Valguse levimise kiirus erinevates meediumites. Mis on valguse kiirus
Tõesti kuidas? Kuidas mõõta suurimat kiirust Universum meie tagasihoidlikes maistes tingimustes? Me ei pea enam selle üle oma ajusid rabelema – lõppude lõpuks on nii paljud inimesed selle teemaga tegelenud mitme sajandi jooksul, töötades välja meetodeid valguse kiiruse mõõtmiseks. Alustame lugu järjekorras.
Valguse kiirus– elektromagnetlainete levimise kiirus vaakumis. Seda tähistatakse ladina tähega c. Valguse kiirus on ligikaudu 300 000 000 m/s.
Valguse kiiruse mõõtmise küsimusele ei mõelnud alguses keegi. Valgust on - see on suurepärane. Siis, antiikaja ajastul, oli teadusfilosoofide seas valdav arvamus, et valguse kiirus on lõpmatu, see tähendab hetkeline. Siis see juhtus keskaeg inkvisitsiooniga, kui mõtlevate ja edumeelsete inimeste põhiküsimus oli "Kuidas vältida tulle sattumist?" Ja seda ainult epohhide kaupa Renessanss Ja Valgustus Teadlaste arvamused mitmekordistusid ja loomulikult jagunesid.
Niisiis, Descartes, Kepler Ja Talu olid antiikaja teadlastega samal arvamusel. Kuid ta uskus, et valguse kiirus on piiratud, kuigi väga suur. Tegelikult tegi ta esimese valguse kiiruse mõõtmise. Täpsemalt tegi ta esimese katse seda mõõta.
Galileo eksperiment
Kogemused Galileo Galilei oli oma lihtsuses geniaalne. Teadlane viis läbi katse valguse kiiruse mõõtmiseks, relvastatud lihtsate improviseeritud vahenditega. Üksteisest suurel ja tuntud kaugusel, erinevatel küngastel, seisid Galileo ja tema assistent põlenud laternatega. Üks neist avas laternal luugi ja teine pidi sama tegema, kui nägi esimese laterna valgust. Teades vahemaad ja aega (viivitus, enne kui assistent laterna avab), eeldas Galileo valguse kiiruse arvutamist. Kahjuks pidid Galileo ja tema assistent selle katse õnnestumiseks valima künkad, mis asusid üksteisest mitme miljoni kilomeetri kaugusel. Tuletan teile meelde, et saate veebisaidil avalduse täites.
Roemer ja Bradley katsed
Esimene edukas ja üllatavalt täpne katse valguse kiiruse määramisel oli Taani astronoomi katse Olaf Roemer. Roemer kasutas valguse kiiruse mõõtmiseks astronoomilist meetodit. 1676. aastal jälgis ta Jupiteri satelliiti Io läbi teleskoobi ja avastas, et satelliidi varjutuse aeg muutub Maa eemaldudes Jupiterist. Maksimaalne viivitusaeg oli 22 minutit. Arvutades, et Maa eemaldub Jupiterist Maa orbiidi läbimõõdu kaugusel, jagas Römer läbimõõdu ligikaudse väärtuse viivitusajaga ja sai väärtuseks 214 000 kilomeetrit sekundis. Muidugi oli selline arvutus väga konarlik, planeetide vahelised kaugused olid teada vaid ligikaudselt, kuid tulemus osutus tõele suhteliselt lähedaseks.
Bradley kogemus. Aastal 1728 James Bradley hindas valguse kiirust tähtede aberratsiooni jälgides. Lühend on tähe näiva asendi muutus, mis on põhjustatud Maa liikumisest tema orbiidil. Teades Maa kiirust ja mõõtes aberratsiooninurka, sai Bradley väärtuseks 301 000 kilomeetrit sekundis.
Fizeau kogemus
Tolleaegne teadusmaailm reageeris Roemeri ja Bradley katse tulemusele umbusaldamisega. Bradley tulemus oli aga kõige täpsem üle saja aasta, kuni 1849. aastani. Sel aastal prantsuse teadlane Armand Fizeau mõõtis valguse kiirust pöörleva katiku meetodil, ilma taevakehasid vaatlemata, vaid siin Maal. Tegelikult oli see esimene laborimeetod valguse kiiruse mõõtmiseks alates Galileost. Allpool on diagramm selle labori seadistustest.
Peeglist peegeldunud valgus läbis ratta hammaste ja peegeldus teisest peeglist, mis oli 8,6 kilomeetri kaugusel. Ratta kiirust suurendati, kuni järgmises vahes tuli nähtavaks. Fizeau arvutused andsid tulemuseks 313 000 kilomeetrit sekundis. Aasta hiljem tegi sarnase katse pöörleva peegliga Leon Foucault, kes sai tulemuseks 298 000 kilomeetrit sekundis.
Maserite ja laserite tulekuga on inimestel tekkinud uued võimalused ja viisid valguse kiiruse mõõtmiseks ning teooria areng võimaldas arvutada valguse kiirust ka kaudselt, ilma otseseid mõõtmisi tegemata.
Valguse kiiruse kõige täpsem väärtus
Inimkond on kogunud tohutuid kogemusi valguse kiiruse mõõtmisel. Tänapäeval peetakse valguse kiiruse kõige täpsemaks väärtuseks 299 792 458 meetrit sekundis, saadud 1983. aastal. Huvitav on see, et edasine valguse kiiruse täpsem mõõtmine osutus mõõtmisvigade tõttu võimatuks meetrit. Praegu on meetri väärtus seotud valguse kiirusega ja võrdub vahemaaga, mille valgus läbib 1/299 792 458 sekundiga.
