Брзина на ширење на светлината во различни медиуми. Која е брзината на светлината

Навистина, како? Како да се измери најголемата брзина во Универзумво нашите скромни, Земски услови? Веќе не треба да го тераме мозокот околу ова - на крајот на краиштата, во текот на неколку векови, толку многу луѓе работеа на ова прашање, развивајќи методи за мерење на брзината на светлината. Да ја започнеме приказната по ред.

Брзина на светлината– брзина на ширење на електромагнетни бранови во вакуум. Се означува со латинската буква в. Брзината на светлината е приближно 300.000.000 m/s.

Отпрвин, никој не размислуваше за прашањето за мерење на брзината на светлината. Има светлина - тоа е одлично. Тогаш, во ерата на антиката, меѓу научните филозофи преовладувало мислењето дека брзината на светлината е бесконечна, односно моментална. Тогаш тоа се случи Среден вексо инквизицијата, кога главното прашање на размислувачките и прогресивните луѓе беше „Како да избегнете да не бидете фатени во оган? И тоа само во епохи РенесансаИ просветлувањеМислењата на научниците се намножија и, се разбира, беа поделени.

Значи, Декарт, КеплерИ Фармабиле на исто мислење како и научниците од антиката. Но, тој веруваше дека брзината на светлината е конечна, иако многу висока. Всушност, тој го направи првото мерење на брзината на светлината. Поточно, го направи првиот обид да го измери.

Експериментот на Галилео

Искуство Галилео Галилејбеше брилијантен во својата едноставност. Научникот спроведе експеримент за мерење на брзината на светлината, вооружен со едноставни импровизирани средства. На големо и познато растојание еден од друг, на различни ридови, Галилео и неговиот помошник стоеја со запалени лампиони. Еден од нив ја отворил ролетната на фенерот, а вториот морал да го стори истото кога ја видел светлината на првиот фенер. Знаејќи го растојанието и времето (доцнењето пред помошникот да го отвори фенерот), Галилео очекуваше да ја пресмета брзината на светлината. За жал, за да успее овој експеримент, Галилео и неговиот помошник морале да изберат ридови кои биле оддалечени неколку милиони километри. Сакам да ве потсетам дека можете со пополнување на апликација на веб-страницата.

Експериментите на Ромер и Бредли

Првиот успешен и изненадувачки точен експеримент во одредувањето на брзината на светлината беше оној на дански астроном Олаф Ромер. Ромер користел астрономски метод за мерење на брзината на светлината. Во 1676 година, тој го набљудувал сателитот на Јупитер Ио преку телескоп и открил дека времето на затемнувањето на сателитот се менува како што Земјата се оддалечува од Јупитер. Максималното време на доцнење беше 22 минути. Пресметувајќи дека Земјата се оддалечува од Јупитер на растојание од дијаметарот на Земјината орбита, Ромер ја подели приближната вредност на дијаметарот со времето на доцнење и доби вредност од 214.000 километри во секунда. Се разбира, таквата пресметка беше многу груба, растојанијата меѓу планетите беа познати само приближно, но резултатот се покажа релативно блиску до вистината.

Искуството на Бредли. Во 1728 г Џејмс Бредлија процени брзината на светлината со набљудување на аберацијата на ѕвездите. Аберацијае промена на привидната положба на ѕвезда предизвикана од движењето на земјата во нејзината орбита. Знаејќи ја брзината на Земјата и мерејќи го аголот на аберација, Бредли добил вредност од 301.000 километри во секунда.

Искуството на Физо

Научниот свет од тоа време реагираше со недоверба на резултатот од експериментот на Ромер и Бредли. Сепак, резултатот на Бредли беше најпрецизен повеќе од сто години, до 1849 година. Таа година, француски научник Арман Физоја мери брзината на светлината користејќи го методот на ротирачки затворач, без набљудување на небесните тела, но овде на Земјата. Всушност, ова беше првиот лабораториски метод за мерење на брзината на светлината уште од Галилео. Подолу е дијаграм на неговото лабораториско поставување.

