Was ist die Lichtgeschwindigkeit? Eine so einfache Frage, die heute im Zeitalter des Internets zu beantworten ist. Haben Sie sich jemals gefragt, wie genau wir unsere aktuelle Schätzung von erreicht haben? 299.792.458 m / s ? Können Sie sich überhaupt vorstellen, wie Sie es messen würden? Viele große Köpfe haben sich seit der Antike mit dieser Frage im Laufe der Geschichte befasst.
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Diese scheinbar einfache Frage wurde seit dem antiken Griechenland behandelt und erst vor relativ kurzer Zeit beantwortet. Während eines Großteils dieser Zeit konnten wir nicht wirklich sicher sein, ob sich das Licht sofort oder sehr schnell ausbreitete. Viele große Köpfe haben versucht, das Rätsel zu lösenBeobachtungs- und indirekte Gedankenexperimente. Frühe Versuche, tatsächliche "physikalische" Messungen durchzuführen, begannen mit Galileo gut. Diese frühen Experimente führten fast immer zu "nicht schlüssigen" Ergebnissen. Bahnbrechende Arbeiten von Romer und Einstein scheinen dies endgültig bestätigt zu habenSpätere Arbeiten waren, wie Sie sehen werden, wirklich inspiriert. Sie waren so genial, dass spätere Verfeinerungen im Vergleich lediglich "die T's kreuzen und die I's punktieren" zu sein scheinen.
Begleiten Sie uns also ohne weiteres auf einer Tour durch Zeit und Raum. Es ist Zeit, die interessante Geschichte der Lichtgeschwindigkeit aufzudecken.
Frühe Ideen
Lange vor Einstein und seinem Relativitätstheorie Diskussionen über Licht und seine Geschwindigkeit waren alles andere als selten. Einige der frühesten Diskussionen scheinen von Aristoteles zu stammen. Er zitiert berühmt Empedokles der vorschlug, dass das Licht der Sonne einige Zeit brauchen würde, um zur Erde zu gelangen. Aristoteles widersprach dieser Annahme. Aristoteles schien darauf hinzudeuten, dass sich das Licht augenblicklich ausbreitete.
"Licht ist auf das Vorhandensein von etwas zurückzuführen, aber es ist keine Bewegung" - Aristoteles
Euklid und Ptolemäus bauten auf Empedokles 'Ideen auf und spekulierten, dass Licht vom Auge ausgestrahlt wurde, das das Sehen ermöglichte. Interessant! Später argumentierte Heron of Alexandria, dass die Lichtgeschwindigkeit wahrscheinlich unendlich ist, da entfernte Objekte, Sterne usw. sofort erscheinen, wenn Sie Ihre öffnenAugen.
Roger Bacon hatte im 13. Jahrhundert einen Riss bei der Frage. Er postulierte, dass die Lichtgeschwindigkeit in der Luft nicht unendlich sei. Er verwendete philosophische Argumente, die durch die Schriften von Alhazen und Aristoteles gestützt wurden. Später in diesem Jahrhundert betrachtete Witelo, dass Licht reistemit unendlicher Geschwindigkeit im Vakuum, aber durch dichtere Medien verlangsamt.
Johannes Kepler sprang ins 17. Jahrhundert und kam zu dem Schluss, dass bei endlicher Lichtgeschwindigkeit Sonne, Erde und Mond während der Mondfinsternisse nicht richtig ausgerichtet sein sollten. Da dies nicht der Fall zu sein schien, erreichte Descartes dieDieselbe Schlussfolgerung wie Aristoteles. Descartes postulierte weiter, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich oder augenblicklich sei und dass sie sogar durch dichtere Medien beschleunigt werde. Pierre de Fermat leitete später Snells Gesetz auf ähnliche Weise wie Descartes ab, kam jedoch zu der entgegengesetzten Schlussfolgerung in Bezug auf Lichtdurch dichte Medien. Er glaubte jedoch, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich war.