Lõpuks, nagu alati, soovitame vaadata õppevideot. Sõbrad, isegi kui seisate silmitsi sellise ülesandega nagu valguse kiiruse iseseisev mõõtmine improviseeritud vahenditega, võite abi saamiseks julgelt pöörduda meie autorite poole. Avalduse saate täita korrespondentüliõpilase veebisaidil. Soovime teile meeldivat ja kerget õppimist!
Möödunud kevadel avaldasid teadus- ja populaarteaduslikud ajakirjad üle maailma sensatsioonilisi uudiseid. Ameerika füüsikud viisid läbi ainulaadse katse: neil õnnestus vähendada valguse kiirust 17 meetrini sekundis.
Kõik teavad, et valgus liigub tohutu kiirusega - peaaegu 300 tuhat kilomeetrit sekundis. Selle väärtuse täpne väärtus vaakumis = 299792458 m/s on füüsikaline põhikonstant. Relatiivsusteooria järgi on see maksimaalne võimalik signaaliedastuskiirus.
Igas läbipaistvas keskkonnas liigub valgus aeglasemalt. Selle kiirus v sõltub keskkonna n murdumisnäitajast: v = c/n. Õhu murdumisnäitaja on 1,0003, vee - 1,33, erinevat tüüpi klaaside murdumisnäitaja - 1,5 kuni 1,8. Teemantil on üks kõrgemaid murdumisnäitaja väärtusi - 2,42. Seega väheneb valguse kiirus tavalistes ainetes mitte rohkem kui 2,5 korda.
1999. aasta alguses uuris rühm füüsikuid Harvardi ülikooli (Massachusetts, USA) Rowlandi teadusuuringute instituudist ja Stanfordi ülikoolist (California) makroskoopilist kvantefekti – nn iseindutseeritud läbipaistvust, laserimpulsside läbilaskmist läbi keskkonna. mis on tavaliselt läbipaistmatu. See keskkond oli naatriumi aatomid erilises olekus, mida nimetatakse Bose-Einsteini kondensaadiks. Laserimpulsiga kiiritades omandab see optilised omadused, mis vähendavad impulsi grupikiirust 20 miljonit korda võrreldes kiirusega vaakumis. Katsetajatel õnnestus tõsta valguse kiirus 17 m/s-ni!
Enne selle ainulaadse katse olemuse kirjeldamist tuletagem meelde mõne füüsikalise mõiste tähendust.
Grupi kiirus. Kui valgus levib läbi keskkonna, eristatakse kahte kiirust: faasi ja rühma. Faasikiirus vf iseloomustab ideaalse monokromaatilise laine – rangelt ühe sagedusega lõpmatu siinuslaine – faasi liikumist ja määrab valguse levimise suuna. Faasikiirus söötmes vastab faasi murdumisnäitajale - samale, mille väärtusi mõõdetakse erinevate ainete jaoks. Faasi murdumisnäitaja ja seega ka faasikiirus sõltub lainepikkusest. Seda sõltuvust nimetatakse dispersiooniks; see viib eelkõige prismat läbiva valge valguse lagunemiseni spektriks.
Kuid tõeline valguslaine koosneb erineva sagedusega lainete kogumist, mis on rühmitatud teatud spektrivahemikus. Sellist komplekti nimetatakse lainete rühmaks, lainepaketiks või valgusimpulsiks. Need lained levivad dispersiooni tõttu läbi keskkonna erinevate faasikiirustega. Sel juhul impulss venitatakse ja selle kuju muutub. Seetõttu võetakse impulsi, lainete rühma kui terviku liikumise kirjeldamiseks kasutusele rühma kiiruse mõiste. See on mõttekas ainult kitsa spektri korral ja nõrga dispersiooniga keskkonnas, kui üksikute komponentide faasikiiruste erinevus on väike. Olukorra paremaks mõistmiseks võime tuua selge analoogia.
Kujutagem ette, et stardijoonele rivistusid seitse sportlast, riietatud vastavalt spektri värvidele erinevat värvi särki: punane, oranž, kollane jne. Stardipüstoli märguandel hakkavad nad korraga jooksma, kuid “punane” ” sportlane jookseb kiiremini kui “oranž”. , “oranž” on kiirem kui “kollane” jne, nii et nad venivad ketiks, mille pikkus pidevalt suureneb. Kujutage nüüd ette, et me vaatame neid ülalt selliselt kõrguselt, et me ei suuda üksikuid jooksjaid eristada, vaid näeme lihtsalt kirjut kohta. Kas selle koha kui terviku liikumiskiirusest saab rääkida? See on võimalik, kuid ainult siis, kui see pole väga udune, kui erinevat värvi jooksjate kiiruste erinevus on väike. Vastasel juhul võib koht ulatuda kogu teekonna ulatuses ja selle kiiruse küsimus kaotab mõtte. See vastab tugevale hajutatusele – kiiruste suurele levikule. Kui jooksjad on riietatud peaaegu sama värvi särgidesse, mis erinevad ainult toonide poolest (näiteks tumepunasest helepunaseni), muutub see kitsa spektriga kokkusobivaks. Siis ei erine ka jooksjate kiirused palju, grupp jääb liikumisel üsna kompaktseks ja seda saab iseloomustada väga kindla kiiruse väärtusega, mida nimetatakse grupikiiruseks.
Bose-Einsteini statistika. See on üks nn kvantstatistika liike – teooria, mis kirjeldab süsteemide olekut, mis sisaldavad väga suurt hulka kvantmehaanika seadustele alluvaid osakesi.
