Işığın hızını ilk kim belirledi? Işık hızı ilk ne zaman ölçüldü? Fizikte ışığın hızı nasıl ölçülür?

Sıradan yaşamda ışığın hızını hesaplamak zorunda olmasak da, çoğu kişi çocukluğundan beri bu miktarla ilgileniyor.

Fırtına sırasında şimşekleri izleyen her çocuk muhtemelen şimşekle gök gürültüsü arasındaki gecikmeye neyin sebep olduğunu anlamaya çalışmıştır. Açıkçası, ışık ve sesin farklı hızları vardır. Bu neden oluyor? Işığın hızı nedir ve nasıl ölçülebilir?

Bilimde ışığın hızı, ışınların havada veya boşlukta hareket etme hızıdır. Işık, insan gözünün algıladığı elektromanyetik radyasyondur. Hızını doğrudan etkileyen her ortamda hareket edebiliyor.

Bu miktarı ölçmeye yönelik girişimler eski çağlardan beri yapılmaktadır. Antik çağ bilim adamları ışığın hızının sonsuz olduğuna inanıyorlardı. Aynı görüş 16. ve 17. yüzyıllardaki fizikçiler tarafından da dile getirildi, ancak o zaman bile Robert Hooke ve Galileo Galilei gibi bazı araştırmacılar sonluluğu varsaydılar.

Işık hızı araştırmalarında büyük bir atılım, Jüpiter'in uydusu Io'nun tutulmasının ilk hesaplamalara göre gecikmesine ilk dikkat çeken Danimarkalı gökbilimci Olaf Roemer sayesinde gerçekleşti.

Daha sonra bilim adamı, yaklaşık hız değerini saniyede 220 bin metre olarak belirledi. İngiliz gökbilimci James Bradley, hesaplamalarında biraz yanılmış olsa da bu değeri daha doğru hesaplayabildi.


Daha sonra farklı ülkelerden bilim adamları tarafından ışığın gerçek hızını hesaplamaya yönelik girişimlerde bulunuldu. Bununla birlikte, ancak 1970'lerin başında, kararlı bir radyasyon frekansına sahip lazerlerin ve ustaların ortaya çıkmasıyla araştırmacılar doğru bir hesaplama yapabildiler ve 1983'te bağıl hata için korelasyon içeren modern değer alındı. esas olarak.

Kendi sözlerinizle ışığın hızı nedir?

Basit bir ifadeyle ışık hızı, güneş ışınının belirli bir mesafeyi kat etmesi için gereken süredir. Zaman birimi olarak saniyeyi, mesafe birimi olarak da metreyi kullanmak gelenekseldir. Fizik açısından ışık, belirli bir ortamda sabit bir hıza sahip olan eşsiz bir olgudur.

Bir kişinin 25 km/saat hızla koştuğunu ve 26 km/saat hızla giden bir arabaya yetişmeye çalıştığını varsayalım. Arabanın koşucudan 1 km/saat daha hızlı hareket ettiği ortaya çıktı. Işıkla her şey farklıdır. Arabanın ve kişinin hareket hızı ne olursa olsun, ışın onlara göre daima sabit bir hızla hareket edecektir.

Işığın hızı büyük ölçüde ışınların yayıldığı maddeye bağlıdır. Boşlukta sabit bir değere sahiptir, ancak şeffaf bir ortamda farklı göstergelere sahip olabilir.

Havada veya suda değeri her zaman vakumdakinden daha azdır. Örneğin nehirlerde ve okyanuslarda ışığın hızı, uzaydaki hızın yaklaşık ¾'ü kadardır ve 1 atmosfer basınçtaki havada, vakumdakinden %2 daha azdır.


Bu olay, ışınların şeffaf uzayda emilmesi ve yüklü parçacıklar tarafından yeniden yayılmasıyla açıklanmaktadır. Etkiye kırılma denir ve teleskopların, dürbünlerin ve diğer optik ekipmanların üretiminde aktif olarak kullanılır.

Belirli maddeleri dikkate alırsak, damıtılmış suda ışığın hızı saniyede 226 bin kilometre, optik camda ise saniyede yaklaşık 196 bin kilometredir.

Işığın boşluktaki hızı nedir?

Boşlukta ışığın saniyedeki hızı 299.792.458 metrelik sabit bir değere sahiptir, yani 299 bin kilometrenin biraz üzerindedir. Modern görüşe göre bu nihaidir. Yani hiçbir parçacık, hiçbir gök cismi, ışığın uzayda geliştiği hıza ulaşamaz.

Süpermen'in ortaya çıkıp büyük bir hızla uçacağını varsaysak bile ışın yine de ondan daha büyük bir hızla kaçacaktır.

Her ne kadar ışık hızı boşlukta ulaşılabilecek maksimum hız olsa da, daha hızlı hareket eden nesnelerin de olduğuna inanılmaktadır.

Örneğin, güneş ışınları, gölgeler veya dalgalardaki salınım aşamaları bunu yapabilir, ancak bir uyarıyla - süper hız geliştirseler bile, enerji ve bilgi, hareketlerinin yönü ile çakışmayan bir yönde iletilecektir.


Şeffaf ortama gelince, Dünya'da ışıktan daha hızlı hareket etme yeteneğine sahip nesneler var. Örneğin, camdan geçen bir ışının hızı yavaşlarsa, elektronların hareket hızı sınırlı değildir, dolayısıyla cam yüzeylerden geçerken ışıktan daha hızlı hareket edebilirler.

Bu olguya Vavilov-Çerenkov etkisi denir ve çoğunlukla nükleer reaktörlerde veya okyanusların derinliklerinde gözlemlenir.

Römer'in ışık hızı ölçümü, 7 Aralık 1676'da keşfedilen, ışığın hızının sonlu olduğunun, yani ışığın daha önce düşünüldüğü gibi sonsuz hızda gitmediğinin kanıtıdır. Bakalım Olaf Roemer'den önce ve sonra ışığın hızını nasıl ölçmeye çalışmışlar?

Işık hızı (C) vakumda ölçülmez. Standart birimlerde kesin olarak sabit bir değeri vardır. 1983 yılındaki uluslararası anlaşmaya göre metre, ışığın boşlukta 1/299.792.458 saniyede kat ettiği mesafe olarak tanımlanıyor. Işığın hızı tam olarak 299792458 m/s'dir. Bir inç 2,54 santimetre olarak tanımlanır. Dolayısıyla metrik olmayan birimlerde ışık hızının da kesin bir değeri vardır. Bu tanım yalnızca ışığın boşluktaki hızının sabit olması nedeniyle anlamlıdır ve bu gerçeğin deneysel olarak doğrulanması gerekir. Ayrıca ışığın su ve hava gibi ortamlardaki hızının deneysel olarak belirlenmesi de gereklidir.

On yedinci yüzyıla kadar ışığın anında yayıldığı sanılıyordu. Bu, ay tutulması gözlemleriyle doğrulandı. Sonlu ışık hızında, Dünya'nın Ay'a göre konumu ile Dünya'nın gölgesinin Ay yüzeyindeki konumu arasında bir gecikme olması gerekir, ancak böyle bir gecikme bulunamadı. Artık ışık hızının gecikmeyi fark edemeyecek kadar hızlı olduğunu biliyoruz.

Işığın hızı eski çağlardan beri tartışılıyor ve tartışılıyor, ancak yalnızca üç bilim adamı (hepsi Fransız) onu dünyevi yöntemlerle ölçmeyi başardı. Bu çok eski ve çok karmaşık bir sorundu.

Ancak önceki yüzyıllarda filozoflar ve bilim adamları ışığın özellikleri hakkında oldukça geniş bir bilgi birikimi biriktirdiler. MÖ 300 yılında, Öklid'in geometrisini yarattığı günlerde Yunan matematikçiler ışık hakkında zaten çok şey biliyorlardı. Işığın düz bir çizgide ilerlediği ve düz aynadan yansıdığında ışının geliş açısının yansıma açısına eşit olduğu biliniyordu. Eski bilim adamları ışığın kırılması olgusunun çok iyi farkındaydı. Bunun nedeni, bir ortamdan, örneğin havadan, farklı yoğunluktaki bir ortama, örneğin suya geçen ışığın kırılmasıdır.

İskenderiyeli bir gökbilimci ve matematikçi olan Claudius Ptolemy, ölçülen geliş ve kırılma açıları tablolarını derledi, ancak ışığın kırılma yasası yalnızca 1621'de Leiden Willebrord Snellius'tan Hollandalı matematikçi tarafından keşfedildi. Farklı yoğunluklardaki iki ortam için geliş açısı ve kırılma açısı sabittir.

Büyük Aristoteles ve Romalı devlet adamı Lucius Seneca da dahil olmak üzere birçok eski filozof, gökkuşağının ortaya çıkış nedenleri hakkında düşündü. Aristoteles renklerin, ışığın su damlacıkları tarafından yansıması sonucu ortaya çıktığına inanıyordu; Seneca da nem parçacıklarından oluşan bulutların bir tür ayna olduğuna inanarak yaklaşık olarak aynı görüşe sahipti. Öyle ya da böyle, bize ulaşan mitler, efsaneler, felsefi tartışmalar ve bilimsel gözlemlerin de gösterdiği gibi, tarihi boyunca insan ışığın doğasına ilgi göstermiştir.

Çoğu eski bilim adamı gibi (Empedokles hariç), Aristoteles de ışığın hızının sonsuz olduğuna inanıyordu. Aksini düşünmesi şaşırtıcı olurdu. Sonuçta, bu kadar büyük bir hız, o zamanlar mevcut olan yöntem veya araçların hiçbiriyle ölçülemezdi. Ancak daha sonraki zamanlarda bile bilim adamları bu konuda düşünmeye ve tartışmaya devam etti. Yaklaşık 900 yıl önce Arap bilim adamı İbn Sina, ışık hızının çok yüksek olmasına rağmen bunun sonlu bir değer olması gerektiği varsayımını dile getirmişti. Bu aynı zamanda alacakaranlığın doğasını ilk kez açıklayan çağdaşlarından biri olan Arap fizikçi Alhazen'in de görüşüydü. Elbette ne birinin ne de diğerinin görüşlerini deneysel olarak doğrulama fırsatı olmadı.

Galileo'nun deneyi

Bu tür anlaşmazlıklar süresiz olarak devam edebilir. Sorunu çözmek için açık ve reddedilemez bir deneyime ihtiyaç vardı. Bu yola ilk çıkan, dehasının çok yönlülüğüyle dikkat çeken İtalyan Galileo Galilei oldu. Birkaç kilometre uzaktaki tepelerde duran iki kişinin panjurlu fenerler kullanarak sinyal göndermesini önerdi. Daha sonra Floransa Akademisi bilim adamları tarafından uygulamaya konulan bu fikri, "Mekanik ve yerel hareketle ilgili iki yeni bilim dalı ile ilgili konuşmalar ve matematiksel kanıtlar" (1638'de Leiden'de yayınlandı) adlı çalışmasında dile getirdi.

Galileo'nun üç muhatabı konuşuyor. İlki Sagredo şunu soruyor: “Peki bu hareket ne türde ve hangi hızda olmalı? Bunu diğer tüm hareketler gibi anlık mı yoksa zaman içinde meydana gelen bir olay olarak mı düşünmeliyiz? Geriye giden Simplicio hemen cevap veriyor: "Gündelik deneyimler, sesin uzun bir süre sonra kulağa ulaşmasının aksine, silah ateşinden çıkan ışığın zaman kaybı olmadan gözümüze kazındığını gösteriyor." Sagredo buna haklı bir nedenle karşı çıkıyor: "Bu iyi bilinen deneyimden, sesin kulaklarımıza ışıktan daha uzun aralıklarla ulaştığından başka bir sonuç çıkaramıyorum."

Salviati burada müdahale ediyor (Galileo'nun görüşünü ifade ederek): “Bu ve diğer benzer gözlemlerin küçük kanıtları beni, aydınlatmanın, yani. Işığın yayılması gerçekten anlıktır. Aklıma gelen deney aşağıdaki gibidir. İki kişinin her biri, bir fener veya benzeri bir şeyle çevrelenmiş, refakatçinin tam gözü önünde el hareketi ile açılıp kapatılabilen bir ateş tutar; Karşılıklı duran “birkaç dirseklik mesafede, katılımcılar, arkadaşlarının gözü önünde, biri diğerinin ışığını fark ettiği anda hemen kendi ateşini açacak şekilde, ateş açma ve kapama alıştırması yapmaya başlarlar. Onu yalnızca kısa bir mesafede (bir milden daha az) üretmeyi başardım, bu yüzden karşıt ışığın gerçekten aniden ortaya çıkıp çıkmadığından emin olamadım. Ancak aniden olmazsa, her halükarda aşırı hızla olur.”

O dönemde Galileo'nun elindeki imkanlar elbette bu konunun bu kadar kolay çözülmesine imkan vermiyordu ve o da bunun tamamen farkındaydı. Tartışma devam etti. Kimyasal elementin ilk doğru tanımını yapan İrlandalı ünlü bilim adamı Robert Boyle, ışığın hızının sonlu olduğuna inanıyordu ve 17. yüzyılın bir diğer dehası Robert Hooke da ışık hızının deneysel olarak belirlenemeyecek kadar hızlı olduğuna inanıyordu. . Gökbilimci Johannes Kepler ve matematikçi René Descartes ise Aristoteles'in görüşünü benimsiyordu.

Römer ve Jüpiter'in uydusu

Bu duvardaki ilk gedik 1676 yılında açılmıştır. Bu bir dereceye kadar tesadüfen oldu. Bilim tarihinde birden fazla kez meydana gelen teorik bir sorun, tamamen pratik bir görevin yerine getirilmesi sırasında çözüldü. Genişleyen ticaretin ihtiyaçları ve navigasyonun artan önemi, Fransız Bilimler Akademisi'ni, özellikle coğrafi boylamı belirlemek için daha güvenilir bir yol gerektiren coğrafi haritaları iyileştirmeye başlamaya sevk etti. Boylam, oldukça basit bir şekilde, dünyanın iki farklı noktasındaki zaman farkına göre belirlenir, ancak o zamanlar yeterince doğru saatlerin nasıl yapılacağını henüz bilmiyorlardı. Bilim adamları, Paris saatini ve gemideki saati belirlemek için her gün aynı saatte gözlemlenen bazı gök olaylarını kullanmayı önerdiler. Bu olgudan yola çıkarak bir denizci veya coğrafyacı saatini kurabilir ve Paris saatini öğrenebilir. Deniz veya karadaki herhangi bir yerden görülebilen böyle bir olay, 1609'da Galileo tarafından keşfedilen Jüpiter'in dört büyük ayından birinin tutulmasıdır.

Bu konu üzerinde çalışan bilim insanları arasında, dört yıl önce Fransız gökbilimci Jean Picard tarafından yeni Paris gözlemevine çalışmak üzere davet edilen Danimarkalı genç gökbilimci Ole Roemer de vardı.

Zamanın diğer gökbilimcileri gibi Roemer de Jüpiter'in en yakın uydusunun iki tutulması arasındaki sürenin yıl boyunca değiştiğini biliyordu; aynı noktadan altı ay arayla yapılan gözlemler maksimum 1320 saniyelik bir fark sağlar. Bu 1320 saniye gökbilimciler için bir gizemdi ve kimse bunlara tatmin edici bir açıklama bulamadı. Uydunun yörünge periyodu ile Dünya'nın Jüpiter'e göre yörüngedeki konumu arasında bir tür ilişki var gibi görünüyordu. Ve böylece Roemer, tüm bu gözlemleri ve hesaplamaları baştan sona kontrol ettikten sonra beklenmedik bir şekilde bilmeceyi çözdü.

Roemer, ışığın, Dünya'nın yörüngesinde Jüpiter'e en yakın konumundan, Dünya'nın altı ay sonra sona erdiği Jüpiter'den en uzak konuma ulaşması için gereken sürenin 1320 saniye (veya 22 dakika) olduğunu varsaydı. Başka bir deyişle, Jüpiter'in ayından yansıyan ışığın kat ettiği ilave mesafe, Dünya'nın yörüngesinin çapına eşittir (Şekil 1).

Pirinç. 1. Roemer'in muhakeme şeması.
Jüpiter'e en yakın uydunun yörünge süresi yaklaşık 42,5 saattir. Bu nedenle uydunun her 42,5 saatte bir Jüpiter tarafından gizlenmesi (veya tutulma bandından ayrılması) gerekiyordu. Ancak altı ay boyunca, Dünya Jüpiter'den uzaklaştığında, tutulmalar her seferinde tahmin edilen tarihlere göre giderek daha fazla gecikmeyle gözlemlendi. Roemer, ışığın anında ilerlemediği, sınırlı bir hıza sahip olduğu sonucuna vardı; dolayısıyla Güneş etrafındaki yörüngesinde hareket edip Jüpiter'den uzaklaştıkça Dünya'ya ulaşması daha fazla zaman alır.

Römer'in zamanında Dünya'nın yörüngesinin çapının yaklaşık 182.000.000 mil (292.000.000 km) olduğu düşünülüyordu. Bu mesafeyi 1320 saniyeye bölen Roemer, ışığın hızının saniyede 138.000 mil (222.000 km) olduğunu buldu.

İlk bakışta böyle bir hatayla (saniyede neredeyse 80.000 km) sayısal bir sonuç elde etmek çok da büyük bir başarı değilmiş gibi görünebilir. Ama Roemer'in neler başardığını bir düşünün. İnsanlık tarihinde ilk kez sonsuz hızlı olduğu düşünülen hareketin bilgi ve ölçümle ulaşılabilir olduğu kanıtlandı.

Üstelik Roemer ilk denemede doğru sırada bir değer elde etti. Bilim adamlarının hala Dünya'nın yörüngesinin çapını ve Jüpiter'in uydularının tutulma zamanlamasını netleştirmeye çalıştığını hesaba katarsak, Roemer'in hatası sürpriz olmayacaktır. Artık bir uydu tutulmasının maksimum gecikmesinin Roemer'in düşündüğü gibi 22 dakika değil, yaklaşık 16 dakika 36 saniye olduğunu ve Dünya'nın yörünge çapının yaklaşık 292.000.000 km değil 300.000.000 km olduğunu biliyoruz. Roemer'in hesaplamasında bu düzeltmeler yapılırsa ışığın hızının saniyede 300.000 km olduğu ortaya çıkar ve bu sonuç, çağımızın bilim adamlarının elde ettiği en doğru rakama yakındır.

İyi bir hipotezin temel şartı, doğru tahminler yapmak için kullanılabilmesidir. Römer, ışık hızı hesaplamasına dayanarak belirli tutulmaları birkaç ay önceden doğru bir şekilde tahmin edebildi. Örneğin Eylül 1676'da Kasım ayında Jüpiter'in bir uydusunun yaklaşık on dakika geç görüneceğini öngördü. Minik uydu, Roemer'ı yarı yolda bırakmadı ve bir saniyelik bir doğrulukla tahmin edilen zamanda ortaya çıktı. Ancak Parisli filozoflar, Roemer'in teorisinin bu şekilde doğrulanmasıyla bile ikna olmadılar. Ancak Isaac Newton ve Hollandalı büyük gökbilimci ve fizikçi Christiaan Huygens, Danimarkalıyı desteklemek için ortaya çıktı. Ve bir süre sonra, Ocak 1729'da İngiliz gökbilimci James Bradley, biraz farklı bir şekilde, Roemer'la aynı sonuca vardı. Şüpheye yer yoktu. Roemer, bilim insanları arasında ışığın mesafeden bağımsız olarak anında hareket ettiği yönündeki yaygın inanışa son verdi.

Roemer, ışığın hızının çok yüksek olmasına rağmen sonlu olduğunu ve ölçülebileceğini kanıtladı. Ancak bazı bilim insanları, Roemer'in başarısını takdir ederken yine de tam anlamıyla tatmin olmadı. Onun yöntemiyle ışık hızının ölçülmesi astronomik gözlemlere dayanıyordu ve uzun zaman gerektiriyordu. Laboratuvarda, gezegenimizin sınırlarını aşmadan, tamamen dünyevi yöntemlerle ölçümler yapmak, böylece tüm deney koşullarının kontrol altında olmasını istediler. Descartes'ın çağdaşı ve arkadaşı olan Fransız fizikçi Marin Marsenne, otuz beş yıl önce sesin hızını ölçmeyi başardı. Neden aynısını ışıkla yapamıyoruz?

Dünyevi yollarla ilk boyut

Ancak bu sorunun çözümü neredeyse iki asır beklemek zorunda kaldı. 1849'da Fransız fizikçi Armand Hippolyte Louis Fizeau oldukça basit bir yöntem buldu. İncirde. Şekil 2 basitleştirilmiş bir kurulum şemasını göstermektedir. Fizeau bir kaynaktan gelen ışık ışınını aynaya yönlendirdi İÇİNDE sonra bu ışın aynaya yansıdı A. Aynalardan biri Suresnes'te Peder Fizeau'nun evine, diğeri ise Paris'teki Montmartre'ye yerleştirildi; aynalar arasındaki mesafe yaklaşık 8,66 km idi. Aynaların arasında A Ve İÇİNDE belirli bir hızda döndürülebilen bir dişli yerleştirildi (flaş prensibi). Dönen tekerleğin dişleri ışık ışınını keserek onu darbelere böldü. Bu şekilde bir dizi kısa yanıp sönme gönderildi.

Pirinç. 2. Fizeau kurulumu.
Roemer'in Jüpiter'in ay tutulmalarını gözlemleyerek ışığın hızını hesaplamasından 174 yıl sonra, Fizeau karasal koşullar altında ışığın hızını ölçecek bir cihaz yaptı. Vites Cışık huzmesini flaşlara böldü. Fizeau, ışığın bu mesafeyi kat etmesi için geçen süreyi ölçtü. C aynaya A ve geri, 17,32 km'ye eşittir. Bu yöntemin zayıflığı, ışığın en büyük parlaklık anının gözlemci tarafından gözle belirlenmesiydi. Bu tür öznel gözlemler yeterince doğru değildir.

Dişli sabit ve orijinal konumundayken gözlemci, iki diş arasındaki boşluktan kaynaktan gelen ışığı görebiliyordu. Daha sonra tekerlek giderek artan bir hızla harekete geçirildi ve bir an geldi ki, dişlerin arasındaki boşluktan geçen ışık darbesi aynadan yansıyarak geri döndü. A ve diş nedeniyle gecikti. Bu durumda gözlemci hiçbir şey görmemiştir. Dişli daha da döndükçe ışık yeniden ortaya çıktı, daha parlak hale geldi ve sonunda maksimum yoğunluğuna ulaştı. Fizeau'nun kullandığı dişlinin 720 dişi vardı ve ışık saniyede 25 devirle maksimum yoğunluğuna ulaşıyordu. Fizeau bu verilere dayanarak ışığın hızını şu şekilde hesapladı. Işık, çarkın dişler arasındaki bir boşluktan diğerine dönmesi için gereken süre boyunca aynalar ile aynalar arasındaki mesafeyi kat eder; 1/25 için mi? 1/720, yani saniyenin 1/18000'i. Kat edilen mesafe aynalar arasındaki mesafenin iki katına eşittir; 17,32 km. Dolayısıyla ışığın hızı 17,32 · 18.000 veya saniyede yaklaşık 312.000 km'dir.

Foucault'nun gelişimi

Fizeau ölçümünün sonucunu açıkladığında bilim adamları, ışığın Güneş'ten Dünya'ya 8 dakikada ulaştığı ve saniyenin sekizde biri kadar bir sürede Dünya'nın çevresini dolaşabildiğini söyleyen bu devasa rakamın güvenilirliğinden şüphe duyuyorlardı. İnsanın bu kadar büyük bir hızı bu kadar ilkel aletlerle ölçebilmesi inanılmaz görünüyordu. Işık, Fizeau aynaları arasında saniyenin 1/36000'inde sekiz kilometreden fazla yol kat ediyor mu? Birçok kişi imkansız dedi. Ancak Fizeau'nun elde ettiği rakam Roemer'in sonucuna çok yakındı. Bu sadece bir tesadüf olamaz.

On üç yıl sonra, şüpheciler hâlâ şüphe içindeyken ve ironik yorumlarda bulunurken, Parisli bir yayıncının oğlu olan ve bir zamanlar doktor olmaya hazırlanan Jean Bernard Leon Foucault, ışığın hızını biraz farklı bir şekilde belirledi. Birkaç yıl Fizeau ile çalıştı ve deneyimini nasıl geliştirebileceği konusunda çok düşündü. Foucault dişli çark yerine dönen bir ayna kullandı.

Pirinç. 3. Foucault'nun kurulumu.
Bazı iyileştirmelerden sonra Michelson bu cihazı ışığın hızını belirlemek için kullandı. Bu cihazda dişli çarkın (bkz. Şekil 2) yerini dönen bir düz ayna alır C. Eğer ayna C hareketsiz veya çok yavaş dönen ışık yarı saydam bir aynaya yansır B düz çizgiyle gösterilen yönde. Ayna hızla döndüğünde yansıyan ışın noktalı çizgiyle gösterilen konuma hareket eder. Gözlemci mercekten bakarak ışının yer değiştirmesini ölçebilir. Bu ölçüm ona iki kat açı mı verdi? Işık huzmesinin geldiği süre boyunca aynanın dönme açısı C içbükey aynaya A ve geri dön C. Aynanın dönüş hızını bilmek C, mesafe Aönce C ve ayna dönüş açısı C Bu süre zarfında ışığın hızını hesaplamak mümkün oldu.

Foucault yetenekli bir araştırmacı olarak ün kazandı. 1855'te, Dünya'nın kendi ekseni etrafında döndüğüne dair kanıt sağlayan sarkaçla yaptığı deney nedeniyle İngiltere Kraliyet Cemiyeti'nin Copley Madalyası ile ödüllendirildi. Ayrıca pratik kullanıma uygun ilk jiroskopu da yaptı. Fizeau'nun deneyinde dişli çarkı dönen bir aynayla değiştirmek (bu fikir 1842'de Dominico Arago tarafından önerildi, ancak uygulanmadı), bir ışık ışınının kat ettiği yolu 8 kilometreden 20 metreye kısaltmayı mümkün kıldı. ayna (Şekil 3), geri dönüş ışınını hafif bir açıyla saptırdı, bu da ışığın hızını hesaplamak için gerekli ölçümlerin yapılmasını mümkün kıldı. Foucault'nun elde ettiği sonuç 298.000 km/sn idi. Fizeau'nun elde ettiği değerden yaklaşık 17.000 km daha az. (Başka bir deneyde Foucault, ışığın sudaki hızını belirlemek için yansıtıcı ve dönen ayna arasına su dolu bir tüp yerleştirdi. Işığın havadaki hızının daha büyük olduğu ortaya çıktı.)

On yıl sonra, Paris'teki École Polytechnique Supérieure'de deneysel fizik profesörü olan Marie Alfred Cornu, dişli çarka tekrar geri döndü, ancak çarkın zaten 200 dişi vardı. Cornu'nun sonucu bir öncekine yakındı. Saniyede 300.000 km rakamını elde etti. 1872'de Annapolis Deniz Harp Okulu'nun son sınıf öğrencisi olan genç Michelson'dan optik sınavında Foucault'nun ışık hızını ölçen aygıtı hakkında konuşması istendiğinde durum böyleydi. Gelecek nesil öğrencilerin çalışacağı fizik ders kitaplarında Michelson'a Fizeau veya Foucault'dan çok daha fazla yer verileceği o zamanlar kimsenin aklına gelmemişti.

1879 baharında New York Times şunları bildirdi: “Amerika'nın bilimsel ufkunda yeni ve parlak bir yıldız belirdi. Donanma hizmetinde kıdemsiz teğmen, Annapolis Deniz Harp Okulu mezunu ve henüz yirmi yedi yaşında olmayan Albert A. Michelson, optik alanında olağanüstü bir başarı elde etti: ışığın hızını ölçtü.” Daily Tribune, “İnsanlara Bilim” başlıklı başyazısında şunları yazdı: “Uzak Nevada'daki bir maden kasabası olan Virginia City'nin yerel gazetesi gururla şunları bildiriyor: “İkinci Teğmen Albert A. Michelson, Samuel Michelson'un oğlu, manifatura mağazası Şehrimizdeki sahibi, dikkat çekici bir bilimsel başarı ile tüm ülkenin dikkatini çekti: ışığın hızını ölçtü."

Philip Gibbs , 1997

Bir hata bulursanız lütfen metnin bir kısmını vurgulayın ve tıklayın. Ctrl+Enter.

Görüntülemeler: 162

1) Işığın hızı ilk kez 1676 yılında Danimarkalı bilim adamı Roemer tarafından astronomik yöntemle ölçülmüştür. Jüpiter'in uydularının en büyüğü Io'nun bu devasa gezegenin gölgesinde olduğu zamanı ölçtü.

Roemer, gezegenimizin Jüpiter'e en yakın olduğu anda ve astronomik açıdan Jüpiter'den biraz uzak olduğumuz anda ölçümler yaptı. İlk durumda salgınlar arasındaki süre 48 saat 28 dakikaydı. İkinci durumda uydu 22 dakika gecikti. Buradan, ışığın önceki gözlemden mevcut gözleme kadar olan mesafeyi kat etmesi için 22 dakikaya ihtiyaç duyduğu sonucuna varıldı. Böylece ışığın sonlu hızı teorisi kanıtlanmış oldu ve hızı yaklaşık olarak hesaplandı; yaklaşık 299.800 km/s idi.

2) Laboratuvar yöntemi, ışığın hızını kısa mesafede ve büyük bir doğrulukla belirlemenizi sağlar. İlk laboratuvar deneyleri Foucault ve ardından Fizeau tarafından gerçekleştirildi.

Bilim adamları ve deneyleri

Işığın hızı ilk kez 1676'da O. K. Roemer tarafından Jüpiter'in uydularının tutulmaları arasındaki zaman aralıklarındaki değişiklikten belirlendi. 1728 yılında J. Bradley tarafından yıldız ışığının sapmasına ilişkin gözlemlerine dayanarak kurulmuştur. 1849'da A.I.L. Fizeau, ışığın kesin olarak bilinen bir mesafeyi (taban) kat etmesi için geçen süreye göre ışığın hızını ölçen ilk kişi oldu, çünkü havanın kırılma indeksi 1'den çok az farklı olduğundan, yere dayalı ölçümler çok büyük bir değer verir. hıza yakın.

Fizeau'nun deneyimi

Fizeau deneyi, 1851 yılında Louis Fizeau tarafından gerçekleştirilen, hareketli ortamlardaki (cisimler) ışığın hızını belirlemek için yapılan bir deneydir. Deney, hızların göreceli olarak eklenmesinin etkisini göstermektedir. Fizeau adı aynı zamanda ışık hızının laboratuvarda belirlenmesine ilişkin ilk deneyle de ilişkilidir.

Fizeau'nun deneyinde, bir ışık kaynağından (S) gelen ve yarı saydam bir ayna (3) tarafından yansıtılan bir ışık huzmesi, dönen bir dişli disk (2) tarafından periyodik olarak kesintiye uğradı, taban 4-1'den (yaklaşık 8 km) geçti ve aynadan (1) yansıyarak geri döndü. diske. Işık dişe çarptığında gözlemciye ulaşmadı ve dişlerin arasındaki boşluğa düşen ışık 4 numaralı göz merceğinden gözlemlenebildi. Diskin bilinen dönüş hızlarına göre ışığın dişlere ulaşması için geçen süre üssün içinden geçen yolculuk belirlendi. Fizeau c = 313300 km/s değerini elde etti.

Foucault'nun deneyimi

1862'de J. B. L. Foucault, 1838'de D. Argo tarafından ifade edilen fikri, dişli bir disk yerine hızla dönen bir ayna (saniyede 512 devir) kullanarak uyguladı. Aynadan yansıyan bir ışık huzmesi tabana yönlendirildi ve geri döndüğünde belirli bir küçük açıyla dönme zamanı olan aynı aynaya düştü. Foucault, yalnızca 20 m'lik tabanla ışığın hızının 298.000.500 km/s olduğunu buldu. Fizeau ve Foucault yöntemlerinin şemaları ve temel fikirleri, ışık hızının belirlenmesine yönelik sonraki çalışmalarda defalarca kullanıldı.

Dönen ayna yöntemiyle ışık hızının belirlenmesi (Foucault yöntemi): S – ışık kaynağı; R – hızla dönen ayna; C, merkezi R dönme ekseniyle çakışan sabit bir içbükey aynadır (bu nedenle C tarafından yansıtılan ışık her zaman R'ye geri döner); M – yarı saydam ayna; L – mercek; E – göz merceği; RC – doğru olarak ölçülen mesafe (taban). Noktalı çizgi, ışığın RC yolunu kat etmesi ve geri dönmesi sırasında değişen R konumunu ve yansıyan ışını S' noktasında toplayan L merceğinden geçen ışın ışınının ters yolunu gösterir. S noktası, sabit bir R aynasında olduğu gibi. Işık hızı, SS' yer değiştirmesi ölçülerek belirlenir.

A. Michelson'un 1926'da elde ettiği c = 299796 4 km/s değeri o zamanlar en doğru olanıydı ve uluslararası fiziksel büyüklük tablolarına dahil edilmişti. ışık hızlı fiber optik

19. yüzyılda ışık hızının ölçülmesi fizikte önemli bir rol oynadı ve ışığın dalga teorisini daha da doğruladı. Foucault'nun 1850'de aynı frekanstaki ışığın havadaki ve sudaki hızını karşılaştırması, dalga teorisinin öngördüğü gibi sudaki hızın u = c/n(n) olduğunu gösterdi. Optik ile elektromanyetizma teorisi arasında da bir bağlantı kuruldu: Işığın ölçülen hızı, elektromanyetik ve elektrostatik elektrik yükü birimlerinin oranından hesaplanan elektromanyetik dalgaların hızıyla çakıştı.

Işık hızının modern ölçümleri, modernleştirilmiş bir Fizeau yöntemini kullanır; dişli çarkın yerine, ışık ışınını tamamen kesen veya zayıflatan bir girişim veya başka bir ışık modülatörü kullanılır. Radyasyon alıcısı bir fotosel veya fotoelektrik çarpandır. Işık kaynağı olarak bir lazerin, sabit frekanslı bir ultrasonik modülatörün kullanılması ve taban uzunluğunun ölçüm doğruluğunun arttırılması, ölçüm hatalarını azaltacak ve c = 299792,5 · 0,15 km/s değerini elde edecektir. Bilinen bir bazın geçiş süresine dayalı olarak ışık hızının doğrudan ölçülmesine ek olarak, daha fazla doğruluk sağlayan dolaylı yöntemler yaygın olarak kullanılmaktadır.

“C” değerinin en doğru ölçümü, yalnızca genel teorik açıdan ve diğer fiziksel büyüklüklerin değerlerinin belirlenmesi açısından değil, aynı zamanda pratik amaçlar için de son derece önemlidir. Özellikle onlara. Radar, optik menzil, ışık menzili ve benzeri ölçümlerde radyo veya ışık sinyallerinin geçiş süresindeki mesafelerin belirlenmesini ifade eder.

Işık aralığı

Hafif mesafe bulucu, onlarca (bazen yüzlerce) kilometrelik mesafeleri yüksek doğrulukla (birkaç milimetreye kadar) ölçmenizi sağlayan jeodezik bir cihazdır. Örneğin, bir telemetre, Dünya'dan Ay'a olan mesafeyi birkaç santimetrelik bir doğrulukla ölçer.

Lazer telemetre, bir lazer ışını kullanarak mesafeleri ölçmek için kullanılan bir cihazdır.

Işığın boşluktaki hızı “saniyede tam olarak 299.792.458 metredir.” Bugün bu rakamı doğru bir şekilde adlandırabiliriz çünkü ışığın boşluktaki hızı, lazer kullanılarak ölçülen evrensel bir sabittir.

Bu aracı bir deneyde kullanmaya gelince, sonuçlarla tartışmak zordur. Işık hızının neden böyle bir tam sayı ile ölçüldüğüne gelince, bu şaşırtıcı değil: Bir metrenin uzunluğu şu sabit kullanılarak belirlenir: “Işığın boşlukta 1 zaman aralığında kat ettiği yolun uzunluğu /299.792.458 saniye.”

Birkaç yüz yıl önce, ışık hızının sınırının olmadığı, aslında çok yüksek olduğu düşünülüyordu ya da en azından varsayılmıştı. Cevap, Justin Bieber'ın kız arkadaşı olup olmayacağını belirleyecek olsaydı, modern bir genç bu soruyu şu şekilde yanıtlardı: "Işık hızı, evrendeki en hızlı şeyden biraz daha yavaştır."

Işık hızının sonsuzluğu sorusunu ilk ele alan kişi, MÖ 5. yüzyılda filozof Empedokles'ti. Bir yüzyıl sonra Aristoteles, Empedokles'in ifadesine karşı çıkacak ve tartışma 2000 yıldan fazla sürecekti.

Hollandalı bilim adamı Issac Backman, 1629'da ışığın herhangi bir hızı olup olmadığını test etmek için gerçek bir deney yapan bilinen ilk bilim adamıydı. Lazerin icadından çok uzak bir yüzyılda yaşayan Backman, deneyin temelinin herhangi bir kaynaktan patlama olması gerektiğini fark etti ve deneylerinde patlayıcı barut kullandı.

Backman, patlamadan farklı uzaklıklara aynalar yerleştirdi ve daha sonra izleyen insanlara, aynaların her birinde yansıyan ışık parıltısının algılanmasında bir farklılık görüp görmediklerini sordu. Tahmin edebileceğiniz gibi deney "sonuçsuz" kaldı. Benzer, daha ünlü bir deney, ancak patlama kullanılmadan, yalnızca on yıl sonra, 1638'de Galileo Galilei tarafından gerçekleştirilmiş veya en azından icat edilmiş olabilir. Galileo da Backman gibi ışık hızının sonsuz olmadığından şüphelenmiş ve bazı eserlerinde deneyin devamına ancak fenerlerin katılımıyla değinilmiştir. Deneyinde (eğer yaptıysa!) birbirinden bir mil uzakta iki ışık yerleştirdi ve bir gecikme olup olmadığını görmeye çalıştı. Deneyin sonucu da sonuçsuz kaldı. Galileo'nun önerebildiği tek şey, eğer ışık sonsuz değilse çok hızlıydı ve bu kadar küçük ölçekte yapılan deneyler başarısızlığa mahkumdu.

Bu, Danimarkalı gökbilimci Olaf Roemer ışık hızıyla ilgili ciddi deneylere başlayana kadar devam etti. Galileo'nun fener tepesi deneyleri, Roemer'in deneyleriyle karşılaştırıldığında bir lise bilim projesine benziyordu. Deneyin uzayda yapılması gerektiğine karar verdi. Böylece dikkatini gezegenleri gözlemlemeye yoğunlaştırdı ve yenilikçi görüşlerini 22 Ağustos 1676'da sundu.

Özellikle Jüpiter'in uydularından birini incelerken Roemer, tutulmalar arasındaki sürenin yıl boyunca değiştiğini fark etti (Jüpiter'in Dünya'ya doğru mu yoksa Dünya'dan uzağa mı hareket ettiğine bağlı olarak). Bununla ilgilenen Roemer, gözlemlediği ay Io'nun görüş alanına girdiği zamanları dikkatle not etti ve bu zamanları normalde beklendiği zamanlarla karşılaştırdı. Bir süre sonra Roemer, Dünya Güneş'in etrafında dönerken Jüpiter'den uzaklaştıkça, Io'nun görüş alanına girdiği zamanın daha önce kayıtlarda belirtilen zamanın çok daha gerisinde kalacağını fark etti. Roemer (doğru bir şekilde), bunun, mesafe arttıkça ışığın Dünya'dan Jüpiter'e olan mesafeyi kat etmesinin daha uzun sürmesi nedeniyle olduğunu teorileştirdi.

Ne yazık ki hesaplamaları 1728 Kopenhag yangınında kayboldu, ancak onun keşfi hakkında çağdaşlarının hikayelerinden ve Roemer'in hesaplamalarını çalışmalarında kullanan diğer bilim adamlarının raporlarından büyük miktarda bilgiye sahibiz. Bunların özü, Roemer'in, Dünya'nın çapı ve Jüpiter'in yörüngesi ile ilgili birçok hesaplama sonucunda, ışığın, Dünya'nın Güneş etrafındaki yörüngesinin çapına eşit bir mesafeyi kat etmesinin yaklaşık 22 dakika süreceği sonucuna varabilmesidir. Christiaan Huygens daha sonra bu hesaplamaları daha anlaşılır rakamlara dönüştürerek Roemer'in ışığın saniyede yaklaşık 220.000 kilometre yol kat ettiğini tahmin ettiğini gösteriyor. Bu rakam hâlâ modern verilerden çok farklı ama bunlara kısa süre içinde döneceğiz.

Roemer'in üniversitedeki meslektaşları teorisiyle ilgili endişelerini dile getirdiğinde Roemer onlara sakin bir şekilde 9 Kasım 1676'daki tutulmanın 10 dakika sonra gerçekleşeceğini söyledi. Bu olduğunda şüpheciler hayrete düştü çünkü gök cismi onun teorisini doğruladı.

Roemer'in meslektaşları onun hesaplamaları karşısında son derece hayrete düşmüşlerdi; çünkü lazerlerin ve İnternet'in icat edilmesinden 300 yıl önce yapıldığı göz önüne alındığında, ışık hızına ilişkin tahmini bugün bile şaşırtıcı derecede doğru kabul ediliyor. Her ne kadar o zamanki bilim ve teknoloji durumu dikkate alındığında 80.000 kilometre çok yavaş olsa da ortaya çıkan sonuç gerçekten etkileyici. Üstelik Roemer yalnızca kendi tahminlerine güveniyordu.

Daha da şaşırtıcı olanı, hızın çok düşük olmasının nedeni Roemer'in hesaplamalarında değil, hesaplamaları yaptığı sırada Dünya ve Jüpiter'in yörüngeleri hakkında doğru verilerin bulunmamasından kaynaklanıyordu. Bu, bilim adamının yalnızca diğer bilim adamlarının kendisi kadar akıllı olmadığı için hata yaptığı anlamına gelir. Yani mevcut modern verileri onun yaptığı orijinal hesaplamalara koyarsanız ışık hızı hesaplamaları doğrudur.

Hesaplamalar teknik olarak hatalı olmasına ve James Bradley'nin 1729'da ışık hızının daha doğru bir tanımını bulmasına rağmen Roemer, ışık hızının belirlenebileceğini kanıtlayan ilk kişi olarak tarihe geçti. Bunu, Dünya'dan yaklaşık 780 milyon kilometre uzakta bulunan dev bir gaz topunun hareketini gözlemleyerek yaptı.

Işığın boşluktaki hızı- elektromanyetik dalgaların boşlukta yayılma hızının mutlak değeri. Fizikte Latin harfiyle gösterilir C.
Işığın boşluktaki hızı temel bir sabittir. eylemsiz referans çerçevesi seçiminden bağımsız.
Tanım gereği tam olarak 299.792.458 m/s (yaklaşık değeri 300 bin km/s).
Özel görelilik teorisine göre, Enerji ve bilgi ileten herhangi bir fiziksel etkileşimin yayılması için maksimum hız.

Işığın hızı nasıl belirlendi?

İlk kez ışığın hızı belirlendi 1676 Tamam Roemer Jüpiter'in uydularının tutulmaları arasındaki zaman aralıklarındaki değişikliklerle.

1728'de J. Bradley tarafından kuruldu. yıldız ışığı sapmalarına ilişkin gözlemlerine dayanarak.

1849'da A.I.L. Fizeau Işığın kesin olarak bilinen bir mesafeyi (taban) kat etmesi için geçen süreye göre ışığın hızını ölçen ilk kişiydi; Havanın kırılma indisi 1'den çok az farklı olduğundan yerden yapılan ölçümler c'ye çok yakın bir değer verir.
Fizeau'nun deneyinde, bir S kaynağından gelen ve yarı saydam bir N aynası tarafından yansıtılan bir ışık huzmesi, dönen bir dişli disk W tarafından periyodik olarak kesintiye uğradı, MN tabanını geçti (yaklaşık 8 km) ve M aynasından yansıyarak yüzeye geri döndü. disk. Işık dişe çarptığında gözlemciye ulaşmadı ve dişlerin arasındaki boşluğa düşen ışık E göz merceğinden izlenebildi. Diskin bilinen dönüş hızlarına göre ışığın dişlere ulaşması için geçen süre üssün içinden geçen yolculuk belirlendi. Fizeau c = 313300 km/s değerini elde etti.

1862'de J. B. L. Foucault 1838'de D. Arago tarafından ifade edilen fikri, dişli bir disk yerine hızla dönen (512 r/s) bir ayna kullanarak hayata geçirdi. Aynadan yansıyan ışık huzmesi tabana yönlendirildi ve geri döndüğünde belirli bir küçük açıyla dönme zamanı olan aynı aynaya düştü. Foucault yalnızca 20 m'lik bir tabanla hızın ışık 29800080 ± 500 km/s'ye eşittir. Fizeau ve Foucault'nun deneylerinin şemaları ve ana fikirleri, s'nin tanımı üzerine sonraki çalışmalarda defalarca kullanıldı.