Общ

Кратка история на скоростта на светлината


Каква е скоростта на светлината? Толкова лесен въпрос за отговор днес в ерата на интернет. Чудили ли сте се как точно сме достигнали до настоящата ни прогноза за299 792 458 m / s? Можете ли дори да си представите как бихте могли да го измервате? Много велики умове са се занимавали с този въпрос през цялата история още от древността.

[Източник на изображението:LucasVB чрез Wikimedia Commons]

Този на пръв поглед прост въпрос е решен още от Древна Гърция и е отговорен съвсем наскоро. През голяма част от това време не можехме да бъдем сигурни дали светлината се движи моментално или много много бързо. Много велики умове са се опитвали да разрешат загадката чрез наблюдения и косвени мисловни експерименти. Ранните опити за реални „физически“ измервания започнаха добре с Галилей. Тези ранни експерименти почти винаги водят до "неубедителни" резултати. Новаторска работа от хора като Ромер и Айнщайн изглежда най-накрая е сложила това в леглото. По-късните творби, както ще видите, са наистина вдъхновени. Те бяха толкова гениални, че по-късните усъвършенствания изглеждаха просто "пресичане на T и поставяне на I" в сравнение.

Така че, без повече шум, се присъединете към нас, докато правим обиколка във времето и пространството. Време е да разкрием интересната история за скоростта на светлината.

Ранни идеи

Много преди Айнщайн и неговата теория на относителността да дискутира светлината и нейната скорост далеч не е рядкост. Изглежда, че някои от най-ранните дискусии са от Аристотел. Той известен цитира Емпедокъл, който предполага, че светлината от слънцето трябва да отнеме известно време, за да стигне до Земята. Верен на формата, Аристотел не се съгласи с това предположение. Аристотел сякаш предполагаше, че светлината пътува мигновено.

„светлината се дължи на присъствието на нещо, но не е движение“ - Аристотел

Евклид и Птолемей надграждат идеите на Емпедокъл и предполагат, че светлината се излъчва от окото, което позволява зрението. Интересно! По-късно Херона Александрийска твърди, че скоростта на светлината вероятно е безкрайна, тъй като отдалечени обекти, звезди и т.н. се появяват веднага, когато отворите очите си.

Роджър Бейкън имаше пукнатина по въпроса през 13 век. Той постулира, че скоростта на светлината във въздуха не е безкрайна. Той използва философски аргументи, подкрепени от писанията на Алхазен и Аристотел. По-късно през този век Уитело смята, че светлината се движи с безкрайна скорост във вакуум, но се забавя през по-плътни среди.

Преминавайки напред към 17 век, Йоханес Кеплер стига до заключението, че ако скоростта на светлината е крайна, Слънцето, Земята и Луната трябва да са извън позицията по време на лунните затъмнения. Тъй като това не изглежда да се случи, Декарт стигна до същото заключение като Аристотел. Декарт продължи да постулира, че скоростта на светлината е безкрайна или мигновена и че дори се ускорява през по-плътни среди. По-късно Пиер дьо Ферма извежда закона на Снел по подобен начин на Декарт, но стига до обратното заключение по отношение на светлината през плътни среди. Той обаче вярваше, че скоростта на светлината е крайна.

Как да измерим "безкрайно" бързо

Един от първите сериозни опити за измерване на скоростта на светлината е на холандския учен Исак Бийкман. През 1629 г., използвайки барут, разбира се, той поставя огледала на различни разстояния от експлозиите. Той попита наблюдателите дали могат да видят някаква разлика в това, когато експлозивната светкавица се отразява от всяко огледало с очите им. Както можете да си представите резултатите бяха донякъде неубедителни. По-късно, през 1638 г., великият Галилей в своята работа Две нови науки обобщава аристотеловата позиция доста спретнато.

"Всекидневният опит показва, че разпространението на светлината е мигновено; тъй като когато видим артилерия, изстреляна на голямо разстояние, светкавицата достига очите ни без изтичане на времето; но звукът достига до ухото само след забележим интервал."

По-нататък Галилей заключи, че всъщност нищо от неговата скорост не може да бъде извлечено от просто наблюдение на светлината. Той отбелязва, че обаче трябва да е по-бърз от звука. По-нататък в парчето Галилей продължава да предлага начин за потенциално измерване на скоростта на светлината.

Светлинният скоростомер на Галилей

Идеята на Галилей за измерване на скоростта на светлината е изненадващо опростена. Той предлага двама души на известно разстояние един от друг с покрити фенери. Планът е прост, един от носителите на фенери разкрива своя фенер. Другият, който наблюдава светлината на първия фенер, веднага открива собствената си. Този процес трябва да се повтори няколко пъти, така че участниците да се упражняват добре, за да подобрят времето за реакция до възможно най-малко.

След като свикнат с процеса, те трябваше да повтарят процеса на все по-големи разстояния, докато накрая се нуждаят от телескопи, за да си гледат фенерните светлини. Това трябваше да даде възможност на експеримента да открие дали всъщност има осезаем интервал от време и скоростта на светлината. Галилео твърди, че е провел този експеримент, но както се досещате, без резултат. Той не можа да открие осезаемо забавяне във времето, както бихме очаквали днес, като се има предвид скоростта на светлината. Той заключи, че светлината "ако не е мигновена, е изключително бърза". Смята се, че той е използвал воден часовник, за да измери изоставането във времето за експеримента. Той обаче успя да заключи, че светлината трябва да пътува поне десет пъти по-бързо от звука.

Измерването става сериозно

Датският астроном Оле Ромер започва да прави първите реални измервания на скоростта на светлината около 50 години след Галилей. Работейки в Парижката си обсерватория през 1676 г., той започва да прави систематично изследване на I0, една от спътниците на Юпитер. Тази луна се затъмнява от Юпитер доста редовно, докато обикаля около гигантската планета. Това движение е предвидимо и удобно за този вид експеримент. Продължавайки наблюденията си, той установи, че в продължение на няколко месеца затъмненията сякаш изостават все повече и повече от това, което иначе може да се очаква. След това отново започнаха да вдигат. Странно!

През септември същата година той правилно предсказа едно затъмнение на 9 ноември да закъснее с около десет минути. За негова радост, може би облекчение, наистина това беше случаят, който му позволи да се похвали пред скептичните си колеги от Обсерваторията. Ромер обясни, че това изоставане вероятно е защото Земята и Юпитер са се движили по различни орбити и при това разстоянието между тях се е променяло. Следователно светлината, отразена от Йо, трябва да отнеме известно време, за да достигне Земята с най-голямото „закъснение“, настъпило, когато Земята и Юпитер са били на максималното си разделяне. "Закъсненията" на затъмнението също са следствие от тази разлика в разстоянието между нас и Йо / Юпитер.

[Източник на изображението: НАСА / JPL / Университет в Аризона]

Неговите наблюдения допълнително позволиха на Ромер да заключи, че светлината се затваря двадесет и две минути да достигне Земята.

Надграждайки работата на Ромер

Смелата оценка на Ромер беше добро начало, но малко надцени. По-късно сър Исак Нютон ще напише:

„Защото сега е ясно от феномените на спътниците на Юпитер, потвърдени от наблюденията на различни астрономи, че светлината се разпространява последователно (Забележка: Мисля, че това означава с крайна скорост) и отнема около седем или осем минути, за да пътува от слънцето до земята. "

Нютон се коригира за разстоянието между Земята и Слънцето, за да изчисли, че ще отнеме седем или осем минути да пътуват между тях. Както в оценките на Ромер, така и в Нютон, цифрата, която са извлекли, е толкова далечна.

Сега знаем, че това е много по-добра оценка, но „похвала“ на Ромер. За да измервате "скоростта" на каквото и да е, обикновено трябва да знаете разстоянието между две точки. Да вземем например разстоянието на Слънцето от Земята. През 1670-те са правени различни опити за измерване на паралакса на Марс. Паралаксът е измерване на това колко далеч се е изместил Марс на фона на далечни звезди. За целта трябва да се правят наблюдения едновременно от различни места на Земята. Това би показало много фина промяна, която може да се използва за измерване на разстоянието на Марс от Земята. С това измерване в ръка астрономите биха могли да изчислят относителното разстояние на Земята от Слънцето. Относителните разстояния на небесните тела в нашата Слънчева система вече бяха установени чрез наблюдения и геометричен анализ.

Експериментите стават все по-точни

В Съвременни теории на университетаe от Майкъл Дж. Кроу, тези наблюдения стигнаха до заключението, че това разстояние е около 40 до 90 милиона мили. Тези измервания накрая постигнаха съгласие за стойност 93 милиона мили (149,6 милиона километра), което е повече или по-малко правилно, както познаваме днес. Това споразумение между астрономите идва от правилната стойност на разстоянието на Ромер или използването на неговите данни от Хюйгенс.

Кристиан Хюйгенс използва оценката на Ромер и я комбинира с оценка на диаметъра на Земята, за да получи нова скорост на светлината. Работата на Хюйгенс доведе до скоростта на светлината да бъде около 201 168 (с най-близко цяло число) километри в секунда. Това е около три четвърти от реалната стойност на 299 793 (с най-близко цяло число) километри в секунда.

Защо грешката? Ще го обясним, като вземем предвид времето, необходимо на светлината да прекоси орбитата на Земята, да бъде около двадесет и две минути, а не правилната стойност от шестнадесет минути.

Допълнителни подобрения бяха направени в оценката на скоростта на светлината през 1728 г. от английския астроном Джеймс Брадли. По време на плаване по Темза той отбеляза, че малкият вимпел на мачтата на кораба сменя позициите си всеки път, когато лодката се „спуска“. Той оприличи това събитие на Земята в орбита със звездна светлина, подобна на вятъра, играещ с платната на лодката и вимпела. По-нататък Брадли разсъждаваше, че "вятърът" на звездната светлина може да се мисли за това, че духаме отзад или в идващата "Земна лодка".

Никога не вали, сипе!

Друга аналогия би била звездната светлина, подобна на дъжд от дъжд в безветрен ден. Като Земята е човек, който върви в кръг с космическо темпо през нея. Входящата посока на дъжда не би била вертикална, а по-скоро под ъгъл. Да предположим, че дъждът пада с около 10 км / ч, а вие вървите с около 5 км / ч, дъждът ще има вертикална и хоризонтална скорост, съответстваща на тези цифри. Джеймс Брадли смяташе, че може да се мисли за светлина, за да действаме по подобен начин.

Той разсъждава, че предвид скоростта на Земята от около 18 мили в секунда той знаеше, че работата на Ромер е оценила светлината 10 000 пъти повече. От това Брадли разсъждава, че ъгловото изменение на входящата светлина е около величината на малкия ъгъл на правоъгълен триъгълник. Триъгълникът ще има една страна, която е 10 000 пъти по-дълго от другия и за две стотни от градуса. Появата на телескопа и усъвършенстването в инженерството по това време позволява този малък ъгъл да бъде точно измерен. От своя мисловен експеримент и наблюдения Брадли заключи, че скоростта на светлината е около 297 729 километра в секунда. Това само за 1 % на марката !! Доста невероятно.

Какво е с всички косвени измервания?

Добре, нека да направим равносметка тук. Преминахме от спорове за това дали светлината се движи незабавно до някои реални цифри. Не е зле. За съжаление повечето от тях не са действителни преки измервания, а по-скоро косвени твърдения. Разбира се с много добра точност, но все още липсва „пряко“ наблюдение. Пъхването на Галилей с фенери би работило добре, тъй като щяхме да имаме действително известно разстояние, с което да работим. Досега скоростта беше изведена от непреки приспадания въз основа на леки промени в позициите на небесните тела. Както знаем днес, относително малки разстояния като тези, необходими на Галилей, са твърде малки, за да се направи значително измерване.

Това беше разрешено отчасти от двама ожесточени френски съперници през 1850 г. Физо и Фуко използваха леко различни техники, за да стигнат до подобно заключение. Физо използвал апарат, който излъчвал лъч светлина между зъбите на бързо въртящо се зъбно колело. Това означаваше, че източникът на светлина непрекъснато се покрива и разкрива. Той също така използва огледало, за да отразява светлината обратно, където тя преминава през зъбното колело за втори път. Това нововъведение ясно премахна необходимостта от два фенера, както в експеримента на Галилей, както и осигури по-предсказуем модел, вместо да разчита на човешки реакции.

Идеята беше, че отразената светлина може да отскача обратно през зъбното колело в определени моменти. Например същият, ако е достатъчно "бавен", или допълнителен отвор за зъб, ако е достатъчно бърз или разбира се блокиран от "клиновете" между тях. Красотата на дизайна беше, че лесно можете да направите колела със стотици зъби и да ги въртите много бързо, което позволява измерване на част от секундата. Този метод наистина работи много добре.

Фуко отвръща на удара

Неговият съперник, методът на Фуко, се основава на подобен принцип, с изключение на това, че включва въртящо се огледало, а не зъбно колело. В един момент от въртенето отразеният лъч светлина ще падне върху друго далечно огледало, което се отразява обратно към въртящото се. Въртящото се огледало явно се е завъртяло на малко разстояние през времето, необходимо на светлината да се отрази обратно към него. Този метод осигурява средство за измерване на новото положение на светлинния лъч и по този начин осигурява скорост. Успя да разбере колко далеч се е обърнало огледалото за времето, през което е взело светлината, за да направи обратното си пътуване.

И двете тези гениални техники осигуриха скорост от298 000 километра в секунда. Това е просто 0.6% „изключен“ от съвременната оценка.

Алберт Микелсън пристъпва към чинията

Г-н Michelson е роден в Strzelno, Полша. Родителите му мигрират в САЩ, когато Алберт е на 4 години, за да избяга от ескалиращия антисемитизъм в региона. По-късно Алберт прекарва известно време с американския флот, преди да стане инструктор по физика и химия през 1875 г.

Времето му в морето и размишленията за всичко изглежда еднакво в затворена стая, движеща се с постоянна скорост, както в покой, напомняха за по-ранните открития на Галилей.

Когато започва да чете лекции, Микелсън решава да изпробва метода на Фуко. Скоро обаче осъзна, че когато настройва апарата, може би може да го преработи, за да осигури по-голяма точност. Той реши да увеличи антето и да увеличи разстоянието между огледалата и лещите. Вместо на този на Фуко 18 метра, той реши да удължи разстоянието до 610 метра. Той също успя да събере средства за използване на много висококачествени огледала за фокусиране на светлинните лъчи. Толкова добри бяха откритията му, че той записа скоростта на светлината като 298 299,96 километра в секунда само 48,28 километра в секунда от днешната стойност.

Точността на експеримента му беше толкова добра, че се превърна в стандартно и най-точно измерване за следващите 40 години!

Надвисва се 20-ти век

Известно е, че светлината и електромагнетизмът са преплетени към края на 19 век. Това би позволило по-нататъшно усъвършенстване през следващите няколко десетилетия. Физиците работеха неуморно, измервайки електромагнитни и електростатични заряди, за да получат числена стойност, много близка до измерената от Физо.

Въз основа на това, немският физик Вилхелм Едуард Вебер предположи, че всъщност светлината е електромагнитна вълна. Излезте на сцената вляво, Алберт Айнщайн с новаторската си работа през 1905 г. „За електродинамиката на движещите се тела“ показа на света, че скоростта на светлината във вакуум е еднаква във всички „инерционни“ референтни рамки. Не само това, но и напълно независимо от движението на източника или наблюдателя.

Изчисленията на Айнщайн допълнително му позволиха да развие своята Теория на специалната относителност, предоставяйки на научния свят стойността c, която сега е основна константа. Преди Айнщайн учените са били дълбоко вкоренени в стремежа си към нещо, наречено "светещ етер". Подобна на пръв поглед странна концепция беше използвана, за да се опише как всъщност се разпространява светлината. Някога се е смятало, че ефирът е за „движеща се“ светлина по цялата Вселена.

Универсалното ограничение на скоростта

Работата на Айнщайн усъвършенства принципа, че скоростта на светлината е постоянна във вакуум и това странно нещо се случва по-близо до скоростта, която достигнете. Включително ефекти като разширяване на времето или забавяне на времето, колкото по-бързо пътувате. Изглежда, че скоростта на светлината е най-бързата, която тяло с маса може да пътува. Може би бъдещите развития във физиката също ще отменят тази идея. Само времето ще покаже.

Относителността също успя да съгласува уравненията на Максуел за електричество и магнетизъм със законите на механиката. Те също така опростиха математическите изчисления, като направиха излишните обяснения излишни. Съвременни техники, включително интерферометри и резонансни техники на кухината, са използвани, за да ни дадат нашата съвременна стойност. Те допълнително усъвършенстваха нашата оценка за така нареченото ограничение на скоростта на Вселената. Нашата призната в момента стойност на 299 792 458 m / s е извлечена през 1972 г. от Националното бюро за стандарти в САЩ в Боулдър, Колорадо.

Последната дума

Е, това е доста пътуване. Пътували сме от великия Аристотел до не друг, а Алберт Айнщайн. Други велики умове, включително Исак Нютон, френски и полски учени, са "опитвали" да се справят с този на пръв поглед прост въпрос. Наистина това е било труд на любовта през времето и универсално събитие "екип от етикети". Преминахме от чистата мисъл до няколко парчета с фенери до най-накрая върха на научните експерименти, за да предоставим отговора. Да, добре, имаше някои допълнителни усъвършенствания и гениални методи между тях.

Постоянно досадният навик на човечеството да задава неудобни въпроси понякога може да доведе до дълги чакания на пръв поглед прости въпроси. Може би скоростта на светлината е най-големият пример за това. Това е добро свидетелство за нашите предци, че не бихме се спрели в стремежа си да отговорим на този въпрос. Въпреки че имаме текуща оценка, възможно е през следващите векове да бъдат направени допълнителни усъвършенствания. Каквото и да е в бъдещето, надяваме се, че от този момент нататък никога няма да го приемете за даденост.

И си помислихте, че това е прост въпрос! И така. Пропуснали ли сме стъпки в търсенето на скоростта на светлината? Въпреки че не е адресиран тук, мислите ли някога, че ще можем да пътуваме със скоростта на светлината? Ще можем ли някога да пътуваме по-бързо? Нека започнем разговор.

Източници:Скоростта на светлината от Майкъл Фаулър / Физически отдел на UVa, Speed-Light, UniverseToday

Източник на избрано изображение:TheStarWarsWiki

ВИЖТЕ СЪЩО: Каква скорост на пътуването със светлина в „Междузвездни войни“ НАИСТИНА би била


Гледай видеото: Спектър на светлината. Физика 7 клас. EDUAL (Юни 2021).