Kõik osakesed – nii aatomis sisalduvad kui ka vabad osakesed – jagunevad kahte klassi. Neist ühe puhul kehtib Pauli välistamisprintsiip, mille kohaselt ei saa igal energiatasemel olla rohkem kui üks osake. Selle klassi osakesi nimetatakse fermioonideks (need on elektronid, prootonid ja neutronid; samasse klassi kuuluvad paaritu arvu fermioonidest koosnevad osakesed) ja nende jaotuse seadust nimetatakse Fermi-Dirac statistikaks. Teise klassi osakesi nimetatakse bosoniteks ja need ei allu Pauli põhimõttele: ühel energiatasemel võib koguneda piiramatu arv bosoneid. Sel juhul räägime Bose-Einsteini statistikast. Bosonite hulka kuuluvad footonid, mõned lühiealised elementaarosakesed (näiteks pi-mesonid), aga ka paarisarvust fermioonidest koosnevad aatomid. Väga madalatel temperatuuridel koonduvad bosonid oma madalaimale – baasenergiatasemele; siis nad ütlevad, et tekib Bose-Einsteini kondensatsioon. Kondensaadi aatomid kaotavad oma individuaalsed omadused ja mitu miljonit neist hakkavad käituma ühtsena, nende lainefunktsioonid ühinevad ja nende käitumist kirjeldatakse ühe võrrandiga. See võimaldab öelda, et kondensaadi aatomid on muutunud koherentseks, nagu footonid laserkiirguses. Ameerika riikliku standardi- ja tehnoloogiainstituudi teadlased kasutasid seda Bose-Einsteini kondensaadi omadust "aatomlaseri" loomiseks (vt Teadus ja elu nr 10, 1997).
Enese esilekutsutud läbipaistvus. See on üks mittelineaarse optika – võimsate valgusväljade optika – mõjudest. See seisneb selles, et väga lühike ja võimas valgusimpulss läbib sumbumata läbi pidevat kiirgust või pikki impulsse neelava keskkonna: läbipaistmatu keskkond muutub sellele läbipaistvaks. Iseindutseeritud läbipaistvust täheldatakse haruldaste gaaside puhul, mille impulsi kestus on suurusjärgus 10–7–10–8 s ja kondenseerunud keskkonnas alla 10–11 s. Sel juhul tekib impulsi viivitus - selle rühma kiirus väheneb oluliselt. Seda efekti demonstreerisid McCall ja Khan esmakordselt 1967. aastal rubiinil temperatuuril 4 K. 1970. aastal saadi rubiidiumis pulsikiirustele kolm suurusjärku (1000 korda) väiksemad viivitused kui valguse kiirus vaakumis. aur.
Pöördugem nüüd ainulaadse 1999. aasta eksperimendi juurde. Selle viisid läbi Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Rowlandi instituut) ja Steve Harris (Stanfordi ülikool). Nad jahutasid tihedat, magnetiliselt hoitud naatriumiaatomite pilve, kuni nad jõudsid tagasi põhiolekusse, madalaimale energiatasemele. Sel juhul eraldati ainult need aatomid, mille magnetdipoolmoment oli suunatud magnetvälja suunale vastupidiselt. Seejärel jahutasid teadlased pilve alla 435 nK (nanokelvinid ehk 0,000000435 K, peaaegu absoluutne null).
Pärast seda valgustati kondensaat lineaarselt polariseeritud laservalguse "ühenduskiirega", mille sagedus vastab selle nõrgale ergastusenergiale. Aatomid liikusid kõrgemale energiatasemele ja lõpetasid valguse neelamise. Selle tulemusena muutus kondensaat järgneva laserkiirguse suhtes läbipaistvaks. Ja siin ilmnesid väga kummalised ja ebatavalised efektid. Mõõtmised näitasid, et teatud tingimustel kogeb Bose-Einsteini kondensaati läbiv impulss viivitust, mis vastab valguse aeglustumisele enam kui seitsme suurusjärgu võrra – 20 miljoni võrra. Valgusimpulsi kiirus aeglustus 17 m/s-ni ja selle pikkus vähenes mitu korda - 43 mikromeetrini.
Teadlased usuvad, et vältides kondensaadi laserkuumutamist, suudavad nad valgust veelgi aeglustada – võib-olla kiiruseni mitu sentimeetrit sekundis.
Selliste ebatavaliste omadustega süsteem võimaldab uurida aine kvantoptilisi omadusi, samuti luua tuleviku kvantarvutite jaoks mitmesuguseid seadmeid, näiteks ühe footoni lüliteid.
19. sajandil tehti mitmeid teaduslikke katseid, mis viisid mitmete uute nähtuste avastamiseni. Nende nähtuste hulgas on Hans Oerstedi avastus magnetilise induktsiooni tekitamise kohta elektrivoolu abil. Hiljem avastas Michael Faraday vastupidise efekti, mida nimetati elektromagnetiliseks induktsiooniks.
James Maxwelli võrrandid – valguse elektromagnetiline olemus
Nende avastuste tulemusel märgiti nn "vahemõju", mille tulemuseks oli Wilhelm Weberi uus elektromagnetismi teooria, mis põhines kaugtegevusel. Hiljem defineeris Maxwell mõiste elektri- ja magnetväljad, mis on võimelised üksteist genereerima, mis on elektromagnetlaine. Seejärel kasutas Maxwell oma võrrandites nn elektromagnetilist konstanti - Koos.
