ความเร็วของแสงคืออะไรและพวกเขาค้นพบได้อย่างไร?

ความเร็วของแสงเป็นค่าคงที่พื้นฐานของจักรวาล ซึ่งหมายความว่าไม่ว่าผู้สังเกตการณ์จะอยู่ที่ใดหรือเดินทางด้วยความเร็วเท่าใด ความเร็วของแสงจะยังคงเท่าเดิม แม้ว่าจะเรียกว่าความเร็วแสง แต่การวัดจริง ๆ แล้วเป็นความเร็วของอนุภาคใดๆ ที่ไม่มีมวลเมื่อเดินทางผ่านสุญญากาศ ความเร็วแสงเป็นส่วนสำคัญของงานทางวิทยาศาสตร์จำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับนักฟิสิกส์ ไม่น่าแปลกใจเลยที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เวลาหลายศตวรรษในการคำนวณว่าแสงเดินทางเร็วแค่ไหน

เด็กผู้ชายที่เรียกว่าคริสต์มาส

ความเร็วของแสงคืออะไร?

ง่ายที่สุด ความเร็วของแสงคือความเร็วที่แสงเดินทางผ่านอวกาศ ความเร็วแสงที่แน่นอนคือ 299,792.458 กิโลเมตรต่อวินาที (kps) หรือ 186282.397 ไมล์ต่อวินาที (mps) ซึ่งมักจะถูกปัดเศษขึ้นเป็น 300,000 kps หรือ 186,000 ไมล์ต่อวินาที ความเร็วของแสงมักใช้แทนด้วย a ค ในสมการ

ความเร็วแสงในสมัยโบราณ

เนื่องจากความเร็วของแสงมักปรากฏขึ้นเมื่อพูดถึงการเดินทางในอวกาศ จึงอาจดูเหมือนเป็นคำถามสมัยใหม่ แต่นักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาได้ไตร่ตรองประเด็นนี้มาตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ Empedocles เชื่อว่าต้องใช้เวลาพอสมควรกว่าแสงจะเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลก แต่อริสโตเติลไม่เห็นด้วย โดยเชื่อว่าแสงเดินทางในทันที นักคิดในยุคแรกๆ ในหัวข้อนี้รวมถึง Euclid, Ptolemy และ Heron of Alexandria ที่โต้แย้งว่าความเร็วของแสงไม่มีที่สิ้นสุด เมื่อวัตถุปรากฏขึ้นทันทีเมื่อลืมตา

ผลงานของกาลิเลโอ

ขั้นตอนต่อไปในความรู้ทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความเร็วแสงเกิดขึ้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์พยายามทำการวัด ในปี ค.ศ. 1629 ไอแซค บีคมันน์ใช้ดินปืนและกระจกเพื่อพยายามหาคำตอบ โดยถามผู้สังเกตการณ์เกี่ยวกับความล่าช้าระหว่างการเห็นแสงแฟลชกับการได้ยินเสียงปัง

การทดลองของกาลิเลโอเกี่ยวข้องกับผู้คนที่มีโคมไฟคลุมซึ่งยืนอยู่ในระยะห่างที่ทราบกันดีว่าจะเปิดโคมไฟของพวกเขา เขาไม่สามารถวัดการหน่วงเวลาใดๆ ได้ แต่สรุปได้ว่าแสงนั้นเร็วกว่าเสียงอย่างน้อยสิบเท่า

ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี

การทดลองครั้งต่อไปเกิดขึ้นในปี 1676 และวัดแสงที่มาจากอวกาศมากกว่าบนโลก นักดาราศาสตร์ Ole Romer กำลังศึกษาดวงจันทร์ Io ซึ่งดาวพฤหัสบดีบดบังเป็นประจำ โรเมอร์พบว่าสุริยุปราคามักจะมาช้ากว่าที่คาดไว้ ในที่สุดก็ทำนายได้อย่างถูกต้องว่าสุริยุปราคาจะเกิดช้ากว่ากำหนด 10 นาที สุริยุปราคาล่าช้าที่สุดเมื่อวงโคจรของดาวเคราะห์อยู่ห่างจากกันและกันมากที่สุด เนื่องจากแสงต้องเดินทางต่อไปอีก

การวัดความเร็วแสงในช่วงต้น

การวัดความเร็วของสิ่งใดขึ้นอยู่กับการรู้ระยะห่างระหว่างจุดสองจุดกับนักวิทยาศาสตร์ในสมัยของโรเมอร์ ยังคงหาระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ สิ่งนี้นำไปสู่การประมาณเวลาที่แสงเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลกตั้งแต่ 7 ถึง 22 นาที

ในที่สุด Romer ก็ทำได้ 125,000 ไมล์ต่อวินาที นักฟิสิกส์ เจมส์ แบรดลีย์ ใช้การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของดวงดาวในการคำนวณของเขา และได้ตัวเลข 185,000 ไมล์ต่อวินาที ซึ่งลดลงเพียง 1 เปอร์เซ็นต์จากตัวเลขที่ถูกต้อง

ฉลามมีหัวใจไหม

ฟิโซและฟูโกต์

จนถึงกลางปี ​​ค.ศ. 1800 มีพื้นฐานมาจากการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของดาวเคราะห์ คู่แข่งชาวฝรั่งเศส Fizeau และ Foucault ได้ทำการทดลองที่คล้ายคลึงกันเพื่อวัดความเร็วแสงโดยตรง เครื่องจักรที่พวกเขาสร้างขึ้นนั้นใช้กระจกสะท้อนแสงไปยังอุปกรณ์ที่หมุนได้ และนักวิทยาศาสตร์ได้วัดปริมาณการหมุนที่เกิดขึ้นก่อนที่แสงจะสะท้อนกลับมาเพื่อกำหนดความเร็วของแสง สิ่งนี้ทำให้พวกเขาได้ตัวเลขที่ใกล้เคียงกับการประมาณการสมัยใหม่มาก

Michelson และ Luminiferous Aether

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสื่อที่เรียกว่า luminiferous aether เคลื่อนที่แสงไปทั่วทั้งจักรวาล จนถึงช่วงทศวรรษ 1870 ในความพยายามที่จะตรวจจับอีเธอร์ที่เรืองแสงได้ อัลเบิร์ต มิเชลสัน อาจารย์ฟิสิกส์ได้สร้างการทดลองของฟูโกต์ขึ้นใหม่ แต่ด้วยระยะทาง 610 เมตร แทนที่จะเป็น 18 เมตร สิ่งนี้เพิ่มความแม่นยำของการทดลองและตัวเลขของ Michelson เป็นมาตรฐานเป็นเวลา 40 ปี อย่างไรก็ตาม ยังพิสูจน์ด้วยว่าอีเธอร์ไม่มีอยู่จริง และมิเชลสันกลายเป็นบุคคลเดียวที่ได้รับรางวัลโนเบลจากการไม่ค้นพบที่แม่นยำมาก

ผลงานของไอน์สไตน์

Albert Einstein ทำงานที่สำคัญที่สุดบางอย่างเกี่ยวกับความเร็วของแสง จากคำแนะนำที่ว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า Einstein ได้แสดงให้เห็นว่าความเร็วของแสงเป็นค่าคงที่ โดยเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันไม่ว่าผู้สังเกตจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหนก็ตาม นี่เรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์ให้คุณค่าแก่โลกวิทยาศาสตร์ ค ซึ่งปัจจุบันเป็นค่าคงที่พื้นฐาน

วิธีฉลองวันเกิดครบรอบ 30 ปีของคุณ

ทำไมความเร็วของแสงจึงสำคัญ?

การรู้การวัดความเร็วแสงทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณและพัฒนาทฤษฎีเกี่ยวกับจักรวาลได้ ซึ่งช่วยให้วิทยาศาสตร์ก้าวหน้าไปอีกขั้น และให้แนวคิดและเทคโนโลยีใหม่ๆ แก่โลก ตัวเลขนี้เป็นพื้นฐานในการศึกษาฟิสิกส์ และยังใช้ในด้านอื่นๆ เช่น ดาราศาสตร์ เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ และเทคโนโลยีใยแก้วนำแสง

คำถามสำหรับอนาคต

ความเร็วของแสงเป็นขีดจำกัดความเร็วของจักรวาล ทฤษฎีของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าวัตถุใดๆ ก็ตามที่มีมวลไม่สามารถเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วแสง เพราะการทำเช่นนั้นจะต้องใช้พลังงานจำนวนมหาศาล อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะพิชิตพรมแดนใหม่ ๆ อยู่เสมอ แม้ว่าจะหมายถึงการฝ่าฝืนกฎแห่งฟิสิกส์ก็ตาม การเดินทางเร็วกว่าความเร็วแสงทำให้นึกถึงการเดินทางข้ามเวลาและการเดินทางในอวกาศ แม้ว่าสิ่งเหล่านี้จะยังอยู่ในขอบเขตของนิยายวิทยาศาสตร์ แต่วิทยาศาสตร์ก็มีความเป็นไปได้ที่ไม่สิ้นสุด