Чи залежить швидкість світла від середовища. Чому швидкість світла константа на пальцях ™. Рівняння Джеймса Максвелла - електромагнітна природа світла

доктор технічних наук А. ГОЛУБЄВ

Поняття швидкості поширення хвилі виявляється простим тільки у відсутності дисперсії.

Лін Вестергард ХЕУ біля установки, на якій був проведений унікальний експеримент.

Навесні минулого року наукові та науково-популярні журнали світу повідомили сенсаційну новину. Американські фізики провели унікальний експеримент: вони зуміли знизити швидкість світла до 17 метрів в секунду.

Всі знають, що світло поширюється з величезною швидкістю - майже 300 тисяч кілометрів на секунду. Точне значення її величини в вакуумі \u003d 299792458 м / с - фундаментальна фізична константа. Відповідно до теорії відносності, це максимально можлива швидкість передачі сигналу.

У будь-прозорому середовищі світло поширюється повільніше. Його швидкість v залежить від показника заломлення середовища n: v \u003d с / n. Показник заломлення повітря - 1,0003, води - 1,33, різних сортів скла - від 1,5 до 1,8. Одне з найбільших значень показника заломлення має алмаз - 2,42. Таким чином, швидкість світла в звичайних речовинах зменшиться не більше ніж в 2,5 рази.

На початку 1999 року група фізиків з Роуландовского інституту наукових досліджень при Гарвардському університеті (штат Массачусетс, США) і зі Стенфордського університету (штат Каліфорнія) досліджувала макроскопічний квантовий ефект - так звану самоіндуцірованной прозорість, пропускаючи лазерні імпульси через непрозору в звичайних умовах середу. Цією середовищем були атоми натрію, що знаходяться в особливому стані, званому бозе-ейнштейнівської конденсатом. При опроміненні лазерним імпульсом він набуває оптичні властивості, які зменшують групову швидкість імпульсу в 20 мільйонів разів у порівнянні зі швидкістю у вакуумі. Експериментаторам вдалося довести швидкість світла до 17 м / с!

Перш ніж описувати сутність цього унікального експерименту, нагадаємо зміст деяких фізичних понять.

Групова швидкість. При поширенні світла в середовищі розрізняють дві швидкості - фазову і групову. Фазова швидкість v ф характеризує переміщення фази ідеальної монохроматичної хвилі - нескінченної синусоїди строго однієї частоти і визначає напрямок поширення світла. Фазовоїшвидкості в середовищі відповідає фазовий показник заломлення - той самий, значення якого вимірюються для різних речовин. Фазовий показник заломлення, а отже, і фазова швидкість залежать від довжини хвилі. Ця залежність називається дисперсією; вона призводить, зокрема, до розкладання білого світла, що проходить через призму, в спектр.

Але реальна світлова хвиля складається з набору хвиль різних частот, що групуються в деякому спектральному інтервалі. Такий набір називають групою хвиль, хвильовим пакетом або світловим імпульсом. Ці хвилі поширюються в середовищі з різними фазовими швидкостями через дисперсії. При цьому імпульс розтягується, а його форма змінюється. Тому для опису руху імпульсу, групи хвиль в цілому, вводять поняття групової швидкості. Воно має сенс тільки в разі вузького спектра і в середовищі зі слабкою дисперсією, коли відмінність фазових швидкостей окремих складових невелика. Для кращого з'ясування ситуації можна навести наочну аналогію.

Уявімо собі, що на лінії старту вишикувалися сім спортсменів, одягнених в різнокольорові майки за кольорами спектра: червону, помаранчеву, жовту і т. Д. За сигналом стартового пістолета вони одночасно починають біг, але "червоний" спортсмен біжить швидше, ніж "помаранчевий" , "помаранчевий" - швидше, ніж "жовтий", і т. д., так що вони розтягуються в ланцюжок, довжина якої безперервно збільшується. А тепер уявімо, що ми дивимося на них зверху з такої висоти, що окремих бігунів розрізняємо, а бачимо просто строкате пляма. Чи можна говорити про швидкість руху цього плями як цілого? Можна, але тільки в тому випадку, якщо воно не дуже розпливається, коли різниця в швидкостях різнокольорових бігунів невелика. В іншому випадку пляма може розтягнутися на всю довжину траси, і питання про його швидкості втратить сенс. Це відповідає сильної дисперсії - великого розкиду швидкостей. Якщо бігунів одягнути в майки майже одного кольору, що розрізняються лише відтінками (скажімо, від темно-червоного до світло-червоного), це стане відповідати випадку вузького спектра. Тоді і швидкості бігунів будуть відрізнятися не набагато, група при русі залишиться досить компактною і може бути охарактеризована цілком певною величиною швидкості, яка і називається груповий.

