Ali je hitrost svetlobe odvisna od medija? Zakaj je svetlobna hitrost konstantna na vaših prstih™. Enačbe Jamesa Maxwella - elektromagnetna narava svetlobe

zdravnik tehnične vede A. GOLUBEV

Koncept hitrosti širjenja valov je preprost le v odsotnosti disperzije.

Lin Westergaard Heu blizu instalacije, kjer je bil izveden edinstven poskus.

Lansko pomlad so znanstvene in poljudnoznanstvene revije po vsem svetu poročale o senzacionalnih novicah. Ameriški fiziki so izvedli edinstven eksperiment: uspelo jim je zmanjšati hitrost svetlobe na 17 metrov na sekundo.

Vsi vedo, da svetloba potuje z ogromno hitrostjo - skoraj 300 tisoč kilometrov na sekundo. Natančna vrednost njegove vrednosti v vakuumu = 299792458 m/s - osnovno fizična konstanta. Po teoriji relativnosti je to največja možna hitrost prenosa signala.

V vsakem prozornem mediju potuje svetloba počasneje. Njegova hitrost v je odvisna od lomnega količnika medija n: v = c/n. Indeks loma zraka je 1,0003, vode - 1,33, različnih vrst stekla - od 1,5 do 1,8. Diamant ima eno najvišjih vrednosti lomnega količnika - 2,42. Tako se bo hitrost svetlobe v navadnih snoveh zmanjšala za največ 2,5-krat.

V začetku leta 1999 je skupina fizikov z inštituta Rowland znanstveno raziskovanje na Univerzi Harvard (Massachusetts, ZDA) in Univerzi Stanford (Kalifornija) proučevali makroskopski kvantni učinek - tako imenovano samoinducirano prosojnost, prehajanje laserskih impulzov skozi medij, ki je v normalnih pogojih neprozoren. Ta medij so bili atomi natrija v posebnem stanju, imenovanem Bose-Einsteinov kondenzat. Ob obsevanju z laserskim impulzom pridobi optične lastnosti, ki zmanjšajo skupinsko hitrost impulza za 20-milijonkrat v primerjavi s hitrostjo v vakuumu. Eksperimentatorjem je uspelo povečati hitrost svetlobe na 17 m/s!

Preden opišemo bistvo tega edinstvenega eksperimenta, naj spomnimo na pomen nekaterih fizikalnih pojmov.

Skupinska hitrost. Pri širjenju svetlobe skozi medij ločimo dve hitrosti: fazno in skupinsko. Fazna hitrost v f označuje gibanje faze idealnega monokromatskega vala - neskončnega sinusnega vala strogo ene frekvence in določa smer širjenja svetlobe. Fazna hitrost v mediju ustreza faznemu indeksu loma - istemu, katerega vrednosti se merijo za različne snovi. Fazni lomni količnik in s tem fazna hitrost sta odvisna od valovne dolžine. Ta odvisnost se imenuje disperzija; vodi zlasti do razgradnje bele svetlobe, ki gre skozi prizmo, v spekter.

Toda pravi svetlobni val je sestavljen iz niza valov različnih frekvenc, združenih v določenem spektralnem intervalu. Tak niz imenujemo skupina valov, valovni paket ali svetlobni impulz. Ti valovi se zaradi disperzije širijo skozi medij z različnimi faznimi hitrostmi. V tem primeru se impulz raztegne in njegova oblika se spremeni. Zato je za opis gibanja impulza, skupine valov kot celote uveden koncept skupinske hitrosti. Smiselna je le v primeru ozkega spektra in v mediju s šibko disperzijo, ko je razlika v faznih hitrostih posameznih komponent majhna. Da bi bolje razumeli situacijo, lahko podamo jasno analogijo.

Predstavljajmo si, da se je na štartni črti postavilo sedem tekmovalcev, oblečenih v različne barvne drese glede na barve spektra: rdečo, oranžno, rumeno itd. Na znak štartne pištole istočasno začnejo teči, a »rdeča ” športnik teče hitreje od “oranžnega”, “oranžni” je hitrejši od “rumenega” itd., tako da se raztegnejo v verigo, katere dolžina se nenehno povečuje. Zdaj pa si predstavljajte, da jih gledamo od zgoraj s tolikšne višine, da ne ločimo posameznih tekačev, ampak vidimo le pestro liso. Ali je mogoče govoriti o hitrosti gibanja te točke kot celote? Možno je, vendar le, če ni zelo zamegljeno, ko je razlika v hitrostih raznobarvnih tekačev majhna. V nasprotnem primeru se lahko mesto razteza čez celotno dolžino poti in vprašanje njegove hitrosti bo izgubilo pomen. To ustreza močni disperziji - velikemu razmaku hitrosti. Če so tekači oblečeni v drese skoraj iste barve, razlikujejo se le v odtenkih (recimo od temno rdeče do svetlo rdeče), postane to skladno s primerom ozkega spektra. Takrat se hitrosti tekačev ne bodo veliko razlikovale; skupina bo pri gibanju ostala precej kompaktna in jo bo mogoče označiti z zelo natančno vrednostjo hitrosti, ki se imenuje skupinska hitrost.

Bose-Einsteinova statistika. To je ena od vrst tako imenovane kvantne statistike - teorije, ki opisuje stanje sistemov, ki vsebujejo zelo veliko število delci, ki se podrejajo zakonom kvantne mehanike.

Vse delce – tako tiste v atomu kot proste – delimo v dva razreda. Za enega od njih velja Paulijevo izključitveno načelo, po katerem na vsaki energijski ravni ne more biti več kot en delec. Delce tega razreda imenujemo fermioni (to so elektroni, protoni in nevtroni; v isti razred spadajo delci, sestavljeni iz lihega števila fermionov), zakon njihove porazdelitve pa Fermi-Diracova statistika. Delci drugega razreda se imenujejo bozoni in ne upoštevajo Paulijevega načela: na enem energijskem nivoju se lahko kopiči neomejeno število bozonov. V tem primeru govorimo o Bose-Einsteinovi statistiki. Bozoni vključujejo fotone, nekateri kratkotrajni elementarni delci(na primer pi mezoni), kot tudi atomi, sestavljeni iz sodega števila fermionov. Pri zelo nizke temperature bozoni se zbirajo na najnižji - temeljni - energijski ravni; takrat pravijo, da pride do Bose-Einsteinove kondenzacije. Atomi kondenzata izgubijo svoje posamezne lastnosti, več milijonov pa se jih začne obnašati kot ena celota, njihove valovne funkcije se združijo in njihovo obnašanje opiše ena sama enačba. To omogoča reči, da so atomi kondenzata postali koherentni, kot fotoni v laserskem sevanju. Raziskovalci iz ameriškega Nacionalni inštitut standardi in tehnologije so to lastnost Bose-Einsteinovega kondenzata uporabili za ustvarjanje »atomskega laserja« (glej »Znanost in življenje« št. 10, 1997).

Samoinducirana transparentnost. To je eden od učinkov nelinearne optike – optike močnih svetlobnih polj. Sestoji iz dejstva, da zelo kratek in močan svetlobni impulz prehaja brez slabljenja skozi medij, ki absorbira neprekinjeno sevanje ali dolge impulze: ne transparentno okolje postane zanj pregleden. Samoinducirano prosojnost opazimo v redčenih plinih s trajanjem impulza reda 10 -7 - 10 -8 s in v kondenziranih medijih - manj kot 10 -11 s. V tem primeru pride do zakasnitve impulza - njegova skupinska hitrost se močno zmanjša. Ta učinek sta prvič dokazala McCall in Khan leta 1967 na rubinu pri temperaturi 4 K. Leta 1970 so v rubidiju dobili zakasnitve, ki ustrezajo hitrostim impulzov, ki so bili tri reda velikosti (1000-krat) manjši od hitrosti svetlobe v vakuumu. hlapi.

Zdaj pa se obrnemo na edinstven eksperiment iz leta 1999. Izvedli so ga Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Rowland Institute) in Steve Harris (Univerza Stanford). Hladili so gost oblak natrijevih atomov, ki jih je držalo magnetno polje, dokler niso prešli v osnovno stanje – nivo z najnižjo energijo. V tem primeru so bili izolirani samo tisti atomi, katerih magnetni dipolni moment je bil usmerjen nasprotno od smeri magnetno polje. Raziskovalci so nato oblak ohladili na manj kot 435 nK (nanokelvini ali 0,000000435 K, skoraj absolutna ničla).

Po tem je bil kondenzat osvetljen s "spojnim žarkom" linearno polarizirane laserske svetlobe s frekvenco, ki ustreza njegovi šibki energiji vzbujanja. Atomi so prešli na višjo energijsko raven in prenehali absorbirati svetlobo. Posledično je kondenzat postal prozoren za naslednje lasersko sevanje. In tukaj je nekaj zelo čudnih in nenavadni učinki. Meritve pokazale, da ko določene pogoje Impulz, ki gre skozi Bose-Einsteinov kondenzat, doživi zakasnitev, ki ustreza upočasnitvi svetlobe za več kot sedem velikosti - faktor 20 milijonov. Hitrost svetlobnega impulza se je upočasnila na 17 m/s, njegova dolžina pa se je večkrat zmanjšala - na 43 mikrometrov.

Raziskovalci menijo, da bodo z izogibanjem laserskemu segrevanju kondenzata lahko svetlobo še dodatno upočasnili – morda do hitrosti nekaj centimetrov na sekundo.

Sistem s tako nenavadnimi značilnostmi bo omogočil preučevanje kvantnih optičnih lastnosti snovi, pa tudi ustvarjanje različnih naprav za kvantne računalnike prihodnosti, na primer enofotonska stikala.

epigraf
Učiteljica vpraša: Otroci, kaj je najhitrejša stvar na svetu?
Tanechka pravi: Najhitrejša beseda. Pravkar sem rekel, ne boš se vrnil.
Vanechka pravi: Ne, svetloba je najhitrejša.
Takoj ko sem pritisnil na stikalo, je v sobi takoj postalo svetlo.
In Vovočka ugovarja: Najhitrejša stvar na svetu je driska.
Enkrat sem bil tako nepotrpežljiv, da nisem rekel niti besede
Nisem imel časa reči ali prižgati luči.

Ste se kdaj vprašali, zakaj je svetlobna hitrost največja, končna in konstantna v našem vesolju? To je zelo zanimivo vprašanje, in takoj, kot spojler, ga podarim strašna skrivnost odgovor nanj je, da nihče ne ve točno zakaj. Vzame se svetlobna hitrost, tj. duševno sprejeti za konstanto in na tem postulatu, pa tudi na ideji, da so vsi inercialni referenčni sistemi enaki, je Albert Einstein zgradil svojo posebno teorijo relativnosti, ki že sto let jezi znanstvenike in Einsteinu omogoča, da drži jezik za zobmi. na svet nekaznovano in se v grobu smehlja nad razsežnostmi prasca, ki ga je podtaknil celemu človeštvu.

Zakaj pa je pravzaprav tako konstanten, tako maksimalen in tako dokončen, ni odgovora, to je le aksiom, tj. verodostojna izjava, potrjena z opazovanji in zdravim razumom, vendar je ni logično ali matematično izpeljati od nikjer. In zelo verjetno je, da ni tako res, vendar tega še nihče ni uspel ovreči z nobeno izkušnjo.

Imam svoje mnenje o tej zadevi, več o njih kasneje, a za zdaj preprosto, na prste™ Poskušal bom odgovoriti vsaj na en del - kaj pomeni hitrost svetlobe "konstanta".

Ne, ne bom vas utrujal z miselnimi eksperimenti, kaj bi se zgodilo, če prižgete žaromete v raketi, ki leti s svetlobno hitrostjo itd., to je zdaj malo izven teme.

Če pogledate v priročnik ali Wikipedijo, je hitrost svetlobe v vakuumu definirana kot temeljna fizikalna konstanta, ki točno enako 299.792.458 m/s. No, to je približno 300.000 km/s, če pa točno prav- 299.792.458 metrov na sekundo.

Zdi se, od kod takšna natančnost? Katera koli matematična ali fizikalna konstanta, karkoli, celo pi, celo osnova naravnega logaritma e, tudi gravitacijska konstanta G, oz Planckova konstanta h, vedno vsebuje nekaj številke za decimalno vejico. V Pi je trenutno znanih približno 5 bilijonov teh decimalnih mest (čeprav katera koli fizični pomen, imajo le prvih 39 števk), je gravitacijska konstanta danes definirana kot G ~ 6,67384(80)x10 -11, in Planckova konstanta h~ 6.62606957(29)x10 -34.

Hitrost svetlobe v vakuumu je gladka 299.792.458 m/s, niti centimeter več, niti nanosekunde manj. Želite vedeti, od kod prihaja ta natančnost?

Vse se je začelo kot običajno pri starih Grkih. Znanost kot taka je moderno razumevanje te besede pri njih ni bilo. Filozofi antična Grčija Zato so jih poimenovali filozofi, ker so si najprej izmislili neko bedarijo v svojih glavah, nato pa so jo s pomočjo logičnih sklepov (in včasih pravih fizikalnih poskusov) poskušali dokazati ali ovreči. Vendar pa uporaba resničnega življenja fizične meritve in pojave so imeli za »drugorazredne« ​​dokaze, ki jih ni mogoče primerjati s prvorazrednimi logičnimi sklepi, pridobljenimi neposredno iz glave.

Prvi, ki je pomislil na obstoj lastne hitrosti svetlobe, velja za filozofa Empidoklesa, ki je rekel, da je svetloba gibanje, gibanje pa mora imeti hitrost. Ugovarjal mu je Aristotel, ki je trdil, da je svetloba preprosto prisotnost nečesa v naravi, in to je vse. In nikjer se nič ne premakne. Ampak to je nekaj drugega! Evklid in Ptolemej sta na splošno verjela, da svetloba oddaja naše oči in nato pade na predmete, zato jih vidimo. Skratka, stari Grki so bili kolikor se je dalo neumni, dokler jih niso osvojili isti stari Rimljani.

V srednjem veku je večina znanstvenikov še naprej verjela, da je hitrost širjenja svetlobe neskončna; med njimi so bili recimo Descartes, Kepler in Fermat.

Toda nekateri, kot je Galileo, so verjeli, da ima svetloba hitrost in jo je zato mogoče izmeriti. Splošno znan je poskus Galileja, ki je prižgal svetilko in dal svetlobo pomočniku, ki je bil oddaljen nekaj kilometrov od Galileja. Ko je pomočnik videl svetlobo, je prižgal svojo svetilko in Galileo je poskušal izmeriti zamik med temi trenutki. Seveda mu to ni uspelo in na koncu je bil prisiljen v svojih spisih zapisati, da če ima svetloba hitrost, potem je ta izjemno velika in je ni mogoče izmeriti s človeškim naporom, zato jo lahko imamo za neskončno.

Prvo dokumentirano meritev svetlobne hitrosti pripisujejo danskemu astronomu Olafu Roemerju leta 1676. Do tega leta so astronomi, oboroženi s teleskopi istega Galileja, aktivno opazovali Jupitrove satelite in celo izračunali njihova rotacijska obdobja. Znanstveniki so ugotovili, da ima Jupitru najbližja luna, Io, rotacijsko obdobje približno 42 ur. Vendar je Roemer opazil, da se Io včasih pojavi izza Jupitra 11 minut prej, kot je bilo pričakovano, včasih pa 11 minut kasneje. Kot se je izkazalo, se Io pojavi prej v tistih obdobjih, ko se Zemlja, ki se vrti okoli Sonca, približa Jupitru na najmanjšo razdaljo in zaostaja za 11 minut, ko je Zemlja na nasprotnem mestu orbite in je zato dlje od Jupiter.

Roemer je neumno delil premer zemeljske orbite (in to je bilo že bolj ali manj znano v tistih časih) za 22 minut, dobil svetlobno hitrost 220.000 km/s in zgrešil pravo vrednost za približno tretjino.

Leta 1729 je angleški astronom James Bradley opazoval paralaksa(z rahlim odstopanjem v lokaciji) je učinek odkrila zvezda Etamin (Gamma Draconis). aberacije svetlobe, tj. sprememba lege nam najbližjih zvezd na nebu zaradi gibanja Zemlje okoli Sonca.

Iz učinka svetlobne aberacije, ki jo je odkril Bradley, lahko tudi sklepamo, da ima svetloba končno hitrost širjenja, ki jo je Bradley izkoristil in izračunal, da znaša približno 301.000 km/s, kar je že z natančnostjo 1 % danes znana vrednost.

Temu so sledile vse razjasnjevalne meritve drugih znanstvenikov, a ker je veljalo, da je svetloba valovanje, valovanje pa se ne more širiti samo od sebe, je treba nekaj »navdušiti«, idejo o obstoju » luminiferous ether«, katerega odkritje je klavrno spodletelo ameriškemu fiziku Albertu Michelsonu. Ni odkril nobenega svetlobnega etra, vendar je leta 1879 razjasnil svetlobno hitrost na 299.910±50 km/s.

Približno v istem času je Maxwell objavil svojo teorijo elektromagnetizma, kar pomeni, da je hitrost svetlobe postalo mogoče ne samo neposredno izmeriti, temveč tudi izpeljati iz vrednosti električne in magnetne prepustnosti, kar je bilo storjeno z razjasnitvijo vrednosti hitrost svetlobe na 299.788 km/s leta 1907.

Končno je Einstein izjavil, da je hitrost svetlobe v vakuumu konstanta in ni odvisna od ničesar. Nasprotno, vse ostalo – seštevanje hitrosti in iskanje pravilnih referenčnih sistemov, učinki dilatacije časa in spremembe razdalj pri gibanju z velikimi hitrostmi ter številni drugi relativistični učinki so odvisni od hitrosti svetlobe (ker je vključena v vse formule kot konstanta). Skratka, vse na svetu je relativno in svetlobna hitrost je količina, glede na katero so relativne vse druge stvari v našem svetu. Tukaj bi morda morali dati prednost Lorentzu, a ne bodimo trgovski, Einstein je Einstein.

Natančno določanje vrednosti te konstante se je nadaljevalo skozi vse 20. stoletje, z vsakim desetletjem so znanstveniki odkrili vedno več številke za decimalno vejico s svetlobno hitrostjo, dokler se v njihovih glavah niso začeli porajati nejasni sumi.

Z vedno natančnejšim ugotavljanjem, koliko metrov potuje svetloba v vakuumu na sekundo, so se znanstveniki začeli spraševati, kaj sploh merimo v metrih? Konec koncev je meter le dolžina neke platinasto-iridijeve palice, ki jo je nekdo pozabil v nekem muzeju blizu Pariza!

In sprva se je ideja o uvedbi standardnega števca zdela odlična. Da se Francozi leta 1791 ne bi mučili z jardi, čevlji in drugimi poševnimi sežnjami, so se Francozi odločili, da vzamejo desetmilijonko razdalje od Severni pol do ekvatorja vzdolž poldnevnika, ki poteka skozi Pariz. To razdaljo so izmerili s takratno natančnostjo, ulili palico iz zlitine platina-iridij (natančneje, najprej medenina, nato platina in nato platina-iridij) in jo postavili v prav to pariško zbornico za uteži in mere kot vzorec. Dlje kot gre, bolj se izkazuje, da zemeljsko površje se spreminja, celine se deformirajo, meridiani premikajo in za eno desetmilijonko so zadeli in začeli šteti dolžino palice, ki leži v kristalni krsti pariškega »mavzoleja«, kot meter. .

Takšno malikovanje ne ustreza pravemu znanstveniku, to ni Rdeči trg (!), leta 1960 pa so se odločili poenostaviti koncept metra na povsem očitno definicijo - meter je natanko enak 1.650.763,73 valovnih dolžinah, ki jih oddaja prehod elektroni med ravni energije 2p10 in 5d5 nevzbujenega izotopa elementa Krypton-86 v vakuumu. No, koliko bolj jasno?

To je trajalo 23 let, medtem ko so hitrost svetlobe v vakuumu merili z vedno večjo natančnostjo, dokler niso leta 1983 končno tudi najbolj trmasti retrogradci ugotovili, da je svetlobna hitrost najbolj natančna in idealna konstanta, ne pa nekakšna izotopa kriptona. In bilo je odločeno, da se vse obrne na glavo (natančneje, če dobro pomislite, je bilo odločeno, da se vse obrne na glavo), zdaj je svetlobna hitrost z je prava konstanta, meter pa je razdalja, ki jo svetloba prepotuje v vakuumu v (1/299.792.458) sekundah.

Prava vrednost svetlobne hitrosti se še danes razjasnjuje, zanimivo pa je, da znanstveniki z vsakim novim poskusom ne razjasnijo svetlobne hitrosti, temveč pravo dolžino metra. In bolj natančno kot bo hitrost svetlobe ugotovljena v prihodnjih desetletjih, bolj natančen meter bomo na koncu dobili.

Ne obratno.

No, zdaj pa se vrnimo k našim ovcam. Zakaj je hitrost svetlobe v vakuumu našega vesolja največja, končna in konstantna? Tako jaz to razumem.

Vsi vedo, da je hitrost zvoka v kovini in skoraj vsakem trdnem telesu veliko večja od hitrosti zvoka v zraku. To je zelo enostavno preveriti; le prislonite uho na tirnico in boste lahko slišali zvoke bližajočega se vlaka veliko prej kot po zraku. Zakaj je temu tako? Očitno je, da je zvok v bistvu enak, hitrost njegovega širjenja pa je odvisna od medija, od konfiguracije molekul, iz katerih je ta medij sestavljen, od njegove gostote, od njegovih parametrov. kristalna mreža- skratka od trenutnega stanja medija, po katerem se zvok prenaša.

In čeprav je ideja o svetlobnem etru že dolgo opuščena, vakuum, skozi katerega se širijo elektromagnetni valovi, ni absolutno nič, ne glede na to, kako prazen se nam zdi.

Razumem, da je analogija nekoliko namišljena, vendar je res na prste™ enako! Ravno kot dostopna analogija in nikakor kot neposreden prehod iz enega niza fizikalnih zakonov v druge, vas prosim le, da si predstavljate, da je hitrost širjenja elektromagnetnih (in nasploh kakršnih koli, tudi gluonskih in gravitacijskih) vibracij, tako kot je hitrost zvoka v jeklu "všita" v tirnico. Od tu plešemo.

UPD: Mimogrede, vabim »bralce z zvezdico«, da si zamislijo, ali svetlobna hitrost ostaja konstantna v »težkem vakuumu«. Na primer, verjame se, da pri energijah reda temperature 10–30 K vakuum preneha preprosto vreti z virtualnimi delci in začne "vreti", tj. tkanina vesolja razpade na koščke, Planckove količine se zabrišejo in izgubijo fizični pomen itd. Bi bila hitrost svetlobe v takšnem vakuumu še vedno enaka c, sicer se bo to začelo nova teorija"relativistični vakuum" s popravki, kot so Lorentzovi koeficienti pri ekstremnih hitrostih? Ne vem, ne vem, čas bo pokazal ...

Za določitev hitrosti (prevožena razdalja/porabljen čas) moramo izbrati razdaljo in časovni standard. Različni standardi lahko dajejo različne meritve hitrosti.

Ali je hitrost svetlobe konstantna?

[Pravzaprav konstantno fino strukturo odvisno od energijske lestvice, vendar tu mislimo na njeno nizkoenergijsko mejo.]

Posebna teorija relativnosti

Tudi definicija metra v sistemu SI temelji na predpostavki o pravilnosti relativnostne teorije. Hitrost svetlobe je konstantna v skladu z osnovnim postulatom relativnostne teorije. Ta postulat vsebuje dve zamisli:

• Hitrost svetlobe ni odvisna od gibanja opazovalca.
• Hitrost svetlobe ni odvisna od koordinat v času in prostoru.

Ideja, da je svetlobna hitrost neodvisna od hitrosti opazovalca, je kontraintuitivna. Nekateri se sploh ne morejo strinjati, da je ta ideja logična. Leta 1905 je Einstein pokazal, da je ta ideja logično pravilna, če opustimo predpostavko o absolutni naravi prostora in časa.

Leta 1879 so verjeli, da mora svetloba potovati skozi nek medij v vesolju, tako kot zvok potuje skozi zrak in druge snovi. Michelson in Morley izvedel eksperiment za odkrivanje etra z opazovanjem sprememb svetlobne hitrosti, ko se skozi leto spreminja smer gibanja Zemlje glede na Sonce. Na njihovo presenečenje niso zaznali nobene spremembe hitrosti svetlobe.

Svetlobna hitrost je razdalja, ki jo svetloba prepotuje na enoto časa. Ta vrednost je odvisna od snovi, v kateri se svetloba širi.

V vakuumu je hitrost svetlobe 299.792.458 m/s. To je najvišja hitrost, ki jo je mogoče doseči. Pri reševanju problemov, ki ne zahtevajo posebne natančnosti, je ta vrednost enaka 300.000.000 m / s. Predpostavlja se, da se vse vrste elektromagnetnega sevanja širijo v vakuumu s svetlobno hitrostjo: radijski valovi, infrardeče sevanje, vidna svetloba, ultravijolično sevanje, rentgensko sevanje, sevanje gama. Označena je s črko z .

Kako je bila določena hitrost svetlobe?

IN davni časi Znanstveniki so verjeli, da je hitrost svetlobe neskončna. Kasneje so se med znanstveniki začele razprave o tem vprašanju. Kepler, Descartes in Fermat so se strinjali z mnenjem starodavnih znanstvenikov. In Galileo in Hooke sta verjela, da ima hitrost svetlobe, čeprav je zelo visoka, še vedno končno vrednost.

Galileo Galilei

Eden prvih, ki je poskušal izmeriti svetlobno hitrost, je bil italijanski znanstvenik Galileo Galilei. Med poskusom sta bila on in njegov pomočnik na različnih hribih. Galileo je odprl zaklop na svoji luči. V trenutku, ko je pomočnik zagledal to luč, je moral narediti ista dejanja s svojo svetilko. Čas, potreben, da svetloba potuje od Galileja do pomočnika in nazaj, se je izkazal za tako kratkega, da je Galileo ugotovil, da je svetlobna hitrost zelo velika in je nemogoče izmeriti na tako kratki razdalji, saj svetloba potuje skoraj takoj. In čas, ki ga je zabeležil, kaže le hitrost človekove reakcije.

Svetlobno hitrost je leta 1676 prvi določil danski astronom Olaf Roemer z uporabo astronomskih razdalj. S teleskopom za opazovanje mrka Jupitrove lune Io je odkril, da ko se Zemlja oddaljuje od Jupitra, se vsak naslednji mrk zgodi pozneje, kot je bilo izračunano. Največja zamuda, ko se Zemlja premakne na drugo stran Sonca in se od Jupitra oddalji na razdaljo, ki je enaka premeru Zemljine orbite, je 22 ur. Čeprav natančen premer Zemlje takrat še ni bil znan, je znanstvenik njegovo približno vrednost razdelil na 22 ur in dobil vrednost okoli 220.000 km/s.

Olaf Roemer

Rezultat, ki ga je dobil Roemer, je povzročil nezaupanje med znanstveniki. Toda leta 1849 je francoski fizik Armand Hippolyte Louis Fizeau izmeril hitrost svetlobe z metodo vrtljivega zaklopa. V njegovem poskusu je svetloba iz vira prešla med zobce vrtečega se kolesa in bila usmerjena na ogledalo. Odsev od njega se je vrnil nazaj. Hitrost vrtenja kolesa se je povečala. Ko je dosegel določeno vrednost, je žarek, odbit od ogledala, zadržal premikajoči se zob in opazovalec v tistem trenutku ni videl ničesar.

Fizeaujeva izkušnja

Fizeau je hitrost svetlobe izračunal na naslednji način. Svetloba gre svojo pot L od kolesa do ogledala v času, ki je enak t 1 = 2L/c . Čas, ki je potreben, da se kolo obrne za ½ reže, je t 2 = T/2N , Kje T - čas vrtenja kolesa, N - število zob. Hitrost vrtenja v = 1/T . Trenutek, ko opazovalec ne vidi svetlobe, nastopi, ko t 1 = t 2 . Od tu dobimo formulo za določanje hitrosti svetlobe:

c = 4LNv

Po izračunih po tej formuli je Fizeau ugotovil, da z = 313.000.000 m/s. Ta rezultat je bil veliko bolj natančen.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

Leta 1838 je francoski fizik in astronom Dominique François Jean Arago predlagal uporabo metode vrtljivega zrcala za izračun hitrosti svetlobe. To idejo je uresničil francoski fizik, mehanik in astronom Jean Bernard Leon Foucault, ki je leta 1862 dobil vrednost svetlobne hitrosti (298.000.000±500.000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

Leta 1891 se je izkazalo, da je rezultat ameriškega astronoma Simona Newcoma za red velikosti natančnejši od Foucaultovega rezultata. Kot rezultat njegovih izračunov z = (99.810.000 ± 50.000) m/s.

Raziskave ameriškega fizika Alberta Abrahama Michelsona, ki je uporabil postavitev z vrtljivim osmerokotnim zrcalom, so omogočile še natančnejše določanje hitrosti svetlobe. Leta 1926 je znanstvenik izmeril čas, ki je potreben, da svetloba prepotuje razdaljo med vrhovoma dveh gora, ki je enak 35,4 km, in dobil z = (299.796.000 ± 4.000) m/s.

Najbolj natančna meritev je bila izvedena leta 1975. Istega leta je Generalna konferenca za uteži in mere priporočila, da se hitrost svetlobe šteje za enako 299.792.458 ± 1,2 m/s.

Od česa je odvisna hitrost svetlobe?

Hitrost svetlobe v vakuumu ni odvisna od referenčnega sistema ali položaja opazovalca. Ostaja konstantna, enaka 299.792.458 ± 1,2 m/s. Toda v različnih prozornih medijih bo ta hitrost manjša od hitrosti v vakuumu. Vsak prozoren medij ima optično gostoto. In višje ko je, počasnejša je svetlobna hitrost v njej. Na primer, hitrost svetlobe v zraku je večja od hitrosti svetlobe v vodi, v čistem optičnem steklu pa je manjša kot v vodi.

Če se svetloba premika iz manj gostega medija v gostejšega, se njena hitrost zmanjša. In če pride do prehoda iz bolj gostega medija v manj gosto, potem se hitrost, nasprotno, poveča. To pojasnjuje, zakaj se svetlobni žarek odkloni na prehodni meji med dvema medijema.

Tema o tem, kako meriti in kakšna je hitrost svetlobe, zanima znanstvenike že od antičnih časov. To je zelo zanimiva tema, ki je že od nekdaj predmet znanstvenih razprav. Menijo, da je takšna hitrost končna, nedosegljiva in stalna. Je nedosegljiva in stalna, kot neskončnost. Hkrati je končna. Izkazalo se je, da je zanimiva fizikalna in matematična uganka. Obstaja ena možnost za rešitev te težave. Konec koncev je bila hitrost svetlobe še vedno izmerjena.

V starih časih so misleci verjeli, da hitrost svetlobe- to je neskončna količina. Prva ocena tega kazalnika je bila podana leta 1676. Olaf Roemer. Po njegovih izračunih je bila hitrost svetlobe približno 220 tisoč km/s. To ni bila povsem točna vrednost, a blizu prave.

Končnost in ocena hitrosti svetlobe sta bili potrjeni pol stoletja kasneje.

V prihodnosti znanstvenik Fizeau Hitrost svetlobe je bilo mogoče določiti s časom, ko je žarek prepotoval natančno razdaljo.

Izvedel je poskus (glej sliko), med katerim je svetlobni žarek odšel od vira S, se odbil od zrcala 3, prekinil z zobatim diskom 2 in prešel bazo (8 km). Nato ga je ogledalo 1 odbilo in vrnilo na disk. Svetloba je padla v režo med zobmi in jo je bilo mogoče opazovati skozi okular 4. Čas, ki je bil potreben, da je žarek potoval skozi podlago, je bil določen glede na hitrost vrtenja diska. Vrednost, ki jo je dobil Fizeau, je bila: c = 313300 km/s.

Hitrost širjenja žarka v katerem koli mediju je manjša od te hitrosti v vakuumu. Poleg tega ima ta indikator za različne snovi različne vrednosti. Nekaj ​​let pozneje Foucault zamenjal disk s hitro vrtečim se ogledalom. Privrženci teh znanstvenikov so vedno znova uporabljali njihove metode in raziskovalne načrte.

Osnova so leče optični instrumenti. Ali veste, kako se izračuna? To lahko ugotovite tako, da preberete enega od naših člankov.

Najdete lahko informacije o tem, kako nastaviti optični cilj, sestavljen iz takšnih leč. Preberite naše gradivo in ne boste imeli nobenih vprašanj o temi.

Kakšna je hitrost svetlobe v vakuumu?

Najbolj natančna meritev svetlobne hitrosti kaže številko 1.079.252.848,8 kilometrov na uro oz. 299.792.458 m/s. Ta številka velja samo za pogoje, ustvarjene v vakuumu.

Toda za reševanje težav se običajno uporablja indikator 300.000.000 m/s. V vakuumu je svetlobna hitrost v Planckovih enotah 1. Svetlobna energija torej potuje 1 Planckovo enoto dolžine v 1 enoti Planckovega časa. Če nastane vakuum v naravne razmere, potem lahko rentgenski žarki potujejo s tako hitrostjo, svetlobni valovi vidni spekter in gravitacijski valovi.

Med znanstveniki obstaja jasno mnenje, da lahko delci z maso dosežejo hitrost, ki je čim bližja svetlobni hitrosti. Toda kazalnika ne morejo doseči in preseči. Med študijo je bila zabeležena najvišja hitrost blizu svetlobne hitrosti kozmični žarki in med pospeševanjem določenih delcev v pospeševalnikih.

Hitrost svetlobe v katerem koli mediju je odvisna od lomnega količnika tega medija.

Ta indikator je lahko drugačen za različne frekvence. Natančna meritev količine je pomembna za izračun drugih fizikalnih parametrov. Na primer za določanje razdalje med prehodom svetlobe ali radijskih signalov pri optičnem merjenju, radarju, merjenju svetlobe in drugih področjih.

Sodobni znanstveniki uporabljajo različne metode za določanje hitrosti svetlobe. Nekateri strokovnjaki uporabljajo astronomske metode, pa tudi merilne metode z uporabo eksperimentalne tehnologije. Pogosto se uporablja izboljšana metoda Fizeau. V tem primeru se zobnik zamenja s svetlobnim modulatorjem, ki oslabi ali prekine svetlobni snop. Sprejemnik je tu fotoelektrični množilnik ali fotocelica. Vir svetlobe je lahko laser, kar pomaga zmanjšati merilno napako. Določanje svetlobne hitrosti Glede na čas prehoda baze se lahko izvaja z neposrednimi ali posrednimi metodami, ki prav tako omogočajo natančne rezultate.

Katere formule se uporabljajo za izračun hitrosti svetlobe?

1. Hitrost širjenja svetlobe v vakuumu je absolutna vrednost. Fiziki ga označujejo s črko "c". To je temeljna in stalna vrednota, ki ni odvisna od izbire sistema poročanja in označuje čas in prostor kot celoto. Znanstveniki domnevajo, da je ta hitrost največja hitrost gibanja delcev.

   Formula hitrosti svetlobe v vakuumu:

   s = 3 * 10^8 = 299792458 m/s

   tukaj je c indikator hitrosti svetlobe v vakuumu.

2. Znanstveniki so to dokazali hitrost svetlobe v zraku skoraj sovpada s hitrostjo svetlobe v vakuumu. Lahko se izračuna po formuli: