Vi vet alle: den lys Det er den raskeste fysiske enheten i naturen. Albert Einstein Han lærte oss at naturen er laget slik at lyshastighet (dvs. forplantningshastigheten til en elektromagnetisk bølge) i tomrommet er den samme for alle og representerer en uoverkommelig grense for enhver fysisk enhet med sin 299.792.458 m/s. Nok til å utføre 7 og en halv svinger rundt ekvator på bare et sekund, eller til å komme til månen på 1,28 sekunder. En slik hastighet som nesten lurer på: men hvordan i helvete målte de det? Den første laboratoriemålingen av høyest mulig hastighet i universet fant sted i 1849 med et av de vakreste eksperimentene i hele fysikkens historie: denFizeau -eksperimentder en lysstråle samhandlet med et rotasjonstannhjul. Med denne enkle og strålende metoden beregnet Fizeau en verdi på 314 000 km/s, overraskende nær den som ble akseptert i dag.
Før Fizeau: Galileo og RØmer
Den første som prøvde det var en av oppfinnerne av den moderne vitenskapelige metoden: Galileo Galilei. Han tok assistenten sin og sendte ham om natten med en lykt på toppen av en høyde, mens han var sammen med en annen lykt på toppen av en annen bakke. Planen var enkel: Galileo oppdager lykten hans, slik at lyset kunne spre seg; Så snart disippelen ser lyset, oppdager han lykten og Galileo registrerer tidsbruken siden han oppdaget lykten da han så lyset fra assistenten. Hastighet er ganske enkelt forholdet mellom det dobbelte av avstanden mellom de to lyktene (dvs. den totale banen som er laget av lys) og tiden målt av Galileo.
Eksperimentet var ikke avgjørende, og det er ikke vanskelig å forestille seg hvorfor: den Avstandene var for små og klokkene fra tiden For lite presis Å måle en så høy hastighet, for ikke å nevne det faktum at de eneste Reaksjonstider Av de to eksperimentene var de mye høyere enn tiden som trengs for å tenne for å lage frem og tilbake.
Galileo er imidlertid gitt indirekte Grunnlaget for det første kvantitative målet på lysets hastighet, med oppdagelsen av Medici -satellitter planet Jupiter. Hva har Jupiters måner å gjøre med lysets hastighet, kan du spørre deg selv. Vel, den danske astronomen OLE RØMER Han oppdaget på 70 -tallet av det syttende århundre at tidspunktet for formørkelsene til Giorne lunes med planeten i seg selv endret seg i henhold til perioden i året der disse formørkelsene skjedde: jo mer landet under banen rundt solen var nær Jupiter, jo mer økte formørkene «i forhånd». Motsatt, når jorden var lenger fra den gigantiske planeten, fant formørkelsene sted «sent». I alt danset tjue minutter. RØMER tenkte, riktig, at forskjellen skyldtes det faktum at Lyset tar en viss tid å krysse størrelsen på den jordiske banedet vil si to ganger landsalgsavstanden. Vel: Å vite mer eller mindre hvor mye land-solavstand og hvor mye de «forsinker» formørkelsene til Medici-satellittene over seks måneder vi kan estimere lysets hastighet. Den danske astronomen oppnådde en verdi på ca. 225 000 km/sdet vil si, den 20% mindre av riktig verdi.
Fizaus eksperiment for størrelsen på lysets hastighet
For å gjøre det kvalitative spranget, tok det imidlertid et eksperiment som ble utført ikke ved å bruke planetene til solsystemet, men i laboratoriet, med presise tiltak i et kontrollert miljø. Men hvordan gjør jeg det? Ideen kom til den franske kroppsbygningen Hyppolite Fizeauog det var så enkelt som det er strålende. Den absolutte hovedpersonen i dette eksperimentet – selv om det i virkeligheten var en enorm familie av eksperimenter – var en Dentata Wheel hvis rotasjonshastighet måtte kunne nå høye verdier og reguleres på en veldig presis måte.
Ta lyset av en kraftig fakkel eller en annen lyskilde og få den til å slå seg sammen gjennom et linsesystem for å lage Lysstråle Vel kompakt og colliend. På dette tidspunktet krysser bunten en Semi -transparent speil 45 ° skråstilt. Hva betyr Semitransparent? Det betyr at lyset passerer gjennom, men ikke passerer det i motsatt retning. Vi vil snart forstå hvorfor. Lyset krysser dette speilet, avleder 90 ° og derfra fortsetter i en rett linje. Rett etterpå møter han kant: Hvis han møter en tann, blir bunten gått av og ikke lenger fortsetter, ellers fortsetter han sin vei opp til et speil som den franske kroppsbygningen hadde arrangert skjønnheten i 8.633 km.
Opprinnelig er hjulet fast og ordnet slik at lyset kan passere. Speilet gjør jobben sin: gjenspeiler lyset og utsetter det tilbake til semi -Praise -speilet, som denne gangen lar henne passere og fører henne til Fizau -øye, som ellers ikke kunne ha sett noe. I denne situasjonen erMaksimal lysintensitetfordi alt lyset som sendes ut av lyskilden går tilbake.
Nå, hva som skjer hvis Vi snur rattet i stadig høye hastigheter? Opprinnelig vil Fizeau observere en reduksjon i lysintensitetFordi ikke alt lyset går tilbake: faktisk møter en del under «retur» -reisen tennene på hjulet. Når hastigheten på hjulet øker, kommer imidlertid en spesifikk rotasjonshastighet slik at Fizeau ser ikke lenger noe lys. Det vil si at ingen lys går tilbake fra hovedspeilet. Dette skjer fordi lyset i den hastigheten krysser hjulet i hulrommene mellom to tenner, påvirker speilet, men systematisk når det går tilbake, påvirker det tannen etter sprekken som den har gått fra og derfor ikke kan nå Fizaus øye.
Hjørnehastigheten på hjulet som lys forsvinner (dvs. hvor mange runder det gjør om et sekund, så å si) er nøkkelen til å måle lysets hastighet. Denne hastigheten lar oss faktisk beregne tiden som tar en «tomhet» for å bli en «full» i kanten av hjulet. Beregningen er enkel: bare del periode på hjulet (dvs. hva som skal til for å fullføre en omgang) for dobbeltet av antall tenner av hjulet (dobbelt fordi avstanden fra midten av en sprekk i midten av den neste tannen er halvparten av avstanden mellom to etter tenner). Fizaus hjul hadde en periode på 0,08 sekunder Og 720 tennerderfor ved å gjøre beregningene vi får:
0,08 sekunder / (2 · 720) ≈ 0,000055 sekunder.
Vel, en gang dette tidsintervallet tar vi hastighetsformel At vi alle studerte på skolen:
Hastighet = avstand / tid
Avstanden er kjent: den er dobbel avstanden mellom hjulet og speilet (det doble fordi lyset må krysse denne avstanden på første etappe og komme tilbake, derfor to ganger) og været er det vi nettopp har beregnet. Så vi har:
2 · 8633 meter / 0,000055 sekunder ≈ 314 000 000 meter per sekund.
med et lavere avfall av 5% Sammenlignet med den aksepterte verdien (299 792,48 meter per sekund). EN Gjerne imponerende resultat Tatt i betraktning den relative enkelheten – i det minste fra det konseptuelle synspunktet – av apparatet som målingen og enkelheten til matematikk og fysikk som kreves for å komme til denne verdien ble gjort!