Selleks ajaks olid teadlased juba jõudnud lähedale tõsiasjale, et valgus on oma olemuselt elektromagnetiline. Elektromagnetilise konstandi füüsikaline tähendus on elektromagnetiliste ergastuste levimiskiirus. James Maxwelli enda üllatuseks osutus selle konstandi mõõdetud väärtus ühiklaengute ja vooludega katsetes võrdseks valguse kiirusega vaakumis.
Enne seda avastust eraldas inimkond valguse, elektri ja magnetismi. Maxwelli üldistus võimaldas uue pilgu heita valguse olemusele kui teatud elektri- ja magnetvälja fragmendile, mis levib ruumis iseseisvalt.
Alloleval joonisel on elektromagnetlaine, mis on ühtlasi valgus, levimise diagramm. Siin on H magnetvälja tugevuse vektor, E on elektrivälja tugevuse vektor. Mõlemad vektorid on üksteisega risti, samuti laine levimise suunaga.
Michelsoni eksperiment – valguse kiiruse absoluutsus
Toonane füüsika oli suuresti üles ehitatud Galilei relatiivsusprintsiibile, mille kohaselt näevad mehaanikaseadused igas valitud inertsiaalses tugiraamistikus ühesugused. Samal ajal peaks vastavalt kiiruste liitmisele levikiirus sõltuma allika kiirusest. Kuid sel juhul käituks elektromagnetlaine sõltuvalt võrdluskaadri valikust erinevalt, mis rikub Galileo relatiivsuspõhimõtet. Seega oli Maxwelli näiliselt hästi vormistatud teooria kõikuv.
Katsed on näidanud, et valguse kiirus ei sõltu tegelikult allika kiirusest, mis tähendab, et on vaja teooriat, mis seletaks sellist kummalist fakti. Parimaks teooriaks sel ajal osutus “eetri” teooria - teatud keskkond, milles valgus levib, nii nagu heli levib õhus. Siis määraks valguse kiiruse mitte allika liikumiskiirus, vaid keskkonna enda – eetri – omadused.
Eetri avastamiseks on tehtud palju katseid, millest kuulsaim on Ameerika füüsiku Albert Michelsoni katse. Ühesõnaga on teada, et Maa liigub avakosmoses. Siis on loogiline eeldada, et see liigub ka läbi eetri, kuna eetri täielik kinnitumine Maa külge pole mitte ainult egoismi kõrgeim aste, vaid lihtsalt ei saa olla millestki põhjustatud. Kui Maa liigub läbi teatud keskkonna, milles valgus levib, siis on loogiline eeldada, et siin toimub kiiruste liitmine. See tähendab, et valguse levimine peab sõltuma eetrit läbiva Maa liikumissuunast. Michelson ei avastanud oma katsete tulemusel erinevust valguse levimise kiiruse vahel Maast mõlemas suunas.
Hollandi füüsik Hendrik Lorentz püüdis seda probleemi lahendada. Tema oletuse kohaselt mõjutas "eetertuul" kehasid nii, et need vähendasid oma suurust liikumise suunas. Sellest eeldusest lähtudes koges nii Maa kui Michelsoni seade seda Lorentzi kokkutõmbumist, mille tulemusena sai Albert Michelson valguse mõlemas suunas levimiseks sama kiiruse. Ja kuigi Lorentzil õnnestus eetri teooria surma edasi lükata, leidsid teadlased siiski, et see teooria on "kaugelt võetud". Seega pidi eetris olema mitmeid "muinasjutulisi" omadusi, sealhulgas kaaluta olekut ja liikuvate kehade suhtes vastupidavuse puudumine.
Eetri ajaloo lõpp saabus 1905. aastal tollal vähetuntud Albert Einsteini artikli “Liikuvate kehade elektrodünaamikast” avaldamisega.
Albert Einsteini erirelatiivsusteooria
26-aastane Albert Einstein väljendas ruumi ja aja olemuse kohta täiesti uut, teistsugust vaadet, mis läks vastuollu tolleaegsete ideedega ja rikkus eriti rängalt Galilei relatiivsuspõhimõtet. Einsteini sõnul ei andnud Michelsoni katse positiivseid tulemusi põhjusel, et ruumil ja ajal on sellised omadused, et valguse kiirus on absoluutväärtus. See tähendab, et olenemata sellest, millises võrdlusraamistikus vaatleja on, on valguse kiirus tema suhtes alati sama, 300 000 km/sek. Sellest järgnes valguse suhtes kiiruste liitmise kohaldamise võimatus - ükskõik kui kiiresti valgusallikas liigub, valguse kiirus ei muutu (liita ega lahuta).
Einstein kasutas Lorentzi kontraktsiooni, et kirjeldada valguse kiirusele lähedase kiirusega liikuvate kehade parameetrite muutusi. Nii näiteks väheneb selliste kehade pikkus ja nende enda aeg aeglustub. Selliste muutuste koefitsienti nimetatakse Lorentzi teguriks. Einsteini kuulus valem E=mc 2 sisaldab tegelikult ka Lorentzi faktorit ( E= ymc 2), mis on üldiselt võrdne ühtsusega juhul, kui keha kiirus v võrdne nulliga. Kui keha kiirus läheneb v valguse kiirusele c Lorentzi tegur y tormab lõpmatuse poole. Sellest järeldub, et keha kiirendamiseks valguse kiirusele on vaja lõpmatult palju energiat ja seetõttu on seda kiiruspiirangut võimatu ületada.
Selle väite kasuks on ka argument, mida nimetatakse "samaaegsuse suhtelisuseks".
