Lysets hastighed - før og nu. Knud Erik Sørensen, HAF,

Transkript

1 Lysets hastighed - før og nu

2 År Hvem Land Metode Overblik oldtid c/ 10^8 m/s Usikkerhed Fejl Uendelig 1600 Galileo Italien Lanterne Hurtig? 1676 Roemer Frankrig IO/Jupiter 2,14? -28,62% 1729 Bradley England Lysets aberration 3,08? 2,74% 1849 Fizeau Frankrig Tandhjul 3,14? 4,74% 1879 Michelson USA Roterende spejl 2, ,0 0,04% Michelson USA Roterende spejl 2, ,0 0, % 1950 Essen England Microbølger 2, ,0 0, % 1958 Froome England Interferometer 2, ,0 0, % 1972 Evenson et al. USA Laser 2, ,1-0, % 1974 Blaney et. al England Laser 2, ,6 0, % 1976 Woods et al. England Laser 2, ,2 0, % 1983 Definition International 2, ,0

3 Før Galilei Empedokles ( f.kr.) - Jord, luft, ild og vand: Når lys bevæger sig, må det forbruge tid Aristoteles (384 f.kr. 322 f.kr.) Lysets hastighed er uendelig Man tror på Aristoteles indtil Galileis tid

4 Galilei Simplicio i Afhandlinger og beviser vedrørende to nye videnskaber: "Alle erfaringer viser, at udbredelsen af lys er øjeblikkelig; for når vi ser et stykke artilleri fyret på stor afstand, når lysglimtet vores øjne uden forsinkelse; medens lyden kommer lidt forsinket frem" Galilei og assistent: eksperiment med to lygter på hver sin bjergtop Lygterne kan afdækkes. Brugte vandur Problem: Menneskets reaktionstid = 0,2 s Galileis Resultat: c > 10 vlyd 4

5 Ole Rømer When the Earth moved away from Jupiter, the moon appeared to stay behind the planet 22 minutes longer than when the Earth was moving towards Jupiter. Fejlbehæftet - nedskrevet af sekretær

6 Ole Rømer Pariser-Observatoriet grundlagt Første direktør: Cassini Rømer til Pariser-Observatoriet som 28-årig i skulle forske i Jupiters måner. Specielt Io Dengang: Længdebestemmelse via tidsmåling: 15 = 1 h sand soltid Problem på skibe: Man havde solur + London-ur, men London-uret gik ikke præcist nok Galileis idé Opdagede Jupiters måner i 1609 Så at Io blev formørket med 42,5 timers mellemrum. Globalt ur! Kan erstatte London-ur og dermed bruges til længdebestemmelse Rømer og Picard 1671: Picard til København og Ven Skulle bestemme længdeforskel mellem Paris og Ven for at bruge Tychos målinger Picard bad Rømer tage med til Paris Kontrol: aftalte Io-formørkelser. Fejl 4 bueminutter, svarende til 1 km

7 Cassini Cassini før Rømer: Periodisk uregelmæssighed i Ios formørkelser. Periode = 1 år 1 -> 2: Formørkelserne lidt for hurtigt efter hinanden 3 -> 4: Formørkelserne lidt forsinkede Cassini skrev i 1675:...denne uregelmæssighed synes at skyldes, at det tager lyset nogen tid at nå os fra Io; lyset synes at tage omkring minutter om at tilbagelægge en jordbaneradius." Men Cassini opgav alligevel tanken om, at lysets hastighed ikke var uendelig og troede ved sin død ikke på Rømers lysets tøven 7

8 Ole Rømer I de 2 timer og 20 minutter, hvor Io er i Jordens skygge, når hverken Jorden eller Jupiter at flytte sig mærkbart i deres baner. Tiden måles med Huygens pendulur Tiden mellem 2 immersioner voksede, når Jorden var på vej væk fra Jupiter, og aftog, når Jorden var på vej hen mod Jupiter Brev til Huygens: Tiden mellem et bestemt antal emersioner er altid større end tiden mellem samme antal immersioner Forsinkelserne akkumulerede til 16 minutter på ½ år. Altså bruger lyset 16 minutter om at gennemløbe jordbanens diameter Ole Rømers resultat: c = km/s 8

9 James Bradley Brugte aberrationen til at finde lyshastigheden Bradleys resultat: c = km/s

10 Armand Hyppolyte Fizeau Fizeaus resultat: c = km/s 10

11 Fizeaus vandeksperiment Lys gennem rindende vand i modsatte retninger Lysets hastighed bestemmes ud fra interferensmønsteret Hastigheden er den samme, uanset om lyset bevæger sig med eller mod vandets strømningsretning Vigtigt resultat i relativitetsteorien cmateriale = c/n, hvor n = brydningsindex nvand = 1,33, dvs. cvand = 2, m/s nglads = 1,51, dvs. cglas = 1, m/s Fizeaus resultat: c er invariant

12 Maxwell Maxwells 4 ligninger for elektromagnetiske felter Ektromagnetiske bølger udbreder sig med lysets hastighed Lyshastigheden kan bestemmes ud fra vakuumpermittiviteten og vakuumpermeabiliteten permeabilitet,egenskab egenskabved vedet etdielektrisk permittivitet, magnetisk som materiale, sommaterialets udtrykker evne materiale, udtrykker materialets evne en til at frembringe en til at frembringe elektrisk fluxtæthed D, magnetisk fluxtæthed B, elektrisk når det påvirkes når det påvirkes med en feltstyrke med en magnetisk feltstyrke H E

13 Albert Michelson Forsøg udført af Foucault i 1850 med roterende planspejl Michelson brugte roterende spejle af høj kvalitet 20 gange så præcist som Foucault Næste forbedring skete 40 år senere Michelsons resultat: c = km/s

14 Michelson - interferometer Monochromatisk lys Hvis lyset den ene vej bevæger sig et helt antal bølgelængder længere end den anden vej, kommer der konstruktiv interferens - ellers destruktiv Michelsons resultat: c = km/s

15 Mange andre metoder 1891: Blondlot: Stående EM-bølger på parallelle tråde 1950: Essen: Hulrumsresonator med mikrobølger 1958: Froome: Firehorns radiointerferometer 1973: Evanson m. fl.: Laserimpulser

16 Definition af 1 meter 1 meter = den strækning, som lyset i vakuum bevæger sig i tidsintervallet sekund.