Bagaimana Kelajuan Cahaya diukur terlebih dahulu

2024 Pengarang: Sherilyn Boyd | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 09:39

Kelajuan cahaya dalam vakum berdiri di "betul-betul 299,792,458 meter sesaat". Alasannya hari ini kita boleh meletakkan angka tepat di atasnya adalah kerana kelajuan cahaya dalam vakum adalah pemalar sejagat yang telah diukur dengan laser; dan apabila eksperimen melibatkan laser, sukar untuk berhujah dengan hasilnya. Mengenai mengapa ia kelihatan agak jelas sebagai nombor keseluruhan, ini bukan kebetulan - panjang meter ditakrifkan menggunakan pemalar ini: "panjang jalan yang dilalui oleh cahaya dalam vakum semasa selang masa 1 / 299,792,458 satu saat."

Sebelum beberapa ratus tahun yang lalu, ia secara umumnya dipersetujui atau sekurang-kurangnya mengandaikan bahawa kelajuan cahaya tidak terhingga, apabila sebenarnya ia benar-benar, benar-benar pantas - untuk rujukan, kelajuan cahaya hanya sedikit lebih perlahan daripada yang paling laju perkara di universiti yang diketahui - masa tindak balas gadis remaja jika Justin Bieber berkata di Twitter, "Yang pertama membalas jawapan ini akan menjadi teman wanita baru saya."

Orang yang pertama dikenali untuk mempersoalkan "kelajuan cahaya adalah tak terhingga" adalah ahli falsafah BC abad ke-5 Empedocles. Kurang dari satu abad kemudian, Aristotle tidak akan bersetuju dengan Empedocles dan hujahnya berterusan selama lebih dari 2,000 tahun selepas itu.

Salah seorang individu yang pertama yang menonjol sebenarnya akan menghasilkan percubaan yang ketara untuk menguji sama ada cahaya berkelajuan adalah Saintis Belanda, Isaac Beeckman pada tahun 1629. Walaupun tinggal di masa sebelum laser - yang memberi saya keseronokan hanya berfikir tentang- Beeckman memahami bahawa, kekurangan laser, asas mana-mana eksperimen saintifik yang baik harus selalu melibatkan letupan semacam; oleh itu, eksperimennya melibatkan peledakan serbuk mesiu.

Beeckman meletakkan cermin pada pelbagai jarak dari letupan dan bertanya kepada pemerhati sama ada mereka dapat melihat apa-apa perbezaan ketika lampu kilat yang dipantulkan dari setiap cermin mencapai mata mereka. Seperti yang anda boleh meneka, percubaan itu "Tidak dapat disangkal".

Eksperimen serupa yang lebih terkenal yang tidak melibatkan letupan mungkin dilakukan atau paling kurang yang dicadangkan oleh Galileo Galilei hanya di bawah satu dekade kemudian pada tahun 1638. Galileo, seperti Beeckman juga menduga bahawa kecepatan cahaya tidak terbatas dan membuat rujukan lulus untuk percubaan yang melibatkan tanglung dalam beberapa karyanya. Percubaannya (sekiranya dia pernah mengendalikannya), melibatkan dua lampu tanglung yang terpisah dan cuba melihat sama ada terdapat ketinggian yang ketara di antara keduanya; keputusannya tidak dapat disimpulkan. Satu-satunya perkara yang Galileo boleh menduga adalah bahawa jika cahaya tidak terbatas, ia adalah pantas dan percubaan pada skala kecil itu ditakdirkan untuk gagal.

Ia tidak sampai kepada Astronom Denmark, Ole Römer memasuki pengukuran bahawa pengukuran kelajuan cahaya menjadi serius. Dalam satu percubaan yang membuat Galileo menyala lampu di sebuah bukit kelihatan seperti projek sains sains sekolah rendah, Römer menentukan bahawa, kekurangan laser dan letupan, eksperimen harus selalu melibatkan angkasa lepas. Oleh itu, beliau berdasarkan pemerhatiannya terhadap pergerakan planet itu sendiri, mengumumkan keputusannya pada 22 Ogos 1676.

Khususnya, semasa mengkaji salah satu bulan Musytari, Römer menyedari bahawa masa antara gerhana akan berbeza-beza sepanjang tahun (berdasarkan sama ada Bumi bergerak ke arah Musytari atau jauh dari itu). Ingin tahu tentang ini, Römer mula mengambil nota berhati-hati tentang masa I0 (bulan yang dia sedang memerhati) akan melihat dan bagaimana ia berkaitan dengan masa yang biasanya dijangka. Selepas beberapa ketika, Römer menyedari bahawa sebagai Bumi mengorbit matahari dan seterusnya jauh dari Jupiter, masa Io akan melihat akan ketinggalan masa yang dijangkakan dalam catatannya. Römer (betul) menilai bahawa ini adalah kerana cahaya yang digambarkan dari Io tidak bergerak dengan serta-merta.

