Kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah "tepatnya 299.792.458 meter per detik". Kita dapat secara akurat menamai angka ini hari ini karena kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah konstanta universal yang telah diukur dengan laser.
Ketika datang untuk menggunakan alat ini dalam percobaan, sulit untuk berdebat dengan hasilnya. Adapun mengapa kecepatan cahaya diukur dalam bilangan bulat seperti itu, kita dapat mengatakan bahwa ini tidak mengherankan: panjang satu meter ditentukan menggunakan konstanta berikut: "Panjang jalur yang ditempuh cahaya dalam ruang hampa dalam waktu interval 1/299.792.458 detik."
Beberapa ratus tahun yang lalu, diputuskan, atau setidaknya diasumsikan, bahwa kecepatan cahaya tidak memiliki batas, padahal sebenarnya sangat cepat. Jika jawabannya tergantung pada apakah dia menjadi pacar Justin Bieber, seorang gadis remaja modern akan menjawab pertanyaan ini seperti ini: "Kecepatan cahaya sedikit lebih lambat daripada hal tercepat di alam semesta."
Orang pertama yang menjawab pertanyaan tentang kecepatan cahaya yang tak terhingga adalah filsuf Empedocles pada abad kelima SM. Satu abad kemudian, Aristoteles tidak setuju dengan pernyataan Empedocles, dan perselisihan itu akan berlanjut selama lebih dari 2.000 tahun.
Ilmuwan Belanda Issac Backman adalah orang pertama yang diketahui melakukan eksperimen nyata pada tahun 1629 untuk menguji apakah cahaya memiliki kecepatan. Hidup di abad yang jauh dari penemuan laser, Backman menyadari bahwa dasar eksperimen harus berasal dari ledakan apa pun, jadi dalam eksperimennya ia menggunakan bubuk mesiu yang meledak.
Backman menempatkan cermin pada jarak yang berbeda dari lokasi ledakan dan kemudian bertanya kepada pengamat apakah mereka melihat perbedaan persepsi kilatan cahaya yang dipantulkan di masing-masing cermin. Seperti yang Anda duga, eksperimen itu "tidak meyakinkan". Eksperimen serupa yang lebih terkenal, tetapi tanpa menggunakan ledakan, mungkin telah dilakukan atau setidaknya ditemukan oleh Galileo Galilei hanya satu dekade kemudian, pada tahun 1638. Galileo, seperti Backman, menduga bahwa kecepatan cahaya tidak terbatas, dan dalam beberapa karyanya ia merujuk pada kelanjutan eksperimen, tetapi dengan partisipasi lentera. Dalam eksperimennya (jika dia pernah melakukannya!) dia menempatkan dua lentera terpisah satu mil dan mencoba melihat apakah ada penundaan. Hasil percobaan juga tidak meyakinkan. Satu-satunya hal yang dapat dikemukakan Galileo adalah bahwa jika cahaya tidak terbatas, maka itu terlalu cepat, dan eksperimen yang dilakukan dalam skala kecil seperti itu pasti akan gagal.
Ini berlanjut sampai astronom Denmark Olaf Roemer memulai eksperimen serius dengan kecepatan cahaya. Eksperimen lentera Galileo di atas bukit tampak seperti proyek sains anak sekolah dibandingkan dengan eksperimen Roemer. Dia menetapkan bahwa percobaan harus dilakukan di luar angkasa. Karena itu, ia memusatkan perhatiannya pada pengamatan planet-planet dan mempresentasikan pandangan inovatifnya pada 22 Agustus 1676.
Secara khusus, saat mempelajari salah satu bulan Jupiter, Roemer memperhatikan bahwa waktu antara gerhana bervariasi sepanjang tahun (tergantung pada apakah Jupiter bergerak menuju atau menjauh dari Bumi). Penasaran dengan hal ini, Roemer membuat catatan yang cermat tentang waktu ketika satelit Io, yang dia amati, muncul di bidang pandang, dan membandingkan bagaimana waktu ini sesuai dengan saat yang biasanya dia harapkan. Setelah beberapa waktu, Roemer memperhatikan bahwa ketika Bumi, yang berputar mengelilingi Matahari, semakin jauh dari Jupiter, waktu ketika Io terlihat akan lebih ketinggalan dari waktu yang dicatat sebelumnya dalam catatan. Roemer (dengan benar) menyarankan bahwa ini karena cahaya membutuhkan waktu lebih lama untuk melakukan perjalanan dari Bumi ke Jupiter jika jaraknya sendiri meningkat.
Sayangnya, perhitungannya hilang dalam kebakaran selama kebakaran di Kopenhagen pada tahun 1728, tetapi kami memiliki banyak informasi tentang penemuannya dari sejarah orang-orang sezamannya, serta dari laporan ilmuwan lain yang menggunakan perhitungan Roemer dalam pekerjaan mereka. . Intinya adalah bahwa dengan bantuan banyak perhitungan yang berkaitan dengan diameter Bumi dan orbit Jupiter, Roemer dapat menyimpulkan bahwa cahaya membutuhkan waktu sekitar 22 menit untuk menempuh jarak yang sama dengan diameter orbit Bumi. di sekitar Matahari. Christian Huygens kemudian mengubah perhitungan ini menjadi angka yang lebih mudah dipahami, menunjukkan bahwa Roemer memperkirakan bahwa cahaya bergerak dengan kecepatan sekitar 220.000 kilometer per detik. Angka ini masih jauh berbeda dari data modern, tetapi kami akan segera kembali ke sana.
Ketika rekan-rekan universitas Roemer mengemukakan kekhawatiran tentang teorinya, dia dengan tenang memberi tahu mereka bahwa gerhana tanggal 9 November 1676 akan terlambat 10 menit. Ketika ini terjadi, orang-orang yang ragu-ragu tercengang, karena benda langit membenarkan teorinya.
Rekan-rekan Roemer tercengang dengan perhitungannya, karena bahkan hari ini perkiraannya tentang kecepatan cahaya dianggap sangat akurat, mengingat hal itu dibuat 300 tahun sebelum laser dan Internet ditemukan. Dan meskipun 80.000 kilometer terlalu lambat, tetapi dengan mempertimbangkan keadaan ilmu pengetahuan dan teknologi saat itu, hasilnya sangat mengesankan. Selain itu, Roemer hanya mengandalkan tebakannya sendiri.
Yang lebih mengejutkan lagi, alasan kecepatan yang terlalu rendah bukanlah dalam perhitungan Roemer, tetapi pada kenyataan bahwa tidak ada data akurat tentang orbit Bumi dan Yupiter pada saat dia membuat perhitungannya. Artinya ilmuwan itu salah hanya karena ilmuwan lain tidak secerdas dia. Jadi jika Anda memasukkan data modern yang ada ke dalam perhitungan asli yang dia lakukan, perhitungan untuk kecepatan cahaya akan benar.
Dan meskipun perhitungannya secara teknis salah, dan James Bradley menemukan definisi yang lebih akurat tentang kecepatan cahaya pada tahun 1729, Roemer tercatat dalam sejarah sebagai orang yang pertama kali membuktikan bahwa kecepatan cahaya dapat ditentukan. Dia melakukan ini dengan mengamati pergerakan bola gas raksasa yang terletak pada jarak sekitar 780 juta kilometer dari Bumi.
Kecepatan cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya per satuan waktu. Nilai ini tergantung pada media di mana cahaya merambat.
Dalam ruang hampa, kecepatan cahaya adalah 299.792.458 m/s. Ini adalah kecepatan tertinggi yang bisa dicapai. Saat memecahkan masalah yang tidak memerlukan akurasi khusus, nilai ini diambil sama dengan 300.000.000 m/s. Diasumsikan bahwa semua jenis radiasi elektromagnetik merambat dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa: gelombang radio, radiasi inframerah, cahaya tampak, radiasi ultraviolet, sinar-x, radiasi gamma. Tandai dengan huruf dengan .
Bagaimana kecepatan cahaya ditentukan?
Pada zaman kuno, para ilmuwan percaya bahwa kecepatan cahaya tidak terbatas. Kemudian, diskusi tentang masalah ini dimulai di komunitas ilmiah. Kepler, Descartes dan Fermat setuju dengan pendapat para ilmuwan kuno. Dan Galileo dan Hooke percaya bahwa, meskipun kecepatan cahaya sangat tinggi, ia masih memiliki nilai yang terbatas.
Galileo Galilei
Salah satu yang pertama mengukur kecepatan cahaya adalah ilmuwan Italia Galileo Galilei. Selama percobaan, dia dan asistennya berada di bukit yang berbeda. Galileo membuka peredam di lenteranya. Pada saat itu, ketika asisten melihat cahaya ini, dia harus melakukan hal yang sama dengan lenteranya. Waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melakukan perjalanan dari Galileo ke asisten dan kembali ternyata sangat singkat sehingga Galileo menyadari bahwa kecepatan cahaya sangat tinggi, dan tidak mungkin untuk mengukurnya pada jarak yang begitu pendek, karena cahaya merambat hampir segera. Dan waktu yang direkamnya hanya menunjukkan kecepatan reaksi seseorang.
Kecepatan cahaya pertama kali ditentukan pada tahun 1676 oleh astronom Denmark Olaf Römer menggunakan jarak astronomis. Mengamati dengan teleskop gerhana bulan Jupiter Io, ia menemukan bahwa ketika Bumi bergerak menjauh dari Jupiter, setiap gerhana berikutnya datang lebih lambat dari yang dihitung. Penundaan maksimum, ketika Bumi melewati sisi lain Matahari dan menjauh dari Yupiter pada jarak yang sama dengan diameter orbit Bumi, adalah 22 jam. Meskipun pada saat itu diameter pasti Bumi tidak diketahui, ilmuwan membagi nilai perkiraannya dengan 22 jam dan menghasilkan nilai sekitar 220.000 km / s.
Olaf Römer
Hasil yang diperoleh Römer menyebabkan ketidakpercayaan di antara para ilmuwan. Namun pada tahun 1849 fisikawan Prancis Armand Hippolyte Louis Fizeau mengukur kecepatan cahaya menggunakan metode rana berputar. Dalam eksperimennya, cahaya dari suatu sumber dilewatkan di antara gigi-gigi roda yang berputar dan diarahkan ke cermin. Tercermin dari dia, dia kembali. Kecepatan roda meningkat. Ketika mencapai nilai tertentu, sinar yang dipantulkan dari cermin ditunda oleh gigi yang dipindahkan, dan pengamat pada saat itu tidak melihat apa-apa.
Pengalaman Fizeau
Fizeau menghitung kecepatan cahaya sebagai berikut. Cahaya pergi jalan L dari roda ke cermin dalam waktu yang sama dengan t1 = 2L/dtk . Waktu yang diperlukan roda untuk melakukan putaran slot adalah t 2 \u003d T / 2N , di mana T - periode putaran roda, N - jumlah gigi. Frekuensi rotasi v = 1/T . Saat ketika pengamat tidak melihat cahaya datang pada t1 = t2 . Dari sini kita mendapatkan rumus untuk menentukan kecepatan cahaya:
c = 4LNv
Setelah menghitung rumus ini, Fizeau menentukan bahwa dengan = 313.000.000 m/s. Hasil ini jauh lebih akurat.
Armand Hippolyte Louis Fizeau
Pada tahun 1838, fisikawan dan astronom Prancis Dominique François Jean Arago mengusulkan penggunaan metode memutar cermin untuk menghitung kecepatan cahaya. Gagasan ini dipraktikkan oleh fisikawan, mekanik, dan astronom Prancis Jean Bernard Léon Foucault, yang pada tahun 1862 memperoleh nilai kecepatan cahaya (298.000.000 ± 500.000) m/s.
Dominique Franois Jean Arago
Pada tahun 1891, hasil astronom Amerika Simon Newcomb ternyata urutan besarnya lebih akurat daripada hasil Foucault. Sebagai hasil dari perhitungannya dengan = (99 810 000±50 000) m/s.
Studi fisikawan Amerika Albert Abraham Michelson, yang menggunakan instalasi dengan cermin oktahedral yang berputar, memungkinkan untuk menentukan kecepatan cahaya dengan lebih akurat. Pada tahun 1926, ilmuwan mengukur waktu di mana cahaya menempuh jarak antara puncak dua gunung, sama dengan 35,4 km, dan menerima dengan = (299 796 000±4 000) m/s.
Pengukuran paling akurat dilakukan pada tahun 1975. Pada tahun yang sama, General Conference on Weights and Measures merekomendasikan bahwa kecepatan cahaya dianggap sama dengan 299.792.458 ± 1,2 m/s.
Apa yang menentukan kecepatan cahaya
Kecepatan cahaya dalam ruang hampa tidak bergantung pada kerangka acuan atau pada posisi pengamat. Itu tetap konstan, sama dengan 299.792.458 ± 1,2 m/s. Namun di berbagai media transparan kecepatan ini akan lebih rendah dari kecepatannya di ruang hampa. Setiap media transparan memiliki kerapatan optik. Dan semakin tinggi, semakin lambat cahaya merambat di dalamnya. Jadi, misalnya, kecepatan cahaya di udara lebih tinggi daripada kecepatannya di air, dan di kaca optik murni lebih kecil daripada di air.
Jika cahaya merambat dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat, kecepatannya berkurang. Dan jika transisi terjadi dari media yang lebih padat ke yang kurang padat, maka kecepatannya, sebaliknya, meningkat. Ini menjelaskan mengapa berkas cahaya dibelokkan pada batas transisi dua media.
Pengukuran kecepatan cahaya Roemer - ditemukan pada 7 Desember 1676, bukti keterbatasan kecepatan cahaya, yaitu bahwa cahaya tidak bergerak dengan kecepatan tak terbatas, seperti yang diperkirakan sebelumnya. Mari kita lihat bagaimana mereka mencoba mengukur kecepatan cahaya sebelum dan sesudah Olaf Römer.
kecepatan cahaya (c) tidak diukur dalam ruang hampa. Ini memiliki nilai tetap yang tepat dalam satuan standar. Menurut kesepakatan internasional tahun 1983, meter didefinisikan sebagai panjang lintasan yang ditempuh cahaya dalam ruang hampa dalam waktu 1/299792458 sekon. Kecepatan cahaya tepat 299792458 m/s. Satu inci didefinisikan sebagai 2,54 sentimeter. Oleh karena itu, dalam satuan non-metrik, kecepatan cahaya juga memiliki nilai eksak. Definisi seperti itu masuk akal hanya karena kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah konstan, dan fakta ini harus dikonfirmasi secara eksperimental. Secara eksperimental juga diperlukan untuk menentukan kecepatan cahaya dalam media seperti air dan udara.
Sampai abad ketujuh belas, diyakini bahwa cahaya bergerak secara instan. Ini dikonfirmasi oleh pengamatan gerhana bulan. Pada kecepatan cahaya yang terbatas, seharusnya ada penundaan antara posisi Bumi relatif terhadap Bulan dan posisi bayangan Bumi di permukaan Bulan, tetapi penundaan tersebut tidak ditemukan. Kita sekarang tahu bahwa kecepatan cahaya terlalu cepat untuk menyadari penundaan.
Kecepatan cahaya telah dibahas dan diperdebatkan sejak zaman kuno, tetapi hanya tiga ilmuwan (semuanya orang Prancis) yang berhasil mengukurnya menggunakan cara duniawi. Ini adalah masalah yang sangat lama dan sangat sulit.
Namun, selama berabad-abad sebelumnya, para filsuf dan ilmuwan telah mengumpulkan simpanan informasi yang cukup luas tentang sifat-sifat cahaya. 300 tahun sebelum zaman kita, pada hari-hari ketika Euclid menciptakan geometrinya, matematikawan Yunani sudah tahu banyak tentang cahaya. Diketahui bahwa cahaya merambat dalam garis lurus dan ketika dipantulkan dari cermin datar, sudut datang berkas sama dengan sudut pantul. Ilmuwan kuno sangat menyadari fenomena pembiasan cahaya. Ini terdiri dari fakta bahwa cahaya, melewati satu medium, seperti udara, ke medium dengan kepadatan yang berbeda, seperti air, dibiaskan.
Claudius Ptolemy, astronom dan matematikawan dari Alexandria, menyusun tabel pengukuran sudut datang dan bias, tetapi hukum pembiasan cahaya tidak ditemukan sampai tahun 1621 oleh Willebrord Snellius, matematikawan Belanda dari Leiden, yang menemukan bahwa rasio sinus dari sudut datang dan sudut bias adalah konstan untuk dua media yang berbeda kepadatan.
Banyak filsuf kuno, termasuk Aristoteles yang hebat dan negarawan Romawi Lucius Seneca, memikirkan tentang penyebab pelangi. Aristoteles percaya bahwa skema warna muncul sebagai hasil refleksi cahaya oleh tetesan air; Seneca memiliki pendapat yang sama, percaya bahwa awan, yang terdiri dari partikel uap air, adalah sejenis cermin. Dengan satu atau lain cara, manusia sepanjang sejarahnya telah menunjukkan minat pada sifat cahaya, sebagaimana dibuktikan oleh mitos, legenda, perselisihan filosofis, dan pengamatan ilmiah yang sampai kepada kita.
Seperti kebanyakan ilmuwan kuno (dengan pengecualian Empedocles), Aristoteles percaya bahwa kecepatan cahaya tidak terbatas. Akan mengejutkan jika dia berpikir sebaliknya. Lagi pula, kecepatan sebesar itu tidak dapat diukur dengan metode atau instrumen mana pun yang ada saat itu. Tetapi bahkan di kemudian hari, para ilmuwan terus berpikir dan berdebat tentang hal ini. Sekitar 900 tahun yang lalu, ilmuwan Arab Avicenna menyarankan bahwa, meskipun kecepatan cahaya sangat tinggi, itu pasti nilai yang terbatas. Ini juga pendapat salah satu orang sezamannya, fisikawan Arab Alhazen, yang pertama kali menjelaskan hakikat senja. Tak satu pun atau yang lain, tentu saja, memiliki kesempatan untuk mengkonfirmasi pendapat mereka secara eksperimental.
Pengalaman Galileo
Perselisihan semacam itu bisa berlangsung tanpa batas. Untuk mengatasi masalah ini, diperlukan pengalaman yang jelas dan tak terbantahkan. Yang pertama memulai jalan ini adalah Galileo Galilei Italia, yang mencolok dalam keserbagunaan kejeniusannya. Dia menyarankan agar dua orang, berdiri di puncak bukit pada jarak beberapa kilometer dari satu sama lain, memberikan sinyal menggunakan lentera yang dilengkapi dengan daun jendela. Ide ini, yang kemudian dilakukan oleh para ilmuwan dari Akademi Florentine, ia ungkapkan dalam karyanya "Percakapan dan pembuktian matematika mengenai dua cabang ilmu baru yang berkaitan dengan mekanika dan gerakan lokal" (diterbitkan di Leiden pada tahun 1638).
Galileo memiliki tiga lawan bicara yang berbicara. Yang pertama, Sagredo, bertanya: “Tapi seperti apa dan tingkat kecepatan apa yang harus dilakukan gerakan ini? Haruskah kita menganggapnya sebagai instan, atau terjadi dalam waktu, seperti semua gerakan lainnya? Simplicio, sang retrograde, segera menjawab: "Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa cahaya dari nyala tembakan tanpa kehilangan waktu tercetak di mata kita, berbeda dengan suara, yang mencapai telinga setelah jangka waktu yang cukup lama." Sagredo keberatan dengan ini dengan alasan yang bagus: "Dari pengalaman yang terkenal ini, saya tidak dapat menarik kesimpulan lain selain bahwa suara mencapai telinga kita pada interval yang lebih lama daripada cahaya."
Di sini Salviati campur tangan (mengungkapkan pendapat Galileo): propagasi cahaya benar-benar instan. Pengalaman yang saya dapatkan adalah sebagai berikut. Dua orang masing-masing memegang api tertutup dalam lentera atau sesuatu yang serupa, yang dapat dibuka dan ditutup dengan gerakan tangan dalam pandangan penuh pendamping; berdiri saling berhadapan “pada jarak beberapa hasta, para peserta mulai berlatih menutup dan melepaskan tembakan di depan seorang pendamping sedemikian rupa sehingga begitu salah satu memperhatikan cahaya yang lain, mereka segera membuka sendiri ... Saya berhasil membuatnya hanya dalam jarak pendek - kurang dari satu mil, itulah sebabnya saya tidak dapat memastikan apakah kemunculan cahaya yang berlawanan benar-benar terjadi secara tiba-tiba. Tetapi jika itu tidak terjadi secara tiba-tiba, maka bagaimanapun juga, dengan kecepatan yang ekstrim.
Sarana yang tersedia pada waktu itu untuk Galileo, tentu saja, tidak memungkinkan untuk menyelesaikan masalah ini begitu sederhana, dan dia sepenuhnya menyadari hal ini. Kontroversi berlanjut. Robert Boyle, ilmuwan Irlandia terkenal yang memberikan definisi pertama yang benar tentang unsur kimia, percaya bahwa kecepatan cahaya terbatas, dan jenius lain abad ke-17, Robert Hooke, percaya bahwa kecepatan cahaya terlalu tinggi untuk ditentukan. secara eksperimental. Di sisi lain, astronom Johannes Kepler dan matematikawan René Descartes mengikuti sudut pandang Aristoteles.
Römer dan bulan Jupiter
Tembok pertama di tembok ini dibuat pada tahun 1676. Itu terjadi dengan cara tertentu, secara tidak sengaja. Masalah teoretis, seperti yang terjadi lebih dari sekali dalam sejarah sains, diselesaikan dalam pelaksanaan tugas yang murni praktis. Kebutuhan untuk memperluas perdagangan dan semakin pentingnya navigasi mendorong Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis untuk menyempurnakan peta geografis, yang, khususnya, membutuhkan metode yang lebih andal untuk menentukan garis bujur geografis. Bujur ditentukan dengan cara yang cukup sederhana - dengan perbedaan waktu di dua titik berbeda di dunia, tetapi kemudian mereka masih tidak tahu cara membuat jam yang cukup akurat. Para ilmuwan telah mengusulkan untuk menggunakan beberapa fenomena langit yang diamati setiap hari pada jam yang sama untuk menentukan waktu di Paris dan waktu di atas kapal. Dengan fenomena ini, seorang navigator atau ahli geografi dapat mengatur jam tangannya dan mengetahui waktu Paris. Salah satu fenomena tersebut, terlihat dari tempat manapun di darat atau laut, adalah gerhana salah satu dari empat bulan besar Jupiter yang ditemukan oleh Galileo pada tahun 1609.
Di antara ilmuwan yang mengerjakan masalah ini adalah astronom muda Denmark Ole Römer, yang empat tahun sebelumnya telah diundang oleh astronom Prancis Jean Picard untuk bekerja di observatorium Paris yang baru.
Seperti astronom lain pada masa itu, Römer tahu bahwa periode antara dua gerhana bulan terdekat Jupiter bervariasi sepanjang tahun; pengamatan dari titik yang sama, dipisahkan oleh jangka waktu enam bulan, memberikan perbedaan maksimum 1320 detik. 1320 detik ini adalah misteri bagi para astronom, dan tidak ada yang bisa menemukan penjelasan yang memuaskan untuk mereka. Tampaknya ada semacam hubungan antara periode revolusi satelit dan posisi Bumi di orbit relatif terhadap Jupiter. Dan sekarang Römer, setelah memeriksa semua pengamatan dan perhitungan ini secara menyeluruh, secara tak terduga memecahkan teka-teki itu.
Roemer berasumsi bahwa 1320 detik (atau 22 menit) adalah waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak dari posisi terdekat Bumi dalam orbitnya ke Jupiter ke posisi terjauh dari Jupiter, di mana Bumi berada dalam setengah tahun. Dengan kata lain, jarak tambahan yang ditempuh oleh cahaya yang dipantulkan dari satelit Jupiter sama dengan diameter orbit Bumi (Gbr. 1).
Beras. satu. Skema penalaran Römer.
Periode orbit satelit terdekat dengan Jupiter adalah sekitar 42,5 jam. Oleh karena itu, satelit harus dikaburkan oleh Jupiter (atau meninggalkan pita gerhana) setiap 42,5 jam. Tetapi dalam waktu setengah tahun, ketika Bumi menjauh dari Jupiter, gerhana diamati setiap kali dengan penundaan yang meningkat dibandingkan dengan tanggal yang diprediksi. Roemer sampai pada kesimpulan bahwa cahaya tidak merambat secara instan, tetapi memiliki kecepatan yang terbatas; sehingga membutuhkan waktu lebih lama dan lebih lama untuk mencapai Bumi karena bergerak menjauh dari Jupiter dalam orbitnya mengelilingi Matahari.
Pada masa Roemer, diameter orbit Bumi dianggap sekitar 182.000.000 mil (292.000.000 km). Membagi jarak ini dengan 1320 detik, Roemer menemukan bahwa kecepatan cahaya adalah 138.000 mil (222.000 km) per detik.
Sepintas, tampaknya mendapatkan hasil numerik dengan kesalahan seperti itu (hampir 80.000 km per detik) bukanlah keuntungan besar. Tapi pikirkan tentang apa yang dicapai Römer. Untuk pertama kalinya dalam sejarah umat manusia, terbukti bahwa gerakan, yang dianggap sangat cepat, dapat diakses oleh pengetahuan dan pengukuran.
Selain itu, dari upaya pertama, Römer memperoleh nilai urutan yang benar. Namun, jika kita memperhitungkan bahwa para ilmuwan masih terlibat dalam menyempurnakan diameter orbit Bumi dan waktu gerhana satelit Jupiter, maka kesalahan Roemer tidak akan mengejutkan. Sekarang kita tahu bahwa penundaan maksimum gerhana satelit bukanlah 22 menit, seperti yang dipikirkan Römer, tetapi sekitar 16 menit 36 detik, dan diameter orbit Bumi tidak sekitar 292.000.000 km, tetapi 300.000.000 km. Ketika koreksi ini dilakukan pada perhitungan Roemer, kecepatan cahaya adalah 300.000 km per detik, yang mendekati angka paling akurat yang diperoleh para ilmuwan di zaman kita.
Syarat utama hipotesis yang baik adalah dapat digunakan untuk membuat prediksi yang benar. Berdasarkan kecepatan cahaya yang dia hitung, Römer mampu memprediksi beberapa gerhana secara akurat beberapa bulan sebelumnya. Misalnya, pada September 1676, ia meramalkan bahwa bulan Jupiter akan muncul sekitar sepuluh menit di akhir November. Satelit kecil itu tidak mengecewakan Roemer dan muncul pada waktu yang diprediksi dengan akurasi satu detik. Tetapi bahkan konfirmasi teori Roemer ini tidak meyakinkan para filsuf Paris. Namun, Isaac Newton dan astronom dan fisikawan Belanda yang hebat, Christian Huygens, muncul untuk mendukung Denmark. Dan beberapa waktu kemudian, pada Januari 1729, astronom Inggris James Bradley sampai pada kesimpulan yang sama dengan cara yang sedikit berbeda dengan Römer. Tidak ada ruang untuk keraguan. Römer selamanya mengakhiri kepercayaan di antara para ilmuwan bahwa cahaya bergerak secara instan, terlepas dari jarak.
Römer membuktikan bahwa meskipun kecepatan cahaya sangat tinggi, ia tetap terbatas dan dapat diukur. Namun, saat memberikan pujian atas pencapaian Römer, beberapa sarjana masih belum sepenuhnya puas. Pengukuran kecepatan cahaya menurut metodenya didasarkan pada pengamatan astronomis dan membutuhkan waktu yang lama. Mereka juga ingin melakukan pengukuran di laboratorium dengan cara murni terestrial, tanpa melampaui batas planet kita, sehingga semua kondisi eksperimen terkendali. Fisikawan Prancis Marin Marsenne, seorang kontemporer dan teman Descartes, mampu mengukur kecepatan suara tiga puluh lima tahun yang lalu. Mengapa hal yang sama tidak dapat dilakukan dengan cahaya?
Pengukuran pertama dengan cara duniawi
Namun, penyelesaian masalah ini harus menunggu hampir dua abad. Pada tahun 1849, fisikawan Prancis Armand Hippolyte Louis Fizeau menemukan metode yang agak sederhana. pada gambar. 2 menunjukkan diagram instalasi yang disederhanakan. Fizeau mengarahkan seberkas cahaya dari sumber ke cermin PADA, maka sinar ini dipantulkan pada cermin TETAPI. Satu cermin dipasang di Suresnes, di rumah ayah Fizeau, dan yang lainnya di Montmartre di Paris; jarak antara cermin adalah sekitar 8,66 km. Antara cermin TETAPI dan PADA roda gigi ditempatkan, yang dapat diputar pada kecepatan tertentu (prinsip strobo). Gigi roda pemintal menginterupsi berkas cahaya, memecahnya menjadi pulsa. Dengan demikian, serangkaian kilatan singkat dikirim.
Beras. 2. Instalasi Fizeau.
174 tahun setelah Römer menghitung kecepatan cahaya dari pengamatan gerhana bulan Jupiter, Fizeau membangun perangkat untuk mengukur kecepatan cahaya dalam kondisi terestrial. Gigi C memecahkan seberkas cahaya menjadi kilatan. Fizeau mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak dari C ke cermin A dan kembali, sama dengan 17,32 km. Kelemahan metode ini adalah momen kecerahan terbesar cahaya ditentukan oleh pengamat dengan mata. Pengamatan subjektif seperti itu tidak cukup akurat.
Ketika roda gigi diam dan pada posisi semula, pengamat dapat melihat cahaya dari sumbernya melalui celah di antara kedua gigi. Kemudian roda itu digerakkan dengan kecepatan yang semakin meningkat, dan tiba saatnya ketika pulsa cahaya, setelah melewati celah di antara gigi, kembali, dipantulkan dari cermin. A, dan ditunda oleh cabang. Dalam hal ini, pengamat tidak melihat apa-apa. Dengan percepatan putaran roda gigi lebih lanjut, cahaya muncul kembali, menjadi lebih terang, dan akhirnya mencapai intensitas maksimumnya. Roda gigi yang digunakan oleh Fizeau memiliki 720 gigi, dan cahaya mencapai intensitas maksimum pada 25 putaran per detik. Berdasarkan data tersebut, Fizeau menghitung kecepatan cahaya sebagai berikut. Cahaya menempuh jarak antara cermin dan kembali pada saat roda berputar dari satu celah antara gigi ke yang lain, yaitu. untuk 1/25? 1/720 yaitu 1/18000 detik. Jarak yang ditempuh sama dengan dua kali jarak antara cermin, yaitu 17,32 km. Jadi kecepatan cahaya adalah 17,32 x 18.000, atau sekitar 312.000 km per detik.
Peningkatan Foucault
Ketika Fizeau mengumumkan hasil pengukurannya, para ilmuwan mempertanyakan validitas angka kolosal ini, yang menyatakan bahwa cahaya bergerak dari Matahari ke Bumi dalam 8 menit dan dapat mengelilingi Bumi dalam seperdelapan detik. Tampaknya luar biasa bahwa seorang pria dapat mengukur kecepatan yang luar biasa dengan instrumen primitif seperti itu. Cahaya merambat lebih dari delapan kilometer di antara cermin Fizeau dalam 1/36.000 detik? Mustahil, kata banyak orang. Namun, sosok Fizeau sangat dekat dengan Römer. Itu hampir tidak mungkin hanya kebetulan.
Tiga belas tahun kemudian, ketika para skeptis masih meragukan dan membuat pernyataan ironis, Jean Bernard Léon Foucault, putra seorang penerbit Paris, yang pada suatu waktu sedang mempersiapkan diri untuk menjadi seorang dokter, menentukan kecepatan cahaya dengan cara yang sedikit berbeda. Dia bekerja dengan Fizeau selama beberapa tahun dan banyak berpikir tentang bagaimana meningkatkan pengalamannya. Alih-alih roda gigi, Foucault menggunakan cermin yang berputar.
Beras. 3. Pengaturan Foucault.
Setelah beberapa perbaikan, Michelson menggunakan perangkat ini untuk menentukan kecepatan cahaya. Pada perangkat ini, roda gigi (lihat Gambar 2) diganti dengan cermin datar yang berputar C. Jika cermin C berubah menjadi tidak bergerak atau sangat lambat, cahaya dipantulkan pada cermin tembus cahaya B ke arah yang ditunjukkan oleh garis padat. Ketika cermin berputar dengan cepat, sinar pantul bergeser ke posisi yang ditunjukkan oleh garis putus-putus. Dengan melihat melalui lensa okuler, pengamat dapat mengukur perpindahan sinar. Pengukuran ini memberinya dua kali nilai sudut?, yaitu. sudut rotasi cermin selama pancaran cahaya datang C ke cermin cekung A dan kembali ke C. Mengetahui kecepatan rotasi cermin C, jarak dari A sebelum C dan sudut cermin C selama waktu ini, adalah mungkin untuk menghitung kecepatan cahaya.
Foucault memiliki reputasi sebagai peneliti berbakat. Pada tahun 1855, ia dianugerahi Medali Copley dari Royal Society of England untuk pengalamannya dengan pendulum, yang merupakan bukti rotasi Bumi di sekitar porosnya. Dia juga membangun giroskop pertama yang cocok untuk penggunaan praktis. Penggantian roda gigi dalam eksperimen Fizeau dengan cermin yang berputar (ide seperti itu diusulkan pada awal tahun 1842 oleh Dominico Arago, tetapi tidak diterapkan) memungkinkan untuk memperpendek jalur yang dilalui oleh berkas cahaya dari lebih dari 8 kilometer ke 20 m Cermin yang berputar (Gbr. 3) membelokkan sinar balik pada sudut kecil, yang memungkinkan untuk melakukan pengukuran yang diperlukan untuk menghitung kecepatan cahaya. Hasil Foucault adalah 298.000 km/detik, yaitu. sekitar 17.000 km lebih kecil dari nilai yang diperoleh Fizeau. (Dalam percobaan lain, Foucault menempatkan tabung air di antara cermin pemantul dan cermin yang berputar untuk menentukan kecepatan cahaya dalam air. Ternyata kecepatan cahaya di udara lebih besar.)
Sepuluh tahun kemudian, Marie Alfred Cornu, profesor fisika eksperimental di Ecole Polytechnique de Paris, kembali ke roda gigi lagi, tetapi sudah memiliki 200 gigi. Hasil Cornu hampir sama dengan yang sebelumnya. Dia mendapat angka 300.000 km per detik. Seperti yang terjadi pada tahun 1872, ketika Michelson muda, seorang mahasiswa tahun terakhir di Akademi Angkatan Laut di Annapolis, ditanyai dalam pemeriksaan optik tentang peralatan Foucault untuk mengukur kecepatan cahaya. Tidak pernah terpikir oleh siapa pun saat itu bahwa dalam buku teks fisika, yang akan dipelajari oleh siswa generasi mendatang, Michelson akan diberi lebih banyak ruang daripada Fizeau atau Foucault.
Pada musim semi tahun 1879, The New York Times melaporkan, ”Sebuah bintang baru yang cerah telah muncul di cakrawala ilmiah Amerika. Letnan Dua Angkatan Laut, lulusan Akademi Angkatan Laut di Annapolis, Albert A. Michelson, yang belum berusia dua puluh tujuh tahun, telah mencapai kesuksesan luar biasa di bidang optik: ia mengukur kecepatan cahaya. Dalam sebuah editorial berjudul "Ilmu untuk Rakyat," Daily Tribune menulis: "Surat kabar lokal Virginia City, sebuah kota pertambangan di Nevada yang jauh, dengan bangga melaporkan: "Letnan di kota kami, menarik perhatian seluruh negeri dengan pencapaian ilmiah yang luar biasa: ia mengukur kecepatan cahaya.
| tanggal | Para penulis | metode | km/s | Kesalahan |
|---|---|---|---|---|
| 1676 | Olaus Romer | Bulan-bulan Jupiter | 214 000 | |
| 1726 | James Bradley | Penyimpangan bintang | 301 000 | |
| 1849 | Armand Fizeau | Gigi | 315 000 | |
| 1862 | Leon Foucault | cermin berputar | 298 000 | ±500 |
| 1879 | Albert Michelson | cermin berputar | 299 910 | ±50 |
| 1907 | Rosa, Dorsay | konstanta EM | 299 788 | ± 30 |
| 1926 | Albert Michelson | cermin berputar | 299 796 | ±4 |
| 1947 | Essen, Gorden-Smith | resonator rongga | 299 792 | ± 3 |
| 1958 | K.D.Froome | interferometer radio | 299 792.5 | ± 0,1 |
| 1973 | Evanson dkk | interferometer laser | 299 792.4574 | ± 0,001 |
| 1983 | CGPM | nilai yang diterima | 299 792.458 | 0 |
Philip Gibbs , 1997
Jika Anda menemukan kesalahan, sorot sepotong teks dan klik Ctrl+Enter.
Dilihat: 162
Kecepatan cahaya dalam ruang hampa- nilai absolut dari kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Dalam fisika, itu dilambangkan dengan huruf Latin c.
Kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah konstanta fundamental, independen dari pilihan kerangka acuan inersia.
Menurut definisi, itu persis 299 792 458 m / s (nilai perkiraan 300 ribu km / s).
Menurut teori relativitas khusus, adalah kecepatan maksimum untuk penyebaran setiap interaksi fisik yang mengirimkan energi dan informasi.
Bagaimana kecepatan cahaya ditentukan?
Kecepatan cahaya pertama kali ditentukan dalam 1676 O. K. Römer dengan mengubah interval waktu antara gerhana satelit Jupiter.
Pada tahun 1728 dipasang oleh J. Bradley, berdasarkan pengamatannya tentang penyimpangan cahaya bintang.
Pada tahun 1849 A.I.L. Fizeau dia adalah orang pertama yang mengukur kecepatan cahaya berdasarkan waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak yang diketahui secara tepat (basis); karena indeks bias udara berbeda sangat sedikit dari 1, pengukuran berbasis darat memberikan nilai yang sangat dekat dengan s.
Dalam percobaan Fizeau, seberkas cahaya dari sumber S, yang dipantulkan oleh cermin semitransparan N, secara berkala diinterupsi oleh piringan bergigi W yang berputar, melewati dasar MN (sekitar 8 km) dan, dipantulkan dari cermin M, kembali ke disk. Ketika cahaya mengenai gigi, cahaya tidak mencapai pengamat, dan cahaya yang jatuh ke celah antara gigi dapat diamati melalui lensa mata E. Waktu perjalanan cahaya melalui alas ditentukan dari piringan yang diketahui kecepatan rotasi. Fizeau memperoleh nilai c = 313.300 km/s.
Pada tahun 1862 J.B.L. Foucault mewujudkan ide D. Arago yang diungkapkan pada tahun 1838, menggunakan cermin yang berputar cepat (512 rpm) alih-alih piringan bergigi. Mencerminkan dari cermin, berkas cahaya diarahkan ke dasar dan, setelah kembali, jatuh lagi di cermin yang sama, yang sempat berbelok melalui sudut kecil tertentu. Dengan dasar hanya 20 m, Foucault menemukan bahwa kecepatan cahaya adalah 29800080 ± 500 km/s. Skema dan ide dasar eksperimen Fizeau dan Foucault berulang kali digunakan dalam karya-karya berikutnya untuk menentukan s.
Pada zaman kuno, banyak ilmuwan menganggap kecepatan cahaya tidak terbatas. Fisikawan Italia Galileo Galilei adalah salah satu yang pertama mencoba mengukurnya.
Percobaan pertama
Pada awal abad ke-17, Galileo melakukan eksperimen di mana dua orang dengan lentera tertutup berdiri pada jarak tertentu satu sama lain. Seorang pria memberi cahaya, dan begitu yang lain melihatnya, dia membuka lenteranya sendiri. Galileo mencoba mencatat waktu antara kilatan, tetapi gagasan itu tidak berhasil karena jarak yang terlalu kecil. Kecepatan cahaya tidak dapat diukur dengan cara ini.
Pada 1676, astronom Denmark Ole Römer menjadi orang pertama yang membuktikan bahwa cahaya merambat dengan kecepatan terbatas. Dia mempelajari gerhana bulan Jupiter dan memperhatikan bahwa mereka terjadi lebih awal atau lebih lambat dari yang diharapkan dengan perhitungan (lebih awal ketika Bumi lebih dekat ke Jupiter, dan kemudian saat Bumi lebih jauh). Rumer secara logis berasumsi bahwa penundaan itu disebabkan oleh waktu yang dibutuhkan untuk mengatasi jarak.
Pada tahap sekarang
Pada abad-abad berikutnya, sejumlah ilmuwan bekerja untuk menentukan kecepatan cahaya menggunakan instrumen yang ditingkatkan, menciptakan metode perhitungan yang lebih akurat. Fisikawan Prancis Hippolyte Fizeau membuat pengukuran non-astronomi pertama pada tahun 1849. Dalam metode yang digunakan, roda gigi yang berputar digunakan, yang melaluinya cahaya ditransmisikan, dan sistem cermin terletak pada jarak yang cukup jauh.
Perhitungan kecepatan yang lebih akurat dibuat pada tahun 1920-an. Eksperimen fisikawan Amerika Albert Michelson berlangsung di pegunungan California Selatan menggunakan alat cermin berputar segi delapan. Pada tahun 1983, Komisi Internasional untuk Berat dan Ukuran secara resmi mengakui nilai kecepatan cahaya dalam ruang hampa, yang saat ini digunakan dalam perhitungan oleh semua ilmuwan di dunia. Ini adalah 299.792.458 m/s (186.282 mil/dtk). Jadi, dalam satu detik, cahaya menempuh jarak yang sama dengan ekuator bumi 7,5 kali.