Светлината рефлектирана од огледалото поминала низ забите на тркалото и се рефлектирала од друго огледало, оддалечено 8,6 километри. Брзината на тркалото се зголемуваше додека светлината не стана видлива во следната празнина. Пресметките на Физо дадоа резултат од 313.000 километри во секунда. Една година подоцна, сличен експеримент со ротирачко огледало извел Леон Фуко, кој добил резултат од 298.000 километри во секунда.

Со доаѓањето на масерите и ласерите, луѓето имаат нови можности и начини за мерење на брзината на светлината, а развојот на теоријата исто така овозможи индиректно да се пресмета брзината на светлината, без да се прават директни мерења.

Најточна вредност на брзината на светлината

Човештвото има акумулирано огромно искуство во мерењето на брзината на светлината. Денес се смета дека е најточна вредност за брзината на светлината 299.792.458 метри во секунда, примен во 1983 година. Интересно е што дополнително, попрецизно мерење на брзината на светлината се покажа како невозможно поради грешки во мерењето метри. Во моментов, вредноста на метар е поврзана со брзината на светлината и е еднаква на растојанието што светлината го поминува за 1/299,792,458 од секундата.

Конечно, како и секогаш, предлагаме да погледнете едукативно видео. Пријатели, дури и ако сте соочени со таква задача како самостојно мерење на брзината на светлината со помош на импровизирани средства, можете безбедно да се обратите кај нашите автори за помош. Можете да пополните апликација на веб-страницата на студентски кореспонденција. Ви посакуваме пријатно и лесно учење!

Минатата пролет, научните и популарните научни списанија ширум светот објавија сензационални вести. Американските физичари спроведоа уникатен експеримент: успеаја да ја намалат брзината на светлината на 17 метри во секунда.

Секој знае дека светлината патува со огромна брзина - речиси 300 илјади километри во секунда. Точната вредност на неговата вредност во вакуум = 299792458 m/s е основна физичка константа. Според теоријата на релативност, ова е максималната можна брзина на пренос на сигналот.

Во секој проѕирен медиум, светлината патува побавно. Неговата брзина v зависи од индексот на прекршување на медиумот n: v = c/n. Индексот на рефракција на воздухот е 1,0003, на вода - 1,33, на различни видови стакло - од 1,5 до 1,8. Дијамантот има една од највисоките вредности на индексот на рефракција - 2,42. Така, брзината на светлината во обичните супстанции ќе се намали за не повеќе од 2,5 пати.

Во почетокот на 1999 година, група физичари од Институтот за научни истражувања Роуланд на Универзитетот Харвард (Масачусетс, САД) и Универзитетот Стенфорд (Калифорнија) го проучуваа макроскопскиот квантен ефект - таканаречената самоиндуцирана транспарентност, поминувајќи ласерски импулси низ медиум што е нормално непроѕирно. Овој медиум беше атоми на натриум во посебна состојба наречена Бозе-Ајнштајн кондензат. Кога ќе се зрачи со ласерски пулс, тој добива оптички својства кои ја намалуваат групната брзина на пулсот за 20 милиони пати во споредба со брзината во вакуум. Експериментаторите успеаја да ја зголемат брзината на светлината на 17 m/s!

Пред да ја опишеме суштината на овој уникатен експеримент, да се потсетиме на значењето на некои физички концепти.

Групна брзина. Кога светлината се шири во медиум, се разликуваат две брзини - фаза и група. Фазната брзина vf го карактеризира движењето на фазата на идеален монохроматски бран - бесконечен синусен бран со строго една фреквенција и ја одредува насоката на ширење на светлината. Фазната брзина во медиумот одговара на фазниот индекс на рефракција - истиот чии вредности се мерат за различни супстанции. Фазниот индекс на рефракција, а со тоа и брзината на фазата, зависи од брановата должина. Оваа зависност се нарекува дисперзија; тоа води, особено, до распаѓање на белата светлина што минува низ призмата во спектар.

