Met welke snelheid plant licht zich voort in een vacuüm

De snelheid van het licht in vacuüm is een index die in de natuurkunde veel wordt gebruikt en ooit een aantal ontdekkingen mogelijk heeft gemaakt en de aard van vele verschijnselen heeft verklaard. Er zijn enkele belangrijke punten te leren om het onderwerp te begrijpen en om te begrijpen hoe en onder welke omstandigheden het werd ontdekt.

Wat is de snelheid van het licht

De lichtsnelheid in vacuüm wordt beschouwd als een absolute grootheid die de snelheid van de voortplanting van elektromagnetische straling weergeeft. Het wordt veel gebruikt in de natuurkunde en wordt aangeduid met een kleine Latijnse letter "c" (uitgesproken als "Ce").

In een vacuüm wordt de lichtsnelheid gebruikt om de snelheid van verschillende deeltjes te bepalen.

Volgens de meeste onderzoekers en wetenschappers is de lichtsnelheid in een vacuüm de maximaal mogelijke snelheid waarmee deeltjes en verschillende soorten straling zich voortplanten.

Wat de voorbeelden van verschijnselen betreft, gaat het om de volgende:

1. Zichtbaar licht afkomstig van een bron.
2. Alle soorten elektromagnetische straling (b.v. röntgenstralen en radiogolven).
3. Gravitatiegolven (hier zijn sommige deskundigen het niet mee eens).

Veel soorten deeltjes kunnen met bijna-lichtsnelheid reizen, maar bereiken die snelheid niet.

De exacte waarde van de lichtsnelheid

Wetenschappers proberen al vele jaren te bepalen wat de snelheid van het licht is, maar exacte metingen zijn pas in de jaren zeventig verricht. Op het einde het cijfer was 299.792.458 meter per seconde met een maximale afwijking van +/-1,2 meter. Vandaag is het een onveranderlijke fysieke eenheidAangezien een afstand van een meter 1/299 792 458 seconden is, is dit hoe lang het licht er in vacuüm over doet om 100 cm af te leggen.

De wetenschappelijke formule om de snelheid van het licht te bepalen.

Om de berekening te vereenvoudigen, wordt het cijfer vereenvoudigd tot 300.000.000 m/s (3×108 m/s). Iedereen kent het van de natuurkunde op school, waar snelheid in deze vorm wordt gemeten.

De fundamentele rol van de lichtsnelheid in de natuurkunde

Dit is een van de belangrijkste indicatoren, ongeacht het referentiekader dat in de studie wordt gebruikt. Het is onafhankelijk van de beweging van de golfbron, wat ook belangrijk is.

Invariantie werd als postulaat aangenomen door Albert Einstein in 1905. Dit was nadat een andere wetenschapper, Maxwell, de theorie van het elektromagnetisme naar voren had gebracht nadat hij geen bewijs had gevonden voor het bestaan van licht-dragende ether.

De bewering dat causale effecten niet kunnen worden getransporteerd met snelheden groter dan de lichtsnelheid wordt thans als gegrond beschouwd.

Tussen haakjes! Natuurkundigen ontkennen niet dat sommige deeltjes zich kunnen verplaatsen met een snelheid die groter is dan het cijfer in kwestie. Maar ze kunnen niet worden gebruikt om informatie over te brengen.

Historische verwijzingen

Om de eigenaardigheden van het onderwerp te begrijpen en te weten te komen hoe bepaalde verschijnselen werden ontdekt, moet men de experimenten van enkele wetenschappers bestuderen. In de 19e eeuw werden vele ontdekkingen gedaan die wetenschappers later van pas kwamen, vooral op het gebied van elektrische stroom en de verschijnselen van magnetische en elektromagnetische inductie.

James Maxwell's experimenten

Het onderzoek van de fysicus bevestigde de interactie van deeltjes op afstand. Dit stelde Wilhelm Weber vervolgens in staat een nieuwe theorie van het elektromagnetisme te ontwikkelen. Maxwell stelde ook duidelijk het verschijnsel van magnetische en elektrische velden vast en bepaalde dat deze elkaar konden voortbrengen om elektromagnetische golven te vormen. Het was deze wetenschapper die de weg bereidde voor het gebruik van de aanduiding "c", die vandaag de dag nog steeds door natuurkundigen over de hele wereld wordt gebruikt.

