Bernard Jeff
1. Sinukat ng isang naval officer ang bilis ng liwanag
Noong tagsibol ng 1879, iniulat ng The New York Times: “Isang maliwanag na bagong bituin ang lumitaw sa siyentipikong abot-tanaw ng Amerika. Ensign serbisyong maritime, nagtapos ng Naval Academy sa Annapolis, Albert A. Michelson, na wala pang dalawampu't pitong taong gulang, ay nakamit ang isang natatanging tagumpay sa larangan ng optika: sinukat niya ang bilis ng liwanag. Sa isang editoryal na pinamagatang "Science to the People," isinulat ng Daily Tribune: "Ang lokal na pahayagan ng Virginia City, isang mining town sa malayong Nevada, ay buong pagmamalaking nag-uulat: 'Lt. Albert A. Michelson, anak ni Samuel Michelson, dry goods store may-ari sa ating lungsod, ay nakakuha ng atensyon ng buong bansa sa pamamagitan ng isang kahanga-hangang tagumpay sa siyensya: sinukat niya ang bilis ng liwanag.
Ang bilis ng liwanag ay tinalakay at pinagtatalunan mula noong sinaunang panahon, ngunit bago si Michelson, tatlong siyentipiko lamang (lahat sila ay Pranses) ang nagawang sukatin ito gamit ang mga panlupa na paraan. Ito ay isang napakaluma at napakahirap na problema. Bago si Michelson sa kontinente ng Amerika, walang sinuman ang nagtangka sa mahirap na eksperimentong ito.
Gayunpaman, sa mga nakaraang siglo, ang mga pilosopo at siyentipiko ay nakaipon ng isang medyo malawak na tindahan ng impormasyon tungkol sa mga katangian ng liwanag. 300 taon bago ang ating panahon, noong mga araw na nilikha ni Euclid ang kanyang geometry, marami nang alam ang mga Greek mathematician tungkol sa liwanag. Napag-alaman na ang liwanag ay kumakalat sa isang tuwid na linya at kapag naaninag mula sa isang patag na salamin, ang anggulo ng saklaw ng sinag. katumbas ng anggulo mga pagmuni-muni. Alam na alam ng mga sinaunang siyentipiko ang kababalaghan ng light refraction. Binubuo ito sa katotohanan na ang liwanag, na dumadaan mula sa isang daluyan, tulad ng hangin, sa isang daluyan ng ibang density, tulad ng tubig, ay na-refracted.
Si Claudius Ptolemy, isang astronomer at mathematician mula sa Alexandria, ay nag-compile ng mga talahanayan ng mga sinusukat na anggulo ng saklaw at repraksyon, ngunit ang batas ng repraksyon ng liwanag ay hindi natuklasan hanggang 1621 ni Willebrord Snellius, isang Dutch mathematician mula sa Leiden, na natuklasan na ang ratio ng mga sines ng anggulo ng saklaw at ang anggulo ng repraksyon ay pare-pareho para sa alinmang dalawang media. magkaibang densidad.
Maraming sinaunang pilosopo, kabilang ang dakilang Aristotle at ang Romanong estadista na si Lucius Seneca, ang nag-isip tungkol sa mga sanhi ng bahaghari. Naniniwala si Aristotle na lumilitaw ang scheme ng kulay bilang resulta ng pagmuni-muni ng liwanag ng mga patak ng tubig; Si Seneca ay may parehong opinyon, na naniniwala na ang mga ulap, na binubuo ng mga particle ng kahalumigmigan, ay isang uri ng salamin. Sa isang paraan o iba pa, ang tao sa buong kasaysayan niya ay nagpakita ng interes sa likas na katangian ng liwanag, na pinatunayan ng mga alamat, alamat, pilosopikal na hindi pagkakaunawaan at mga obserbasyon sa siyensiya na dumating sa atin.
Tulad ng karamihan sa mga sinaunang siyentipiko (maliban kay Empedocles), naniniwala si Aristotle na ang bilis ng liwanag ay walang katapusan. Nakakapagtaka kung iba ang iniisip niya. Pagkatapos ng lahat, ang gayong napakalaking bilis ay hindi masusukat ng alinman sa mga umiiral na pamamaraan o instrumento noon. Ngunit kahit sa mga huling panahon, ang mga siyentipiko ay patuloy na nag-iisip at nagtatalo tungkol dito. Mga 900 taon na ang nakalilipas, iminungkahi ng Arab scientist na si Avicenna na, kahit na ang bilis ng liwanag ay napakataas, ito ay dapat na isang may hangganang halaga. Ito rin ang opinyon ng isa sa kanyang mga kontemporaryo, ang Arab physicist na si Alhazen, na unang nagpaliwanag ng kalikasan ng takipsilim. Siyempre, alinman sa isa o isa pa, ay walang pagkakataon na kumpirmahin ang kanilang opinyon sa eksperimentong paraan.
Ang karanasan ni Galileo
Ang gayong mga pagtatalo ay maaaring magpatuloy nang walang katiyakan. Upang malutas ang isyu, kailangan ang isang malinaw at hindi masasagot na karanasan. Ang unang pumasok sa landas na ito ay ang Italian Galileo Galilei, na kapansin-pansin sa versatility ng kanyang henyo. Iminungkahi niya na ang dalawang tao, na nakatayo sa mga tuktok ng mga burol sa layo na ilang kilometro mula sa isa't isa, ay magbigay ng mga senyales gamit ang mga parol na nilagyan ng mga shutter. Ang ideyang ito, na kalaunan ay isinagawa ng mga siyentipiko ng Florentine Academy, ipinahayag niya sa kanyang gawaing "Mga pag-uusap at mga patunay sa matematika tungkol sa dalawang bagong sangay ng agham na may kaugnayan sa mekanika at lokal na kilusan" (nai-publish sa Leiden noong 1638).
May tatlong kausap si Galileo na nag-uusap. Ang una, si Sagredo, ay nagtanong: “Ngunit anong uri at anong antas ng bilis dapat ang kilusang ito? Dapat ba nating ituring ito bilang madalian, o bilang nangyayari sa oras, tulad ng lahat ng iba pang mga galaw? Si Simplicio, ang retrograde, ay agad na sumasagot: "Ang pang-araw-araw na karanasan ay nagpapakita na ang liwanag mula sa apoy ng mga putok nang walang anumang pagkawala ng oras ay nakatatak sa ating mata, sa kaibahan ng tunog, na umaabot sa tainga pagkatapos ng mahabang panahon." Tinutulan ito ni Sagredo nang may magandang dahilan: "Mula sa kilalang karanasang ito, hindi ako makakagawa ng anumang iba pang konklusyon kaysa ang tunog na iyon ay umaabot sa ating mga tainga sa mas mahabang pagitan kaysa sa liwanag."
Dito namagitan si Salviati (nagpapahayag ng opinyon ni Galileo): ang pagpapalaganap ng liwanag ay talagang madalian. Ang karanasan na aking naisip ay ang mga sumusunod. Dalawang tao ang bawat isa ay may hawak na apoy na nakapaloob sa isang parol o isang katulad na bagay, na maaaring buksan at isara sa pamamagitan ng paggalaw ng kamay sa buong pagtingin sa kasama; nakatayo sa tapat ng isa't isa "sa layo na ilang siko, ang mga kalahok ay nagsimulang magsanay ng pagsasara at pagbubukas ng apoy sa harap ng kasama sa paraang sa sandaling mapansin ng isa ang liwanag ng isa, agad nilang binuksan ang kanilang sariling ... Nagawa ko lang itong gawin sa isang maikling distansya - wala pang isang milya - kung bakit hindi ako sigurado kung ang hitsura ng kabaligtaran na liwanag ay talagang biglang nangyayari. Ngunit kung hindi ito biglang nangyari, kung gayon, sa anumang kaso, na may matinding bilis.
Ang mga paraan na magagamit sa oras na iyon para kay Galileo, siyempre, ay hindi pinapayagan na malutas ang problemang ito nang simple, at lubos niyang alam ito. Nagpatuloy ang kontrobersya. Si Robert Boyle, ang sikat na Irish na siyentipiko na nagbigay ng unang tamang kahulugan ng isang elemento ng kemikal, ay naniniwala na ang bilis ng liwanag ay may hangganan, at isa pang henyo noong ika-17 siglo, si Robert Hooke, ay naniniwala na ang bilis ng liwanag ay masyadong mataas upang matukoy. pang-eksperimento. Sa kabilang banda, ang astronomer na si Johannes Kepler at ang mathematician na si René Descartes ay sumunod sa pananaw ni Aristotle.
Römer at buwan ng Jupiter
Ang unang paglabag sa pader na ito ay ginawa noong 1676. Nangyari ito sa isang tiyak na paraan, nang hindi sinasadya. Ang teoretikal na problema, tulad ng nangyari nang higit sa isang beses sa kasaysayan ng agham, ay nalutas sa kurso ng pagpapatupad ng isang purong praktikal na gawain. Ang mga pangangailangan ng pagpapalawak ng kalakalan at ang lumalaking kahalagahan ng pag-navigate ay nag-udyok sa French Academy of Sciences na pinuhin ang mga heograpikal na mapa, na, sa partikular, ay nangangailangan ng isang mas maaasahang paraan para sa pagtukoy ng geographic longitude. Ang longitude ay lubos na tinutukoy sa simpleng paraan- sa pagkakaiba ng oras sa dalawang magkaibang bahagi ng globo, ngunit hindi pa rin nila alam kung paano gumawa ng sapat na tumpak na mga relo. Iminungkahi ng mga siyentipiko na gumamit ng ilang celestial phenomenon na sinusunod araw-araw sa parehong oras upang matukoy ang oras sa Paris at ang oras sa pagsakay sa barko. Sa pamamagitan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito, maaaring itakda ng isang navigator o geographer ang kanyang relo at alamin ang oras ng Paris. Ang isang gayong kababalaghan, na makikita mula sa anumang lugar sa lupa o dagat, ay ang eklipse ng isa sa apat na malalaking buwan ng Jupiter na natuklasan ni Galileo noong 1609.
Kabilang sa mga siyentipiko na nagtatrabaho sa isyung ito ay ang batang Danish na astronomer na si Ole Römer, na apat na taon na ang nakalilipas ay inanyayahan ng Pranses na astronomer na si Jean Picard na magtrabaho sa bagong obserbatoryo ng Paris.
Tulad ng ibang mga astronomo noong araw, alam ni Römer na ang panahon sa pagitan ng dalawang eklipse ng pinakamalapit na buwan ng Jupiter ay iba-iba sa buong taon; Ang mga obserbasyon mula sa parehong punto, na pinaghihiwalay ng isang panahon ng anim na buwan, ay nagbibigay ng maximum na pagkakaiba na 1320 segundo. Ang 1320 segundong ito ay isang misteryo sa mga astronomo, at walang makakahanap ng kasiya-siyang paliwanag para sa kanila. Tila mayroong ilang uri ng ugnayan sa pagitan ng panahon ng rebolusyon ng satellite at ang posisyon ng Earth sa orbit na may kaugnayan sa Jupiter. At ngayon, si Römer, nang masusing suriin ang lahat ng mga obserbasyon at kalkulasyon na ito, ay hindi inaasahang nalutas lamang ang bugtong.
Ipinagpalagay ni Roemer na ang 1320 segundo (o 22 minuto) ay ang oras na kailangan ng liwanag upang maglakbay sa distansya mula sa pinakamalapit na posisyon ng Earth sa Jupiter sa orbit hanggang sa posisyon na pinakamalayo mula sa Jupiter, kung saan ang Earth ay anim na buwan mamaya. Sa madaling salita, ang karagdagang distansya na nilakbay ng liwanag na sinasalamin mula sa satellite ng Jupiter ay katumbas ng diameter ng orbit ng Earth (Fig. 1).
kanin. isa. Ang pamamaraan ng pangangatwiran ni Römer.
Ang orbital period ng pinakamalapit na satellite sa Jupiter ay humigit-kumulang 42.5 na oras. Samakatuwid, ang satellite ay kailangang takpan ng Jupiter (o umalis sa eclipse band) tuwing 42.5 oras. Ngunit sa loob ng kalahating taon, kapag ang Earth ay lumayo sa Jupiter, ang mga eklipse ay naobserbahan sa bawat oras na may pagtaas ng pagkaantala kumpara sa mga hinulaang petsa. Dumating si Roemer sa konklusyon na ang liwanag ay hindi dumarating kaagad, ngunit may hangganan na bilis; kaya mas matagal at mas matagal bago maabot ang Earth habang lumalayo ito sa Jupiter sa orbit nito sa paligid ng Araw.
Sa panahon ni Roemer, ang diameter ng orbit ng Earth ay itinuturing na mga 182,000,000 milya (292,000,000 km). Hinahati ang distansyang ito ng 1320 segundo, nalaman ni Roemer na ang bilis ng liwanag ay 138,000 milya (222,000 km) bawat segundo.
Sa unang tingin, maaaring mukhang hindi magandang merito ang pagkuha ng numerical na resulta na may ganoong error (halos 80,000 km bawat segundo). Ngunit isipin kung ano ang nakamit ni Römer. Sa unang pagkakataon sa kasaysayan ng sangkatauhan, napatunayan na ang kilusan, na itinuturing na walang katapusang mabilis, ay naa-access sa kaalaman at pagsukat.
Bukod dito, mula sa pinakaunang pagtatangka, nakuha ni Römer ang halaga ng tamang pagkakasunud-sunod. Kung, gayunpaman, isasaalang-alang natin na ang mga siyentipiko ay nakikibahagi pa rin sa pagpino sa diameter ng orbit ng Earth at sa tiyempo ng eclipse ng mga satellite ng Jupiter, kung gayon ang pagkakamali ni Roemer ay hindi nakakagulat. Ngayon alam natin na ang maximum na pagkaantala ng isang satellite eclipse ay hindi 22 minuto, gaya ng naisip ni Römer, ngunit mga 16 minuto 36 segundo, at ang diameter ng orbit ng Earth ay hindi humigit-kumulang 292,000,000 km, ngunit 300,000,000 km. Kapag ang mga pagwawasto na ito ay ginawa sa pagkalkula ni Roemer, ang bilis ng liwanag ay 300,000 km bawat segundo, na malapit sa pinakatumpak na figure na nakuha ng mga siyentipiko sa ating panahon.
Ang pangunahing kinakailangan para sa isang mahusay na hypothesis ay maaari itong magamit upang gumawa ng mga tamang hula. Batay sa bilis ng liwanag na kanyang kinakalkula, tumpak na nahulaan ni Römer ang ilang mga eklipse ilang buwan nang maaga. Halimbawa, noong Setyembre 1676, hinulaan niya na ang buwan ng Jupiter ay lilitaw mga sampung minuto sa huli ng Nobyembre. Ang maliit na satellite ay hindi binigo si Roemer at lumitaw sa hinulaang oras na may katumpakan ng isang segundo. Ngunit kahit ang kumpirmasyon na ito ng teorya ni Roemer ay hindi nakakumbinsi sa mga pilosopo ng Paris. Gayunpaman, si Isaac Newton at ang mahusay na Dutch astronomer at physicist na si Christian Huygens ay lumabas bilang suporta sa Dane. At pagkaraan ng ilang panahon, noong Enero 1729, ang Ingles na astronomer na si James Bradley ay dumating sa parehong konklusyon sa isang bahagyang naiibang paraan bilang Römer. Walang puwang para sa pagdududa. Tuluyang tinapos ni Römer ang paniniwala ng mga siyentipiko na ang liwanag ay agad na naglalakbay, anuman ang distansya.
Pinatunayan ni Römer na kahit na ang bilis ng liwanag ay napakataas, gayunpaman, ito ay may hangganan at maaaring masukat. Gayunpaman, habang nagbibigay ng kredito sa tagumpay ni Römer, ang ilang mga iskolar ay hindi pa rin lubos na nasisiyahan. Ang pagsukat ng bilis ng liwanag ayon sa kanyang pamamaraan ay batay sa astronomical na obserbasyon at nangangailangan ng mahabang panahon. Nais din nilang magsagawa ng mga sukat sa laboratoryo sa pamamagitan ng purong terrestrial na paraan, nang hindi lalampas sa mga hangganan ng ating planeta, upang ang lahat ng mga kondisyon ng eksperimento ay nasa ilalim ng kontrol. Ang French physicist na si Marin Marsenne, isang kontemporaryo at kaibigan ni Descartes, ay nagawang sukatin ang bilis ng tunog tatlumpu't limang taon na ang nakalilipas. Bakit hindi maaaring gawin ang parehong sa liwanag?
Unang pagsukat sa pamamagitan ng makalupang paraan
Gayunpaman, ang paglutas ng problemang ito ay kailangang maghintay ng halos dalawang siglo. Noong 1849, ang Pranses na physicist na si Armand Hippolyte Louis Fizeau ay gumawa ng isang medyo simpleng pamamaraan. Sa fig. 2 ay nagpapakita ng isang pinasimple na diagram ng pag-install nito. Itinuro ni Fizeau ang isang sinag ng liwanag mula sa isang pinagmulan patungo sa isang salamin AT, pagkatapos ang sinag na ito ay naaninag sa salamin PERO. Isang salamin ang inilagay sa Suresnes, sa bahay ng ama ni Fizeau, at ang isa naman sa Montmartre sa Paris; ang distansya sa pagitan ng mga salamin ay humigit-kumulang 8.66 km. Sa pagitan ng mga salamin PERO at AT isang gulong ng gear ang inilagay, na maaaring paikutin sa isang naibigay na bilis (prinsipyo ng strobe). Ang mga ngipin ng umiikot na gulong ay nagambala sa sinag ng liwanag, na nasira ito sa mga pulso. Kaya, isang kadena ng maikling flashes ang ipinadala.
kanin. 2. Pag-install ng Fizeau.
174 taon pagkatapos kalkulahin ni Römer ang bilis ng liwanag mula sa mga obserbasyon sa mga eklipse ng buwan ng Jupiter, gumawa si Fizeau ng isang aparato upang sukatin ang bilis ng liwanag sa ilalim ng mga kondisyong pang-terrestrial. Mga gamit C sinira ang sinag ng liwanag sa mga kislap. Sinukat ni Fizeau ang oras na kinuha ng liwanag upang maglakbay sa layo mula sa C sa salamin A at pabalik, katumbas ng 17.32 km. Ang kahinaan ng pamamaraang ito ay ang sandali ng pinakadakilang liwanag ng liwanag ay tinutukoy ng nagmamasid sa pamamagitan ng mata. Ang ganitong mga subjective na obserbasyon ay hindi sapat na tumpak.
Kapag ang gulong ng gear ay nakatigil at nasa orihinal nitong posisyon, makikita ng tagamasid ang liwanag mula sa pinanggalingan sa pamamagitan ng puwang sa pagitan ng dalawang ngipin. Pagkatapos ang gulong ay pinaandar na may patuloy na pagtaas ng bilis, at dumating ang isang sandali kapag ang liwanag na pulso, na dumaan sa puwang sa pagitan ng mga ngipin, ay bumalik, na sumasalamin mula sa salamin. A, at naantala ng isang prong. Sa kasong ito, walang nakita ang nagmamasid. Habang pabilis ng pabilis ang gear wheel, muling lumitaw ang liwanag, naging mas maliwanag, at sa wakas ay naabot ang pinakamataas na intensity nito. Ang gear na ginamit ni Fizeau ay may 720 ngipin, at ang pinakamataas na intensity ng liwanag ay naabot sa 25 revolutions bawat segundo. Batay sa mga datos na ito, kinakalkula ng Fizeau ang bilis ng liwanag bilang mga sumusunod. Ang liwanag ay naglalakbay sa distansya sa pagitan ng mga salamin at pabalik sa oras na ang gulong ay lumiliko mula sa isang puwang sa pagitan ng mga ngipin patungo sa isa pa, i.e. sa 1/25 × 1/720, na 1/18000 ng isang segundo. Ang distansya na nilakbay ay katumbas ng dalawang beses ang distansya sa pagitan ng mga salamin, i.e. 17.32 km. Kaya ang bilis ng liwanag ay 17.32 x 18,000, o mga 312,000 km bawat segundo.
Pagpapabuti ng Foucault
Nang ipahayag ni Fizeau ang resulta ng kanyang pagsukat, kinuwestiyon ng mga siyentipiko ang bisa ng napakalaking figure na ito, ayon sa kung saan ang liwanag ay naglalakbay mula sa Araw patungo sa Earth sa loob ng 8 minuto at maaaring bilugan ang Earth sa isang ikawalo ng isang segundo. Tila hindi kapani-paniwala na masusukat ng isang tao ang napakalaking bilis gamit ang mga primitive na instrumento. Ang liwanag ay naglalakbay ng higit sa walong kilometro sa pagitan ng mga salamin ng Fizeau sa 1/36,000 segundo? Imposible, sabi ng marami. Gayunpaman, ang pigura ni Fizeau ay napakalapit kay Römer. Ito ay hindi maaaring maging isang coincidence lamang.
Makalipas ang labintatlong taon, nang ang mga nag-aalinlangan ay nag-aalinlangan pa rin at gumagawa ng kabalintunaan, si Jean Bernard Léon Foucault, ang anak ng isang Parisian publisher, na sa isang pagkakataon ay naghahanda na maging isang doktor, ay tinukoy ang bilis ng liwanag sa isang bahagyang naiibang paraan. Nagtrabaho siya sa Fizeau nang ilang taon at nag-isip nang husto tungkol sa kung paano pagbutihin ang kanyang karanasan. Sa halip na gear wheel, gumamit si Foucault ng umiikot na salamin.
kanin. 3. Setting ng Foucault.
Pagkatapos ng ilang pagpapabuti, ginamit ni Michelson ang device na ito upang matukoy ang bilis ng liwanag. Sa device na ito, ang gear wheel (tingnan ang Fig. 2) ay pinapalitan ng umiikot na flat mirror C. Kung ang salamin C lumiliko nang hindi gumagalaw o napakabagal, ang liwanag ay makikita sa isang translucent na salamin B sa direksyon na ipinahiwatig ng solidong linya. Kapag mabilis na umiikot ang salamin, lumilipat ang sinasalamin na sinag sa posisyong ipinahiwatig ng may tuldok na linya. Sa pamamagitan ng pagtingin sa eyepiece, masusukat ng observer ang displacement ng beam. Ang pagsukat na ito ay nagbigay sa kanya ng dalawang beses ang halaga ng anggulo α, i.e. ang anggulo ng pag-ikot ng salamin sa panahong nanggaling ang sinag ng liwanag C sa isang malukong salamin A at bumalik sa C. Alam ang bilis ng pag-ikot ng salamin C, layo mula sa A dati C at anggulo ng salamin C sa panahong ito, posibleng kalkulahin ang bilis ng liwanag.
Si Foucault ay may reputasyon bilang isang mahuhusay na mananaliksik. Noong 1855, iginawad siya ng Copley Medal ng Royal Society of England para sa kanyang karanasan sa pendulum, na patunay ng pag-ikot ng Earth sa paligid ng axis nito. Siya rin ang nagtayo ng unang gyroscope na angkop para sa praktikal na paggamit. Ang pagpapalit ng gear wheel sa eksperimento ni Fizeau ng umiikot na salamin (ang ganitong ideya ay iminungkahi noon pang 1842 ni Dominico Arago, ngunit hindi ipinatupad) naging posible na paikliin ang landas na dinaanan ng isang light beam mula sa higit sa 8 kilometro hanggang 20 m. Ang umiikot na salamin (Larawan 3) ay pinalihis ang return beam sa isang maliit na anggulo, na naging posible na gawin ang mga kinakailangang sukat upang makalkula ang bilis ng liwanag. Ang resulta ni Foucault ay 298,000 km/sec, i.e. humigit-kumulang 17,000 km mas mababa kaysa sa halagang nakuha ng Fizeau. (Sa isa pang eksperimento, naglagay si Foucault ng tubo ng tubig sa pagitan ng sumasalamin at umiikot na salamin upang matukoy ang bilis ng liwanag sa tubig. Lumalabas na mas malaki ang bilis ng liwanag sa hangin.)
Pagkalipas ng sampung taon, si Marie Alfred Cornu, propesor ng eksperimental na pisika sa Ecole Polytechnique de Paris, ay muling bumalik sa cogwheel, ngunit mayroon na itong 200 ngipin. Ang resulta ng Cornu ay malapit sa nauna. Nakuha niya ang figure na 300,000 km bawat segundo. Ganito ang nangyari noong 1872, nang ang batang si Michelson, isang huling taon na mag-aaral sa Naval Academy sa Annapolis, ay tinanong sa isang pagsusuri sa optika tungkol sa kagamitan ni Foucault para sa pagsukat ng bilis ng liwanag. Hindi kailanman naisip ng sinuman noon na sa mga aklat-aralin ng pisika na pag-aaralan ng mga susunod na henerasyon ng mga mag-aaral, si Michelson ay bibigyan ng higit na espasyo kaysa sa Fizeau o Foucault.
Noong sinaunang panahon, itinuturing ng maraming siyentipiko na ang bilis ng liwanag ay walang katapusan. Ang Italyano na pisiko na si Galileo Galilei ay isa sa mga unang sumubok na sukatin ito.
Mga unang pagtatangka
Sa simula ng ika-17 siglo, si Galileo ay nagsagawa ng isang eksperimento kung saan ang dalawang tao na may nakatakip na mga parol ay nakatayo sa isang tiyak na distansya mula sa isa't isa. Isang tao ang nagbigay liwanag, at nang makita siya ng isa, binuksan niya ang sarili niyang parol. Sinubukan ni Galileo na i-record ang oras sa pagitan ng mga flash, ngunit ang ideya ay hindi matagumpay dahil sa masyadong maliit na distansya. Ang bilis ng liwanag ay hindi masusukat sa ganitong paraan.
Noong 1676, ang Danish na astronomo na si Ole Römer ang naging unang tao na nagpatunay na ang liwanag ay naglalakbay sa isang may hangganang bilis. Pinag-aralan niya ang mga eclipse ng mga buwan ng Jupiter at napansin na nangyari ang mga ito nang mas maaga o mas huli kaysa sa inaasahan sa pamamagitan ng mga kalkulasyon (mas maaga kapag ang Earth ay mas malapit sa Jupiter, at mamaya kapag ang Earth ay mas malayo). Lohikal na ipinapalagay ni Rumer na ang pagkaantala ay dahil sa oras na kinakailangan upang malampasan ang distansya.
Sa kasalukuyang yugto
Sa mga sumunod na siglo, maraming mga siyentipiko ang nagtrabaho upang matukoy ang bilis ng liwanag gamit ang pinahusay na mga instrumento, na nag-imbento ng mas tumpak na mga paraan ng pagkalkula. Ang pisikong Pranses na si Hippolyte Fizeau ay gumawa ng unang di-astronomical na mga sukat noong 1849. Sa pamamaraang ginamit, ginamit ang isang umiikot na gulong ng gear, kung saan ipinadala ang liwanag, at isang sistema ng mga salamin na matatagpuan sa isang malaking distansya.
Ang mas tumpak na mga kalkulasyon ng bilis ay ginawa noong 1920s. Ang mga eksperimento ng American physicist na si Albert Michelson ay naganap sa kabundukan ng Southern California gamit ang isang octagonal rotating mirror apparatus. Noong 1983, opisyal na kinilala ng International Commission on Weights and Measures ang halaga ng bilis ng liwanag sa vacuum, na ngayon ay ginagamit sa mga kalkulasyon ng lahat ng mga siyentipiko sa mundo. Ito ay 299,792,458 m/s (186.282 milya/seg). Kaya, sa isang segundo, ang liwanag ay naglalakbay sa isang distansya na katumbas ng ekwador ng Earth ng 7.5 beses.
Ang bilis ng liwanag sa isang vacuum- ang ganap na halaga ng bilis ng pagpapalaganap mga electromagnetic wave sa isang vacuum. Sa physics, ito ay Latin na titik c.
Ang bilis ng liwanag sa isang vacuum ay isang pangunahing pare-pareho, independyente sa pagpili ng inertial frame of reference.
Sa pamamagitan ng kahulugan, ito ay eksakto 299 792 458 m / s (tinatayang halaga ng 300 libong km / s).
Ayon sa espesyal na teorya ng relativity, ay ang pinakamataas na bilis para sa pagpapalaganap ng anumang pisikal na pakikipag-ugnayan na nagpapadala ng enerhiya at impormasyon.
Paano natutukoy ang bilis ng liwanag?
Ang bilis ng liwanag ay unang natukoy sa 1676 O. K. Römer sa pamamagitan ng pagbabago ng mga agwat ng oras sa pagitan ng mga eklipse ng mga satellite ng Jupiter.
Noong 1728 ito ay inilagay ni J. Bradley, batay sa kanyang mga obserbasyon sa aberration ng stellar light.
Noong 1849 A. I. L. Fizeau siya ang unang sumukat sa bilis ng liwanag sa oras na kailangan ng liwanag upang maglakbay sa isang tiyak na kilalang distansya (base); dahil napakaliit ng pagkakaiba ng refractive index ng hangin mula sa 1, ang mga sukat sa lupa ay nagbibigay ng halaga na napakalapit sa s.
Sa eksperimento ni Fizeau, ang isang sinag ng liwanag mula sa isang pinagmulan S, na sinasalamin ng isang semitransparent na salamin N, ay pana-panahong naantala ng isang umiikot na may ngipin na disk W, dumaan sa base MN (mga 8 km) at, na naaninag mula sa salamin M, bumalik sa disk. Kapag ang ilaw ay tumama sa ngipin, ang liwanag ay hindi nakarating sa tagamasid, at ang liwanag na nahulog sa puwang sa pagitan ng mga ngipin ay maaaring maobserbahan sa pamamagitan ng eyepiece E. Ang oras ng pagpasa ng ilaw sa base ay natukoy mula sa kilalang disk. bilis ng pag-ikot. Nakuha ni Fizeau ang halaga c = 313,300 km/s.
Noong 1862 J. B. L. Foucault natanto ang ideya ni D. Arago na ipinahayag noong 1838, gamit ang isang mabilis na umiikot (512 rpm) na salamin sa halip na isang may ngipin na disk. Sumasalamin mula sa salamin, ang sinag ng liwanag ay nakadirekta sa base at, sa pagbabalik, ay nahulog muli sa parehong salamin, na may oras na lumiko sa isang tiyak na maliit na anggulo. Sa base na 20 m lamang, natagpuan ni Foucault na ang bilis ng liwanag ay 29800080 ± 500 km/s. Ang mga iskema at pangunahing ideya ng mga eksperimento nina Fizeau at Foucault ay paulit-ulit na ginamit sa kasunod na mga gawa upang matukoy ang s.
1) Sa unang pagkakataon ang bilis ng liwanag ay sinukat ng Danish scientist na si Roemer noong 1676 gamit ang astronomical method. Itinala niya ang oras na ang pinakamalaking buwan ng Jupiter, Io, ay nasa anino ng napakalaking planetang ito.
Si Roemer ay gumawa ng mga sukat sa sandaling ang ating planeta ay pinakamalapit sa Jupiter, at sa sandaling ito ay medyo malayo tayo sa Jupiter sa astronomical na mga termino. Sa unang kaso, ang agwat sa pagitan ng mga paglaganap ay 48 oras 28 minuto. Sa pangalawang kaso, ang satellite ay nahuli ng 22 minuto. Mula dito ay napagpasyahan na ang liwanag ay nangangailangan ng 22 minuto upang maglakbay ng distansya mula sa lugar ng nakaraang pagmamasid sa lugar ng kasalukuyang pagmamasid. Kaya, ang teorya ng may hangganan na bilis ng liwanag ay napatunayan, at ang bilis nito ay halos kinakalkula; ito ay humigit-kumulang 299,800 km / s.
2) Ang pamamaraan ng laboratoryo ay nagbibigay-daan sa iyo upang matukoy ang bilis ng liwanag sa isang maliit na distansya at may mahusay na katumpakan. Ang unang mga eksperimento sa laboratoryo ay isinagawa ni Foucault, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng Fizeau.
Mga siyentipiko at ang kanilang mga eksperimento
Sa unang pagkakataon, ang bilis ng liwanag ay natukoy noong 1676 ni O. K. Römer sa pamamagitan ng pagbabago ng mga agwat ng oras sa pagitan ng mga eklipse ng mga satellite ng Jupiter. Noong 1728, ito ay itinatag ni J. Bradley, batay sa kanyang mga obserbasyon sa aberration ng starlight. Noong 1849, si A. I. L. Fizeau ang unang sumukat sa bilis ng liwanag sa oras na kinuha ng ilaw upang maglakbay sa isang tiyak na kilalang distansya (base), dahil ang refractive index ng hangin ay napakaliit na naiiba mula sa 1, ang mga sukat na nakabatay sa lupa ay nagbibigay ng halaga napakalapit sa bilis.
Ang karanasan ni Fizeau
Ang eksperimento sa Fizeau ay isang eksperimento upang matukoy ang bilis ng liwanag sa gumagalaw na media (mga katawan), na isinagawa noong 1851 ni Louis Fizeau. Ang eksperimento ay nagpapakita ng epekto ng relativistic na pagdaragdag ng mga bilis. Ang pangalan ng Fizeau ay nauugnay din sa unang eksperimento sa pagtukoy sa laboratoryo ng bilis ng liwanag.
Sa eksperimento ni Fizeau, ang isang sinag ng liwanag mula sa pinagmumulan ng liwanag na S, na sinasalamin ng isang semitransparent na salamin 3, ay pana-panahong naantala ng isang umiikot na may ngipin na disk 2, pumasa sa base 4-1 (mga 8 km) at, na naaninag mula sa salamin 1, bumalik. sa disk. Kapag nahuhulog sa ngipin, ang ilaw ay hindi nakarating sa tagamasid, at ang liwanag na nahulog sa puwang sa pagitan ng mga ngipin ay maaaring maobserbahan sa pamamagitan ng eyepiece 4. Ang oras ng pagpasa ng ilaw sa base ay tinutukoy mula sa kilalang pag-ikot ng disk. bilis. Nakuha ni Fizeau ang halaga c = 313300 km/s.
karanasan sa Foucault
Noong 1862, natanto ni J. B. L. Foucault ang ideya ng D. Argo, na ipinahayag noong 1838, sa pamamagitan ng paggamit ng isang mabilis na umiikot na salamin (512 rebolusyon bawat segundo) sa halip na isang may ngipin na disk. Sumasalamin mula sa salamin, ang sinag ng liwanag ay nakadirekta sa base at, sa pagbabalik, ay nahulog muli sa parehong salamin, na may oras na lumiko sa ilang maliit na anggulo. Sa base na 20 m lamang, natagpuan ni Foucault na ang bilis ng liwanag ay 298,000 500 km/s. Ang mga scheme at pangunahing ideya ng mga pamamaraan ng Fizeau at Foucault ay paulit-ulit na ginamit sa kasunod na mga gawa sa pagtukoy ng bilis ng liwanag.
Pagpapasiya ng bilis ng liwanag sa pamamagitan ng paraan ng umiikot na salamin (Paraan ng Foucault): S – pinagmumulan ng liwanag; Ang R ay isang mabilis na umiikot na salamin; Ang C ay isang nakapirming malukong salamin na ang sentro ay tumutugma sa axis ng pag-ikot R (samakatuwid, ang liwanag na sinasalamin ng C ay palaging tumama sa R pabalik); Ang M ay isang semitransparent na salamin; L - lens; E - eyepiece; RC - tumpak na nasusukat na distansya (base). Ang may tuldok na linya ay nagpapakita ng posisyon R, na nagbago sa oras na ang ilaw ay naglalakbay sa landas na RC at pabalik, at ang pabalik na landas ng sinag ng mga sinag sa pamamagitan ng lens L, na kinokolekta ang sinasalamin na sinag sa puntong S', at hindi sa puntong S, tulad ng sa isang nakapirming salamin na R. Ang bilis ng liwanag ay itinakda sa pamamagitan ng pagsukat ng displacement SS'.
Ang halagang c = 299796 4 km/s na nakuha ni A. Michelson noong 1926 ay ang pinakatumpak noon at kasama sa mga internasyonal na talahanayan ng mga pisikal na dami. liwanag na bilis ng optical fiber
Ang pagsukat ng bilis ng liwanag noong ika-19 na siglo ay may malaking papel sa pisika, na higit pang nagpapatunay sa teorya ng alon ng liwanag. Ang paghahambing ni Foucault ng bilis ng liwanag ng parehong dalas sa hangin at tubig noong 1850 ay nagpakita na ang bilis sa tubig ay u = c/n(n) alinsunod sa hula ng wave theory. Ang koneksyon ng optika sa teorya ng electromagnetism ay itinatag din: ang sinusukat na bilis ng liwanag ay kasabay ng bilis ng electromagnetic waves, na kinakalkula mula sa ratio ng electromagnetic at electrostatic unit ng electric charge.
Sa modernong mga sukat ng bilis ng liwanag, ang isang modernized na paraan ng Fizeau ay ginagamit sa pagpapalit ng isang gear wheel na may interference o ilang iba pang light modulator na ganap na nakakaabala o nagpapahina sa light beam. Ang radiation receiver ay isang photocell o isang photoelectric multiplier. Ang paggamit ng isang laser bilang isang pinagmumulan ng liwanag, isang ultrasonic modulator na may stabilized na dalas at isang pagtaas sa katumpakan ng pagsukat ng haba ng base ay magbabawas ng mga error sa pagsukat at makuha ang halaga c = 299792.5 0.15 km/s. Bilang karagdagan sa mga direktang sukat ng bilis ng liwanag mula sa oras ng pagpasa ng isang kilalang base, ang mga hindi direktang pamamaraan ay malawakang ginagamit, na nagbibigay ng higit na katumpakan.
Ang pinakatumpak na pagsukat ng halagang "c" ay napakahalaga hindi lamang sa pangkalahatang mga teoretikal na termino at para sa pagtukoy ng mga halaga ng iba pang pisikal na dami, kundi pati na rin para sa mga praktikal na layunin. Sa kanila, lalo na. Kabilang dito ang pagtukoy ng mga distansya sa oras ng pagpasa ng mga signal ng radyo o ilaw sa radar, optical na lokasyon, light ranging at iba pang katulad na mga sukat.
Light ranging
Ang light range finder ay isang geodetic device na nagbibigay-daan sa pagsukat ng mga distansya ng sampu (minsan daan-daan) na kilometro na may mataas na katumpakan (hanggang sa ilang milimetro). Kaya, halimbawa, ang distansya mula sa Earth hanggang sa Buwan ay sinusukat gamit ang isang light rangefinder na may katumpakan ng ilang sentimetro.
Laser rangefinder - isang aparato para sa pagsukat ng mga distansya gamit ang isang laser beam.
Ang uniberso ay kasangkot sa mga eksperimento
Ang pamamaraan kung saan nakuha ni Le Verrier ang imahinasyon ng mga siyentipiko. Ang paggalaw ng Neptune ay nagsimulang maingat na subaybayan at sa lalong madaling panahon natuklasan ang mga makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng naobserbahan at teoretikal na mga orbit ng bagong bituin na ito ay maipaliwanag lamang sa pamamagitan ng pagkakaroon ng isa pang planeta na matatagpuan sa kabila ng Neptune!
Noong Pebrero 18, 1930, ang batang astronomo na si Clyde Tombaugh ng Lovell Observatory sa Amerika sa wakas ay natuklasan (sa layo na halos tatlong beses ang radius ng orbit ng Neptune) ng isang bagong planeta. solar system, pinangalanan Pluto. Kaya kinumpirma ni Tombo ang mga kalkulasyon ng mga sikat na teoretikal na astronomo na sina Percival Lovell at William Pickering.
Tunay, gaya ng sinabi ng sikat na Pranses na optiko at astronomer na si François Arago, "... ang mga mata sa isip ay maaaring palitan ang malalakas na teleskopyo ...".
Mayroong siyam na pangunahing planeta sa solar system: Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune, Pluto. Sa pagitan ng Mars at Jupiter mayroong isang malaking bilang ng mga maliliit na planeta, na tinatawag na mga asteroid. Gayunpaman, ang mga astronomo ay patuloy na naghahanap ng mga bagong planeta.
Ang mga teoretikal na pagtataya ay nagpakita na sa ngayon ang mga paggalaw ng mga celestial na katawan sa solar system ay hindi apektado ng pagkahumaling ng malalayong bituin at iba pang mga planetary system ng ating kalawakan. Ang araw ay dapat "akit" maliit at mga pangunahing planeta. Ang gravitational force ng Araw ay umaabot sa layo na 200,000 beses na mas malaki kaysa sa landas mula sa Earth hanggang sa Araw!
Hindi maaaring walang mga makakapal na celestial na katawan sa napakalawak na espasyo, kahit na sa ngayon ang paghahanap para sa ikasampung planeta ng solar system sa tulong ng pinakamakapangyarihang modernong teleskopyo ay hindi naging matagumpay ...
Gaya ng nakikita natin, ang celestial mechanics ay palaging nagpapatunay sa mga batas ng terrestrial mechanics, na hinango ni Newton. Ang paggalaw ng mga celestial na katawan, tulad ng nangyari noong panahon ni Newton, ay nagbibigay-daan hindi lamang upang subukan ang batas ng unibersal na grabitasyon, ngunit nagbibigay din sa mga mananaliksik ng isang mahusay na paraan upang pagtukoy sa bilis ng liwanag.
Kakatwa na hindi nahulaan ni Galileo ang tungkol sa gayong pamamaraan, na nag-aalok lamang ng isang eksperimento sa mga parol para sa layuning ito. Dalawang tao ang nakatayo sa isang malaking distansya mula sa isa't isa na may mga parol sa kanilang mga kamay at tandaan ang oras kung saan ang liwanag ng isang biglang nakasinding parol ay malalampasan ang distansya sa pagitan nila. Ang eksperimento, sa kasamaang-palad, ay ganap na hindi praktikal dahil sa masyadong mataas na bilis ng liwanag ...
Paano nasusukat ang bilis ng liwanag?
Noong Setyembre 1676 isang batang Dane Olaf Römer, na nagtrabaho sa Paris Observatory, ay nagpakita ng isang ulat sa French Academy of Sciences, kung saan inilarawan niya kung paano, gamit ang pag-ikot ng Earth sa paligid ng Araw, matutukoy ng isa ang bilis ng liwanag.
Si Römer, sa panahon ng kanyang pananaliksik, ay naobserbahan ang paggalaw ng isa sa mga satellite ng Jupiter. Ang oras ng isang kumpletong rebolusyon ng satellite sa paligid ng planeta ay mahigpit na pare-pareho at kilala sa mga astronomo. Sinabi ni Roemer: kung ang Earth, sa panahon ng pag-ikot nito sa Araw, ay nasa punto ng orbit na pinakamalayo mula sa Jupiter, kung gayon ang mga astronomo ay nagmamasid sa pagpasok ng satellite sa anino ng Jupiter 22 minuto mamaya kaysa sa sandaling ang Earth ay pinakamalapit sa Jupiter. Nahulaan ni Römer ang dahilan ng kakaibang phenomenon - tumatagal ng 22 minuto para masakop ng liwanag ang distansya mula sa pinakamalapit hanggang sa pinakamalayong punto ng orbit ng Earth mula sa Jupiter. Alam ang oras na ginugugol ng liwanag dito, at pagkalkula ng diameter ng orbit ng Earth, madali nating matutukoy ang bilis ng liwanag!
Marahil ito ang isa sa mga unang kaso sa kasaysayan ng agham nang ginamit ng isang siyentipiko ang Uniberso bilang isang higanteng natural na laboratoryo ...
Nakuha ni Römer ang mga halaga para sa bilis ng liwanag, na isa at kalahating beses na mas mababa kaysa sa mga modernong halaga ng halagang ito. Ngunit halos hindi siya masisisi ng isa para dito: alam natin kung anong mga instrumento ang sinukat ng kanyang dakilang kontemporaryong Galileo Galilei sa oras.
Ang astronomical na paraan ng pagsukat ng bilis ng liwanag ay malawakang ginagamit ng mga physicist sa loob ng tatlong siglo na lumipas mula noong mga obserbasyon at kalkulasyon ni Roemer. Ngayon ang pangkalahatang tinatanggap na halaga ay ang bilis ng liwanag sa isang vacuum, katumbas ng 299.79 libong kilometro bawat segundo.
Noong ika-19 na siglo, natutunan nilang matukoy ang bilis ng liwanag sa Earth. Nakamit ng American physicist na si Albert Michelson ang mataas na pagiging perpekto sa mga eksperimentong ito. Ang kanyang kumplikadong napakalaking aparato na may maraming mga salamin na nagpapahaba sa landas ng liwanag ay inilagay sa isang slab ng bato na may sukat na 1.5 m 2 at isang kapal na 30 cm. Upang maiwasan ang kaunting posibleng pag-alog ng aparato, ang stove stand ay napuno. may mercury.
Natagpuan ni Michelson na ang bilis ng liwanag ay hindi nakasalalay sa direksyon ng sinag, ang pagpapalaganap ng liwanag ay hindi apektado ng pag-ikot ng Earth. Ang pambihirang katumpakan ng mga eksperimento ni Michelson, ang mataas na katumpakan na nakamit sa simula ng ika-19 na siglo sa pagtukoy ng tunay na halaga ng bilis ng liwanag, marahil ay nag-udyok kay Albert Einstein na isaalang-alang ang bilis ng liwanag sa vacuum bilang ang pinakamataas na bilis na posible sa Kalikasan . Ang ideyang ito ay isa sa pinakamahalagang postulate ng teorya ng relativity na nilikha ni Einstein - ang pinaka-pangkalahatang modernong teorya ng paggalaw, kung saan ang mga batas ni Newton ay kasama bilang isang espesyal na kaso.