Но, вистинскиот светлосен бран се состои од збир на бранови со различни фреквенции, групирани во одреден спектрален интервал. Таквото множество се нарекува група бранови, бран пакет или светлосен импулс. Овие бранови се шират низ медиумот со различни фазни брзини поради дисперзија. Во овој случај, импулсот се протега и неговата форма се менува. Затоа, за да се опише движењето на импулсот, група бранови како целина, се воведува концептот на групна брзина. Има смисла само во случај на тесен спектар и во средина со слаба дисперзија, кога разликата во фазните брзини на поединечните компоненти е мала. За подобро да ја разбереме ситуацијата, можеме да дадеме јасна аналогија.

Да замислиме дека седум спортисти се наредени на стартната линија, облечени во различни обоени дресови според боите на спектарот: црвена, портокалова, жолта итн. На сигналот од стартниот пиштол, тие истовремено почнуваат да трчаат, но „црвената Спортистот трча побрзо од „портокаловото“, „портокаловото“ е побрзо од „жолтото“ итн., така што тие се протегаат во синџир чија должина постојано се зголемува. Сега замислете дека ги гледаме одозгора од таква височина што не можеме да разликуваме поединечни тркачи, туку само да видиме шарена точка. Дали е можно да се зборува за брзината на движење на оваа точка како целина? Можно е, но само ако не е многу матно, кога разликата во брзините на тркачите со различна боја е мала. Во спротивно, местото може да се протега по целата должина на патеката, а прашањето за неговата брзина ќе го изгуби значењето. Ова одговара на силна дисперзија - големо ширење на брзини. Ако тркачите се облечени во дресови со речиси иста боја, кои се разликуваат само во нијанси (да речеме, од темно црвена до светло црвена), ова станува доследно со случајот со тесен спектар. Тогаш брзините на тркачите нема да се разликуваат многу, групата ќе остане доста компактна при движење и може да се карактеризира со многу одредена вредност на брзината, која се нарекува групна брзина.

Статистика на Бозе-Ајнштајн. Ова е еден од видовите на таканаречената квантна статистика - теорија која ја опишува состојбата на системите кои содржат многу голем број честички кои ги почитуваат законите на квантната механика.

Сите честички - и оние содржани во атом и слободните - се поделени во две класи. За еден од нив важи Паулиевиот принцип на исклучување, според кој не може да има повеќе од една честичка на секое енергетско ниво. Честичките од оваа класа се нарекуваат фермиони (ова се електрони, протони и неутрони; истата класа вклучува честички што се состојат од непарен број фермиони), а законот за нивната дистрибуција се нарекува Ферми-Диракова статистика. Честичките од друга класа се нарекуваат бозони и не го почитуваат принципот на Паули: неограничен број бозони може да се акумулираат на едно енергетско ниво. Во овој случај зборуваме за статистиката на Бозе-Ајнштајн. Бозоните вклучуваат фотони, некои краткотрајни елементарни честички (на пример, пи-мезони), како и атоми кои се состојат од парен број фермиони. На многу ниски температури, бозоните се собираат на нивното најниско – основно – енергетско ниво; тогаш велат дека настанува Бозе-Ајнштајнова кондензација. Атомите на кондензатот ги губат своите индивидуални својства, а неколку милиони од нив почнуваат да се однесуваат како едно, нивните бранови функции се спојуваат, а нивното однесување е опишано со една равенка. Ова овозможува да се каже дека атомите на кондензатот станале кохерентни, како фотоните во ласерското зрачење. Истражувачите од Американскиот национален институт за стандарди и технологија го искористија ова својство на кондензатот Бозе-Ајнштајн за да создадат „атомски ласер“ (види Наука и живот бр. 10, 1997 година).