So messen Sie das "unendlich" schnell
Einer der ersten ernsthaften Versuche, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, kam vom niederländischen Wissenschaftler Isaac Beeckman. 1629 platzierte er natürlich mit Schießpulver Spiegel in verschiedenen Abständen von den Explosionen. Er fragte die Beobachter, ob sie einen Unterschied in sehen könntenAls der Explosionsblitz von jedem Spiegel mit den Augen reflektiert wurde. Wie Sie sich vorstellen können, waren die Ergebnisse etwas nicht schlüssig. Später, 1638, der große Galileo in seiner Arbeit. Zwei neue Wissenschaften fasst die aristotelische Position ziemlich gut zusammen.
"Die alltägliche Erfahrung zeigt, dass sich das Licht augenblicklich ausbreitet. Wenn wir ein Stück Artillerie sehen, das aus großer Entfernung abgefeuert wird, erreicht der Blitz unsere Augen ohne Zeitablauf. Der Ton erreicht das Ohr jedoch erst nach einer merklichen Pause."
Galileo folgerte weiter, dass nichts über seine Geschwindigkeit tatsächlich durch einfaches Beobachten von Licht gewonnen werden kann. Er merkt jedoch an, dass es schneller als Ton sein muss. Später in dem Stück schlägt Galileo ein potenzielles Mittel vorMessung der Lichtgeschwindigkeit.
Licht-Tachometer von Galileo
Galileos Idee, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, ist überraschend einfach. Er schlägt vor, zwei Personen mit überdachten Laternen in einem bekannten Abstand voneinander zu haben. Der Plan ist einfach, einer der Laternenträger deckt ihre Laterne auf. Der andere beobachtetDas Licht der ersten Laterne deckt sofort ihr eigenes auf. Dieser Vorgang sollte mehrmals wiederholt werden, damit die Teilnehmer gut geübt werden, um die Reaktionszeiten so gering wie möglich zu halten.
Sobald sie sich an den Prozess gewöhnt hatten, sollten sie den Prozess über immer größere Entfernungen wiederholen, bis sie schließlich Teleskope benötigten, um die Laternenlichter des anderen zu sehen. Auf diese Weise konnte das Experiment feststellen, ob tatsächlich ein wahrnehmbares Zeitintervall vorliegtund die Lichtgeschwindigkeit. Galileo behauptet, dieses Experiment durchgeführt zu haben, aber wie Sie sich vorstellen können, ohne Erfolg. Er konnte keine wahrnehmbare Zeitverzögerung feststellen, wie wir es heute bei Lichtgeschwindigkeit erwarten würden. Er schloss dieses Licht "wenn nicht"augenblicklich ist es außerordentlich schnell ". Es wird angenommen, dass er eine Wasseruhr verwendet hat, um die Zeitverzögerung für das Experiment zu messen. Es gelang ihm jedoch zu folgern, dass Licht mindestens zehnmal schneller als Schall wandern muss.
Messen wird ernst
Der dänische Astronom Ole Romer begann etwa 50 Jahre nach Galileo mit den ersten realen Messungen der Lichtgeschwindigkeit. 1676 begann er an seinem Pariser Observatorium eine systematische Untersuchung von I0, einem der Jupitermonde. Dieser Mond istDiese Bewegung ist vorhersehbar und praktisch für diese Art von Experiment. Als er seine Beobachtungen fortsetzte, stellte er fest, dass die Finsternisse über mehrere Monate hinweg immer mehr hinter dem zurückblieben, was sonst zu erwarten wäre.Dann fingen sie wieder an zu heben. Seltsam!
Im September desselben Jahres sagte er richtig voraus, dass die eine Sonnenfinsternis am 9. November etwa zehn Minuten "zu spät" sein sollte. Zu seiner großen Freude, vielleicht Erleichterung, war dies tatsächlich der Fall, der es ihm ermöglichte, sich vor seiner Skepsis zu freuenKollegen am Observatorium. Romer erklärte, dass diese Verzögerung wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass sich die Erde und der Jupiter in unterschiedlichen Umlaufbahnen bewegten und sich dabei der Abstand zwischen ihnen änderte. Das von Io reflektierte Licht muss daher einige Zeit brauchen, um die Erde mit dem zu erreichenDie größte "Verzögerung" trat auf, wenn Erde und Jupiter ihre maximale Trennung erreicht hatten. Die "Verzögerungen" der Sonnenfinsternis waren auch eine Folge dieser unterschiedlichen Entfernung zwischen uns und Io / Jupiter.