Статистика Бозе-Ейнштейна. Це один з видів так званої квантової статистики - теорії, що описує стан систем, що містять дуже велике число частинок, що підкоряються законам квантової механіки.

Всі частинки - як ув'язнені в атомі, так і вільні - діляться на два класи. Для одного з них справедливий принцип заборони Паулі, згідно з яким на кожному енергетичному рівні не може перебувати більше однієї частинки. Частинки цього класу називаються фермионами (це електрони, протони і нейтрони; в цей же клас входять частинки, що складаються з непарного числа ферміонів), а закон їх розподілу називається статистикою Фермі-Дірака. Частинки іншого класу називаються бозонами і не підкоряються принципу Паулі: на одному енергетичному рівні може накопичуватися необмежену кількість бозонів. У цьому випадку говорять про статистику Бозе-Ейнштейна. До бозонів відносяться фотони, деякі короткоживучі елементарні частинки (Наприклад, пі-мезони), а також атоми, що складаються з парного числа ферміонів. при дуже низьких температурах бозони збираються на найнижчому - основному - енергетичному рівні; і хтось скаже, що відбувається бозе-ейнштейнівська конденсація. Атоми конденсату втрачають свої індивідуальні властивості, І кілька мільйонів їх починають вести себе як одне ціле, їх хвильові функції зливаються, а поведінка описується одним рівнянням. Це дає можливість говорити, що атоми конденсату стали когерентними, подібно фотонам в лазерному випромінюванні. Дослідники з американського національного інституту стандартів і технологій використовували цю властивість конденсату Бозе-Ейнштейна для створення "атомного лазера" (див. "Наука і життя" № 10, 1997 г.).

Самоіндуцірованной прозорість. Це один з ефектів нелінійної оптики - оптики потужних світлових полів. Він полягає в тому, що дуже короткий і потужний світловий імпульс проходить без ослаблення через середу, яка поглинає безперервне випромінювання або довгі імпульси: чи не прозоре середовище стає для нього прозорою. Самоіндуцірованая прозорість спостерігається в розріджених газах при тривалості імпульсу порядку 10 -7 - 10 -8 с і в конденсованих середовищах - менше 10 -11 c. При цьому виникає запізнювання імпульсу - його групова швидкість сильно зменшується. Вперше цей ефект був продемонстрований Мак-Коллом і Ханом в 1967 році на рубін при температурі 4 К. У 1970 році в парах рубідію були отримані затримки, відповідні швидкостям імпульсу, на три порядки (в 1000 разів) меншим швидкості світла у вакуумі.

Звернемося тепер до унікального експерименту 1999 року. Його здійснили Льон Вестергард ХЕУ, Захарі Даттон, Сайрус Берузі (Роуландовскій інститут) і Стів Харріс (Стенфордський університет). Вони охолодили щільне, що утримується магнітним полем хмара атомів натрію до переходу їх в основний стан - на рівень з найменшою енергією. При цьому виділяли тільки ті атоми, у яких магнітний дипольний момент був направлений протилежно напрямку магнітного поля. Потім дослідники охолодили хмара до температури менше 435 нк (нанокельвінов, тобто 0,000000435 К, майже до абсолютного нуля).

Після цього конденсат висвітлили "сполучною пучком" лінійно поляризованого лазерного світла з частотою, що відповідає енергії його слабкого збудження. Атоми перейшли на більш високий енергетичний рівень і перестали поглинати світло. В результаті конденсат став прозорим для йде слідом лазерного випромінювання. І ось тут з'явилися дуже дивні і незвичайні ефекти. Вимірювання показали, що при певних умовах імпульс, що проходить через бозе-ейнштейнівської конденсат, відчуває затримку, відповідну уповільнення світла більш ніж на сім порядків - в 20 мільйонів разів. Швидкість світлового імпульсу сповільнилася до 17 м / с, а його довжина зменшилася в кілька разів - до 43 мікрометрів.

Дослідники вважають, що, уникнувши лазерного нагріву конденсату, їм вдасться ще сильніше уповільнити світло - можливо, до швидкості декількох сантиметрів в секунду.

Система з такими незвичайними характеристиками дозволить дослідити квантово-оптичні властивості речовини, а також створювати різні пристрої для квантових комп'ютерів майбутнього, скажімо, однофотонні перемикачі.

епіграф
Вчителька запитує: Діти, що швидше за все на світі?
Танечка говорить: Швидше за все слово. Тільки сказав, уже не повернеш.
Іванко каже: Ні, швидше за все світло.
Тільки натиснув на вимикач, а в кімнаті відразу світло стало.
А Вовочка заперечує: Швидше за все на світі пронос.
Мені одного разу так закортіло, що ні слова
сказати не встиг, ні світло включити.

Чи замислювалися ви коли-небудь, чому швидкість світла максимальна, кінцева і постійна в нашому Всесвіті? це вельми цікаве питання, І відразу, як спойлера, видам страшну таємницю відповіді на нього - ніхто точно не знає, чому. Швидкість світла береться, тобто подумки приймається за константу, і на цьому постулаті, а так само на ідеї, що всі інерціальні системи відліку рівноправні Альберт Ейнштейн побудував свою спеціальну теорію відносності, яка ось уже сто років виводить вчених з себе, дозволяючи Ейнштейну безкарно показувати світу мову і посміхатися в труні над розмірами свині, яку він підклав всьому людству.

Але чому, власне, вона така постійна, така максимальна і така кінцева відповіді так і немає, це лише аксіома, тобто прийняте на віру твердження, що підтверджується спостереженнями і здоровим глуздом, але ніяк нізвідки логічно або математично виведене. І цілком ймовірно, що не таке вже й вірне, однак ніхто досі не зміг його спростувати ні яким досвідом.

У мене є свої міркування з цього приводу, про них пізніше, а поки по простому, на пальцях ™ спробую відповісти хоча б на одну частину - що означає швидкість світла "постійна".

Ні, я не буду вантажити вас уявними експериментами, що буде якщо в ракеті, що летить зі швидкістю світла, включити фари і т.д., зараз трохи не про це.

Якщо ви подивіться в довіднику або вікіпедії, швидкість світла у вакуумі визначена як фундаментальна фізична константа, яка точно дорівнює 299 792 458 м / с. Ну, тобто якщо говорити приблизно, то це буде близько 300 000 км / с, а ось якщо прям точно - 299 792 458 метрів в секунду.

Здавалося б, звідки така точність? Будь-яка математична або фізична константа, що не візьми, хоч Пі, хоч підстава натурального логарифма е, Хоч гравітаційна стала G, або постійна Планка h, Завжди містять якісь цифри після коми. У Пі цих знаків після коми на сьогоднішній момент відомо близько 5 трильйонів (хоча якийсь б то ні було фізичний зміст, Мають тільки перші 39 цифр), гравітаційна стала сьогодні визначена як G ~ 6,67384 (80) x10 -11, а постійна Планка h ~ 6.62606957 (29) x10 -34.

Швидкість же світла у вакуумі становить рівно 299 792 458 м / с, ні сантиметром більше, ні наносекунд менше. Хочете дізнатися, звідки така точність?

Почалося все як завжди з давніх греків. Науки, як такої, в сучасному розумінні цього слова, у них не існувало. філософи стародавньої Греції тому і називалися філософами, бо спочатку вигадували якусь хрень у себе в голові, а потім за допомогою логічних умовиводів (а іноді і реальних фізичних дослідів) намагалися довести її або спростувати. Однак використання реально існуючих фізичних вимірювань і феноменів вважалися у них доказами "другого сорту", які не йдуть ні в яке порівняння з першосортними логічними висновками одержуваними висновками прямо з голови.

Першим, хто задумався про існування у світла власної швидкості, вважають філософа Емпідокла, який заявляв, що світло є рух, а у руху повинна бути швидкість. Йому заперечував Аристотель, який стверджував, що світло це просто присутність чогось в природі, і все. І нічого нікуди не рухається. Але це ще що! Евклід з Птолемеєм так ті взагалі вважали, що світло випромінюється з наших очей, а потім падає на предмети, і тому ми їх бачимо. Коротше стародавні греки тупили як могли, поки їх не завоювали такі ж древні римляни.

У середні століття більшість вчених продовжували вважати, що швидкість поширення світла нескінченна, серед таких були, скажімо, Декарт, Кеплер і Ферма.

Але деякі, наприклад Галілей, вірили, що у світла є швидкість, а значить її можна виміряти. Широко відомий досвід Галілея, який запалював лампу і світил помічникові, що знаходиться від Галілея в декількох кілометрах. Побачивши світло, помічник запалював свою лампу, і Галілей намагався виміряти затримку між даними моментами. Природно у нього нічого не виходило, і врешті-решт він змушений був написати в своїх творах, що якщо у світла є швидкість, то вона надзвичайно велика і не піддається виміру людськими зусиллями, а тому можна вважати її нескінченною.

Перша документальна вимірювання швидкості світла приписується датському астроному Олафа Ремеру в 1676м році. На цей рік астрономи, озброєні підзорними трубами того самого Галілея, щосили спостерігали за супутниками Юпітера і навіть вирахували періоди їх обертання. Вчені визначили, що найближчий до Юпітера супутник Іо має період обертання приблизно 42 години. Однак Ремер зауважив, що іноді Іо з'являється через Юпітера на 11 хвилин раніше, ніж передбачалося, а іноді на 11 хвилин пізніше. Як виявилося, Іо з'являється раніше в ті періоди, коли Земля, обертаючись навколо Сонця, наближається до Юпітера на мінімальну відстань, і відстає на 11 хвилин тоді, коли Земля знаходиться в протилежному місці орбіти, а значить знаходиться від Юпітера далі.

Тупо поділивши діаметр земної орбіти (а він в ті часи був уже більш-менш відомий) на 22 хвилини Ремер отримав швидкість світла 220 000 км / с, приблизно на третина не дорахувавшись до істинного значення.

У 1729м році англійський астроном Джеймс Бредлі, спостерігаючи за параллаксом (Невеликим відхиленням розташування) зірки Етамін (Гамма Дракона) відкрив ефект аберації світла, Тобто зміна положення на небосхилі найближчих до нас зірок через рух Землі навколо Сонця.

З ефекту аберації світла, виявленого Бредлі, так само можна вивести, що світло має кінцеву швидкість поширення, за що Бредлі і вхопився, обчисливши її рівною приблизно 301 000 км / с, що вже в межах точності 1% від відомої сьогодні величини.

Потім пішли всі уточнюючі вимірювання іншими вченими, але так як вважалося, що світло є хвиля, а хвиля не може поширюватися сама по собі, потрібно щоб щось "хвилювалося", виникла ідея існування "світлоносного ефіру", виявлення якого з тріском провалив американський фізик Альберт Майкельсон. Ніякого світлоносного ефіру він не виявив, але в 1879м році уточнив швидкість світла до 299 910 ± 50 км / с.

Приблизно в цей же час Максвелл публікує свою теорію електромагнетизму, а значить швидкість світла стало можливо не тільки безпосередньо вимірювати, але і виводити з значень електричної і магнітної проникності, що і було зроблено уточнивши значення швидкості світла до 299 788 км / с в 1907м році.

Нарешті Ейнштейн заявив, що швидкість світла у вакуумі - константа і не залежить взагалі ні від чого. Навпаки, все інше - складання швидкостей і знаходження правильних систем відліку, ефекти уповільнення часу і зміни відстаней при русі з великими швидкостями і ще безліч інших релятивістських ефектів залежать від швидкості світла (бо вона входить в усі формули як константи). Коротше, все в світі відносно, а швидкість світла і є та величина, щодо якої відносні всі інші речі в нашому світі. Тут, можливо, слід віддати пальму першості Лоренцу, але не будемо меркантильні, Ейнштейн так Ейнштейн.

Точне визначення значення цієї константи тривало весь 20й століття, з кожним десятиліттям вчені знаходили все більше цифр, після коми в швидкості світла, поки в їх головах не почали зароджуватися певні підозри.

Все більше і більше точно визначаючи, скільки метрів в вакуумі світло проходить за секунду, вчені почали замислюватися, а що це ми все в метрах щось міряємо? Адже врешті-решт, метр це просто довжина якийсь платино-іридієвої палиці, яку хтось забув в якомусь музеї під Парижем!

А спочатку ідея введення стандартного метра здавалася прекрасною. Щоб не мучитися з ярдами, футами та іншими косими сажнями, французами в 1791м році було вирішено прийняти за стандартну міру довжини одну десятимільйонна частина відстані від Північного Полюса до екватора по меридіану, що проходить через Париж. Виміряли яку з точністю, яка знаходиться на той час, відлили палицю з платино-іридієвого (точніше спочатку латунного, потім Платіні, а вже потім платино-іридієвого) сплаву і поклали в цю саму паризьку палату мір і ваг, як зразок. Чим далі, тим більше з'ясовується, що земна поверхня змінюється, материки деформуються, меридіани зсуваються і на одну десятимільйонна частина забили, а стали вважати метром саме довжину тієї палицю, що лежить в кришталевій труні паризького "мавзолею".

Таке ідолопоклонство не личить справжньому вченому, тут вам не Червона Площа (!), І в 1960м році було вирішено спростити поняття метра до цілком очевидного визначення - метр точно дорівнює 1 650 763,73 довжин хвиль, що випускаються переходом електронів між енергетичними рівнями 2p10 і 5d5 збудженому ізотопу елемента Криптон-86 в вакуумі. Ну, куди ще ясніше?

Так тривало 23 роки, при цьому швидкість світла у вакуумі вимірювалася з дедалі більшою точністю, поки в 1983м році нарешті навіть до самих упертих ретроградів дійшло, що швидкість світла і є сама що ні на є точна і ідеальна константа, а не якийсь там ізотоп криптону. І все було вирішено перевернути з ніг на голову (точніше, якщо задуматися, вирішено було все перевернути якраз таки назад з голови на ноги), тепер швидкість світла з - справжня константа, а метр це відстань, яку проходить світло у вакуумі за (1/299 792 458) секунди.

Реальне значення швидкості світла продовжує уточнюватися і в наші дні, але що цікаво - з кожним новим досвідом вчені не швидкість світла уточнюють, а справжню довжину метра. І чим точніше буде знайдена швидкість світла в найближчі десятиліття, тим точніший метр ми в результаті отримаємо.

А не навпаки.

Ну, а тепер повернемося до наших баранів. Чому ж швидкість світла у вакуумі нашого Всесвіту максимальна, кінцева і постійна? Я це розумію так.

Всім відомо, що швидкість звуку в металі, та й практично в будь-якому твердому тілі набагато вище швидкості звуку в повітрі. Перевірити це дуже легко, варто прикласти вухо до рейці, і можна буде почути звуки поїзда, що наближається набагато раніше, ніж по повітрю. Чому так? Очевидно, що звук по суті, один і той же, і швидкість його поширення залежить від середовища, від конфігурації молекул, з яких це середовище складається, від її щільності, від параметрів її кристалічної решітки - коротше від поточного стану того медіума, за яким звук передається.

І хоча від ідеї світлоносного ефіру давно вже відмовилися, вакуум, за яким відбувається поширення електромагнітних хвиль, це не зовсім прям абсолютне ніщо, яким би порожнім він нам не здавався.

Я розумію, що аналогія кілька притягнута за вуха, ну так адже на пальцях ™ ж! Саме в якості доступною аналогії, а ні в якій мірі не як прямий перехід від одного набору фізичних законів до інших, я лише прошу представити, що в чотиривимірну метрику простору-часу, яку ми по доброті душевній називаємо вакуумом, вшита швидкість поширення електромагнітних (і взагалі будь-яких, у тому числі глюонів і гравітаційні) коливань, як в рельсу "вшита" швидкість звуку в стали. Звідси і танцюємо.

UPD: До речі кажучи, "читачам із зірочкою" пропоную пофантазувати, залишається чи швидкість світла постійної в "непростому вакуумі". Наприклад вважається, що при енергіях порядку температури 10 30 К, вакуум припиняє просто кипіти віртуальними частинками, а починає "википати", тобто тканину простору розвалюється на шматки, планковские величини розмиваються і втрачають свій фізичний зміст і т.д. Чи буде швидкість світла в подібному вакуумі все ще дорівнювати c, Або це покладе початок нової теорії "Релятивистского вакууму" з поправками на кшталт лоренцевскіх коефіцієнтів при екстремальних швидкостях? Не знаю, не знаю, час покаже ...

Щоб визначити швидкість (пройдену відстань / витрачений час) ми повинні вибрати стандарти відстані і часу. Різні стандарти можуть дати різні результати вимірювання швидкості.

Постійна чи швидкість світла?

[Насправді постійна тонкої структури залежить від масштабу енергії, але тут ми маємо на увазі її низькоенергетичний межа.]

Спеціальна теорія відносності

Визначення метра в системі СІ також засновано на припущенні про коректність теорії відносності. Швидкість світла константа відповідно до основним постулатом теорії відносності. Це постулат містить дві ідеї:

• Швидкість світла не залежить від руху спостерігача.
• Швидкість світла не залежить від координат в часі і просторі.

Ідея про незалежність швидкості світла від швидкості спостерігача суперечить інтуїції. Деякі люди навіть не можуть погодитися, що ця ідея логічна. У 1905 році Ейнштейн показав, що ця ідея логічно коректна, якщо відмовитися від припущення про абсолютну природу простору і часу.

У 1879 році вважалося, що світло повинне поширюватися по деякому середовищі в просторі, як звук поширюється по повітрю і інших речовин. Майкельсон і Морлі поставили експеримент з виявлення ефіру шляхом спостереження зміни швидкості світла при зміні напрямку руху Землі відносно Сонця протягом року. На їхнє здивування зміна швидкості світла не було виявлено.

Швидкістю світла називають відстань, яку світло проходить за одиницю часу. Ця величина залежить від того, в яку речовину поширюється світло.

У вакуумі швидкість світла дорівнює 299 792 458 м / с. Це найвища швидкість, яка може бути досягнута. При вирішенні завдань, які потребують особливої \u200b\u200bточності, цю величину приймають рівною 300 000 000 м / с. Передбачається, що зі швидкістю світла у вакуумі поширюються всі види електромагнітного випромінювання: радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання, гамма-випромінювання. Позначають її буквою з .

Як визначили швидкість світла

В античні часи вчені вважали, що швидкість світла нескінченна. Пізніше у вченій середовищі почалися дискусії з цього питання. Кеплер, Декарт і Ферма були згодні з думкою античних вчених. А Галілей і Гук вважали, що, хоча швидкість світла дуже велика, все-таки вона має кінцеве значення.

Галілео Галілей

Одним з перших швидкість світла спробував виміряти італійський вчений Галілео Галілей. Під час експерименту він і його помічник перебували на різних пагорбах. Галілей відкривав заслінку на своєму ліхтарі. У той момент, коли помічник бачив цей світ, він повинен був виконати ті ж дії зі своїм ліхтарем. Час, за який світло проходив шлях від Галілея до помічника і назад, виявилося таким коротким, що Галілей зрозумів, що швидкість світла дуже велика, і на такому короткому відстані виміряти її неможливо, так як світло поширюється практично миттєво. А зафіксоване їм час показує всього лише швидкість реакції людини.

Вперше швидкість світла вдалося визначити в 1676 р датському астроному Олафа Ремер за допомогою астрономічних відстаней. Спостерігаючи за допомогою телескопа затемнення супутника Юпітера Іо, він виявив, що в міру віддалення Землі від Юпітера кожне наступне затемнення наступає пізніше, ніж було розраховано. Максимальна запізнювання, коли Земля переходить на іншу сторону від Сонця і віддаляється від Юпітера на відстань, рівну діаметру земної орбіти, становить 22 години. Хоча в той час точний діаметр Землі не був відомий, учений розділив його приблизну величину на 22 години і отримав значення близько 220 000 км / с.

Олаф Ремер

Результат, отриманий Ремер, викликав недовіру у вчених. Але в 1849 р французький фізик Арман Іполит Луї Фізо виміряв швидкість світла методом обертового затвора. У його досвіді світло від джерела проходив між зубами обертового колеса і прямував на дзеркало. Відбитий від нього, він повертався назад. Швидкість обертання колеса збільшувалася. Коли вона досягала якогось певного значення, відбитий від дзеркала промінь затримувався перемістився зубцем, і спостерігач в цей момент нічого не бачив.

досвід Фізо

Физо обчислив швидкість світла в такий спосіб. Світло проходить шлях L від колеса до дзеркала за час, що дорівнює t 1 \u003d 2L / c . Час, за яке колесо робить поворот на ½ прорізи, так само t 2 \u003d T / 2N , де Т - період обертання колеса, N - кількість зубців. Частота обертів v \u003d 1 / T . Момент, коли спостерігач не бачить світла, настає при t 1 \u003d t 2 . Звідси отримуємо формулу для визначення швидкості світла:

з \u003d 4LNv

Провівши обчислення за цією формулою, Физо визначив, що з \u003d 313 000 000 м / с. Цей результат був набагато точніше.

Арман Іполит Луї Фізо

У 1838 р французький фізик і астроном Домінік Франсуа Жан Араго запропонував використовувати для обчислення швидкості світла метод обертових дзеркал. Цю ідею здійснив на практиці французький фізик, механік і астроном Жан Бернар Леон Фуко, який отримав в 1862 р значення швидкості світла (298 000 000 ± 500 000) м / с.

Домінік Франсуа Жан Араго

У 1891 р результат американського астронома Саймона Ньюкома виявився на порядок точніше результату Фуко. В результаті його обчислень з \u003d (99 810 000 ± 50 000) м / с.

Дослідження американського фізика Альберта Абрахама Майкельсона, який використав установку з обертовим восьмигранним дзеркалом, дозволили ще точніше визначити швидкість світла. У 1926 р учений виміряв час, за який світло проходив відстань між вершинами двох гір, рівне 35,4 км, і отримав з \u003d (299 796 000 ± 4 000) м / с.

Найбільш точне вимірювання було проведено в 1975 р У цьому ж році Генеральна конференція з мір та ваг рекомендувала вважати швидкість світла, яка дорівнює 299 792 458 ± 1,2 м / с.

Від чого залежить швидкість світла

Швидкість світла у вакуумі не залежить ні від системи відліку, ні від положення спостерігача. Вона залишається постійною величиною, рівною 299 792 458 ± 1,2 м / с. Але в різних прозорих середовищах ця швидкість буде нижче його швидкості у вакуумі. Будь-яка прозоре середовище має оптичну щільність. І чим вона вище, тим з меншою швидкістю поширюється в ній світло. Так, наприклад, швидкість світла в повітрі вище його швидкості в воді, а в чистому оптичному склі менше, ніж у воді.

Якщо світло переходить з менш щільного середовища в більш щільну, його швидкість зменшується. А якщо перехід відбувається з більш щільною середовища в менш щільну, то швидкість, навпаки, збільшується. Цим пояснюється, чому світловий промінь відхиляється на межі переходу двох середовищ.

Тема про те, як виміряти, а також чому дорівнює швидкість світла, цікавила вчених з давніх-давен. Це дуже захоплююча тема, яка споконвіку була об'єктом наукових диспутів. Вважається, що така швидкість є кінцевою, недосяжною і постійною величиною. Вона недосяжна і постійна, як нескінченність. При цьому вона конечна. Виходить цікава фізико-математична головоломка. Існує один з варіантів вирішення цього завдання. Адже швидкість світла все-таки вдалося виміряти.

В античні століття мислителі вважали, що швидкість поширення світла - це величина нескінченна. Першу оцінку цього показника дав в 1676 р Олаф Ремер. За його розрахунками швидкість світла дорівнювала приблизно 220 тисяч км / с. Це було не зовсім точне значення, але близьке до істинного.

Кінцівка і оцінка швидкості світла підтвердилися через півстоліття.

Надалі вченому Физо вдалося визначити швидкість світла по часу проходження променем точного відстані.

Він поставив досвід (див. Малюнок), в ході якого від джерела S відходив пучок світла, відбивався дзеркалом 3, переривався зубчастим диском 2 і проходив базу (8 км). Далі він відбивався дзеркалом 1 і повертався до диску. Світло потрапляв в проміжок між зубцями і його можна було спостерігати через окуляр 4. Час проходження променем бази визначалося в залежності від швидкостей обертання диска. Значення, отримане Физо, було таким: з \u003d 313300 км / с.

Швидкість поширення променя в будь-якої певної середовищі менше, ніж ця швидкість в вакуумі. Крім того, для різних речовин цей показник приймає різні значення. Через кілька років Фуко замінив диск на бистровращающєєся дзеркало. Послідовники цих вчених багаторазово використовували їх методи і схеми дослідження.

Лінзи є основою оптичних приладів. Знаєте, як обчислюється? Дізнатися це ви зможете, прочитавши одну з наших статей.

А інформацію про те як налаштувати оптичний приціл, що складається з таких лінз ви зможете знайти. Прочитайте наш матеріал і у вас не залишиться питань по темі.

Чому дорівнює швидкість світла у вакуумі?

Найточніше вимірювання швидкості світла показує цифру 1 079 252 848,8 кілометрів на годину або 299 792 458 м / c. Ця цифра справедлива тільки для умов, що створюються в вакуумі.

Але для вирішення завдань зазвичай застосовують показник 300 000 000 м / c. У вакуумі швидкість світла в планківських одиницях дорівнює 1. Таким чином, енергія світла проходить 1 одиниці планка довжини за 1 одиницю планковского часу. Якщо створюється вакуум в природних умовах, То з такою швидкістю можуть переміщатися рентгенівські промені, світлові хвилі видимого спектру і гравітаційні хвилі.

Існує однозначна думка вчених, що частинки, що мають масу, можуть приймати швидкість, яка максимально наближена до швидкості світла. Але досягти і перевищити показник вони не в змозі. Найбільша швидкість, наближена до швидкості світла, була зафіксована при дослідженні космічних променів і при розгоні деяких частинок в прискорювачах.

Значення швидкості світла в якому-небудь середовищі залежить від показника заломлення цього середовища.

Цей показник може бути різним для різних частот. Точне вимірювання величини має значення для розрахунку інших фізичних параметрів. Наприклад, для з'ясування відстані під час проходження світлових або радіосигналів в оптичній локації, радіолокації, светодальнометріі та інших сферах.

Сучасні вчені застосовують різні методи для визначення швидкості світла. Деякі фахівці використовують астрономічні способи, а також методи вимірювання за допомогою експериментальної техніки. Дуже часто застосовується вдосконалений метод Фізо. При цьому зубчасте колесо замінюють на модулятор світла, який послаблює або перериває пучок світла. Приймачем тут є фотоелектричний помножувач або фотоелемент. Джерелом світла може служити лазер, що допомагає знизити похибку вимірювань. Визначення швидкості світла за часом проходження бази може проходити прямими або непрямими методами, які також дозволяють отримати точні результати.

За якими формулами обчислюють швидкість світла

1. Швидкість поширення світла у вакуумі - це величина абсолютна. Фізики позначають її буквою «с». Це фундаментальна і постійна величина, яка не залежить від вибору системи звіту і дає характеристику часу і простору в цілому. Вчені припускають, що така швидкість є граничною швидкістю руху частинок.

   Формула швидкості світла в вакуумі:

   з \u003d 3 * 10 ^ 8 \u003d 299792458 м / с

   тут з є показником швидкості світла у вакуумі.

2. Вчені довели, що швидкість світла в повітрі майже збігається зі швидкістю світла у вакуумі. Її можна обчислити за формулою: