آیا سرعت نور به محیط بستگی دارد؟ چرا سرعت نور روی انگشتان شما ثابت است. معادلات جیمز ماکسول - ماهیت الکترومغناطیسی نور

دکتر علوم فنی A. GOLUBEV

مفهوم سرعت انتشار موج تنها در صورت عدم وجود پراکندگی ساده است.

Lin Westergaard Heu در نزدیکی تاسیساتی که در آن یک آزمایش منحصر به فرد انجام شد.

بهار گذشته مجلات علمی و عامه پسند در سرتاسر جهان خبرهای هیجان انگیزی را منتشر کردند. فیزیکدانان آمریکایی آزمایش منحصر به فردی را انجام دادند: آنها توانستند سرعت نور را به 17 متر در ثانیه کاهش دهند.

همه می دانند که نور با سرعت بسیار زیاد - تقریباً 300 هزار کیلومتر در ثانیه - حرکت می کند. مقدار دقیق مقدار آن در خلاء = 299792458 m/s - بنیادی ثابت فیزیکی. طبق نظریه نسبیت، این حداکثر سرعت انتقال سیگنال ممکن است.

در هر محیط شفاف، نور آهسته تر حرکت می کند. سرعت v بستگی به ضریب شکست محیط n دارد: v = c/n. ضریب شکست هوا 1.0003، آب - 1.33، انواع شیشه ها - از 1.5 تا 1.8 است. الماس یکی از بالاترین مقادیر ضریب شکست را دارد - 2.42. بنابراین، سرعت نور در مواد معمولی بیش از 2.5 برابر کاهش نمی یابد.

در اوایل سال 1999، گروهی از فیزیکدانان مؤسسه رولند تحقیقات علمیدر دانشگاه هاروارد (ماساچوست، ایالات متحده آمریکا) و دانشگاه استنفورد (کالیفرنیا) اثر کوانتومی ماکروسکوپی را مورد مطالعه قرار دادند - به اصطلاح شفافیت خود القا شده، عبور پالس های لیزر از محیطی که در شرایط عادی مات است. این محیط اتم های سدیم در حالت خاصی به نام میعانات بوز-اینشتین بود. هنگامی که با یک پالس لیزر تابش می شود، خواص نوری به دست می آورد که سرعت گروهی پالس را در مقایسه با سرعت در خلاء 20 میلیون بار کاهش می دهد. آزمایشگران توانستند سرعت نور را به 17 متر بر ثانیه برسانند!

قبل از توصیف ماهیت این آزمایش منحصر به فرد، اجازه دهید معنای برخی از مفاهیم فیزیکی را یادآوری کنیم.

سرعت گروههنگامی که نور در یک محیط منتشر می شود، دو سرعت متمایز می شود - فاز و گروه. سرعت فاز v f حرکت فاز یک موج تک رنگ ایده آل - یک موج سینوسی بی نهایت با یک فرکانس را مشخص می کند و جهت انتشار نور را تعیین می کند. سرعت فاز در محیط با ضریب شکست فاز مطابقت دارد - همان چیزی که مقادیر آن برای مواد مختلف اندازه گیری می شود. ضریب شکست فاز و در نتیجه سرعت فاز به طول موج بستگی دارد. این وابستگی پراکندگی نامیده می شود. به ویژه منجر به تجزیه نور سفیدی می شود که از یک منشور به یک طیف می گذرد.

اما یک موج نور واقعی شامل مجموعه ای از امواج با فرکانس های مختلف است که در یک بازه طیفی معین گروه بندی شده اند. چنین مجموعه ای گروهی از امواج، بسته موج یا پالس نور نامیده می شود. این امواج به دلیل پراکندگی با سرعت فازهای مختلف در محیط منتشر می شوند. در این حالت تکانه کشیده می شود و شکل آن تغییر می کند. بنابراین، برای توصیف حرکت یک ضربه، گروهی از امواج به عنوان یک کل، مفهوم سرعت گروهی معرفی می شود. تنها در مورد یک طیف باریک و در یک محیط با پراکندگی ضعیف، زمانی که تفاوت در سرعت فاز اجزای جداگانه کم باشد، منطقی است. برای درک بهتر وضعیت، می‌توانیم تشبیه واضحی ارائه کنیم.

بیایید تصور کنیم که هفت ورزشکار در خط استارت صف کشیده اند و پیراهن هایی با رنگ های مختلف بر اساس رنگ های طیف پوشیده اند: قرمز، نارنجی، زرد و غیره. با علامت تپانچه شروع، آنها به طور همزمان شروع به دویدن می کنند، اما " قرمز" سریعتر از "نارنجی" می دود، "نارنجی" سریعتر از "زرد" است، به طوری که آنها به صورت زنجیره ای کشیده می شوند که طول آن به طور مداوم افزایش می یابد. حال تصور کنید که ما از بالا به آن‌ها از چنان ارتفاعی نگاه می‌کنیم که نمی‌توانیم تک تک دوندگان را تشخیص دهیم، بلکه فقط یک نقطه رنگارنگ را می‌بینیم. آیا می توان در مورد سرعت حرکت این نقطه به طور کلی صحبت کرد؟ این امکان پذیر است، اما فقط در صورتی که خیلی تار نباشد، زمانی که تفاوت در سرعت دوندگان رنگ های مختلف کم باشد. در غیر این صورت، نقطه ممکن است در تمام طول مسیر کشیده شود و سوال سرعت آن معنا را از دست بدهد. این مربوط به پراکندگی قوی - گسترش زیادی از سرعت است. اگر دونده‌ها لباس‌هایی با رنگ تقریباً یکسان بپوشند که فقط از نظر سایه‌ها متفاوت است (مثلاً از قرمز تیره تا قرمز روشن)، این با طیف باریک سازگار می‌شود. سپس سرعت دوندگان تفاوت چندانی نخواهد داشت.

آمار بوز-انیشتیناین یکی از انواع به اصطلاح آمار کوانتومی است - نظریه ای که وضعیت سیستم های حاوی بسیار تعداد زیادیذراتی که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند.

همه ذرات - هم ذرات موجود در یک اتم و هم ذرات آزاد - به دو دسته تقسیم می شوند. برای یکی از آنها اصل طرد پائولی معتبر است که طبق آن در هر سطح انرژی بیش از یک ذره وجود ندارد. ذرات این طبقه فرمیون نامیده می شوند (اینها الکترون، پروتون و نوترون هستند؛ همان طبقه شامل ذراتی است که از تعداد فرد فرمیون تشکیل شده است) و قانون توزیع آنها را آمار فرمی دیراک می نامند. ذرات دسته دیگر بوزون نامیده می شوند و از اصل پائولی پیروی نمی کنند: تعداد نامحدودی از بوزون ها می توانند در یک سطح انرژی جمع شوند. در این مورد ما در مورد آمار بوز-انیشتین صحبت می کنیم. بوزون ها شامل فوتون ها هستند که برخی از آنها کوتاه مدت هستند ذرات بنیادی(به عنوان مثال، مزون های پی)، و همچنین اتم های متشکل از تعداد زوج فرمیون. در خیلی دمای پایینبوزون ها در پایین ترین سطح انرژی - بنیادی - جمع می شوند. سپس آنها می گویند که تراکم بوز-انیشتین رخ می دهد. اتم های میعانات خود را از دست می دهند خواص فردی، و چندین میلیون نفر از آنها شروع به رفتار به عنوان یک کل می کنند، توابع موج آنها ادغام می شوند و رفتار آنها با یک معادله توصیف می شود. این باعث می شود که بگوییم اتم های میعان مانند فوتون های تابش لیزر منسجم شده اند. محققان آمریکایی موسسه ملیاستانداردها و فن آوری ها از این خاصیت میعانات بوز-اینشتین برای ایجاد "لیزر اتمی" استفاده کردند (به "علم و زندگی" شماره 10، 1997 مراجعه کنید).

شفافیت خودساختهاین یکی از اثرات اپتیک غیرخطی است - اپتیک میدان های نوری قدرتمند. این شامل این واقعیت است که یک پالس نوری بسیار کوتاه و قدرتمند بدون تضعیف از محیطی عبور می کند که تابش مداوم یا پالس های طولانی را جذب می کند: نه محیط شفافبرای او شفاف می شود. شفافیت خود القا شده در گازهای کمیاب با مدت زمان پالس مرتبه 10-7-10-8 ثانیه و در محیط های متراکم کمتر از 10-11 ثانیه مشاهده می شود. در این مورد، تاخیر پالس رخ می دهد - سرعت گروه آن به شدت کاهش می یابد. این اثر برای اولین بار توسط مک کال و خان ​​در سال 1967 بر روی یاقوت سرخ در دمای 4 کلوین نشان داده شد. در سال 1970، تاخیرهای مربوط به سرعت پالس سه مرتبه (1000 برابر) کمتر از سرعت نور در خلاء در روبیدیم به دست آمد. بخار

اکنون به آزمایش منحصر به فرد سال 1999 می پردازیم. این کار توسط لن وسترگارد هاو، زکری داتون، سایروس بروسی (موسسه رولند) و استیو هریس (دانشگاه استنفورد) انجام شد. آنها یک ابر متراکم و مغناطیسی از اتم های سدیم را خنک کردند تا زمانی که به حالت پایه، پایین ترین سطح انرژی، بازگردند. در این مورد، تنها آن اتم هایی جدا شدند که گشتاور دوقطبی مغناطیسی آنها خلاف جهت جهت داده شده بود میدان مغناطیسی. سپس محققان ابر را تا کمتر از 435 نانوکلوین (نانوکلوین یا 0.000000435 K، تقریبا صفر مطلق) خنک کردند.

پس از این، میعانات با یک "پرتو جفت" از نور لیزر قطبی خطی با فرکانس مربوط به انرژی تحریک ضعیف آن روشن شد. اتم ها به سطح انرژی بالاتری رفتند و جذب نور را متوقف کردند. در نتیجه، میعانات نسبت به تابش لیزر زیر شفاف شد. و در اینجا برخی بسیار عجیب و غریب و اثرات غیر معمول. اندازه گیری ها نشان داد که وقتی شرایط خاصپالسی که از چگالش بوز-انیشتین می گذرد، تاخیری را تجربه می کند که مربوط به کند شدن نور با بیش از هفت مرتبه بزرگی است - ضریب 20 میلیون. سرعت پالس نور به 17 متر بر ثانیه کاهش یافت و طول آن چندین بار کاهش یافت - به 43 میکرومتر.

محققان بر این باورند که با اجتناب از گرمایش لیزری میعانات، می‌توانند سرعت نور را حتی بیشتر - شاید تا چند سانتی‌متر در ثانیه - کاهش دهند.

سیستمی با چنین ویژگی‌های غیرعادی امکان مطالعه خواص نوری کوانتومی ماده و همچنین ایجاد دستگاه‌های مختلف برای رایانه‌های کوانتومی آینده، به عنوان مثال، سوئیچ‌های تک فوتون را فراهم می‌کند.

اپی گراف
معلم می پرسد: بچه ها، سریع ترین چیز در جهان چیست؟
Tanechka می گوید: سریع ترین کلمه. فقط گفتم برنمیگردی
وانچکا می گوید: نه، نور سریع ترین است.
به محض فشار دادن سوئیچ، اتاق بلافاصله روشن شد.
و وووچکا می گوید: سریع ترین چیز در جهان اسهال است.
یک بار آنقدر بی حوصله بودم که حرفی نزدم
وقت نکردم چیزی بگویم یا چراغ را روشن کنم.

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چرا سرعت نور در جهان ما حداکثر، محدود و ثابت است؟ این خیلی سوال جالبو فوراً به عنوان اسپویلر آن را تقدیم می کنم راز وحشتناکپاسخ به آن این است که هیچ کس دقیقاً دلیل آن را نمی داند. سرعت نور گرفته می شود، یعنی. ذهنی پذیرفته شده استبرای یک ثابت، و بر اساس این فرض، و همچنین بر اساس این ایده که همه چارچوب های مرجع اینرسی برابر هستند، آلبرت انیشتین نظریه نسبیت خاص خود را ساخت که صد سال است دانشمندان را عصبانی کرده است و به انیشتین اجازه می دهد زبانش را بچسباند. با مصونیت به دنیا برود و در قبرش به اندازه خوکی که بر سر همه بشریت کاشته است پوزخند بزن.

اما در واقع چرا اینقدر ثابت، حداکثر و تا این حد نهایی است، پاسخی وجود ندارد، این فقط یک بدیهیات است، یعنی. گزاره ای که بر اساس ایمان گرفته شده است، که با مشاهدات و عقل سلیم تأیید شده است، اما از نظر منطقی یا ریاضی از جایی قابل استنتاج نیست. و کاملاً محتمل است که چندان درست نباشد ، اما هنوز کسی با هیچ تجربه ای نتوانسته آن را رد کند.

من افکار خودم را در مورد این موضوع دارم، بعداً بیشتر در مورد آنها، اما در حال حاضر، اجازه دهید آن را ساده نگه داریم، روی انگشتان شما™من سعی خواهم کرد حداقل به یک بخش پاسخ دهم - سرعت نور به چه معنی "ثابت" است.

نه، من شما را با آزمایش‌های فکری در مورد اینکه اگر چراغ‌های جلو راکتی که با سرعت نور پرواز می‌کند و غیره را روشن کنید چه اتفاقی می‌افتد خسته نمی‌کنم، این اکنون کمی دور از موضوع است.

اگر به یک کتاب مرجع یا ویکی پدیا نگاه کنید، سرعت نور در خلاء به عنوان یک ثابت فیزیکی اساسی تعریف می شود که دقیقابرابر با 299,792,458 m/s. خب، یعنی به طور تقریبی، حدود 300000 کیلومتر بر ثانیه خواهد بود، اما اگر دقیقا درسته- 299,792,458 متر در ثانیه.

به نظر می رسد، چنین دقتی از کجا می آید؟ هر ثابت ریاضی یا فیزیکی، حتی پی، حتی پایه لگاریتم طبیعی ه، حتی ثابت گرانشی G یا ثابت پلانک ساعت، همیشه حاوی مقداری است اعداد بعد از نقطه اعشار. در پی، در حال حاضر حدود 5 تریلیون از این ارقام اعشاری شناخته شده است (اگرچه وجود دارد معنای فیزیکی، فقط 39 رقم اول را دارند)، ثابت گرانشی امروزه به صورت G ~ 6.67384(80)x10 -11 و ثابت پلانک تعریف می شود. ساعت~ 6.62606957(29)x10 -34.

سرعت نور در خلاء است صاف 299792458 متر بر ثانیه، نه یک سانتی متر بیشتر، نه یک نانوثانیه کمتر. می خواهید بدانید این دقت از کجا می آید؟

همه چیز طبق معمول با یونانیان باستان شروع شد. علم به این صورت است درک مدرناین کلمه در بین آنها وجود نداشت. فیلسوفان یونان باستانبه همین دلیل است که آنها را فیلسوف می نامیدند، زیرا آنها ابتدا مقداری مزخرف در سر خود اختراع کردند و سپس با کمک نتیجه گیری های منطقی (و گاهی آزمایش های فیزیکی واقعی) سعی در اثبات یا رد آن کردند. با این حال، استفاده از زندگی واقعی اندازه گیری های فیزیکیو پدیده ها توسط آنها به عنوان شواهد "دسته دوم" در نظر گرفته شد، که نمی توان آنها را با نتایج منطقی درجه یک که مستقیماً از سر به دست می آید مقایسه کرد.

اولین کسی که به وجود سرعت خود نور فکر کرد، فیلسوف امپیدوکلس است که بیان کرد نور حرکت است و حرکت باید دارای سرعت باشد. ارسطو به او اعتراض کرد، او استدلال کرد که نور صرفاً وجود چیزی در طبیعت است، و بس. و هیچ چیز به هیچ جا حرکت نمی کند. اما این چیز دیگری است! اقلیدس و بطلمیوس عموماً معتقد بودند که نور از چشمان ما ساطع می شود و سپس بر روی اجسام می افتد و بنابراین ما آنها را می بینیم. به طور خلاصه، یونانیان باستان تا آنجا که می توانستند احمق بودند تا زمانی که توسط همان رومیان باستان فتح شدند.

در قرون وسطی، اکثر دانشمندان همچنان معتقد بودند که سرعت انتشار نور بی نهایت است، مثلاً دکارت، کپلر و فرما از جمله آنها بودند.

اما برخی مانند گالیله معتقد بودند که نور دارای سرعت است و بنابراین قابل اندازه گیری است. آزمایش گالیله که یک لامپ روشن کرد و به دستیار واقع در چند کیلومتری گالیله نور داد، بسیار شناخته شده است. دستیار پس از دیدن نور، لامپ خود را روشن کرد و گالیله سعی کرد تأخیر بین این لحظات را اندازه گیری کند. طبیعتاً موفق نشد و در نهایت مجبور شد در نوشته‌هایش بنویسد که اگر نور سرعت دارد، بسیار زیاد است و با تلاش انسان قابل اندازه‌گیری نیست و بنابراین می‌توان آن را بی‌نهایت دانست.

اولین اندازه گیری ثبت شده سرعت نور به ستاره شناس دانمارکی اولاف رومر در سال 1676 نسبت داده شده است. در این سال، ستاره شناسان، مجهز به تلسکوپ های همان گالیله، به طور فعال ماهواره های مشتری را رصد می کردند و حتی دوره های چرخش آنها را محاسبه می کردند. دانشمندان مشخص کرده اند که نزدیکترین قمر به مشتری، آیو، دارای دوره چرخش تقریباً 42 ساعت است. با این حال، رومر متوجه شد که گاهی Io از پشت مشتری 11 دقیقه زودتر از حد انتظار ظاهر می شود و گاهی اوقات 11 دقیقه دیرتر. همانطور که مشخص شد، آیو در آن دوره‌هایی که زمین، در حال چرخش به دور خورشید، با کمترین فاصله به مشتری نزدیک می‌شود، زودتر ظاهر می‌شود و زمانی که زمین در نقطه مقابل مدار قرار می‌گیرد، 11 دقیقه عقب می‌ماند، و بنابراین از آن دورتر است. مشتری.

رومر با تقسیم احمقانه قطر مدار زمین (و در آن روزها کم و بیش شناخته شده بود) بر 22 دقیقه، رومر سرعت نور را 220000 کیلومتر بر ثانیه دریافت کرد و مقدار واقعی را حدود یک سوم از دست داد.

در سال 1729، اخترشناس انگلیسی، جیمز بردلی، رصد کرد اختلاف منظر(با کمی انحراف در مکان) ستاره اتامین (گاما دراکونیس) این اثر را کشف کرد. انحرافات نور، یعنی تغییر موقعیت ستارگان نزدیک به ما در آسمان به دلیل حرکت زمین به دور خورشید.

از اثر انحراف نور که توسط بردلی کشف شد، می توان نتیجه گرفت که نور دارای سرعت انتشار محدودی است که بردلی آن را کشف کرد و آن را تقریباً 301000 کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد که در حال حاضر در حدود 1٪ از مقدار شناخته شده است. امروز

این همه اندازه‌گیری‌های روشن‌کننده توسط دانشمندان دیگر دنبال شد، اما از آنجایی که اعتقاد بر این بود که نور یک موج است و یک موج به خودی خود نمی‌تواند منتشر شود، چیزی باید "تحریک" شود، ایده وجود یک " اتر درخشنده» پدید آمد، کشفی که آلبرت مایکلسون، فیزیکدان آمریکایی، با شکست سختی روبرو شد. او هیچ اتر درخشانی را کشف نکرد، اما در سال 1879 سرعت نور را به 50±299910 کیلومتر بر ثانیه روشن کرد.

تقریباً در همان زمان، ماکسول نظریه الکترومغناطیس خود را منتشر کرد، به این معنی که سرعت نور نه تنها اندازه گیری مستقیم، بلکه همچنین استخراج از مقادیر نفوذپذیری الکتریکی و مغناطیسی ممکن شد، که با روشن کردن مقدار آن انجام شد. سرعت نور در سال 1907 به 299788 کیلومتر بر ثانیه رسید.

سرانجام انیشتین اعلام کرد که سرعت نور در خلاء ثابت است و اصلاً به چیزی بستگی ندارد. برعکس، هر چیز دیگری - اضافه کردن سرعت ها و یافتن سیستم های مرجع صحیح، اثرات اتساع زمانی و تغییرات فواصل هنگام حرکت با سرعت های بالا و بسیاری از اثرات نسبیتی دیگر به سرعت نور بستگی دارد (زیرا در همه فرمول ها به عنوان ثابت). به طور خلاصه، همه چیز در جهان نسبی است و سرعت نور کمیتی است که همه چیزهای دیگر در جهان ما نسبت به آن نسبی هستند. در اینجا، شاید باید نخل را به لورنتس بدهیم، اما بیایید سوداگر نباشیم، اینشتین اینشتین است.

تعیین دقیق مقدار این ثابت در طول قرن بیستم ادامه یافت و هر دهه دانشمندان بیشتر و بیشتر دریافتند. اعداد بعد از اعشاربا سرعت نور، تا اینکه سوء ظن مبهمی در سرشان به وجود آمد.

دانشمندان با تعیین دقیق‌تر و دقیق‌تر چند متر نور در خلاء در ثانیه، به این فکر افتادند که ما چه چیزی را بر حسب متر اندازه‌گیری می‌کنیم؟ بالاخره یک متر فقط به اندازه یک چوب پلاتین-ایریدیم است که کسی در موزه ای نزدیک پاریس فراموش کرده است!

و در ابتدا ایده معرفی یک متر استاندارد عالی به نظر می رسید. برای اینکه از حیاط ها، پاها و دیگر مسائل مورب رنج نبرند، فرانسوی ها در سال 1791 تصمیم گرفتند که یک ده میلیونم مسافت را از قطب شمالبه خط استوا در امتداد نصف النهار که از پاریس می گذرد. آنها این فاصله را با دقت موجود در آن زمان اندازه گیری کردند، چوبی را از آلیاژ پلاتین-ایریدیم (به طور دقیق تر، ابتدا برنج، سپس پلاتین و سپس پلاتین-ایریدیم) ریختند و آن را در این اتاق اوزان و اندازه های پاریس قرار دادند. یک نمونه هر چه جلوتر می رود، بیشتر معلوم می شود سطح زمیندر حال تغییر است، قاره‌ها تغییر شکل می‌دهند، نصف‌النهارها جابه‌جا می‌شوند، و به اندازه یک ده میلیونیم امتیاز گرفته‌اند، و شروع به شمارش طول چوبی که در تابوت بلورین "مقبره" پاریس قرار دارد، کردند.

چنین بت پرستی مناسب یک دانشمند واقعی نیست، این میدان سرخ نیست (!)، و در سال 1960 تصمیم گرفته شد که مفهوم متر را به یک تعریف کاملاً واضح ساده کنیم - یک متر دقیقاً برابر با 1,650,763.73 طول موج ساطع شده توسط انتقال است. الکترون ها بین سطوح انرژی 2p10 و 5d5 ایزوتوپ تحریک نشده عنصر کریپتون-86 در خلاء. خوب، چقدر واضح تر؟

این به مدت 23 سال ادامه داشت، در حالی که سرعت نور در خلاء با دقت فزاینده ای اندازه گیری می شد، تا اینکه در سال 1983، سرانجام حتی سرسخت ترین رتروگرادها نیز متوجه شدند که سرعت نور دقیق ترین و ایده آل ترین ثابت است، نه نوعی ایزوتوپ کریپتون و تصمیم گرفته شد همه چیز را وارونه کنیم (دقیقاً اگر فکرش را بکنید تصمیم گرفته شد همه چیز را وارونه کنید) حالا سرعت نور بایک ثابت واقعی است و یک متر مسافتی است که نور در خلاء در (1/299,792,458) ثانیه طی می کند.

ارزش واقعی سرعت نور امروزه همچنان مشخص می شود، اما آنچه جالب است این است که با هر آزمایش جدید، دانشمندان سرعت نور را مشخص نمی کنند، بلکه طول واقعی متر را مشخص می کنند. و هرچه سرعت نور در دهه‌های آینده دقیق‌تر باشد، در نهایت متر دقیق‌تری به دست خواهیم آورد.

نه برعکس.

خب، حالا برگردیم به گوسفندمان. چرا سرعت نور در خلاء جهان ما حداکثر، محدود و ثابت است؟ من اینجوری میفهمم

همه می دانند که سرعت صوت در فلز و تقریباً در هر جسم جامدی بسیار بیشتر از سرعت صوت در هوا است. بررسی این موضوع بسیار آسان است. چرا اینطور است؟ بدیهی است که صدا اساساً یکسان است و سرعت انتشار آن به محیط بستگی دارد، به پیکربندی مولکول هایی که این رسانه از آن تشکیل شده است، به چگالی آن، به پارامترهای آن بستگی دارد. شبکه کریستالی- به طور خلاصه، از وضعیت فعلی رسانه ای که صدا از طریق آن منتقل می شود.

و اگرچه ایده اتر درخشان مدتهاست که کنار گذاشته شده است، خلاء که امواج الکترومغناطیسی از طریق آن منتشر می شوند مطلقاً هیچ چیز مطلق نیست، مهم نیست که چقدر برای ما خالی به نظر می رسد.

می‌دانم که این تشبیه تا حدودی دور از ذهن است، اما این درست است روی انگشتان شما™همان! دقیقاً به عنوان یک قیاس قابل دسترس، و به هیچ وجه به عنوان یک انتقال مستقیم از یک مجموعه قوانین فیزیکی به قوانین دیگر، من فقط از شما می خواهم که تصور کنید که سرعت انتشار ارتعاشات الکترومغناطیسی (و به طور کلی، هر گونه، از جمله گلوئون و گرانشی)، همانطور که سرعت صوت در فولاد به داخل ریل "دوخته می شود". از اینجا می رقصیم.

UPD: به هر حال، من از "خوانندگان ستاره دار" دعوت می کنم تا تصور کنند که آیا سرعت نور در "خلاء دشوار" ثابت می ماند یا خیر. به عنوان مثال، اعتقاد بر این است که در انرژی‌های درجه حرارت 10 تا 30 کلوین، خلاء به سادگی با ذرات مجازی می‌جوشد و شروع به «جوشیدن» می‌کند، یعنی. تار و پود فضا تکه تکه می شود، کمیت های پلانک محو می شوند و معنای فیزیکی خود را از دست می دهند و غیره. آیا سرعت نور در چنین خلاء همچنان برابر است ج، یا این شروع خواهد شد نظریه جدید"خلاء نسبیتی" با اصلاحاتی مانند ضرایب لورنتس در سرعت های شدید؟ نمی دانم، نمی دانم، زمان نشان خواهد داد...

برای تعیین سرعت (مسافت طی شده/زمان طی شده) باید استانداردهای مسافت و زمان را انتخاب کنیم. استانداردهای مختلف ممکن است اندازه گیری سرعت متفاوتی را ارائه دهند.

آیا سرعت نور ثابت است؟

[در واقع ثابت است ساختار خوببه مقیاس انرژی بستگی دارد، اما در اینجا به حد کم انرژی آن اشاره می کنیم.]

نظریه نسبیت خاص

تعریف متر در سیستم SI نیز بر این فرض استوار است که نظریه نسبیت صحیح است. سرعت نور مطابق با اصل اساسی نظریه نسبیت ثابت است. این فرض شامل دو ایده است:

• سرعت نور به حرکت ناظر بستگی ندارد.
• سرعت نور به مختصات زمان و مکان بستگی ندارد.

این ایده که سرعت نور مستقل از سرعت ناظر است، خلاف تصور است. برخی از مردم حتی نمی توانند موافق باشند که این ایده منطقی است. در سال 1905، انیشتین نشان داد که اگر فرض ماهیت مطلق فضا و زمان را کنار بگذاریم، این ایده از نظر منطقی درست است.

در سال 1879، اعتقاد بر این بود که نور باید از طریق رسانه ای در فضا حرکت کند، همانطور که صوت از هوا و سایر مواد عبور می کند. مایکلسون و مورلیآزمایشی برای تشخیص اتر با مشاهده تغییرات در سرعت نور هنگامی که جهت حرکت زمین نسبت به خورشید در طول سال تغییر می کند، انجام داد. در کمال تعجب، هیچ تغییری در سرعت نور مشاهده نشد.

سرعت نور مسافتی است که نور در واحد زمان طی می کند. این مقدار بستگی به ماده ای دارد که نور در آن منتشر می شود.

در خلاء سرعت نور 299792458 متر بر ثانیه است. این بالاترین سرعتی است که می توان به آن دست یافت. هنگام حل مسائلی که نیاز به دقت خاصی ندارند، این مقدار برابر با 300000000 m/s در نظر گرفته می شود. فرض بر این است که همه انواع پرتوهای الکترومغناطیسی در خلاء با سرعت نور منتشر می شوند: امواج رادیویی، تابش مادون قرمز, نور مرئی، اشعه ماوراء بنفش، اشعه ایکس، اشعه گاما. با یک نامه مشخص شده است با .

سرعت نور چگونه تعیین شد؟

در دوران باستاندانشمندان معتقد بودند که سرعت نور بی نهایت است. بعدها بحث در مورد این موضوع بین دانشمندان آغاز شد. کپلر، دکارت و فرما با نظر دانشمندان باستانی موافق بودند. و گالیله و هوک معتقد بودند که اگرچه سرعت نور بسیار زیاد است، اما هنوز مقدار محدودی دارد.

گالیله گالیله

یکی از اولین کسانی که برای اندازه گیری سرعت نور تلاش کرد دانشمند ایتالیایی گالیله گالیله بود. در طول آزمایش، او و دستیارش بر روی تپه های مختلف بودند. گالیله در فانوس خود را باز کرد. در لحظه ای که دستیار این نور را دید، مجبور شد همان اقدامات را با فانوس خود انجام دهد. مدت زمانی که طول کشید تا نور از گالیله به دستیار و عقب برود آنقدر کوتاه بود که گالیله متوجه شد که سرعت نور بسیار زیاد است و اندازه گیری آن در چنین فاصله کوتاهی غیرممکن است، زیرا نور تقریباً حرکت می کند. فورا و زمانی که او ثبت کرد فقط سرعت عکس العمل یک فرد را نشان می دهد.

سرعت نور اولین بار در سال 1676 توسط ستاره شناس دانمارکی اولاف رومر با استفاده از فواصل نجومی تعیین شد. او با استفاده از تلسکوپ برای مشاهده کسوف قمر مشتری Io، دریافت که با دور شدن زمین از مشتری، هر کسوف بعدی دیرتر از زمان محاسبه شده رخ می دهد. حداکثر تاخیر زمانی که زمین به سمت دیگر خورشید حرکت می کند و در فاصله ای برابر با قطر مدار زمین از مشتری دور می شود، 22 ساعت است. اگرچه قطر دقیق زمین در آن زمان مشخص نبود، اما دانشمند مقدار تقریبی آن را بر 22 ساعت تقسیم کرد و مقداری در حدود 220000 کیلومتر بر ثانیه به دست آورد.

اولاف رومر

نتیجه به دست آمده توسط رومر باعث بی اعتمادی دانشمندان شد. اما در سال 1849، فیزیکدان فرانسوی آرماند هیپولیت لوئیس فیزو سرعت نور را با استفاده از روش شاتر چرخشی اندازه گیری کرد. در آزمایش او، نور منبعی از بین دندانه های یک چرخ دوار عبور کرده و به آینه هدایت می شود. که از او منعکس شد، برگشت. سرعت چرخش چرخ افزایش یافت. هنگامی که به مقدار معینی رسید، پرتو منعکس شده از آینه توسط دندان متحرک به تاخیر افتاد و ناظر در آن لحظه چیزی ندید.

تجربه فیزو

فیزو سرعت نور را به صورت زیر محاسبه کرد. نور به راه خود می رود L از چرخ تا آینه در زمانی برابر با t 1 = 2 لیتر در سی . مدت زمان چرخاندن چرخ ½ شکاف است t 2 = T/2N ، کجا تی - دوره چرخش چرخ، ن - تعداد دندان ها سرعت چرخش v = 1/T . لحظه ای که ناظر نور را نمی بیند زمانی اتفاق می افتد که t 1 = t 2 . از اینجا فرمول تعیین سرعت نور را بدست می آوریم:

c = 4LNv

با انجام محاسبات با استفاده از این فرمول، فیزو مشخص کرد که با = 313,000,000 متر بر ثانیه. این نتیجه بسیار دقیق تر بود.

آرماند هیپولیت لوئیس فیزو

در سال 1838، دومینیک فرانسوا ژان آراگو، فیزیکدان و ستاره شناس فرانسوی، استفاده از روش آینه چرخان را برای محاسبه سرعت نور پیشنهاد کرد. این ایده توسط فیزیکدان، مکانیک و ستاره شناس فرانسوی ژان برنارد لئون فوکو، که در سال 1862 مقدار سرعت نور (298,000,000±500,000) متر بر ثانیه را بدست آورد عملی شد.

دومینیک فرانسوا ژان آراگو

در سال 1891، نتیجه اخترشناس آمریکایی سیمون نیوکامب، یک مرتبه قدر دقیق تر از نتیجه فوکو بود. در نتیجه محاسبات او با = (99,810,000±50,000) m/s.

تحقیقات آلبرت آبراهام مایکلسون، فیزیکدان آمریکایی، که از یک آینه هشت ضلعی چرخان استفاده کرد، تعیین سرعت نور را با دقت بیشتری ممکن کرد. در سال 1926، دانشمند مدت زمانی که نور برای طی کردن فاصله بین قله های دو کوه معادل 35.4 کیلومتر طول می کشید را اندازه گیری کرد و به دست آورد. با = (4000±299,796,000) m/s.

دقیق‌ترین اندازه‌گیری در سال 1975 انجام شد. در همان سال، کنفرانس عمومی وزن‌ها و اندازه‌ها توصیه کرد که سرعت نور برابر با 2/1 ± 299792458 متر بر ثانیه در نظر گرفته شود.

سرعت نور به چه چیزی بستگی دارد؟

سرعت نور در خلاء به چارچوب مرجع یا موقعیت ناظر بستگی ندارد. ثابت می ماند، برابر با 1.2 ± 299792458 m/s. اما در رسانه های شفاف مختلف این سرعت کمتر از سرعت آن در خلاء خواهد بود. هر محیط شفاف دارای چگالی نوری است. و هر چه بالاتر باشد سرعت انتشار نور در آن کمتر می شود. برای مثال سرعت نور در هوا از سرعت آن در آب بیشتر است و در شیشه نوری خالص کمتر از آب است.

اگر نور از یک محیط کم چگال به یک محیط چگال تر حرکت کند، سرعت آن کاهش می یابد. و اگر انتقال از یک محیط متراکم تر به یک محیط کمتر متراکم رخ دهد، برعکس، سرعت افزایش می یابد. این توضیح می دهد که چرا پرتو نور در مرز انتقال بین دو رسانه منحرف می شود.

موضوع چگونگی اندازه گیری و همچنین میزان سرعت نور از زمان های بسیار قدیم دانشمندان را مورد توجه قرار داده است. این یک موضوع بسیار جذاب است که از زمان های بسیار قدیم موضوع بحث علمی بوده است. اعتقاد بر این است که چنین سرعتی محدود، دست نیافتنی و ثابت است. دست نیافتنی و ثابت است، مانند بی نهایت. در عین حال متناهی است. معلوم می شود که یک پازل فیزیکی و ریاضی جالب است. یک گزینه برای حل این مشکل وجود دارد. از این گذشته ، سرعت نور هنوز اندازه گیری می شد.

در دوران باستان متفکران بر این باور بودند سرعت نور- این یک مقدار نامحدود است. اولین برآورد این شاخص در سال 1676 ارائه شد. اولاف رومر. طبق محاسبات او سرعت نور تقریباً 220 هزار کیلومتر بر ثانیه بود. این یک مقدار کاملاً دقیق نبود، اما نزدیک به مقدار واقعی بود.

پایان پذیری و تخمین سرعت نور نیم قرن بعد تایید شد.

در آینده، دانشمند فیزومی توان سرعت نور را از زمانی که پرتو برای طی مسافت دقیق طی کرد، تعیین کرد.

او آزمایشی انجام داد (شکل را ببینید)، که طی آن یک پرتو نور از منبع S خارج شد، توسط آینه 3 منعکس شد، توسط دیسک دندانه دار 2 قطع شد و از پایه (8 کیلومتر) گذشت. سپس توسط آینه 1 منعکس شد و به دیسک برگشت. نور به شکاف بین دندان‌ها می‌افتد و می‌توان آن را از طریق چشمی 4 مشاهده کرد. مدت زمانی که طول می‌کشید پرتو از طریق پایه حرکت کند بسته به سرعت چرخش دیسک تعیین می‌شد. مقدار به دست آمده توسط Fizeau: c = 313300 km/s بود.

سرعت انتشار پرتو در هر محیط خاص کمتر از این سرعت در خلاء است. علاوه بر این، برای مواد مختلف، این شاخص مقادیر متفاوتی می گیرد. چند سال بعد فوکودیسک را با یک آینه با چرخش سریع جایگزین کرد. پیروان این دانشمندان بارها از روش ها و طرح های تحقیقاتی آنها استفاده کردند.

لنزها اساس هستند ابزارهای نوری. آیا می دانید چگونه محاسبه می شود؟ می توانید با خواندن یکی از مقالات ما متوجه شوید.

می توانید اطلاعاتی در مورد نحوه تنظیم یک دید نوری متشکل از چنین لنزهایی پیدا کنید. مطالب ما را بخوانید و هیچ سوالی در مورد موضوع نخواهید داشت.

سرعت نور در خلاء چقدر است؟

دقیق ترین اندازه گیری سرعت نور رقم 1,079,252,848.8 کیلومتر در ساعت یا 299 792 458 متر بر ثانیه. این رقم فقط برای شرایط ایجاد شده در خلاء معتبر است.

اما برای حل مشکلات معمولا از نشانگر استفاده می شود 300,000,000 متر بر ثانیه. در خلاء، سرعت نور بر حسب واحد پلانک 1 است. بنابراین، انرژی نور در 1 واحد زمان پلانک 1 واحد طول پلانک را طی می کند. اگر خلاء ایجاد شود در شرایط طبیعیسپس اشعه ایکس می تواند با چنین سرعتی حرکت کند، امواج نورطیف مرئی و امواج گرانشی

در بین دانشمندان عقیده روشنی وجود دارد که ذرات با جرم می توانند سرعتی به حداکثر سرعت نور داشته باشند. اما آنها قادر به دستیابی و فراتر از شاخص نیستند. بالاترین سرعت، نزدیک به سرعت نور، در طول مطالعه ثبت شد پرتوهای کیهانیو در طول شتاب ذرات معین در شتاب دهنده ها.

سرعت نور در هر محیطی به ضریب شکست این محیط بستگی دارد.

این نشانگر ممکن است برای فرکانس های مختلف متفاوت باشد. اندازه گیری دقیق کمیت برای محاسبه سایر پارامترهای فیزیکی مهم است. به عنوان مثال، برای تعیین فاصله در هنگام عبور سیگنال های نوری یا رادیویی در محدوده نوری، رادار، محدوده نوری و سایر مناطق.

دانشمندان مدرن از روش های مختلفی برای تعیین سرعت نور استفاده می کنند. برخی از کارشناسان از روش های نجومی و همچنین روش های اندازه گیری با استفاده از فناوری تجربی استفاده می کنند. روش بهبود یافته فیزو اغلب استفاده می شود. در این حالت چرخ دنده با یک مدولاتور نور جایگزین می شود که پرتو نور را ضعیف یا قطع می کند. گیرنده در اینجا یک ضرب کننده فوتوالکتریک یا فتوسل است. منبع نور می تواند لیزر باشد که به کاهش خطای اندازه گیری کمک می کند. تعیین سرعت نوربا توجه به زمان عبور از پایه، می توان آن را با استفاده از روش های مستقیم یا غیر مستقیم انجام داد که به فرد اجازه می دهد تا نتایج دقیق را نیز به دست آورد.

برای محاسبه سرعت نور از چه فرمول هایی استفاده می شود؟

1. سرعت انتشار نور در خلاء یک مقدار مطلق است. فیزیکدانان آن را با حرف "ج" نشان می دهند. این یک مقدار اساسی و ثابت است که به انتخاب سیستم گزارش دهی بستگی ندارد و زمان و مکان را به طور کلی مشخص می کند. دانشمندان فرض می کنند که این سرعت حداکثر سرعت حرکت ذرات است.

   فرمول سرعت نوردر خلاء:

   s = 3 * 10^8 = 299792458 متر بر ثانیه

   در اینجا c نشانگر سرعت نور در خلاء است.

2. دانشمندان این را ثابت کرده اند سرعت نور در هواتقریباً با سرعت نور در خلاء منطبق است. با استفاده از فرمول قابل محاسبه است: