Tốc độ ánh sáng cũng là một thông số quan trọng của ánh sáng, sự xác định của nó trong lịch sử phát triển của quang học có ý nghĩa rất đặc biệt và quan trọng, không chỉ thúc đẩy sự phát triển sâu sắc của các thí nghiệm quang học mà còn phá vỡ quan niệm truyền thống về tốc độ ánh sáng vô hạn. Trong sự phát triển của nghiên cứu lý thuyết vật lý, việc xác định tốc độ ánh sáng cho lý thuyết hạt và lý thuyết dao động đang tranh luận cung cấp cơ sở cho nhận định, cuối cùng thúc đẩy việc khám phá và phát triển thuyết tương đối của Einstein.
Tốc độ ánh sáng được đo như thế nào
1. Lời mở đầu cho phép đo tốc độ ánh sáng
Có một tranh cãi trong vật lý về tốc độ ánh sáng. Cả Kepler và Descartes đều tin rằng ánh sáng truyền đi không cần thời gian và chỉ trong tích tắc. Galileo tin rằng tốc độ ánh sáng, mặc dù nhanh bất thường, có thể đo được, và vào năm 1607, Galileo đã tiến hành thí nghiệm sớm nhất để đo tốc độ ánh sáng. Phương pháp đo của Galileo là cho hai người đứng cách nhau 1,6093km trên đỉnh hai ngọn núi, mỗi người cầm một ngọn đèn, người thứ nhất giơ đèn lên, khi người thứ hai nhìn thấy đèn của người thứ nhất liền giơ đèn của mình lên, từ Người thứ nhất giơ đèn lên nhìn đèn của người thứ hai là khoảng thời gian truyền ánh sáng, sau đó căn cứ vào khoảng cách giữa hai nơi sẽ có được tốc độ truyền ánh sáng. Tuy nhiên, do tốc độ truyền ánh sáng quá nhanh, cộng với người quan sát cũng phải có thời gian phản ứng nhất định nên nỗ lực của Galileo đã không thành công, nhưng thí nghiệm của Galileo chính là mở đầu cho lịch sử loài người về tốc độ truyền ánh sáng để đo lường tốc độ truyền ánh sáng. mở đầu cho việc học.
2. Đo lường thiên văn
Năm 1676, nhà thiên văn học người Đan Mạch Rømer lần đầu tiên đề xuất một phương pháp đo tốc độ ánh sáng hiệu quả hơn. Bất kỳ quá trình tuần hoàn nào cũng có thể được sử dụng làm "đồng hồ", và ông đã thành công trong việc tìm ra đồng hồ của Sao Mộc, ở rất xa Trái đất: một vệ tinh bị Sao Mộc che khuất trong mỗi khoảng thời gian nhất định. Ông quan sát thấy thời gian giữa hai lần nhật thực liên tiếp của vệ tinh, khi Trái đất chuyển động lùi lại từ Sao Mộc, hơn là thời gian Trái đất chuyển động về phía Sao Mộc dài hơn chênh lệch thời gian khoảng 15 s. Romer qua quan sát nhật thực vệ tinh của Sao Mộc và đường kính quỹ đạo Trái Đất với tốc độ ánh sáng: 214300km/giây. Giá trị này từ tốc độ ánh sáng của độ chính xác của giá trị chênh lệch là rất lớn, nhưng đây không phải là phương pháp đo không đúng, điều chính là khi đó Biết bán kính quỹ đạo Trái đất chỉ là gần đúng, trong khi việc đo chu kỳ che khuất của vệ tinh chưa đủ chính xác. Sau này, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp chụp ảnh để đo thời gian nhật thực của vệ tinh Sao Mộc và độ chính xác của phép đo bán kính quỹ đạo Trái Đất được cải thiện, sử dụng phương pháp Romer để tìm ra tốc độ truyền ánh sáng là 299840 mỗi giây 60km, rất gần với tốc độ truyền ánh sáng là 299840 mỗi giây. giá trị chính xác của các phép đo trong phòng thí nghiệm hiện đại.
Năm 1728, nhà thiên văn học người Anh Bradley đã đo tốc độ ánh sáng bằng phương pháp truyền ánh sáng chênh lệch của các ngôi sao. Trong khi quan sát các ngôi sao trên Trái đất, Bradley nhận thấy rằng vị trí biểu kiến của các ngôi sao liên tục thay đổi và trong vòng một năm, tất cả các ngôi sao dường như quay quanh một hình elip với các trục có độ dài bằng nửa chiều dài quanh thiên đỉnh trong một tuần. Ông cho rằng hiện tượng này là do phải mất một thời gian để ánh sáng từ các ngôi sao truyền xuống mặt đất và trong thời gian này trái đất đã thay đổi vị trí theo chuyển động quay, từ đó ông đo được tốc độ ánh sáng là 299.930 km/giờ. thứ hai.
3. Đo bánh răng
Năm 1849, nhà khoa học người Pháp Fissot lần đầu tiên sử dụng một thiết bị thí nghiệm được thiết kế để xác định tốc độ truyền ánh sáng và nguyên lý đo của ông tương tự như nguyên lý đo của Galileo. Người ta đặt một nguồn sáng điểm tại tiêu điểm của thấu kính, giữa thấu kính và nguồn sáng để đặt một bánh răng, trong thấu kính ở phía đối diện của thấu kính kia và một gương phẳng đặt lần lượt, Gương phẳng đặt tại tiêu điểm của thấu kính thứ hai. Nguồn sáng điểm do ánh sáng phát ra qua các bánh răng và thấu kính thành ánh sáng song song, ánh sáng song song qua thấu kính thứ hai rồi trong gương phẳng tập trung lại một điểm, trong gương phẳng sau khi phản xạ theo đường ban đầu trở lại. Vì bánh răng có khe hở và răng nên khi ánh sáng đi qua khe hở khi người quan sát có thể nhìn thấy ánh sáng phản chiếu, khi ánh sáng tình cờ gặp các răng sẽ bị che khuất. Thời gian từ khi bắt đầu cho đến khi ánh sáng quay trở lại lần đầu tiên biến mất là thời gian ánh sáng cần để thực hiện một vòng, và căn cứ vào tốc độ của các bánh răng thì thời gian này không khó để tìm ra. Bằng cách này, Fischer đo được tốc độ ánh sáng là 315,000 km/giây, và vì các bánh răng có chiều rộng nhất định nên rất khó đo chính xác tốc độ truyền ánh sáng bằng phương pháp này.
Năm 1850, nhà vật lý người Pháp Foucault đã cải tiến phương pháp Fisso bằng cách chỉ sử dụng một thấu kính, một gương phẳng quay và một gương lõm. Ánh sáng song song hội tụ tại tâm gương lõm thông qua gương phẳng quay, và tốc độ quay tương tự của gương phẳng có thể được sử dụng để tìm thời gian đi một vòng của chùm sáng và tốc độ ánh sáng đo được theo cách này là 298 ,000km/giây.
4. Phương pháp đo vi sóng
Sóng ánh sáng là một phần nhỏ của phổ điện từ, các nhà khoa học về phổ điện từ của từng loại thông số sóng điện từ được tiến hành đo đạc chính xác. Năm 1950, Eisen đề xuất phương pháp cộng hưởng khoang để đo tốc độ ánh sáng. Nguyên lý đo là: Vi sóng đi qua khoang, khi tần số của nó đạt một giá trị nhất định sẽ cộng hưởng, bước sóng cộng hưởng λ và khoang cộng hưởng của chu vi chu vi của mối liên hệ giữa R là:
R=2.404825λ
Và rồi theo tích của bước sóng và tần số sẽ có được tốc độ ánh sáng. Bằng cách đo chính xác đường kính của khoang cộng hưởng có thể xác định bước sóng cộng hưởng chính xác, trong khi đường kính của khoang có thể được đo chính xác bằng phương pháp giao thoa kế, tần số điện từ có thể được xác định chính xác bằng phương pháp tần số vi sai từng bước. Eisen với phương pháp do ông đề xuất để đạt được tốc độ ánh sáng là 299792,5 s 1km/giây, độ chính xác của phép đo là 10-7.
5. Đo laze
Năm 1972, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở Boulder, Colorado, Hoa Kỳ, đã sử dụng phép đo giao thoa laser để xác định tốc độ ánh sáng, mang lại hiệu suất c=299792456.2±1.1m/s và thu được độ chính xác của phép đo lên đến 10-9, chính xác hơn 100 lần so với phép đo trước đó. Vì các thí nghiệm tương tự mang lại những giá trị tương tự cho tốc độ ánh sáng, nên Hội nghị Quốc tế về Trọng lượng và Đo lường lần thứ 17 năm 1983 đã khuyến nghị 299792458m/s là giá trị cho tốc độ ánh sáng.
Niên đại hình ảnh của các phép đo tốc độ ánh sáng
Tốc độ ánh sáng đã trải qua hành trình hơn 300 năm đo lường và cuối cùng đã được hoàn thiện. Trong quá trình tìm hiểu, các nhà khoa học đã kết hợp hoàn hảo giữa lý thuyết và thực hành, tính toán và đo lường, cuối cùng thu được giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng.
Việc xác định tốc độ ánh sáng không chỉ ảnh hưởng đến định nghĩa của đơn vị “mét” mà còn giúp ích cho nghiên cứu sâu hơn. Những đơn vị tiêu chuẩn như tốc độ ánh sáng và “mét” tưởng chừng như tầm thường nhưng chúng đã chứng kiến sự tiến bộ của nền văn minh nhân loại. Khoa học không có giới hạn, và hành trình khám phá thế giới của nhân loại vừa mới bắt đầu.