Daarom spraken de meeste onderzoekers al over de elektromagnetische aard van licht. Maxwell, die de voortplantingssnelheid van elektromagnetische excitaties onderzocht, concludeerde dat deze gelijk was aan de lichtsnelheid, een feit dat hem indertijd verbaasde.

Het onderzoek van Maxwell maakte duidelijk dat licht, magnetisme en elektriciteit geen gescheiden begrippen zijn. Samen bepalen deze factoren de aard van het licht, omdat het een combinatie is van een magnetisch en elektrisch veld dat zich door de ruimte voortplant.

Het voortplantingspatroon van een elektromagnetische golf.

Michelson en zijn experiment om de absoluutheid van de lichtsnelheid te bewijzen

Aan het begin van de vorige eeuw hanteerden de meeste wetenschappers het relativiteitsprincipe van Galileo, dat stelde dat de wetten van de mechanica dezelfde waren, ongeacht het referentiekader dat werd gebruikt. Maar volgens de theorie moet de voortplantingssnelheid van elektromagnetische golven veranderen als de bron beweegt. Dit druiste in tegen zowel Galileo's postulaten als Maxwell's theorie, hetgeen de reden was voor het onderzoek.

In die tijd neigden de meeste wetenschappers naar de "aether-theorie", waarin de indicatoren niet afhankelijk waren van de snelheid van de bron, maar de eigenschappen van het medium als de belangrijkste bepalende factor werden beschouwd.

Michelson ontdekte dat de snelheid van het licht onafhankelijk was van de richting van de meting.

Aangezien de aarde in een bepaalde richting door de ruimte beweegt, zal de snelheid van het licht, volgens de wet van de optelling van snelheden, verschillen wanneer deze in verschillende richtingen wordt gemeten. Maar Michelson vond geen verschil in de voortplanting van elektromagnetische golven, in welke richting de metingen ook werden verricht.

De theorie van de ether kon het bestaan van de absolute grootheid niet verklaren, hetgeen de denkfout ervan nog beter aantoonde.

Albert Einstein's speciale relativiteitstheorie

De toen nog jonge wetenschapper presenteerde een theorie die inging tegen de overtuigingen van de meeste onderzoekers. Volgens deze methode hebben tijd en ruimte kenmerken die ervoor zorgen dat de snelheid van het licht in een vacuüm constant blijft, ongeacht het gekozen referentiekader. Dit verklaarde de mislukte experimenten van Michelson, aangezien de voortplantingssnelheid van licht niet afhangt van de beweging van de bron.

[tds_council]Een indirecte bevestiging van de juistheid van Einsteins theorie was de "relativiteit van de gelijktijdigheid", waarvan de essentie in de figuur is weergegeven.[/tds_council]

Een voorbeeld van hoe iemands locatie van invloed is op zijn perceptie van de voortplanting van licht.

Hoe de snelheid van het licht vroeger gemeten werd

Er zijn vele pogingen gedaan om deze indicator vast te stellen, maar door het lage ontwikkelingsniveau van de wetenschap was het vroeger moeilijk om dit te doen. Zo geloofden wetenschappers in de oudheid dat de snelheid van het licht oneindig was, maar later trokken vele onderzoekers dit in twijfel, hetgeen leidde tot een reeks pogingen om deze snelheid te bepalen:

1. Galileo gebruikte fakkels. Om de snelheid te berekenen waarmee de lichtgolven zich voortplantten, bevonden hij en zijn assistent zich op heuvels, waarbij de afstand tussen hen nauwkeurig werd bepaald. Dan opende een van de deelnemers de lantaarn, de ander deed hetzelfde zodra hij het licht zag. Maar deze methode was niet succesvol vanwege de hoge snelheid van de golfvoortplanting en de onmogelijkheid om het exacte tijdsinterval te bepalen.
2. Olaf Remer, een astronoom uit Denemarken, merkte een eigenaardigheid op toen hij Jupiter observeerde. Toen de Aarde en Jupiter zich op tegenovergestelde punten in hun banen bevonden, liep de verduistering van Io (Jupiters satelliet) 22 minuten achter op die van de planeet zelf. Op grond hiervan concludeerde hij dat de voortplantingssnelheid van lichtgolven niet oneindig is en een limiet heeft. Volgens zijn berekeningen was de index ongeveer 220.000 km per seconde.
   Het bepalen van de lichtsnelheid volgens Rehmer.
3. Rond dezelfde periode ontdekte de Engelse astronoom James Bradley het verschijnsel van de lichtaberratie, waarbij de positie van sterren aan de hemel en de afstand tot hen voortdurend veranderen als gevolg van de beweging van de aarde rond de zon en ook als gevolg van haar rotatie om haar as. Door deze kenmerken beschrijven de sterren gedurende elk jaar een ellips. Aan de hand van berekeningen en waarnemingen berekende de astronoom de snelheid, die 308 000 km per seconde bedroeg.
   De aberratie van licht
4. Louis Fizeau was de eerste die de exacte index vaststelde door middel van een laboratoriumexperiment. Hij stelde een glas op met een spiegelend oppervlak op een afstand van 8633 m van de bron, maar omdat de afstand kort is, was het onmogelijk nauwkeurige tijdberekeningen te maken. De wetenschapper stelde vervolgens een tandwiel op, dat met zijn radertjes het licht periodiek afdekte. Door de snelheid van het wiel te variëren, bepaalde Fizeau bij welke snelheid het licht geen tijd had om tussen de radertjes door te gaan en weer terug te keren. Hij berekende een snelheid van 315.000 kilometer per seconde.
   Louis Fizeau's experiment.

Het meten van de lichtsnelheid

Dit kan op verschillende manieren gebeuren. Het is niet nodig ze in detail uit te splitsen, voor elk zou een afzonderlijk overzicht nodig zijn. Daarom is het het gemakkelijkst om de variëteiten te sorteren:

1. Astronomische metingen. Hier worden de Remer- en Bradley-methoden het meest gebruikt, omdat zij bewezen doeltreffend zijn en niet worden beïnvloed door lucht, water of andere omgevingsfactoren. In een kosmisch vacuüm neemt de nauwkeurigheid van de metingen toe.
2. Holte-resonantie of holte-effect - is de naam die wordt gegeven aan het verschijnsel van laagfrequente staande magnetische golven tussen het planeetoppervlak en de ionosfeer. Met behulp van speciale formules en meetapparatuur kan de snelheid van de deeltjes in de lucht gemakkelijk worden berekend.
3. Interferometrie - Een geheel van onderzoeksmethoden waarbij verschillende soorten golven worden samengevoegd. Dit geeft het effect van interferentie, waardoor talrijke metingen van zowel elektromagnetische als akoestische trillingen kunnen worden verricht.

Met speciale apparatuur kunnen metingen worden verricht zonder dat daarvoor speciale technieken nodig zijn.

Is FTL mogelijk...

Volgens de relativiteitstheorie is het overschrijden van de snelheid van een fysisch deeltje in strijd met het causaliteitsbeginsel. Hierdoor is de overdracht van signalen van de toekomst naar het verleden en vice versa mogelijk. Maar tegelijkertijd ontkent de theorie niet dat er deeltjes kunnen zijn, die sneller bewegen, terwijl ze in wisselwerking staan met gewone stoffen.

Dit type deeltje wordt een tachyon genoemd. Hoe sneller ze bewegen, hoe minder energie ze dragen.

Video les: Fizeau experiment. Het meten van de lichtsnelheid. Natuurkunde 11e graad.

De lichtsnelheid in een vacuüm is een constante en veel natuurkundige verschijnselen zijn erop gebaseerd. De definitie ervan was een nieuwe mijlpaal in de ontwikkeling van de wetenschap, omdat zij veel processen verklaarde en een aantal berekeningen vereenvoudigde.