SRT samaaegsuse suhtelisuse paradoks
Lühidalt öeldes seisneb samaaegsuse relatiivsuse fenomen selles, et erinevates ruumipunktides asuvad kellad saavad "samal ajal" töötada ainult siis, kui nad on samas inertsiaalses tugiraamistikus. See tähendab, et kellaaeg sõltub võrdlussüsteemi valikust.
Sellest tuleneb paradoks, et sündmus B, mis on sündmuse A tagajärg, võib toimuda sellega samaaegselt. Lisaks on võimalik valida referentssüsteeme nii, et sündmus B saabub varem kui selle põhjustanud sündmus A. Selline nähtus rikub kausaalsuse põhimõtet, mis on teaduses üsna kindlalt juurdunud ja mida pole kunagi kahtluse alla seatud. Seda hüpoteetilist olukorda täheldatakse aga ainult juhul, kui sündmuste A ja B vaheline kaugus on suurem kui nendevaheline ajavahemik, mis on korrutatud "elektromagnetilise konstandiga" - Koos. Seega konstant c, mis võrdub valguse kiirusega, on teabe edastamise maksimaalne kiirus. Vastasel juhul rikutakse põhjuslikkuse põhimõtet.
Kuidas mõõdetakse valguse kiirust?
Olaf Roemeri tähelepanekud
Antiikaja teadlased uskusid enamasti, et valgus liigub lõpmatu kiirusega ja esimene hinnang valguse kiirusele saadi juba 1676. aastal. Taani astronoom Olaf Roemer jälgis Jupiterit ja selle kuud. Hetkel, mil Maa ja Jupiter asusid Päikese vastaskülgedel, hilines Jupiteri kuu Io varjutus arvestusliku ajaga võrreldes 22 minutit. Ainus lahendus, mille Olaf Roemer leidis, on see, et valguse kiirus on piirav. Sel põhjusel hilineb teave vaadeldud sündmuse kohta 22 minutit, kuna Io satelliidilt astronoomi teleskoobini kulub veidi aega. Roemeri arvutuste järgi oli valguse kiirus 220 000 km/s.
James Bradley tähelepanekud
1727. aastal avastas inglise astronoom James Bradley valguse aberratsiooni nähtuse. Selle nähtuse olemus seisneb selles, et kui Maa liigub ümber Päikese ja ka Maa enda pöörlemise ajal, täheldatakse tähtede nihkumist öötaevas. Kuna maapealne vaatleja ja Maa ise muudavad pidevalt oma liikumissuunda vaadeldava tähe suhtes, siis läbib tähe kiiratav valgus aja jooksul erinevaid vahemaid ja langeb vaatleja poole erineva nurga all. Valguse piiratud kiirus toob kaasa asjaolu, et taevatähed kirjeldavad aastaringselt ellipsi. See katse võimaldas James Bradleyl hinnata valguse kiirust – 308 000 km/s.
Louis Fizeau kogemus
1849. aastal viis prantsuse füüsik Louis Fizeau läbi laboratoorse eksperimendi valguse kiiruse mõõtmiseks. Füüsik paigaldas peegli Pariisis allikast 8633 meetri kaugusele, kuid Roemeri arvutuste kohaselt läbib valgus selle vahemaa sajatuhandiksekunditega. Selline kella täpsus oli siis kättesaamatu. Seejärel kasutas Fizeau hammasratast, mis pöörles teel allikast peeglini ja peeglist vaatlejani, mille hambad perioodiliselt valgust blokeerisid. Juhul, kui valguskiir allikast peeglisse läks hammaste vahelt ja tagasiteel tabas hammast, kahekordistas füüsik ratta pöörlemiskiirust. Ratta pöörlemiskiiruse kasvades lakkas valgus peaaegu kadumast, kuni pöörlemiskiirus jõudis 12,67 pööret sekundis. Sel hetkel kadus valgus jälle.
Selline tähelepanek tähendas, et valgus "põrkus" pidevalt hammastesse ja tal ei olnud aega nende vahele "libiseda". Teades ratta pöörlemiskiirust, hammaste arvu ja kahekordset kaugust allikast peeglini, arvutas Fizeau välja valguse kiiruse, mis osutus võrdseks 315 000 km/sek.
Aasta hiljem viis teine prantsuse füüsik Leon Foucault läbi sarnase katse, milles ta kasutas hammasratta asemel pöörlevat peeglit. Ta sai valguse kiiruseks õhus 298 000 km/s.
Sajand hiljem täiustati Fizeau meetodit nii palju, et 1950. aastal E. Bergstrandi poolt läbi viidud sarnane katse andis kiiruse väärtuseks 299 793,1 km/s. See arv erineb valguse kiiruse praegusest väärtusest vaid 1 km/s.
Täiendavad mõõtmised
Laserite tulekuga ja mõõteriistade täpsuse suurenemisega oli võimalik mõõtmisviga vähendada kuni 1 m/s. Nii kasutasid Ameerika teadlased 1972. aastal oma katseteks laserit. Mõõtes laserkiire sagedust ja lainepikkust, suutsid nad saada väärtuseks 299 792 458 m/s. Tähelepanuväärne on, et valguse kiiruse mõõtmise täpsuse edasine suurendamine vaakumis oli võimatu mitte instrumentide tehniliste puuduste, vaid arvesti standardi enda vea tõttu. Sel põhjusel määratles XVII kaalude ja mõõtude üldkonverents 1983. aastal arvesti kui vahemaa, mille valgus läbib vaakumis aja jooksul, mis on võrdne 1/299 792 458 sekundiga.
