف الفرنسي أرماند هيبوليت فيزو ، ولم يعتمد على الملاحظات الفلكية. وبدلاً من ذلك ، قام ببناء جهاز يتكون من آلة تقطيع الحزم وعجلة أسنان دوارة ومرآة وضعت على بعد 8 كم من مصدر الضوء. يمكنه ضبط سرعة دوران العجلة للسماح لشعاع الضوء بالمرور نحو المرآة ولكن يمنع شعاع العودة. حسابه من ج، الذي نشره في عام 1849 ، كان 315000 كم / ثانية ، والتي لم تكن دقيقة مثل Bradleys.
بعد مرور عام ، قام ليون فيوكولت ، عالم الفيزياء الفرنسي ، بتحسين تجربة Fizeaus عن طريق استبدال مرآة دوارة للعجلة المسننة. قيمة Foucults لـ c كانت 298،000 كم / ثانية ، والتي كانت أكثر دقة ، وفي هذه العملية ، حقق Foucault اكتشافًا مهمًا. عن طريق إدخال أنبوب ماء بين المرآة الدوارة والمرآة الثابتة ، قرر أن سرعة الضوء في الهواء أعلى من سرعة الماء. كان هذا مخالفًا لما تنبأت به النظرية الحسية للضوء وساعدت في إثبات أن الضوء هو موجة.
في عام 1881 ، قام A. A. Michelson بتحسين قياسات Foucaults من خلال إنشاء مقياس تداخل ، تمكن من مقارنة أطوار الحزمة الأصلية والعودة العائدة وعرض نمط تداخل على الشاشة. وكانت نتائجه 299853 كم / ثانية.
وقد وضعت ميشيلسون التداخل للكشف عن وجود الأثير، وهي مادة شبحية من خلالها كان يعتقد أن موجات الضوء تنتشر. فشلت تجربته التي أجراها مع الفيزيائي إدوارد مورلي ، وأدت آينشتاين إلى استنتاج أن سرعة الضوء هي ثابت عالمي هو نفسه في جميع الأطر المرجعية. كان هذا هو الأساس لنظرية النسبية الخاصة.
باستخدام المعادلة لسرعة الضوء
كانت قيمة Michelsons مقبولة حتى قام بتحسينها بنفسه في عام 1926. ومنذ ذلك الحين ، تم تحسين القيمة بواسطة عدد من الباحثين باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. إحدى هذه التقنيات هي طريقة مرنان التجويف ، الذي يستخدم جهازًا يولد تيارًا كهربائيًا. هذه طريقة صحيحة لأنه بعد نشر معادلات ماكسويلز في منتصف القرن التاسع عشر ، اتفق الفيزيائيون على أن الضوء والكهرباء هما ظاهرتان موجهتان كهرمغنطيسيتان ، وكلاهما يسافر بنفس السرعة.
في الواقع ، بعد أن نشر ماكسويل معادلاته ، أصبح من الممكن القياس بشكل غير مباشر من خلال مقارنة النفاذية المغناطيسية والنفاذية الكهربائية للمساحة الحرة. قام اثنان من الباحثين ، روزا ودورسي ، بهذا في عام 1907 وحسبوا سرعة الضوء لتكون 299،788 كم / ثانية.
في عام 1950 ، استخدم الفيزيائيان البريطانيان لويس إيسن و إيه. سي. جوردون سميث مرنان تجويف لحساب سرعة الضوء من خلال قياس طول الموجة وتواترها. سرعة الضوء تساوي المسافة التي يقطعها الضوء د مقسوما على الوقت الذي يستغرقه Δt: ج = د / .t. النظر في أن الوقت لطول موجة واحدة λ لتمرير نقطة هي فترة الطول الموجي ، والذي هو التردد المتبادل الخامس، وتحصل على سرعة صيغة الضوء:
ج = νλ
يُعرف جهاز Essen و Gordon-Smith المستخدم باسم تجويف الرنين wavemeter. إنه يولد تيارًا كهربائيًا بتردد معروف ، وقد تمكنوا من حساب طول الموجة من خلال قياس أبعاد مقياس الموجة. أسفرت حساباتهم عن 299،792 كم / ثانية ، وهو أدق تحديد حتى الآن.
طريقة قياس حديثة باستخدام الليزر
تقوم إحدى تقنيات القياس المعاصرة بإحياء طريقة تقسيم الحزمة التي تستخدمها Fizeau و Foucault ، ولكنها تستخدم الليزر لتحسين الدقة. في هذه الطريقة ، يتم تقسيم شعاع الليزر النبضي. يذهب أحد الشعاع إلى الكاشف بينما يسافر آخر عموديًا إلى مرآة وضعت على مسافة قصيرة. تعكس المرآة الحزمة إلى المرآة الثانية التي تحولها إلى كاشف ثانٍ. يتم توصيل كل من الكاشفين بمؤشر الذبذبات ، الذي يسجل تردد النبضات.
يتم فصل قمم نبضات الذبذبات لأن الحزمة الثانية تنتقل مسافة أكبر من المسافة الأولى. من خلال قياس فصل القمم والمسافة بين المرايا ، يمكن اشتقاق سرعة شعاع الضوء. هذه هي تقنية بسيطة ، وأنها تعطي نتائج دقيقة إلى حد ما. سجل باحث في جامعة نيو ساوث ويلز في أستراليا قيمة 300000 كم / ثانية.
قياس سرعة الضوء لم يعد يجعل الشعور
عصا القياس المستخدمة من قبل المجتمع العلمي هو العداد. تم تعريفه في الأصل على أنه واحد من عشرة ملايين من المسافة من خط الاستواء إلى القطب الشمالي ، وتم تغيير التعريف لاحقًا ليصبح عددًا معينًا من الأطوال الموجية لأحد خطوط انبعاث الكريبتون 86. في عام 1983 ، ألغى المجلس العام للأوزان والمقاييس تلك التعريفات واعتمد هذا التعريف:
ال متر هي المسافة المقطوعة بواسطة شعاع من الضوء في فراغ في 1 / 299،792،458 من الثانية ، حيث يقوم الثاني على الانحلال الإشعاعي لذرة السيزيوم - 133.
تحديد المقياس من حيث سرعة الضوء يعمل بشكل أساسي على إصلاح سرعة الضوء عند 299،792،458 م / ث. إذا أسفرت التجربة عن نتيجة مختلفة ، فهذا يعني أن الجهاز معيب. بدلاً من إجراء المزيد من التجارب لقياس سرعة الضوء ، يستخدم العلماء سرعة الضوء لمعايرة معداتهم.
استخدام سرعة الضوء لمعايرة الأجهزة التجريبية
تظهر سرعة الضوء في مجموعة متنوعة من السلبيات في الفيزياء ، وإمكانية حسابها تقنيًا من البيانات الأخرى المقاسة. على سبيل المثال ، أوضح بلانك أن طاقة الكم ، مثل الفوتون ، تساوي مرات تواتره ثابت بلانك (ح) ، الذي يساوي 6.6262 × 10-34 Joule⋅second. منذ التردد هو ج / λ، يمكن كتابة معادلة Plancks من حيث الطول الموجي:
E = hν = hc / λ
ج = Eλ / ساعة
عن طريق قصف لوحة كهروضوئية مع ضوء الطول الموجي المعروف وقياس طاقة الإلكترونات المقذوفة ، من الممكن الحصول على قيمة ل ج. هذا النوع من سرعة آلة حاسبة الضوء ليست ضرورية لقياس ج ، ولكن ، ل ج يكون يعرف ليكون ما هو عليه. ومع ذلك ، يمكن استخدامه لاختبار الجهاز. إذا Eλ / ساعة لا يخرج أن يكون c ، هناك خطأ ما في قياسات طاقة الإلكترون أو الطول الموجي للضوء الساقط.
سرعة الضوء في فراغ ثابت عالمي
من المنطقي تحديد العداد من حيث سرعة الضوء في الفراغ ، حيث إنه الثابت الأساسي في الكون. أوضح أينشتاين أنه هو نفسه بالنسبة لكل نقطة مرجعية ، بغض النظر عن الحركة ، وأيضًا أسرع شيء يمكن أن ينتقل في الكون - على الأقل ، أي شيء مع الكتلة. معادلة آينشتاين ، واحدة من أشهر المعادلات في الفيزياء ، E = مولودية2، يوفر فكرة عن السبب في ذلك.
في أكثر أشكاله تمييزًا ، تنطبق معادلة آينشتاين فقط على الأجسام الباقية. المعادلة العامة ، ومع ذلك ، يتضمن عامل لورنتز γ، أين γ = 1 / √ (1- v2/ ج2). لجسم في الحركة مع كتلة م والسرعة الخامس، يجب كتابة معادلة آينشتاين E = مولودية2γ. عندما تنظر إلى هذا ، يمكنك أن ترى ذلك عندما الخامس = 0, γ = 1 وتحصل E = MC2.
رغم ذلك، متى ت = ج ، γ يصبح لانهائي ، والنتيجة التي يجب عليك استخلاصها هي أن الأمر سيستغرق كمية لا حصر لها من الطاقة لتسريع أي كتلة محدودة لتلك السرعة. هناك طريقة أخرى للنظر إليها وهي أن الكتلة تصبح غير نهائية بسرعة الضوء.
التعريف الحالي للمقياس يجعل سرعة الضوء هي المعيار للقياسات الأرضية للمسافة ، ولكن منذ فترة طويلة تستخدم لقياس المسافات في الفضاء. السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة أرضية واحدة ، والتي تتحول إلى 9.46 × 1015 م.
هذا العدد الكبير من الأمتار لا يمكن فهمه ، ولكن من السهل فهم السنة الضوئية ، ولأن سرعة الضوء ثابتة في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ، فهي وحدة موثوقة للمسافة. لقد أصبحت أقل موثوقية قليلاً من خلال الاعتماد على السنة ، وهو إطار زمني لن يكون له أي صلة بأي شخص من كوكب آخر.