Malangnya, pengiraan yang tepat yang digunakannya telah hilang dalam Kebakaran Copenhagen pada tahun 1728, tetapi kami mempunyai cerita yang cukup bagus dari cerita berita yang meliputi penemuannya dan dari saintis lain sekitar masa itu yang menggunakan nombor Römer dalam kerja mereka sendiri. Inti itu adalah menggunakan sekumpulan pengiraan pintar yang melibatkan diameter orbit Bumi dan Musytari, Römer dapat menyimpulkan bahawa mengambil masa kira-kira 22 minit untuk menyeberang cahaya diameter bumi sekitar Matahari. Christiaan Huygens kemudian menukarkannya kepada nombor yang lebih biasa, menunjukkan bahawa oleh anggaran Römer, cahaya mengembara kira-kira 220,000 kilometer sesaat. Angka ini agak kurang (kira-kira 27%) daripada angka yang dinyatakan dalam perenggan pertama, tetapi kami akan sampai pada sekejap itu.

Apabila rakan-rakan Römer hampir merenung secara universal dalam teorinya tentang Io, Römer bertindak dengan tenang memberitahu mereka bahawa gerhana Io 9 November pada tahun 1676 akan menjadi 10 minit lewat. Ketika tiba waktunya, orang ragu-ragu itu berdiri tegak sebagai pergerakan seluruh benda angkasa yang meminjamkan kepercayaan kepada kesimpulannya.

Rakan-rakan Römer berhak untuk terkejut dengan anggarannya, kerana pada hari ini, perkiraannya tentang kelajuan cahaya dianggap luar biasa tepat, memandangkan ia dibuat 300 tahun sebelum kewujudan kedua-dua laser, internet, dan Conan O'Brien rambut.Baiklah, ia adalah 80,000 kilometer sesaat terlalu perlahan, tetapi diberi keadaan sains dan teknologi pada masa itu, itu amat mengagumkan, terutamanya kerana dia mula-mula hanya mengusahakan firasat untuk bermula.

Apa yang lebih mengagumkan adalah sebab mengapa anggaran Römer agak terlalu perlahan difikirkan tidak mempunyai kaitan dengan apa-apa kesilapan di pihaknya dan lebih banyak kaitan dengan fakta bahawa diameter orbit Bumi dan Musytari biasa yang diterima umum Römer melakukan pengiraannya. Maksudnya ya, Römer hanya salah kerana lain orang tidak begitu mengagumkan di sains seperti dia. Sebenarnya, jika anda memetik nombor orbit yang betul ke dalam apa yang dianggap sebagai pengiraan asalnya dari laporan sebelum kertasnya dimusnahkan dalam api tersebut, perkiraannya hampir tepat.

Jadi walaupun dia secara teknikal salah dan walaupun James Bradley muncul dengan nombor yang lebih tepat pada tahun 1729, Römer akan turun dalam sejarah sebagai orang yang mula-mula membuktikan bahawa kelajuan cahaya tidak terbatas dan menghasilkan angka ballpark yang agak tepat pada kelajuan yang tepat adalah dengan memerhatikan pergerakan sejenak yang mengelilingi bola gergasi gas yang diposisikan sekitar 780 juta kilometer jauhnya. Itu betul-betul wanita dan lelaki adalah bagaimana badass, kurang laser, tidak sains.

Fakta Bonus:

• Tenaga yang diperlukan untuk menghentikan bumi mengorbit matahari adalah kira-kira 2.6478 × 10 ^ 33 joules atau 7.3551 × 10 ^ 29 watt jam atau 6.3285 * 10 ^ 17 megatons TNT. Sebagai rujukan, letupan nuklear terbesar yang pernah diletupkan (Tsar Bomba oleh Kesatuan Soviet) "hanya" menghasilkan 50 megatons bernilai tenaga TNT. Oleh itu, ia memerlukan kira-kira 12,657,000,000,000,000 daripada bom nuklear yang diletupkan di lokasi yang betul untuk menghalang Bumi dari mengorbit matahari.
• Selain daripada perdebatan mengenai sama ada kelajuan cahaya tidak terbatas atau tidak, perdebatan sampingan umum sepanjang sejarah adalah sama ada cahaya berasal dari mata itu sendiri atau dari sesuatu yang lain. Antara saintis yang terkenal untuk mempercayai teori "cahaya yang dipancarkan dari mata" ialah Ptolemy dan Euclid. Kebanyakan yang menganggap teori ini betul juga berfikir bahawa kelajuan cahaya mesti tidak terhingga, kerana dengan segera kita membuka mata kita, kita dapat melihat sejumlah besar bintang di langit malam dan jumlah itu tidak meningkat lebih lama kita melihat, kecuali tentu saja kami sebelum ini melihat cahaya terang dan mata kami menyesuaikan diri dengan kegelapan.