Võtame selle kokku
Niisiis, kõigest ülaltoodust järeldub, et valguse kiirus vaakumis on põhiline füüsikaline konstant, mis esineb paljudes fundamentaalsetes teooriates. See kiirus on absoluutne, see tähendab, et see ei sõltu võrdlussüsteemi valikust ja võrdub ka teabe edastamise maksimaalse kiirusega. Selle kiirusega ei liigu mitte ainult elektromagnetlained (valgus), vaid ka kõik massita osakesed. Sealhulgas arvatavasti graviton, gravitatsioonilainete osake. Muuhulgas seisab valguse enda aeg relativistlike efektide tõttu sõna otseses mõttes paigal.
Sellised valguse omadused, eriti sellele kiiruste liitmise põhimõtte rakendamatus, ei mahu pähe. Paljud katsed kinnitavad aga ülalloetletud omadusi ja mitmed fundamentaalsed teooriad on üles ehitatud just sellele valguse olemusele.
Valgus on üks optilise füüsika põhimõisteid. Valgus on elektromagnetkiirgus, mis on inimsilmale ligipääsetav.
Aastakümneid võitlesid parimad mõistused probleemiga, et teha kindlaks, millise kiirusega valgus liigub ja millega see võrdub, ning ka kõigi sellega kaasnevate arvutustega. 1676. aastal toimus füüsikute seas revolutsioon. Taani astronoom nimega Ole Roemer lükkas ümber väite, et valgus liigub läbi universumi piiramatu kiirusega.
1676. aastal tegi Ole Roemer kindlaks, et valguse kiirus vaakumis on 299792458 m/s.
Mugavuse huvides hakati seda näitajat ümardama. Nimiväärtus 300 000 m/s on kasutusel tänaseni.
Meie jaoks tavatingimustes kehtib see reegel eranditult kõikidele objektidele, sealhulgas röntgenikiirtele, valgus- ja gravitatsioonilainetele, mis on meie silmaga käegakatsutavad.
Kaasaegsed optikat uurivad füüsikud on tõestanud, et valguse kiirusel on mitmeid omadusi:
- püsivus;
- kättesaamatus;
- jäseme.
Valguse kiirus erinevates meediumites
Tuleb meeles pidada, et füüsikaline konstant sõltub otseselt selle keskkonnast, eriti murdumisnäitajast. Sellega seoses võib täpne väärtus muutuda, kuna selle määravad sagedused.
Valguse kiiruse arvutamise valem on kirjutatud kujul s = 3 * 10^8 m/s.
epigraaf
Õpetaja küsib: Lapsed, mis on maailma kiireim asi?
Tanechka ütleb: Kiireim sõna. Ma lihtsalt ütlesin, et sa ei tule tagasi.
Vanechka ütleb: Ei, valgus on kõige kiirem.
Nii kui lülitit vajutasin, läks tuba kohe heledaks.
Ja Vovochka vaidleb vastu: Maailma kiireim asi on kõhulahtisus.
Olin kord nii kannatamatu, et ei öelnud sõnagi
Mul ei olnud aega midagi öelda ega valgust sisse lülitada.
Kas olete kunagi mõelnud, miks on valguse kiirus meie universumis maksimaalne, piiratud ja konstantne? See on väga huvitav küsimus ja kohe, spoilerina, avaldan sellele vastuse kohutava saladuse - keegi ei tea täpselt, miks. Võetakse valguse kiirus, s.o. vaimselt aktsepteeritud konstanti jaoks ja sellele postulaadile, aga ka ideele, et kõik inertsiaalsed võrdlusraamid on võrdsed, ehitas Albert Einstein oma erirelatiivsusteooria, mis on teadlasi sada aastat vihastanud, võimaldades Einsteinil oma keelt kinni hoida. karistamatult maailma ees ja irvitama oma hauas sea mõõtmete üle, mille ta kogu inimkonnale külvas.
Aga miks tegelikult on see nii konstantne, nii maksimaalne ja nii lõplik, sellele vastust pole, see on lihtsalt aksioom, s.t. usust võetud väide, mida kinnitavad vaatlused ja terve mõistus, kuid pole loogiliselt ega matemaatiliselt kusagilt tuletatav. Ja üsna tõenäoline, et see pole nii tõsi, kuid keegi pole seda veel ühegi kogemusega ümber lükata suutnud.
Mul on selles küsimuses omad mõtted, neist hiljem lähemalt, kuid praegu jääme lihtsaks, teie sõrmedel™ Püüan vastata vähemalt ühele osale - mida tähendab valguse kiirus "konstantne".
Ei, ma ei tüüta teid mõttekatsetustega, mis juhtuks, kui valguskiirusel lendaval raketil esituled põlema paneks vms, see on nüüd veidi teemast mööda.
Kui vaatate teatmeteost või Vikipeediat, on valguse kiirus vaakumis defineeritud kui põhiline füüsikaline konstant, mis täpselt võrdne 299 792 458 m/s. Noh, see on jämedalt öeldes umbes 300 000 km/s, aga kui täpselt õige- 299 792 458 meetrit sekundis.
Näib, kust selline täpsus tuleb? Mis tahes matemaatiline või füüsikaline konstant, mis tahes, isegi Pi, isegi naturaallogaritmi alus e, isegi gravitatsioonikonstant G ehk Plancki konstant h, sisaldavad alati mõnda numbrid pärast koma. Pi-s on neist kümnendkohtadest praegu teada umbes 5 triljonit (kuigi ainult esimesel 39 numbril on füüsiline tähendus), gravitatsioonikonstant on tänapäeval määratletud kui G ~ 6,67384(80)x10 -11 ja konstant Plank h~ 6,62606957(29)x10 -34 .
Valguse kiirus vaakumis on sile 299 792 458 m/s, ei sentimeetritki rohkem ega nanosekundit vähem. Kas soovite teada, kust see täpsus pärineb?
Kõik algas nagu tavaliselt vanade kreeklastega. Teadust kui sellist selle sõna tänapäevases tähenduses nende hulgas ei eksisteerinud. Vana-Kreeka filosoofe nimetati filosoofideks, sest nad leiutasid esmalt mingi jama oma peas ja siis loogilisi järeldusi (ja mõnikord ka reaalseid füüsilisi eksperimente) kasutades üritasid nad seda tõestada või ümber lükata. Reaalse elu füüsikaliste mõõtmiste ja nähtuste kasutamist pidasid nad aga “teise klassi” tõenditeks, mida ei saa võrrelda otse peast saadud esmaklassiliste loogiliste järeldustega.
Esimeseks inimeseks, kes mõtleb valguse enda kiiruse olemasolule, peetakse filosoofi Empidoclest, kes väitis, et valgus on liikumine ja liikumisel peab olema kiirus. Aristoteles vaidles talle vastu, kes väitis, et valgus on lihtsalt millegi olemasolu looduses ja see on kõik. Ja miski ei liigu kuskil. Aga see on midagi muud! Eukleides ja Ptolemaios uskusid üldiselt, et valgus kiirgub meie silmadest ja langeb seejärel objektidele ja seetõttu näeme neid. Ühesõnaga, vanad kreeklased olid nii rumalad kui suutsid, kuni need samad vanad roomlased neid vallutasid.
Keskajal uskus enamik teadlasi, et valguse levimiskiirus on lõpmatu, nende hulgas olid näiteks Descartes, Kepler ja Fermat.
Kuid mõned, nagu Galileo, uskusid, et valgusel on kiirus ja seetõttu saab seda mõõta. Laialt on tuntud Galileo eksperiment, kes süütas lambi ja andis valgust Galileost mitme kilomeetri kaugusel asuvale assistendile. Olles valgust näinud, süütas assistent oma lambi ja Galileo püüdis nende hetkede vahelist viivitust mõõta. See tal loomulikult ei õnnestunud ja lõpuks oli ta sunnitud oma kirjutistesse kirjutama, et kui valgusel on kiirus, siis on see ülisuur ja inimjõul mõõdetav ning seetõttu võib seda pidada lõpmatuks.
Esimene dokumenteeritud valguse kiiruse mõõtmine omistatakse Taani astronoomile Olaf Roemerile 1676. aastal. Selleks aastaks jälgisid selle sama Galileo teleskoopidega relvastatud astronoomid aktiivselt Jupiteri satelliite ja arvutasid isegi nende pöörlemisperioode. Teadlased on kindlaks teinud, et Jupiterile lähima kuu Io pöörlemisperiood on ligikaudu 42 tundi. Küll aga märkas Roemer, et vahel ilmub Io Jupiteri tagant välja oodatust 11 minutit varem, vahel aga 11 minutit hiljem. Nagu selgus, ilmub Io varem nendel perioodidel, mil ümber Päikese pöörlev Maa läheneb Jupiterile minimaalsel kaugusel ja jääb 11 minuti võrra maha, kui Maa on orbiidi vastaskohas ja on seetõttu kaugemal Jupiter.
Rumalalt jagades maakera orbiidi läbimõõdu (ja see oli neil päevil juba enam-vähem teada) 22 minutiga, sai Roemer valguse kiiruseks 220 000 km/s, jäädes tegelikust väärtusest puudu umbes kolmandiku võrra.
1729. aastal jälgis inglise astronoom James Bradley parallaks(väikese asukoha kõrvalekaldega) avastas selle efekti täht Etamin (Gamma Draconis) valguse aberratsioonid, st. meile lähimate tähtede asukoha muutus taevas Maa liikumise tõttu ümber Päikese.
Bradley avastatud valguse aberratsiooni mõju põhjal võib ka järeldada, et valgusel on piiratud levimiskiirus, millest Bradley ka kinni sai, arvutades selleks ligikaudu 301 000 km/s, mis on juba 1% täpsusega. täna tuntud väärtus.
Sellele järgnesid kõik selgitavad mõõtmised teiste teadlaste poolt, kuid kuna arvati, et valgus on laine ja laine ei saa iseenesest levida, tuleb midagi "erutada", idee "olemasolu" olemasolust. luminiferous eeter”, mille avastamine ebaõnnestus ameeriklasel füüsikul Albert Michelsonil. Mingit helendavat eetrit ta ei avastanud, kuid 1879. aastal selgitas valguse kiiruse 299 910±50 km/s.
Umbes samal ajal avaldas Maxwell oma elektromagnetismi teooria, mis tähendab, et valguse kiirust sai võimalik mitte ainult otseselt mõõta, vaid ka tuletada elektrilise ja magnetilise läbilaskvuse väärtustest, mida tehti valguse kiiruse selgitamise teel. valguse kiirus 299 788 km/s 1907. aastal.
Lõpuks kuulutas Einstein, et valguse kiirus vaakumis on konstant ja ei sõltu üldse millestki. Vastupidi, kõik muu - kiiruste lisamine ja õigete referentssüsteemide leidmine, aja dilatatsiooni ja kauguste muutumise mõju suurel kiirusel liikudes ja paljud muud relativistlikud efektid sõltuvad valguse kiirusest (sest see sisaldub kõigis valemites nagu konstant). Lühidalt, kõik maailmas on suhteline ja valguse kiirus on suurus, mille suhtes kõik muud asjad meie maailmas on suhtelised. Siin peaksime võib-olla loovutama peopesa Lorentzile, kuid ärgem olgem kauplevad, Einstein on Einstein.
Selle konstandi väärtuse täpne määramine jätkus kogu 20. sajandi jooksul, iga kümnendiga leidsid teadlased üha rohkem numbrid pärast koma valguse kiirusel, kuni nende peas hakkasid tekkima ebamäärased kahtlused.
Määrates üha täpsemalt, mitu meetrit valgus vaakumis sekundis läbib, hakkasid teadlased mõtlema, mida me meetrites mõõdame? Lõppkokkuvõttes on ju meeter just sellise plaatina-iriidiumi pulga pikkus, mille keegi Pariisi lähedal muuseumisse unustas!
Ja alguses tundus standardse arvesti kasutuselevõtu idee suurepärane. Et mitte kannatada jardide, jalgade ja muude kaldus süldade pärast, otsustasid prantslased 1791. aastal võtta standardseks pikkuseks ühe kümnemiljoniku kaugusest põhjapoolusest ekvaatorini mööda Pariisi läbivat meridiaani. Nad mõõtsid selle vahemaa tolleaegse täpsusega, valasid pulga plaatina-iriidiumi (täpsemalt esmalt messingist, siis plaatinast ja siis plaatina-iriidiumi) sulamist ja panid selle just sellesse Pariisi kaalude ja mõõtude kambrisse. näidis. Mida edasi, seda enam selgub, et maakera pind muutub, mandrid deformeeruvad, meridiaanid nihkuvad ja kümnemiljondiku osa võrra on nad unustanud ja hakanud pulga pikkust meetriks lugema. mis asub Pariisi "mausoleumi" kristallkirstus.
Selline ebajumalakummardamine tõelisele teadlasele ei sobi, see pole Punane väljak (!) ja 1960. aastal otsustati arvesti mõistet lihtsustada täiesti ilmse definitsioonini - arvesti on täpselt võrdne 1 650 763,73 lainepikkusega, mida kiirgab üleminek. elektronid elemendi Krypton-86 ergastamata isotoobi energiatasemete 2p10 ja 5d5 vahel vaakumis. No kui palju selgem?
See kestis 23 aastat, samal ajal kui valguse kiirust vaakumis mõõdeti üha suurema täpsusega, kuni 1983. aastal mõistsid lõpuks ka kõige kangekaelsemad retrogaadid, et valguse kiirus on kõige täpsem ja ideaalsem konstant, mitte mingisugune. krüptooni isotoobist. Ja otsustati kõik pea peale keerata (täpsemalt kui järele mõelda, siis otsustati kõik tagurpidi keerata), nüüd valguse kiirus Koos on tõeline konstant ja meeter on vahemaa, mille valgus läbib vaakumis (1/299 792 458) sekundiga.
Valguse kiiruse tegeliku väärtuse selgitamine jätkub ka täna, kuid huvitav on see, et iga uue katsega ei selgita teadlased valguse kiirust, vaid meetri tegelikku pikkust. Ja mida täpsemalt valguse kiirust järgmistel aastakümnetel leitakse, seda täpsema mõõdiku lõpuks saame.
Ja mitte vastupidi.
Noh, lähme nüüd tagasi oma lammaste juurde. Miks on valguse kiirus meie universumi vaakumis maksimaalne, lõplik ja konstantne? Ma saan sellest niimoodi aru.
Kõik teavad, et heli kiirus metallis ja peaaegu igas tahkes kehas on palju suurem kui heli kiirus õhus. Seda on väga lihtne kontrollida; lihtsalt pange kõrv rööpa külge ja kuulete läheneva rongi hääli palju varem kui õhu kaudu. Miks nii? On ilmne, et heli on sisuliselt sama ja selle levimise kiirus sõltub keskkonnast, nende molekulide konfiguratsioonist, millest see keskkond koosneb, selle tihedusest, selle kristallvõre parameetritest - lühidalt helikandja hetkeseisund, mille kaudu heli edastatakse.
Ja kuigi helendav eetri idee on juba ammu hüljatud, pole vaakum, mille kaudu elektromagnetlained levivad, absoluutselt midagi, ükskõik kui tühi see meile ka ei tunduks.
Ma saan aru, et analoogia on mõnevõrra kauge, kuid see on tõsi teie sõrmedel™ sama! Täpselt kättesaadava analoogiana ja mitte mingil juhul otsese üleminekuna ühelt füüsikaseadustelt teistele, palun teil vaid ette kujutada, et elektromagnetiliste (ja üldiselt kõigi, sealhulgas gluoon- ja gravitatsiooniliste) vibratsioonide levimiskiirus, nii nagu heli kiirus terases on rööpasse “õmmeldud”. Siit me tantsime.
UPD: Muide, kutsun "tärniga lugejaid" ette kujutama, kas valguse kiirus jääb "keerulises vaakumis" konstantseks. Näiteks arvatakse, et temperatuuride suurusjärgus 10–30 K juures vaakum lakkab lihtsalt virtuaalsetest osakestest keemast ja hakkab “ära keema”, s.t. ruumikangas pudeneb tükkideks, Plancki suurused hägustuvad ja kaotavad oma füüsilise tähenduse jne. Kas valguse kiirus sellises vaakumis oleks ikka võrdne c, või tähistab see uue "relativistliku vaakumi" teooria algust, mille parandused nagu Lorentzi koefitsiendid äärmuslikel kiirustel? Ma ei tea, ma ei tea, aeg näitab...