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Seine Beobachtungen ermöglichten es Romer zu dem Schluss, dass Licht herumläuft zweiundzwanzig Minuten um die Erde zu erreichen.
Aufbauend auf Romers Arbeit
Romers mutige Schätzung war ein guter Anfang, aber ein bisschen überschätzt. Später würde Sir Isaac Newton schreiben :-
"Denn aus den Phänomenen der Jupitersatelliten, die durch die Beobachtungen verschiedener Astronomen bestätigt wurden, ist nun sicher, dass sich Licht nacheinander ausbreitet Hinweis : Ich denke, das bedeutet mit endlicher Geschwindigkeit und benötigt ungefähr sieben oder acht Minuten, um von der Sonne zur Erde zu gelangen. ”
Newton hat den Abstand zwischen Erde und Sonne angepasst, um zu berechnen, dass er ungefähr dauern würde sieben oder acht Minuten um zwischen ihnen zu reisen. Sowohl nach Romers als auch nach Newtons Schätzungen war die Zahl, die sie ableiteten, so weit entfernt.
Wir wissen jetzt, dass dies eine viel bessere Schätzung ist, aber ein großes Lob an Romer. Um die "Geschwindigkeit" von allem zu messen, müssen Sie den Abstand zwischen zwei Punkten kennen. Nehmen wir den Abstand der Sonne von der Erde.In den 1670er Jahren wurden verschiedene Versuche unternommen, die Parallaxe des Mars zu messen. Die Parallaxe ist ein Maß dafür, wie weit sich der Mars vor dem Hintergrund entfernter Sterne verschoben hat. Dazu müssen gleichzeitig Beobachtungen von verschiedenen Orten auf der Erde aus gemacht werdenDies würde eine sehr subtile Verschiebung zeigen, die zur Messung der Entfernung des Mars von der Erde verwendet werden kann. Mit dieser Messung könnten Astronomen dann die relative Entfernung der Erde von der Sonne abschätzen. Die relativen Entfernungen der Himmelskörper in unserem Sonnensystem hattenwurde zu diesem Zeitpunkt bereits durch Beobachtungen und geometrische Analysen festgestellt.
Experimente werden immer präziser
In Moderne Theorien der Universität e von Michael J.Crowe, diese Beobachtungen kamen zu dem Schluss, dass diese Entfernung ungefähr ist 40 bis 90 Millionen Meilen . Diese Messungen stimmten schließlich mit einem Wert von überein 93 Millionen Meilen 149,6 Millionen Kilometer , was mehr oder weniger richtig ist, wie wir heute wissen.Diese Vereinbarung zwischen Astronomen kam von Romer oder der Verwendung seiner Daten durch Huygens, korrekter Wert für die Entfernung.
Christiaan Huygens verwendete Romers Schätzung und kombinierte sie mit einer Schätzung des Erddurchmessers, um eine neue Lichtgeschwindigkeit abzuleiten. Huygens 'Arbeit führte dazu, dass die Lichtgeschwindigkeit in der Nähe war. 201.168 auf die nächste ganze Zahl Kilometer pro Sekunde . Dies ist ungefähr drei Viertel des realen Wertes von 299.793 auf die nächste ganze Zahl Kilometer pro Sekunde .
Warum der Fehler? Wir können dies erklären, indem wir berücksichtigen, dass die Zeit, die das Licht benötigt, um die Erdumlaufbahn zu durchqueren, etwa zweiundzwanzig Minuten beträgt und nicht den korrekten Wert von sechzehn Minuten.
