Methoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit und Methoden zu ihrer Bestimmung Physikalische Laborarbeit zur Messung der Lichtgeschwindigkeit
Mit der experimentellen Entdeckung korpuskularer Eigenschaften und Erscheinungsformen des Lichts (photoelektrischer Effekt, Compton-Effekt und andere Phänomene) wurde von M. Planck und A. Einstein die Quantennatur des Lichts entwickelt, innerhalb derer Licht sowohl Wellen- als auch Korpuskulareigenschaften aufweist - der sogenannte Korpuskular-Wellen-Dualismus. (Max Karl Ernst Ludwig Planck - deutscher theoretischer Physiker, 1858-1947, 1918 Nobelpreis für die Entdeckung der Strahlungsgesetze, Arthur Hotie Compton, amerikanischer Physiker, 1892-1962, 1927 Nobelpreis für den nach ihm benannten Effekt).
Einführung 3
1. Experimente zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit. 4
1.1. Erste Versuche. 4
1.1.1. Galileis Erfahrung. 4
1.2 Astronomische Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit. 4
1.2.1. Sonnenfinsternis des Satelliten von Jupiter - Io. 4
1.2.2. Lichtfehler. 6
1.3. Labormethoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. 7
1.3.1. Synchrone Erkennungsmethode. 7
1.4. Experimente zur Lichtausbreitung in einem Medium. neun
1.4.1. Erfahrungen von Arman Fizeau. neun
1.4.3. Experimente von A. Michelson und Michelson-Morley. 12
1.4.4 Verbesserung der Erfahrung von Michelson. 13
2. Maximale Lichtgeschwindigkeit. vierzehn
2.1. Traurige Erfahrung. vierzehn
2.2. Das Bertozzi-Erlebnis. fünfzehn
3. Die Lichtgeschwindigkeit in Materie. 17
4. Tachyonen. Teilchen, die sich mit Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit bewegen. 17
4.1. Imaginäre Massen. 17
4.2. Beschleunigung statt Verzögerung. achtzehn
5. Superluminale Geschwindigkeit. zwanzig
Fazit 22
Referenzen 23
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Kursarbeit zum Thema:
"Lichtgeschwindigkeit und Methoden ihrer Bestimmung"
Einführung 3
1. Experimente zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit. 4
1.1. Erste Versuche. 4
1.1.1. Galileis Erfahrung. 4
1.2 Astronomische Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit. 4
1.2.1. Sonnenfinsternis des Satelliten von Jupiter - Io. 4
1.2.2. Lichtfehler. 6
1.3. Labormethoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. 7
1.3.1. Synchrone Erkennungsmethode. 7
1.4. Experimente zur Lichtausbreitung in einem Medium. neun
1.4.1. Erfahrungen von Arman Fizeau. neun
1.4.2. Foucaults Verbesserung. zehn
1.4.3. Experimente von A. Michelson und Michelson-Morley. 12
1.4.4 Verbesserung der Erfahrung von Michelson. 13
2. Maximale Lichtgeschwindigkeit. vierzehn
2.1. Traurige Erfahrung. vierzehn
2.2. Das Bertozzi-Erlebnis. fünfzehn
3. Die Lichtgeschwindigkeit in Materie. 17
4. Tachyonen. Teilchen, die sich mit Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit bewegen. 17
4.1. Imaginäre Massen. 17
4.2. Beschleunigung statt Verzögerung. achtzehn
4.3. Negative Energien. 19
5. Superluminale Geschwindigkeit. zwanzig
Fazit 22
Referenzen 23
Einführung
Über die Natur des Lichts wird seit der Antike nachgedacht. Antike Denker glaubten, dass Licht der Ausfluss von "Atomen" aus Objekten in die Augen des Betrachters ist (Pythagoras - etwa 580 - 500 v. Chr.). Zur gleichen Zeit wurde die Geradheit der Lichtausbreitung bestimmt, es wurde angenommen, dass sie sich fast augenblicklich mit sehr hohen Geschwindigkeiten ausbreitet. Im XVI-XVII Jahrhundert, R. Descartes (Rene Descartes, französischer Physiker, 1596-1650), R. Hooke (Robert Hooke, englischer Physiker, 1635-1703), H. Huygens (Christian Huygens, niederländischer Physiker, 1629-1695) ) ging davon aus, dass die Lichtausbreitung die Ausbreitung von Wellen in einem Medium ist. Isaac Newton (Isaac Newton, englischer Physiker, 1643 - 1727) vertrat die korpuskulare Natur des Lichts, d.h. glaubte, dass Licht die Emission bestimmter Teilchen durch Körper und deren Ausbreitung im Raum ist.
1801 beobachtete T. Jung (Thomas Jung, englischer Physiker, 1773-1829) die Interferenz von Licht, was zur Entwicklung von Lichtexperimenten über Interferenz und Beugung führte. Und 1818 O. Zh. Fresnel (Augustin Jean Fresnel, französischer Physiker, 1788-1827) belebte die Wellentheorie der Lichtausbreitung wieder. D. K. Nachdem Maxwell die allgemeinen Gesetze des elektromagnetischen Feldes aufgestellt hatte, kam er zu dem Schluss, dass Licht elektromagnetische Wellen ist. Weiterhin wurde die Hypothese des "Weltäthers" aufgestellt, dass Licht die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Medium - "Äther" ist. Die berühmten Experimente zur Überprüfung der Existenz des Weltäthers wurden von A.A. Michelson und E. W. Morley (1837-1923) und durch die Faszination des Lichts mit einem sich bewegenden Medium - A.I. Fizeau. (Albert Abraham Michelson, amerikanischer Physiker, 1852-1931, 1907 Nobelpreis für die Herstellung von Präzisionsinstrumenten und die mit ihrer Hilfe durchgeführten spektroskopischen und metrologischen Studien; Armand Hippolyte Louis Fizeau, französischer Physiker, 1819-1896). Als Ergebnis wurde gezeigt, dass der Weltäther (zumindest in dem Sinne, in dem die Physiker damals glaubten - eine absolut bewegungslose Umgebung) nicht existiert.
Mit der experimentellen Entdeckung korpuskularer Eigenschaften und Erscheinungsformen des Lichts (photoelektrischer Effekt, Compton-Effekt und andere Phänomene) wurde von M. Planck und A. Einstein die Quantennatur des Lichts entwickelt, innerhalb derer Licht sowohl Wellen- als auch Korpuskulareigenschaften aufweist - der sogenannte Korpuskular-Wellen-Dualismus. (Max Karl Ernst Ludwig Planck - deutscher theoretischer Physiker, 1858-1947, 1918 Nobelpreis für die Entdeckung der Strahlungsgesetze, Arthur Hotie Compton, amerikanischer Physiker, 1892-1962, 1927 Nobelpreis für den nach ihm benannten Effekt).
Sie versuchten auch, die Lichtgeschwindigkeit auf verschiedene Weise zu messen, sowohl unter natürlichen als auch unter Laborbedingungen.
1. Experimente zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.
1.1. Erste Versuche.
1.1.1. Galileis Erfahrung.
Der erste Versuch, die Lichtgeschwindigkeit experimentell zu messen, war der Italiener Galileo Galilei. Das Experiment lief wie folgt ab: Zwei Personen, die in mehreren Kilometern Entfernung auf den Gipfeln von Hügeln standen, gaben mit Hilfe von Laternen mit Rollläden Signale. Dieses Experiment, das später von den Wissenschaftlern der Florentiner Akademie durchgeführt wurde, drückte er in seinem Werk "Conversations and Mathematical Proofs Concerning Two New Branches of Science Relating to Mechanics and Local Movement" (erschienen 1638 in Leiden) aus.
Nach dem Experiment kam Galileo zu dem Schluss, dass sich die Lichtgeschwindigkeit sofort ausbreitet, und wenn nicht sofort, dann mit extrem hoher Geschwindigkeit.
Die damaligen Mittel, die Galileo zur Verfügung standen, ließen diese Frage natürlich nicht so einfach lösen, und er war sich dessen vollkommen bewusst.
1.2 Astronomische Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.
1.2.1. Sonnenfinsternis des Satelliten von Jupiter - Io.
OK. Roemer (1676, Ole Christensen Roemer, niederländischer Astronom, 1644-1710) beobachtete die Finsternis des Jupitermondes (J) - Io, entdeckt von Galileo im Jahr 1610 (er entdeckte auch 3 weitere Monde des Jupiter). Der Bahnradius von Ios Satelliten um Jupiter beträgt 421600 km, der Durchmesser des Satelliten beträgt 3470 km (siehe Abbildungen 2.1 und 2.2). Die Finsterniszeit betrug = 1,77 Tage = 152928 s. OK. Roemer beobachtete eine Verletzung der Periodizität von Finsternisse, und Roemer verband dieses Phänomen mit der endlichen Geschwindigkeit der Lichtausbreitung. Der Radius der Jupiterbahn um die Sonne Rj ist viel größer als der Radius der Erdbahn R3, und die Umlaufzeit beträgt etwa 12 Jahre. Das heißt, während der Halbumdrehung der Erde (sechs Monate) bewegt sich Jupiter in einer bestimmten Entfernung in der Umlaufbahn, und wenn wir die Ankunftszeit des Lichtsignals ab dem Zeitpunkt festlegen, an dem Io aus dem Schatten des Jupiter erscheint, dann wird die Licht sollte im Fall 2 eine größere Entfernung zur Erde zurücklegen als im Fall 1 ( siehe Abb.2.2). Seien Sie der Moment, in dem Io durch die Uhr auf der Erde aus dem Schatten des Jupiter auftaucht, und der wirkliche Moment, in dem dies geschieht. Dann haben wir:
wo ist die entfernung, die licht zur erde zurücklegt. In der nächsten Io-Ausgabe haben wir ähnlich:
wo ist die neue Entfernung, die Licht zur Erde zurücklegt. Die wahre Umlaufperiode von Io um Jupiter wird durch den Zeitunterschied bestimmt:
Natürlich ist es in einem bestimmten Zeitraum, in dem eine Sonnenfinsternis auftritt, schwierig, diese Zeiten mit großer Genauigkeit zu bestimmen. Daher ist es bequemer, Beobachtungen für sechs Monate durchzuführen, wenn sich die Entfernung zur Erde auf einen maximalen Wert ändert. In diesem Fall kann die wahre Eclipse-Periode als Mittelwert für sechs Monate oder ein Jahr bestimmt werden. Danach können Sie nach zwei aufeinanderfolgenden Messungen der Zeit, in der Io aus dem Schatten auftaucht, die Lichtgeschwindigkeit bestimmen:
Die Werte stammen aus astronomischen Berechnungen. Diese Entfernung ändert sich jedoch während einer Sonnenfinsternis kaum. Es ist bequemer, Messungen in sechs Monaten (wenn sich die Erde auf die andere Seite ihrer Umlaufbahn bewegt) durchzuführen und die Gesamtfinsterniszeit zu erhalten:
wobei n die Anzahl der Finsternisse während dieser sechs Monate ist. Alle anderen Zwischenzeiten der Lichtausbreitung zur Erde haben sich verkürzt, da sich die Entfernung bei einer Sonnenfinsternis nur schwach ändert. Von hier erhielt Roemer die Lichtgeschwindigkeit von c = 214300 km / s.
1.2.2. Lichtfehler.
In der Astronomie ist Aberration eine Änderung der scheinbaren Position eines Sterns in der Himmelssphäre, dh die Abweichung der scheinbaren Richtung des Sterns von der wahren, verursacht durch die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit und die Bewegung des Beobachter. Die tägliche Aberration ist auf die Rotation der Erde zurückzuführen; jährlich - die Umdrehung der Erde um die Sonne;
weltlich - die Bewegung des Sonnensystems im Weltraum.
Reis. Aberration des Sternenlichts.
Um dieses Phänomen zu verstehen, kann eine einfache Analogie gezogen werden. Senkrecht fallende Regentropfen hinterlassen bei ruhigem Wetter eine schräge Spur auf der Seitenscheibe eines fahrenden Autos.
Als Folge der Lichtaberration weicht die scheinbare Richtung zum Stern von der wahren Richtung um einen Winkel ab, der als Aberrationswinkel bezeichnet wird. Die Abbildung zeigt das
wobei die Komponente der Bewegungsgeschwindigkeit der Erde senkrecht zur Richtung zum Stern ist.
In der Praxis wird das Phänomen der Aberration (jährlich) wie folgt beobachtet. Bei jeder Beobachtung ist die Fernrohrachse im Raum gleich zum Sternenhimmel ausgerichtet und das Abbild des Sterns in der Brennebene des Fernrohrs fixiert. Dieses Bild beschreibt eine Ellipse das ganze Jahr über. In Kenntnis der Parameter der Ellipse und anderer Daten, die der Geometrie des Experiments entsprechen, ist es möglich, die Lichtgeschwindigkeit zu berechnen. Im Jahr 1727 fand J. Bradley aus astronomischen Beobachtungen 2 * = 40,9 "und erhielt
s = 303000km/s.
1.3. Labormethoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit.
1.3.1. Synchrone Erkennungsmethode.
Um die Lichtgeschwindigkeit zu messen, wandte Armand Fizeau (1849) die Methode der synchronen Detektion an. Er verwendete eine schnell rotierende Scheibe mit N Zähnen (Abb. 2.3), die undurchsichtige Sektoren sind. Zwischen diesen Sektoren (Zähnen) gelangt Licht von der Quelle zum reflektierenden Spiegel und zurück zum Beobachter. In diesem Fall beträgt der Winkel zwischen den Mittelpunkten der Sektoren
Die Drehwinkelgeschwindigkeit wurde so gewählt, dass das Licht, nachdem es vom Spiegel hinter der Scheibe reflektiert wurde, beim Durchgang durch das benachbarte Loch in die Augen des Betrachters eintritt. Während der Lichtbewegung von der Scheibe zum Spiegel und zurück:
Drehen des Zifferblatts ergibt einen Winkel
Wenn man den Abstand L, die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe ω und den Winkel △ φ kennt, unter dem Licht erscheint, erhält man die Lichtgeschwindigkeit. Fizeau erhielt einen Geschwindigkeitswert von c = (315300500) km / s. Den verfeinerten Wert der Lichtgeschwindigkeit erhielten die Experimentatoren mit ungefähr den gleichen Methoden mit = (298000500) km/s (1862), dann mit = (2997964) km/s (A. Michelson 1927 und 1932). Später erhielt Bergstrand - s = (299793.10.3) km/s.
Beachten wir hier eine der genauesten Methoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit - die Hohlraumresonatormethode, deren Hauptidee die Bildung einer stehenden Lichtwelle und die Berechnung der Anzahl der Halbwellen entlang des Resonators ist Länge. Die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Lichtgeschwindigkeit c, Wellenlänge λ, Periode T und Frequenz ν sind wie folgt:
Auch hier wird die Kreisfrequenz eingeführt, die nichts anderes ist als die Drehwinkelgeschwindigkeit ω der Amplitude, wenn man die Schwingungen als Projektion der Drehbewegung auf die Achse darstellt. Bei der Ausbildung einer stehenden Lichtwelle passen eine ganze Zahl von Halbwellen in die Resonatorlänge. Wenn Sie diese Zahl finden und die Beziehungen (*) verwenden, können Sie die Lichtgeschwindigkeit bestimmen.
Neuere Fortschritte (1978) ergaben den folgenden Wert für die Lichtgeschwindigkeit c = 299792,458 km / s = (299792458 1,2) m / s.
1.4. Experimente zur Lichtausbreitung in einem Medium.
1.4.1. Erfahrungen von Arman Fizeau.
Das Experiment von Armand Fizeau (1851). Fizeau betrachtete die Ausbreitung von Licht in einem bewegten Medium. Dazu führte er einen Lichtstrahl durch stehendes und fließendes Wasser und verglich anhand des Phänomens der Lichtinterferenz Interferenzmuster, durch deren Analyse die Änderung der Lichtausbreitungsgeschwindigkeit beurteilt werden konnte (siehe Abbildung 2.4 ). Zwei Lichtstrahlen, die von einem halbdurchlässigen Spiegel reflektiert werden (Strahl 1) und diesen passieren (Strahl 2), passieren zweimal ein Rohr mit Wasser und erzeugen dann ein Interferenzmuster auf dem Bildschirm. Zuerst wird es in stehendem Wasser und dann in fließendem Wasser mit einer Geschwindigkeit V gemessen.
In diesem Fall bewegt sich ein Strahl (1) mit der Strömung und der zweite (2) - gegen die Wasserströmung. Die Interferenzstreifen verschieben sich aufgrund einer Änderung des Gangunterschieds zwischen den beiden Strahlen. Der Unterschied im Strahlengang wird gemessen und daraus die Änderung der Lichtausbreitungsgeschwindigkeit ermittelt. Die Lichtgeschwindigkeit in einem ruhenden Medium ĉ hängt vom Brechungsindex des Mediums n ab:
Nach dem Relativitätsprinzip von Galileo sollte für einen Beobachter relativ zu dem sich Licht in einem Medium bewegt, die Geschwindigkeit gleich sein:
Experimentell hat Fizeau festgestellt, dass es bei der Wassergeschwindigkeit V einen Koeffizienten gibt und daher sieht die Formel wie folgt aus:
wobei * der Lichtmitnahmekoeffizient durch das bewegte Medium ist:
So zeigte Fizeaus Experiment, dass die klassische Regel für die Addition von Geschwindigkeiten für die Lichtausbreitung in einem bewegten Medium, d.h. Licht wird nur teilweise vom bewegten Medium mitgerissen. Fizeaus Experiment spielte eine wichtige Rolle bei der Konstruktion der Elektrodynamik bewegter Medien.
Es diente zur Begründung der SRT, wobei sich der Koeffizient * aus dem Geschwindigkeitsadditionsgesetz ergibt (wenn wir uns auf die erste Genauigkeitsordnung bezüglich des kleinen Wertes von ν / c beschränken). Die Schlussfolgerung aus dieser Erfahrung ist, dass die klassischen (galileischen) Transformationen nicht auf die Lichtausbreitung anwendbar sind.
1.4.2. Foucaults Verbesserung.
Als Fizeau das Ergebnis seiner Messung bekannt gab, stellten Wissenschaftler die Zuverlässigkeit dieser kolossalen Figur in Frage, nach der Licht in 8 Minuten von der Sonne zur Erde gelangt und in einer Achtelsekunde um die Erde fliegen kann. Es schien unglaublich, dass ein Mensch mit solch primitiven Instrumenten eine so enorme Geschwindigkeit messen konnte. Fährt Licht in 1/36000 Sekunden mehr als acht Kilometer zwischen Fizeau-Spiegeln? Unmöglich, sagten viele. Die von Fizeau erhaltene Zahl war jedoch dem Ergebnis von Röhmer sehr nahe. Das kann kaum Zufall sein.
Dreizehn Jahre später, noch immer skeptisch und ironisch, bestimmt Jean Bernard Léon Foucault, Sohn eines Pariser Verlegers, der einst Arzt werden will, die Lichtgeschwindigkeit etwas anders. Er arbeitete mehrere Jahre mit Fizeau zusammen und dachte viel darüber nach, wie er seine Erfahrung verbessern könnte. Anstelle eines Zahnrads verwendete Foucault einen rotierenden Spiegel.
Reis. 3. Installation von Foucault.
Nach einigen Verbesserungen benutzte Michelson dieses Gerät, um die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen. Bei dieser Vorrichtung wird das Zahnrad durch einen rotierenden flachen Spiegel C ersetzt. Wenn der Spiegel C stillsteht oder sich sehr langsam dreht, wird das Licht in der durch die durchgezogene Linie angezeigten Richtung auf den lichtdurchlässigen Spiegel B reflektiert. Wenn sich der Spiegel schnell dreht, verschiebt sich der reflektierte Strahl in die durch die gestrichelte Linie angezeigte Position. Durch den Blick durch das Okular konnte der Beobachter die Verschiebung des Strahls messen. Diese Messung gab ihm den doppelten Wert des Winkels α, d.h. der Drehwinkel des Spiegels während der Zeit, in der der Lichtstrahl von C zum Hohlspiegel A und zurück zu C ging. Kenntnis der Drehgeschwindigkeit des Spiegels C, des Abstands von A nach C und des Drehwinkels des Spiegel C während dieser Zeit war es möglich, die Lichtgeschwindigkeit zu berechnen.
Lange bevor Wissenschaftler die Lichtgeschwindigkeit maßen, mussten sie hart daran arbeiten, den Begriff "Licht" zu definieren. Einer der ersten, der darüber nachdachte, war Aristoteles, der Licht als eine Art bewegliche Substanz betrachtete, die sich im Raum ausbreitet. Sein altrömischer Kollege und Nachfolger Lucretius Carus bestand auf der atomaren Struktur des Lichts.
Bis zum 17. Jahrhundert wurden zwei Haupttheorien über die Natur des Lichts gebildet - Korpuskular und Welle. Newton gehörte zu den Anhängern der ersten. Seiner Meinung nach emittieren alle Lichtquellen kleinste Partikel. Beim "Flug" bilden sie leuchtende Linien - Strahlen. Sein Gegner, der niederländische Wissenschaftler Christian Huygens, bestand darauf, dass Licht eine Art Wellenbewegung ist.
Als Ergebnis jahrhundertelanger Streitigkeiten sind sich die Wissenschaftler einig: Beide Theorien haben das Recht auf Leben, und Licht ist das Spektrum elektromagnetischer Wellen, das für das Auge sichtbar ist.
Ein bisschen Geschichte. Wie die Lichtgeschwindigkeit gemessen wurde
Die meisten alten Wissenschaftler waren davon überzeugt, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist. Die Ergebnisse der Studien von Galileo und Hooke ließen jedoch ihre Grenze zu, die im 17. Jahrhundert von dem herausragenden dänischen Astronomen und Mathematiker Olaf Roemer eindeutig bestätigt wurde.
Er machte seine ersten Messungen, indem er die Finsternisse von Io, einem Satelliten des Jupiter, zu einer Zeit beobachtete, als sich Jupiter und Erde relativ zur Sonne auf gegenüberliegenden Seiten befanden. Roemer stellte fest, dass sich die Verzögerungszeit änderte, wenn sich die Erde in einem Abstand vom Durchmesser der Erdbahn vom Jupiter entfernte. Der Maximalwert lag bei 22 Minuten. Als Ergebnis von Berechnungen erhielt er eine Geschwindigkeit von 220.000 km / s.
50 Jahre später, im Jahr 1728, „verfeinerte“ der englische Astronom J. Bradley diese Zahl dank der Entdeckung der Aberration auf 308.000 km/s. Später wurde die Lichtgeschwindigkeit von den französischen Astrophysikern Francois Argo und Leon Foucault gemessen, die bei der „Ausfahrt“ 298.000 km/s erhielten. Eine noch genauere Messtechnik wurde vom Erfinder des Interferometers, dem berühmten amerikanischen Physiker Albert Michelson, vorgeschlagen.
Michelsons Experiment zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit
Die Experimente dauerten von 1924 bis 1927 und bestanden aus 5 Beobachtungsreihen. Die Essenz des Experiments war wie folgt. Auf dem Mount Wilson in der Nähe von Los Angeles wurden eine Lichtquelle, ein Spiegel und ein rotierendes Oktaederprisma installiert, und nach 35 km auf dem Mount San Antonio wurde ein reflektierender Spiegel installiert. Zuerst fiel das Licht durch die Linse und den Spalt auf ein Prisma, das sich mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeitsrotors (mit einer Geschwindigkeit von 528 U/s) drehte.
Die Versuchsteilnehmer konnten die Rotationsgeschwindigkeit so einstellen, dass das Bild der Lichtquelle im Okular gut sichtbar war. Da der Abstand zwischen den Spitzen und die Rotationsfrequenz bekannt waren, bestimmte Michelson den Wert der Lichtgeschwindigkeit - 299796 km / s.
Bei Lichtgeschwindigkeit entschieden die Wissenschaftler schließlich in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, als Maser und Laser entstanden, die sich durch höchste Stabilität der Strahlungsfrequenz auszeichneten. Bis Anfang der 70er Jahre sank der Messfehler auf 1 km/s. Infolgedessen wurde auf Empfehlung der XV. Generalkonferenz für Maß und Gewicht von 1975 beschlossen, anzunehmen, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum jetzt 299792.458 km / s beträgt.
Ist die Lichtgeschwindigkeit für uns erreichbar?
Es ist offensichtlich, dass die Erforschung der fernen Ecken des Universums ohne Raumschiffe mit hoher Geschwindigkeit undenkbar ist. Wünschenswert bei Lichtgeschwindigkeit. Aber ist das möglich?
Die Lichtgeschwindigkeitsschranke ist eine der Folgen der Relativitätstheorie. Wie Sie wissen, erfordert eine Erhöhung der Geschwindigkeit eine Erhöhung der Energie. Die Lichtgeschwindigkeit würde fast unendlich viel Energie erfordern.
Leider sind die Gesetze der Physik dagegen kategorisch. Bei einer Raumfahrzeuggeschwindigkeit von 300.000 km / s verwandeln sich darauf zufliegende Teilchen, zum Beispiel Wasserstoffatome, in eine tödliche Quelle starker Strahlung von 10.000 Sievert / s. Es ist ungefähr so, als ob man sich im Large Hadron Collider befindet.
Laut Wissenschaftlern der Johns Hopkins University gibt es in der Natur keinen ausreichenden Schutz vor einer so monströsen kosmischen Strahlung. Erosion durch die Auswirkungen von interstellarem Staub wird die Zerstörung des Schiffes vervollständigen.
Ein weiteres Problem mit der Lichtgeschwindigkeit ist die Zeitdilatation. Gleichzeitig wird das Alter deutlich länger. Das Sichtfeld wird auch eine Krümmung erfahren, wodurch die Flugbahn des Schiffes sozusagen in einem Tunnel verläuft, an dessen Ende die Besatzung einen leuchtenden Blitz sieht. Hinter dem Schiff bleibt absolute Pechdunkelheit.
In naher Zukunft wird die Menschheit also ihren Hochgeschwindigkeits-„Appetit“ auf 10 % der Lichtgeschwindigkeit begrenzen müssen. Dies bedeutet, dass der der Erde am nächsten liegende Stern - Proxima Centauri (4,22 Lichtjahre) etwa 40 Jahre braucht, um zu fliegen.
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit, darunter astronomische und verschiedene experimentelle Techniken. Meßgenauigkeit MIT nimmt ständig zu. Die Tabelle enthält eine unvollständige Liste experimenteller Arbeiten zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.
|
Datum |
Experiment |
Experimentelle Methoden |
Messergebnisse, km/s |
|
1676 1725 1849 1850 1857 1868 1875 1880 1883 1883 1901 1907 1928 1932 1941 1952 |
Römer Bradley Fizeau Foucault Weber-Kohlrausch Maxwell Cornu Michelson Thomson Newcomb Perrotin Rose und Dorsey Mittelyptedt Pease und Pearson Anderson Froome |
Mondfinsternis des Jupiter Lichtfehler Antriebskörper Drehspiegel Elektromagnetische Konstanten Elektromagnetische Konstanten Drehspiegel Drehspiegel Elektromagnetische Konstanten Drehspiegel Drehspiegel Elektromagnetische Konstanten Kerr-Verschlusszelle Drehspiegel Kerr-Verschlusszelle Mikrowellen-Interferometrie |
214 459 308 000 313 290 298 000 310 000 288 000 299 990 299 910 282 000 299 880 299 777 299 784 299 778 299 774 299 782 299 792.45 |
Die Zeichnungen zeigen eine Reproduktion der Zeichnung selbst Römer, sowie eine schematische Interpretation.
Roemers astronomische Methode basiert auf Messung Geschwindigkeit Licht von Erdbeobachtungen von Finsternisse der Jupiter-Satelliten... Jupiter hat mehrereüber Satelliten, die entweder von der Erde in der Nähe von Jupiter aus sichtbar sind, oder
Lass zu einem bestimmten Zeitpunkt die ErdeZ1 und Jupiter J1 befinden sich in Opposition, und zu diesem Zeitpunkt verschwindet einer der Jupiter-Satelliten, von der Erde aus beobachtet, im Schatten des Jupiter (der Satellit ist in der Abbildung nicht dargestellt). Dann bezeichnen wir mit R und r die Radien der Umlaufbahnen von Jupiter und der Erde und mit c - die Geschwindigkeit der eta in in dem mit der Sonne C verbundenen Koordinatensystem auf der Erde wird der Abflug des Satelliten in den Schatten des Jupiter aufgezeichnet (R-r) / s Sekunden später als er im mit Jupiter verbundenen Zeitbezugssystem auftritt.
Nach 0,545 Jahren stehen Erde Z2 und Jupiter U2 in Verbindung. Wenn zu diesem Zeitpunkt die n-te Sonnenfinsternis desselben Jupiter-Satelliten auftritt, wird sie auf der Erde mit einer Verzögerung von (R + r) / s Sekunden aufgezeichnet. Wenn die Umlaufperiode des Satelliten um Jupiter t ist, dann ist das Zeitintervall T1 zwischen der ersten und der n-ten Sonnenfinsternis, die von der Erde aus beobachtet wird, gleich
Nach weiteren 0,545 Jahren stehen Erde Z3 und Jupiter J3 wieder in Opposition. Während dieser Zeit fanden (n-1) Umdrehungen des Satelliten um Jupiter und (n-1) Finsternisse statt, von denen die erste stattfand, als Erde und Jupiter die Positionen Z2 und Yu2 besetzten, und die letzte, als sie die Positionen Z3 . besetzten und Yu3. Die erste Sonnenfinsternis wurde auf der Erde mit einer Verzögerung (R + r) / s und die letzte mit einer Verzögerung (R-r) / s in Bezug auf die Momente beobachtet, als der Satellit in den Schatten des Planeten Jupiter ging. Daher haben wir in diesem Fall
Roemer hat die Zeitintervalle T1 und T2 gemessen und festgestellt, dass T1-T2 = 1980 s ist. Aus den oben geschriebenen Formeln folgt jedoch, dass T1-T2 = 4r / s, also c = 4r / 1980 m / s. Wenn wir r, die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne, gleich 1.500.000.000 km nehmen, finden wir den Wert von 3,01 * 10 6 m / s für die Lichtgeschwindigkeit.
Dieses Ergebnis war die erste Messung der Lichtgeschwindigkeit.
1725 gr. James Bradley fanden heraus, dass der Stern des Drachen, der sich im Zenit (d. Für Sterne, die an anderer Stelle am Firmament sichtbar sind, beobachtete Bradley auch eine ähnliche scheinbare Bewegung – im Allgemeinen elliptisch.
Das von Bradley beobachtete Phänomen wird Aberration genannt. Es hat nichts mit der Eigenbewegung des Sterns zu tun. Der Grund für die Aberration liegt in der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist und die Beobachtung von der Erde aus erfolgt, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit v in ihrer Umlaufbahn bewegt.
Der Öffnungswinkel des Kegels, bei dem die scheinbare Flugbahn des Sterns von der Erde aus sichtbar ist, wird durch den Ausdruck bestimmt: tgα = ν / c
Den Winkel kennen α und der Geschwindigkeit der Erdumlaufbahn v kann man die Lichtgeschwindigkeit c bestimmen.
Er erhielt den Wert der Lichtgeschwindigkeit von 308.000 km / s.
1849 wurde erstmals die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit unter Laborbedingungen durchgeführt. A. Fizeau... Seine Methode wurde die Zahnradmethode genannt. Ein charakteristisches Merkmal seiner Methode ist die automatische Registrierung der Zeitpunkte des Starts und der Rückkehr des Signals, die durch regelmäßige Unterbrechung des Lichtstroms (Zahnrad) durchgeführt wird.
Abbildung zeigt ein Diagramm eines Experiments zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nach der Zahnradmethode.
Das Licht der Quelle passierte den Unterbrecher (die Zähne des rotierenden Rades) und kehrte, vom Spiegel reflektiert, wieder zum Zahnrad zurück. Wenn Sie den Abstand zwischen Rad und Spiegel, die Anzahl der Zähne des Rads und die Rotationsgeschwindigkeit kennen, können Sie die Lichtgeschwindigkeit berechnen.
Wenn wir den Abstand D, die Zähnezahl z, die Winkelgeschwindigkeit (Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde) v kennen, können wir die Lichtgeschwindigkeit bestimmen. Er schaffte es gleich 313.000 km/s.
Amerikanischer Physiker zeitlebens Albert Abraham Michelson(1852-1931) verbesserte die Methode zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Er erstellte immer komplexere Installationen und versuchte, Ergebnisse mit einem minimalen Fehler zu erzielen. In den Jahren 1924-1927 entwickelte Michelson ein Experiment, bei dem ein Lichtstrahl vom Gipfel des Mount Wilson auf den Gipfel von San Antonio (etwa 35 km) geschickt wurde. Für den rotierenden Verschluss wurde ein rotierender Spiegel verwendet, der mit höchster Präzision gefertigt und von einem speziell konstruierten Hochgeschwindigkeitsrotor angetrieben wird, der sich mit bis zu 528 Umdrehungen pro Sekunde dreht.
Durch die Änderung der Rotationsfrequenz des Rotors erreichte der Betrachter im Okular ein stabiles Bild der Lichtquelle. Die Kenntnis des Abstands zwischen den Installationen und der Rotationsfrequenz des Spiegels ermöglichte die Berechnung der Lichtgeschwindigkeit.
Von 1924 bis Anfang 1927 wurden fünf unabhängige Beobachtungsreihen durchgeführt, die Genauigkeit der Entfernungs- und Rotordrehzahlmessung wurde erhöht. Das durchschnittliche Messergebnis betrug 299 798 km pro Sekunde.
Die Ergebnisse aller Michelson-Messungen können als c = (299796 ± 4) km / s geschrieben werden.
Die obere Abbildung zeigt ein Diagramm des Michelson-Experiments. Die untere Abbildung zeigt ein vereinfachtes Diagramm des Experiments. Der Benutzer kann die Rotationsfrequenz des achteckigen Prismas ändern, indem er die Bewegung des Lichtimpulses beobachtet und ihn in das Okular des Beobachters fallen lässt.
Die Frequenz kann von 0 bis 1100 Umdrehungen pro Sekunde in 2 s –1 Schritten geändert werden. Um die Frequenzeinstellung im Experiment zu erleichtern, wurde ein grober Drehzahlregler vorgenommen, genauere Einstellungen können über zusätzliche Tasten rechts neben dem Frequenzfenster vorgenommen werden. Optimale Ergebnisse werden bei 528 und 1056 U/s erzielt. Bei 0 Umdrehungen wird ein statischer Lichtstrahl von der Quelle zum Beobachter gezogen.
Ein Beispiel für die Berechnung der Lichtgeschwindigkeit für ein Experiment, bei dem das Erscheinen von Licht von einem Beobachter bei einer Spiegeldrehfrequenz von 528 s –1 aufgezeichnet wird.
Dabei sind ν und T die Frequenz und die Rotationsperiode des Oktaederprismas, τ 1 ist die Zeit, während der der Lichtstrahl Zeit hat, die Strecke L von einer Anlage zur anderen zurückzulegen und zurück zu kehren, es ist auch die Rotationszeit von ein Gesicht des Spiegels.
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Labormethoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit sind wesentliche Verbesserungen gegenüber der Methode von Galileo.
a) Interrupt-Methode.
Fizeau (1849) führte erstmals die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit unter Laborbedingungen durch. Ein charakteristisches Merkmal seiner Methode ist die automatische Registrierung der Zeitpunkte des Anlaufens und Wiederkehrens des Signals, die durch regelmäßige Unterbrechung des Lichtstroms (Zahnrad) durchgeführt wird. Das Schema des Fizeau-Experiments ist in Abb. 9.3. Licht von der Quelle S geht zwischen die Zähne eines rotierenden Rades W zum Spiegel m und muss, nachdem er zurückgespiegelt wurde, wieder zwischen den Zähnen zum Beobachter gelangen. Der Einfachheit halber ist das Okular E, dient der Beobachtung, steht gegenüber ein und das Licht dreht sich aus S Zu W mit einem durchscheinenden Spiegel n... Wenn sich das Rad dreht, und zwar mit einer solchen Winkelgeschwindigkeit, dass bei der Bewegung des Lichts von ein Zu m und an der Stelle der Zähne gibt es Schlitze und umgekehrt, dann wird das zurückgeführte Licht nicht zum Okular geleitet und der Beobachter sieht das Licht nicht (erste Sonnenfinsternis). Mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit erreicht das Licht teilweise den Beobachter. Wenn die Breite der Zähne und Lücken gleich ist, gibt es bei doppelter Geschwindigkeit ein Maximum an Licht, bei dreifacher Geschwindigkeit gibt es eine zweite Sonnenfinsternis usw. Den Abstand kennen bin=D, Anzahl der Zähne z, Drehwinkelgeschwindigkeit (Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde) n, können Sie die Lichtgeschwindigkeit berechnen.
| Reis. 9.3. Das Schema der Erfahrung der Interrupt-Methode. |
Oder mit=2Dzn.
Die Hauptschwierigkeit bei der Bestimmung liegt in der genauen Bestimmung des Zeitpunkts der Sonnenfinsternis. Die Genauigkeit steigt mit der Entfernung D und bei Unterbrechungsraten, die es erlauben, Finsternisse höherer Ordnung zu beobachten. Also führte Perrotin seine Beobachtungen bei D= 46 km und beobachtete eine Sonnenfinsternis 32. Ordnung. Unter diesen Bedingungen sind lichtstarke Installationen, saubere Luft (Beobachtungen in den Bergen), eine gute Optik und eine starke Lichtquelle erforderlich.
In letzter Zeit wurden anstelle eines rotierenden Rades andere, fortschrittlichere Verfahren zum Unterbrechen von Licht erfolgreich verwendet.
b) Die Rotationsspiegelmethode.
Foucault (1862) hat die zweite Methode erfolgreich umgesetzt, deren Prinzip bereits von Arago (1838) vorgeschlagen wurde, um die Lichtgeschwindigkeit in Luft mit der Lichtgeschwindigkeit in anderen Medien (Wasser) zu vergleichen. Das Verfahren basiert auf sehr sorgfältigen Messungen kurzer Zeitintervalle mit einem rotierenden Spiegel. Das Schema des Experiments ist aus Abb. 9.4. Licht aus der Quelle S von einer Linse geführt L auf einem rotierenden Spiegel R, von ihm in Richtung des zweiten Spiegels reflektiert MIT und geht zurück, vorbei an Pfad 2 CR=2D während T... Diese Zeit wird durch den Drehwinkel des Spiegels geschätzt R dessen Rotationsgeschwindigkeit genau bekannt ist; der Drehwinkel wird durch Messung der vom zurückgeworfenen Licht gegebenen Verschiebung des Flecks bestimmt. Die Messung erfolgt mit einem Okular E und eine durchscheinende Platte m die die gleiche Rolle wie bei der vorherigen Methode spielt; S 1 - die Position des Hasen mit einem festen Spiegel R, S " 1 - wenn sich der Spiegel dreht. Ein wichtiges Merkmal der Foucault-Installation war die Verwendung als Spiegel MIT konkaver Kugelspiegel, wobei der Krümmungsmittelpunkt auf der Drehachse liegt R... Aus diesem Grund wird das von reflektierte Licht R Zu MIT, bin immer wieder gekommen R; bei Verwendung eines flachen Spiegels MIT das würde nur mit einer gewissen gegenseitigen orientierung passieren R und MIT wenn die Achse des reflektierten Strahlenkegels senkrecht zu liegt MIT.
Foucault führte nach dem ursprünglichen Plan von Arago mit Hilfe seines Geräts auch die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit im Wasser durch, denn es gelang ihm, die Entfernung zu verringern RС bis zu 4 m, was dem Spiegel 800 Umdrehungen pro Sekunde ermöglicht. Foucaults Messungen zeigten, dass die Lichtgeschwindigkeit in Wasser geringer ist als in Luft, entsprechend den Vorstellungen der Wellentheorie des Lichts.
Die letzte (1926) Michelson-Installation wurde zwischen zwei Berggipfeln durchgeführt, so dass das Ergebnis eine Distanz ist D»35,4 km (genauer 35.373,21 m). Der Spiegel war ein oktaedrisches Stahlprisma, das sich mit einer Geschwindigkeit von 528 U / s drehte.
Die Zeit, die das Licht für einen vollen Weg benötigte, betrug 0,00023 s, so dass der Spiegel Zeit hatte, sich um 1/8 einer Umdrehung zu drehen und das Licht auf den Rand des Prismas fiel. Somit war die Verschiebung des Flecks relativ unbedeutend, und die Bestimmung seiner Position spielte die Rolle einer Korrektur und nicht der Hauptmesswert, wie in den ersten Experimenten von Foucault, wo die gesamte Verschiebung nur 0,7 mm erreichte.
Es wurden auch sehr genaue Messungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Radiowellen durchgeführt. In diesem Fall wurden radiogeodätische Messungen verwendet, d.h. Bestimmung des Abstands zwischen zwei Punkten mit Hilfe von Funksignalen parallel zu genauen Triangulationsmessungen. Der beste Wert, der mit dieser Methode, reduziert auf Vakuum, erhalten wird, beträgt c = 299 792 ± 2,4 km / s. Schließlich wurde die Geschwindigkeit von Radiowellen durch die Methode der in einem zylindrischen Resonator erzeugten stehenden Wellen bestimmt. Die Theorie ermöglicht es, Daten über die Abmessungen des Resonators und seine Resonanzfrequenz mit der Geschwindigkeit der Wellen in Beziehung zu setzen. Die Experimente wurden mit einem evakuierten Resonator durchgeführt, so dass keine Vakuumreduktion erforderlich war. Der beste Wert, der mit dieser Methode erhalten wird, beträgt s = 299 792,5 ± 3,4 km / s.
c) Phasen- und Gruppenlichtgeschwindigkeiten.
Labormethoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, die diese Messungen in kurzer Zeit ermöglichen, ermöglichen es, die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien zu bestimmen und damit die Zusammenhänge der Lichtbrechungstheorie zu überprüfen. Wie schon oft erwähnt, ist der Brechungsindex des Lichts in Newtons Theorie n= Sünde ich/ Sünde R=υ 2 /υ 1, und in der Wellentheorie n= Sünde ich/ Sünde R=υ 1 /υ 2, wo υ 1 ist die Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium, und υ 2 - die Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium. Arago sah in diesem Unterschied auch die Möglichkeit von Experimentum Crucis und schlug die Idee eines Experiments vor, das später von Foucault durchgeführt wurde, der einen Wert für das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten in Luft und Wasser in der Nähe fand, wie folgt aus Huygens “, und nicht, wie aus Newtons Theorie folgt.
Konventionelle Definition des Brechungsindex n= Sünde ich/ Sünde R=υ 1 /υ 2 aus der Richtungsänderung der Wellennormalen an der Grenze zweier Medien ergibt das Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten der Welle in diesen beiden Medien. Der Begriff der Phasengeschwindigkeit gilt jedoch nur für streng monochromatische Wellen, die nicht wirklich realisierbar sind, da sie zeitlich unbegrenzt existieren und räumlich unbegrenzt heulen müssten.
In Wirklichkeit haben wir immer einen mehr oder weniger komplexen Impuls, der zeitlich und räumlich begrenzt ist. Wenn wir einen solchen Impuls beobachten, können wir einen bestimmten Ort davon auswählen, zum Beispiel den Ort der maximalen Ausdehnung dieses elektrischen oder magnetischen Felds, das ein elektromagnetischer Impuls ist. Die Geschwindigkeit des Pulses kann mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit eines beliebigen Punktes, beispielsweise des Punktes maximaler Feldstärke, identifiziert werden.
Allerdings ist das Medium (mit Ausnahme von Vakuum) meist durch Dispersion gekennzeichnet, d.h. monochromatische Wellen breiten sich je nach Länge mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten aus und der Puls beginnt sich zu verformen. In diesem Fall wird die Frage der Pulsgeschwindigkeit komplizierter. Wenn die Dispersion nicht sehr groß ist, dann erfolgt die Pulsdeformation langsam und wir können der Bewegung einer bestimmten Feldamplitude im Wellenpuls folgen, beispielsweise der maximalen Feldamplitude. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Impulses, benannt von Rayleigh Gruppengeschwindigkeit, wird sich von der Phasengeschwindigkeit jeder ihrer konstituierenden monochromatischen Wellen unterscheiden.
Zur Vereinfachung der Berechnungen stellen wir uns einen Impuls als eine Ansammlung von zwei Sinuskurven derselben Amplitude mit ähnlicher Frequenz vor, und nicht als eine Ansammlung einer unendlichen Anzahl von nahen Sinuskurven. Bei dieser Vereinfachung bleiben die Hauptmerkmale des Phänomens erhalten. Unser Impuls, oder, wie sie sagen, eine Gruppe von Wellen, besteht also aus zwei Wellen.
wobei die Amplituden als gleich angenommen werden und sich die Frequenzen und Wellenlängen wenig voneinander unterscheiden, d.h.
wo und sind kleine Werte. Impuls (Wellengruppe) bei es gibt einen Betrag bei 1 und bei 2, d.h.
Mit Einführung der Notation stellen wir unseren Impuls in der Form dar, wobei EIN nicht ständig, sondern ändert sich in Zeit und Raum, aber es ändert sich langsam, weil δω und k- klein (im Vergleich zu ω 0 und κ 0) Werte. Daher können wir, eine gewisse Nachlässigkeit der Sprache vorausgesetzt, unseren Impuls als Sinuskurve mit langsam variierender Amplitude betrachten.
Somit ist die Geschwindigkeit des Impulses (Gruppe), die nach Rayleigh als bezeichnet wird Gruppengeschwindigkeit, es gibt eine Bewegungsgeschwindigkeit Amplituden und folglich Energie von einem bewegten Impuls getragen.
Eine monochromatische Welle ist also gekennzeichnet durch eine Phasengeschwindigkeit υ=ω /κ , was die Bewegungsgeschwindigkeit bedeutet Phase, und der Impuls wird durch die Gruppengeschwindigkeit . charakterisiert u = dω/dκ entsprechend der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Feldenergie dieses Impulses.
Es ist nicht schwer eine Verbindung zwischen zu finden du und υ ... Tatsächlich,
oder, da und daher,
jene. Endlich
(Rayleigh-Formel).
Unterschied zwischen du und υ je signifikanter, desto größer die Varianz dυ/dλ... Bei fehlender Abweichung ( dυ/dλ= 0) wir haben u =... Dieser Fall tritt, wie bereits erwähnt, nur für Vakuum auf.
Rayleigh zeigte, dass wir es bei den bekannten Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit im Kern der Technik nicht mit einer kontinuierlich andauernden Welle zu tun haben, sondern diese in kleine Segmente zerlegen. Das Zahnrad und andere Unterbrecher beim Interrupt-Verfahren geben eine schwächende und zunehmende Lichtanregung, d.h. eine Gruppe von Wellen. Ähnlich verhält es sich bei der Methode von Roemer, bei der das Licht durch periodische Blackouts unterbrochen wird. Beim Drehspiegelverfahren erreicht das Licht den Betrachter auch nicht mehr, wenn der Spiegel ausreichend gedreht wird. In all diesen Fällen messen wir die Gruppengeschwindigkeit, nicht die Phasengeschwindigkeit, in einem dispersiven Medium.
Rayleigh glaubte, dass wir bei der Methode der Lichtaberration die unmittelbare Phasengeschwindigkeit messen, weil dort das Licht nicht künstlich unterbrochen wird. Ehrenfest (1910) zeigte jedoch, dass die Beobachtung der Aberration des Lichts prinzipiell nicht von der Fizeau-Methode zu unterscheiden ist, d.h. gibt auch Gruppengeschwindigkeit. Tatsächlich kann die Aberrationserfahrung wie folgt zusammengefasst werden. Zwei Scheiben mit Löchern sind starr auf einer gemeinsamen Achse befestigt. Licht wird entlang der Verbindungslinie dieser Löcher gesendet und erreicht den Betrachter. Bringen wir den gesamten Apparat in eine schnelle Rotation. Da die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, dringt das Licht nicht durch das zweite Loch. Um Licht zu übertragen, ist es notwendig, eine Scheibe relativ zur anderen um einen Winkel zu drehen, der durch das Verhältnis der Geschwindigkeiten der Scheiben und des Lichts bestimmt wird. Dies ist eine typische Aberrationserfahrung; es unterscheidet sich jedoch nicht vom Fizeau-Experiment, bei dem anstelle von zwei rotierenden Scheiben mit Löchern eine Scheibe und ein Spiegel zum Drehen der Strahlen vorhanden sind, d.h. im Wesentlichen zwei Scheiben: eine echte und ihre Spiegelung in einem festen Spiegel. Somit ergibt das Aberrationsverfahren das gleiche wie das Interrupt-Verfahren, d.h. Gruppengeschwindigkeit.
Somit wurde in Michelsons Experimenten sowohl mit Wasser als auch mit Schwefelkohlenstoff eher das Verhältnis der Gruppen- als der Phasengeschwindigkeiten gemessen.
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Lichtgeschwindigkeit, darunter astronomische und verschiedene experimentelle Techniken. Meßgenauigkeit mit nimmt ständig zu. Diese Tabelle enthält eine unvollständige Liste experimenteller Arbeiten zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.
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Experiment |
Experimentelle Methoden |
Messergebnisse, km/s |
Versuchsfehler, |
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Weber-Kohlrausch Maxwell Michelson Perrotin Rose und Dorsey Mittelyptedt Pease und Pearson Anderson |
Mondfinsternis des Jupiter Lichtfehler Antriebskörper Drehspiegel Elektromagnetische Konstanten Elektromagnetische Konstanten Drehspiegel Drehspiegel Elektromagnetische Konstanten Drehspiegel Drehspiegel Elektromagnetische Konstanten Kerr-Verschlusszelle Drehspiegel Kerr-Verschlusszelle Mikrowellen-Interferometrie |
Die Abbildung stellt die numerischen Werte der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Jahren grafisch dar (Abbildung Olimpusmicro.com).
Sie können verfolgen, wie sich die Genauigkeit der Messungen mit dem Fortschritt in Wissenschaft und Technik verändert hat.
Die erste erfolgreiche Messung der Lichtgeschwindigkeit stammt aus dem Jahr 1676.
Die Figuren zeigen eine Reproduktion einer Zeichnung von Röhmer selbst sowie eine schematische Interpretation.
Roemers astronomische Methode basiert auf Messung die Lichtgeschwindigkeit von Erdbeobachtungen von Finsternisse der Jupiter-Satelliten... Jupiter hat mehrere Satelliten, die entweder von der Erde in der Nähe von Jupiter aus sichtbar oder in seinem Schatten versteckt sind. Astronomische Beobachtungen über die Jupiter-Satelliten zeigen, dass das durchschnittliche Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Finsternisse eines bestimmten Jupiter-Satelliten davon abhängt, wie weit Erde und Jupiter während der Beobachtungen voneinander entfernt sind. Im Bild: Roemers Methode. S - Sonne, U - Jupiter, W - Erde
Angenommen, zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden sich die Erde Z1 und Jupiter J1 in Opposition, und zu diesem Zeitpunkt verschwindet einer der Satelliten des Jupiter, von der Erde aus beobachtet, im Schatten des Jupiter (der Satellit ist in der Abbildung nicht dargestellt) ). Dann bezeichnen wir mit R und r die Radien der Umlaufbahnen von Jupiter und der Erde und durchc ist die Lichtgeschwindigkeit im Koordinatensystem der Sonne C; auf der Erde wird der Abflug des Satelliten in den Schatten des Jupiter bei ( R- r) / s Sekunden später als es im Zeitrahmen des mit Jupiter verbundenen Referenzzeitraums auftritt.
Nach 0,545 Jahren stehen Erde Z2 und Jupiter U2 in Verbindung. Wenn es zu diesem Zeitpunktn-te Sonnenfinsternis des gleichen Jupiter-Satelliten, dann wird sie auf der Erde mit einer Verzögerung von ( R + r) / s Sekunden. Wenn also die Umlaufperiode des Satelliten um Jupitert, dann das ZeitintervallT1 fließt zwischen dem ersten undVon der Erde aus beobachtete n-te Finsternisse ist gleich
Nach weiteren 0,545 Jahren stehen Erde Z3 und Jupiter J3 wieder in Opposition. Während dieser Zeit (n-1) Umdrehungen des Satelliten um Jupiter und (n-1) Finsternisse, von denen die erste stattfand, als Erde und Jupiter die Positionen Z2 und Yu2 besetzten, und die letzte - als sie die Positionen Z3 und Yu3 besetzten. Die erste Sonnenfinsternis wurde auf der Erde mit einer Verzögerung beobachtet ( R + r) / с, und letzteres mit einer Verzögerung ( R-r) / c in Bezug auf die Momente, in denen der Satellit den Schatten des Planeten Jupiter verlässt. Daher haben wir in diesem Fall
Roemer hat die Zeitintervalle T1 und T2 gemessen und festgestellt, dass T1-T2 = 1980 s ist. Aus den oben geschriebenen Formeln folgt jedoch, dass T1-T2 = 4 r / c, also c = 4 r / 1980 m / s. Einnahmer, die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne, gleich 1.500.000.000 km, wir finden den Wert von 3,01 * 10 für die Lichtgeschwindigkeit 6m/s.
Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durch Beobachtung der Aberration 1725-1728. Bradley unternahm Beobachtungen, um herauszufinden, ob es eine jährliche Parallaxe von Sternen gibt, d.h. scheinbare Verschiebung von Sternen am Firmament, die die Bahnbewegung der Erde widerspiegelt und mit der Endlichkeit der Entfernung von der Erde zum Stern verbunden ist.
Bradley fand eine ähnliche Voreingenommenheit. Er erklärte das beobachtete Phänomen, das er nannte Lichtfehler, den endlichen Wert der Lichtausbreitungsgeschwindigkeit und verwendet ihn, um diese Geschwindigkeit zu bestimmen.
Den Winkel kennen α und der Geschwindigkeit der Erdumlaufbahn v kann man die Lichtgeschwindigkeit c bestimmen.
Er erhielt den Wert der Lichtgeschwindigkeit von 308.000 km / s.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Aberration des Lichts mit einer Änderung der Richtung der Erdgeschwindigkeit im Laufe eines Jahres verbunden ist. Eine konstante Geschwindigkeit, egal wie groß sie auch sein mag, kann mit Hilfe der Aberration nicht erkannt werden, da bei einer solchen Bewegung die Richtung zum Stern unverändert bleibt und es keine Möglichkeit gibt, das Vorhandensein dieser Geschwindigkeit und ihren Winkel zu beurteilen mit der Richtung zum Stern. Die Aberration des Lichts erlaubt es uns, nur über die Änderung der Geschwindigkeit der Erde zu urteilen.
1849 war A. Fizeau der erste, der die Lichtgeschwindigkeit unter Laborbedingungen bestimmt hat. Seine Methode wurde die Zahnradmethode genannt. Ein charakteristisches Merkmal seiner Methode ist die automatische Registrierung der Zeitpunkte des Starts und der Rückkehr des Signals, die durch regelmäßige Unterbrechung des Lichtstroms (Zahnrad) durchgeführt wird.
Abb. 3. Schema des Experiments zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nach der Zahnradmethode.
Das Licht der Quelle passierte den Unterbrecher (die Zähne des rotierenden Rades) und kehrte, vom Spiegel reflektiert, wieder zum Zahnrad zurück. Wenn Sie den Abstand zwischen Rad und Spiegel, die Anzahl der Zähne des Rades und die Rotationsgeschwindigkeit kennen, können Sie die Lichtgeschwindigkeit berechnen.
Bei Kenntnis des Abstands D ist die Zähnezahl z, Winkelgeschwindigkeit der Rotation (Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde)v kann die Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden. Er schaffte es gleich 313.000 km/s.
Viele Methoden wurden entwickelt, um die Genauigkeit der Messungen weiter zu verbessern. Bald wurde es sogar notwendig, den Brechungsindex in Luft zu berücksichtigen. Und bald im Jahr 1958 erhielt Froome mit einem Mikrowelleninterferometer und einem elektrooptischen Verschluss (Kerr-Zelle) den Wert der Lichtgeschwindigkeit von 299792,5 km / s.