Weitere Verbesserungen an der Schätzung der Lichtgeschwindigkeit wurden 1728 vom englischen Astronomen James Bradley vorgenommen. Während eines Segeltörns auf der Themse stellte er fest, dass der kleine Wimpel am Schiffsmast jedes Mal die Position wechselte, wenn das Boot "herumfuhr".Er verglich dieses Ereignis mit der Erde im Orbit mit einem Sternenlicht, das dem Wind ähnelt, der mit den Segeln und dem Wimpel des Bootes spielt. Bradley argumentierte weiter, dass der "Wind" des Sternenlichts daran gedacht werden könnte, dass wir entweder hinter oder in das entgegenkommende "Erdboot" blasen.
Es regnet nie, es gießt!
Eine andere Analogie wäre Sternenlicht, das einem Regenschauer an einem windstillen Tag ähnelt. Die Erde ist eine Person, die in einem Kreis in einem Raumtempo durch sie läuft. Die einfallende Regenrichtung wäre nicht vertikal, sondern in einem WinkelAngenommen, der Regen fällt mit ungefähr 10 km / h und Sie laufen mit ungefähr 5 km / h. Der Regen hat eine vertikale und horizontale Geschwindigkeit, die diesen Zahlen entspricht. James Bradley dachte, dass man sich vorstellen könnte, dass wir ähnlich handelnMode.
Er argumentierte, dass angesichts der Geschwindigkeit der Erde von etwa 18 Meilen pro Sekunde er wusste, dass Romers Arbeit das Licht auf ungefähr geschätzt hat 10.000 mal mehr . Daraus überlegte Bradley, dass die Winkeländerung des einfallenden Lichts ungefähr der Größe des kleinen Winkels eines rechtwinkligen Dreiecks entspricht. Das Dreieck wird eine Seite haben, das heißt 10.000 mal länger als der andere und ungefähr zweihundertstel Grad . Das Aufkommen des Teleskops und die Verbesserung der Technik in dieser Zeit ermöglichen es, diesen kleinen Winkel genau zu messen. Aus seinen Gedankenexperimenten und Beobachtungen schloss Bradley, dass die Lichtgeschwindigkeit ungefähr liegt. 297.729 Kilometer pro Sekunde . Dies nur ungefähr 1% von der Marke !! Ziemlich unglaublich.
Was ist mit all den indirekten Messungen?
Ok, also ziehen wir hier eine Bestandsaufnahme. Wir haben uns von den Argumenten, ob das Licht sofort wandert, zu einigen tatsächlichen Zahlen entwickelt. Nicht schlecht. Leider sind die meisten davon keine tatsächlichen direkten Messungen, sondern indirekte Aussagen. Zugegeben mit sehr guter Präzision, aber dortEs fehlt immer noch an "direkter" Beobachtung. Galileos Stechen mit Laternen hätte gut funktioniert, wenn wir eine tatsächlich bekannte Entfernung gehabt hätten, mit der wir arbeiten könnten. Bisher wurde die Geschwindigkeit aus indirekten Abzügen abgeleitet, die auf geringfügigen Positionsänderungen von beruhtenHimmelskörper. Wie wir heute wissen, sind relativ kleine Entfernungen, wie sie von Galileo benötigt werden, viel zu klein, um eine nennenswerte Messung durchzuführen.
Dies wurde teilweise von zwei bitteren französischen Rivalen im Jahr 1850 gelöst. Fizeau und Foucault verwendeten leicht unterschiedliche Techniken, um zu einer ähnlichen Schlussfolgerung zu gelangen. Fizeau verwendete ein Gerät, das einen Lichtstrahl zwischen die Zähne eines schnell rotierenden Zahns strahlteDies bedeutete, dass die Lichtquelle ständig abgedeckt und freigelegt wurde. Er verwendete auch einen Spiegel, um das Licht zurück zu reflektieren, wo es ein zweites Mal durch das Zahnrad ging. Diese Innovation beseitigte eindeutig die Notwendigkeit von zwei Laternen, wie in Galileos Experimentsowie ein vorhersehbareres Muster, anstatt sich auf menschliche Reaktionen zu verlassen.
Die Idee war, dass das reflektierte Licht zu bestimmten Zeiten durch das Zahnrad zurückprallen könnte. Zum Beispiel dasselbe, wenn es "langsam" genug ist, oder ein weiteres Zahnloch, wenn es schnell genug ist oder natürlich durch die "Keile" blockiert wirdDas Schöne am Design war, dass man leicht Räder mit Hunderten von Zähnen herstellen und diese sehr schnell drehen konnte, um Messungen im Bruchteil einer Sekunde zu ermöglichen. Diese Methode funktionierte in der Tat sehr gut.
Foucault schlägt zurück
Sein Rivale, Foucaults Methode, basierte auf einem ähnlichen Prinzip, außer dass er einen rotierenden Spiegel anstelle eines Zahnrads enthielt. An einem Punkt der Rotation fiel der reflektierte Lichtstrahl auf einen anderen entfernten Spiegel, der wieder zum reflektiert wurdeDer rotierende Spiegel hatte sich im Laufe der Zeit, die das Licht benötigt, um wieder zu ihm zurück zu reflektieren, deutlich um eine kleine Strecke gedreht. Diese Methode bot die Möglichkeit, die neue Position des Lichtstrahls zu messen und damit eine Geschwindigkeit bereitzustellenin der Lage herauszufinden, wie weit sich der Spiegel während der Zeit gedreht hatte, in der er das Licht für seine Rundreise benötigt hatte.
Beide genialen Techniken lieferten eine Geschwindigkeit von 298.000 Kilometer pro Sekunde . Das ist nur 0,6% "aus" der modernen Schätzung.
Albert Michelson tritt an den Teller
Herr Michelson wurde in Strzelno, Polen, geboren. Seine Eltern wanderten mit 4 Jahren in die USA aus, um dem eskalierenden Antisemitismus in der Region zu entkommen. Später verbrachte Albert einige Zeit bei der US-Marine, bevor er Ausbilder wurdeim Physik und Chemie 1875.
Seine Zeit auf See und sein Nachdenken über alles in einem geschlossenen Raum, der sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit bewegt, sieht genauso aus wie in Ruhe, was an Galileos frühere Erkenntnisse erinnert.
Als er anfing, Vorlesungen zu halten, beschloss Michelson, Foucaults Methode auszuprobieren. Als er den Apparat aufstellte, stellte er jedoch bald fest, dass er ihn möglicherweise neu gestalten konnte, um eine größere Genauigkeit zu erzielen. Er beschloss, den Einsatz zu erhöhen und den Abstand zwischen den Spiegeln und zu vergrößernLinsen anstelle von Foucaults 18 Meter , er beschloss, die Entfernung zu verlängern 610 Meter . Es gelang ihm auch, Spenden zu sammeln, um die Lichtstrahlen mit sehr hochwertigen Spiegeln zu fokussieren. Seine Ergebnisse waren so gut, dass er die Lichtgeschwindigkeit aufzeichnete als 298.299.96 Kilometer pro Sekunde nur 48,28 Kilometer pro Sekunde vom heutigen Wert.
Die Genauigkeit seines Experiments war so gut, dass es für die nächsten 40 Jahre zum Standard und genauesten Maß wurde!
Das 20. Jahrhundert droht
Es war bekannt, dass Licht und Elektromagnetismus gegen Ende des 19. Jahrhunderts miteinander verwoben waren. Dies würde eine weitere Verfeinerung in den nächsten Jahrzehnten ermöglichen. Die Physiker arbeiteten unermüdlich daran, elektromagnetische und elektrostatische Ladungen zu messen, um einen numerischen Wert zu erhalten, der dem von Fizeau sehr nahe kommt.
Darauf aufbauend schlug der deutsche Physiker Willhelm Eduard Weber vor, dass Licht tatsächlich eine elektromagnetische Welle sei. Betreten Sie die Bühne links, Albert Einstein mit seiner bahnbrechenden Arbeit im Jahr 1905. "Über die Elektrodynamik bewegter Körper" zeigte der Welt, dass dasDie Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist in allen "Trägheits" -Referenzrahmen gleich. Darüber hinaus war sie völlig unabhängig von der Bewegung der Quelle oder des Beobachters.
Einsteins Berechnungen ermöglichten es ihm, seine Theorie der Speziellen Relativitätstheorie weiterzuentwickeln, die der wissenschaftlichen Welt den Wert c verleiht, der heute eine fundamentale Konstante darstellt. Vor Einstein waren die Wissenschaftler tief in ihrer Suche nach etwas verwurzelt, das als "leuchtender Äther" bezeichnet wirdEin scheinbar seltsames Konzept wurde verwendet, um zu beschreiben, wie sich Licht tatsächlich ausbreitete. Früher wurde angenommen, dass der Äther dazu dient, Licht im gesamten Universum zu "bewegen".
Die universelle Geschwindigkeitsbegrenzung
Einsteins Arbeit brachte das Prinzip voran, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist und dass etwas Seltsames auftritt, je näher es der erreichten Geschwindigkeit kommt. Einschließlich Effekte wie Zeitdilatation oder Zeitverlangsamung, je schneller Sie reisen. Die Lichtgeschwindigkeitscheint der schnellste zu sein, den ein Körper mit Masse reisen kann. Vielleicht werden zukünftige Entwicklungen in der Physik diesen Gedanken auch umkippen. Nur die Zeit wird es zeigen.
Der Relativitätstheorie gelang es auch, Maxwells Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Mechanik in Einklang zu bringen. Sie vereinfachten auch mathematische Berechnungen, indem überflüssige Erklärungen überflüssig wurden. Moderne Techniken, einschließlich Interferometer und Hohlraumresonanztechniken, wurden eingesetzt, um unseren modernen Wert zu erhalten.Diese haben unsere Schätzung für das sogenannte Tempolimit des Universums weiter verfeinert. Unser derzeit anerkannter Wert von 299.792.458 m / s wurde 1972 vom US National Bureau of Standards in Boulder, Colorado, abgeleitet.
Das letzte Wort
Nun, das ist eine ziemliche Reise. Wir sind vom großen Aristoteles zu keinem anderen als Albert Einstein gereist. Andere große Köpfe, darunter Isaac Newton, französische und polnische Wissenschaftler, haben alle versucht, diese scheinbar einfache Frage anzugehenEs war wirklich eine Liebesarbeit im Laufe der Zeit und ein universelles "Tag-Team" -Event. Wir sind von reinen Gedanken zu ein paar Kerlen mit Laternen übergegangen, um endlich den neuesten Stand des wissenschaftlichen Experimentierens zu finden, um die Antwort zu geben. Ja, ok, das gab eseinige weitere Verfeinerungen und geniale Methoden dazwischen.
Die ständig nervige Angewohnheit der Menschheit, unangenehme Fragen zu stellen, kann manchmal zu langen Wartezeiten auf scheinbar einfache Fragen führen. Vielleicht ist die Lichtgeschwindigkeit das beste Beispiel dafür. Es ist ein gutes Zeugnis für unsere Vorfahren, dass wir bei unserer Suche nicht aufhören würdenBeantworten Sie diese Frage. Obwohl wir eine aktuelle Schätzung haben, ist es denkbar, dass in den kommenden Jahrhunderten weitere Verbesserungen vorgenommen werden. Was auch immer die Zukunft auf Lager hat, wir hoffen, dass Sie dies von diesem Punkt an nie als selbstverständlich betrachten werden.
Und Sie dachten, es sei eine einfache Frage! Also los geht's. Haben wir irgendwelche Schritte auf der Suche nach der Lichtgeschwindigkeit verpasst? Obwohl hier nicht angesprochen, glauben Sie jemals, dass wir mit Lichtgeschwindigkeit reisen können"Werden wir jemals schneller reisen können? Beginnen wir ein Gespräch.
Quellen : Die Lichtgeschwindigkeit von Michael Fowler / UVa Physics Department , Blitzgerät , UniverseToday
Ausgewählte Bildquelle : TheStarWarsWiki