Самоиндуцирана транспарентност. Ова е еден од ефектите на нелинеарната оптика - оптиката на моќните светлосни полиња. Се состои во тоа што многу краток и моќен светлосен пулс поминува без слабеење низ медиум што апсорбира континуирано зрачење или долги импулси: непроѕирен медиум станува транспарентен за него. Самоиндуцираната транспарентност е забележана кај ретки гасови со времетраење на пулсот од редот од 10-7 - 10-8 секунди и во кондензирани медиуми - помалку од 10-11 секунди. Во овој случај, се јавува доцнење на пулсот - неговата групна брзина значително се намалува. Овој ефект првпат го демонстрираа Меккол и Кан во 1967 година на рубин на температура од 4 К. Во 1970 година, во рубидиум беа добиени доцнења што одговараат на брзината на пулсот со три реда (1000 пати) помали од брзината на светлината во вакуум. пареа.

Сега да се свртиме кон уникатниот експеримент од 1999 година. Тоа беше спроведено од Лен Вестергард Хау, Захари Датон, Сајрус Беруси (институт Роуланд) и Стив Харис (Универзитет Стенфорд). Тие ладеле густ, магнетски задржан облак од атоми на натриум додека не се вратат во основната состојба, најниското ниво на енергија. Во овој случај, беа изолирани само оние атоми чиј магнетен диполен момент беше насочен спротивно на насоката на магнетното поле. Истражувачите потоа го ладиле облакот на помалку од 435 nK (нанокелвини, или 0,000000435 K, речиси апсолутна нула).

После ова, кондензатот беше осветлен со „споен зрак“ од линеарно поларизирана ласерска светлина со фреквенција што одговара на неговата слаба енергија на возбудување. Атомите се преселиле на повисоко ниво на енергија и престанале да апсорбираат светлина. Како резултат на тоа, кондензатот стана транспарентен за следното ласерско зрачење. И тука се појавија многу чудни и необични ефекти. Мерењата покажаа дека, под одредени услови, пулсот што минува низ кондензат Бозе-Ајнштајн доживува доцнење што одговара на забавувањето на светлината за повеќе од седум реда на магнитуда - фактор од 20 милиони. Брзината на светлосниот пулс се намали на 17 m/s, а неговата должина се намали неколку пати - до 43 микрометри.

Истражувачите веруваат дека со избегнување на ласерското загревање на кондензатот, ќе можат уште повеќе да ја забават светлината - можеби до брзина од неколку сантиметри во секунда.

Систем со такви необични карактеристики ќе овозможи да се проучат квантните оптички својства на материјата, како и да се создадат различни уреди за квантните компјутери во иднината, на пример, прекинувачи со еден фотон.

Во 19 век се забележани неколку научни експерименти кои доведоа до откривање на голем број нови феномени. Меѓу овие феномени е откритието на Ханс Оерстед за генерирање на магнетна индукција со електрична струја. Подоцна, Мајкл Фарадеј го откри спротивниот ефект, кој беше наречен електромагнетна индукција.

Равенките на Џејмс Максвел - електромагнетната природа на светлината

Како резултат на овие откритија, беше забележана таканаречената „интеракција на далечина“, што резултираше со новата теорија на електромагнетизмот формулирана од Вилхелм Вебер, која се заснова на дејство на долг дострел. Подоцна, Максвел го дефинираше концептот на електрични и магнетни полиња, кои се способни да генерираат едни со други, што е електромагнетен бран. Последователно, Максвел ја користел таканаречената „електромагнетна константа“ во своите равенки - Со.

Во тоа време, научниците веќе се приближија до фактот дека светлината е електромагнетна по природа. Физичкото значење на електромагнетната константа е брзината на ширење на електромагнетните возбудувања. На изненадување на самиот Џејмс Максвел, измерената вредност на оваа константа во експериментите со единечни полнежи и струи се покажа дека е еднаква на брзината на светлината во вакуум.

Пред ова откритие, човештвото ги одвоило светлината, електричната енергија и магнетизмот. Генерализацијата на Максвел ни овозможи да фрлиме нов поглед на природата на светлината, како одреден фрагмент од електрични и магнетни полиња кои независно се шират во вселената.

На сликата подолу е прикажан дијаграм на ширење на електромагнетен бран, кој исто така е лесен. Овде H е векторот на јачината на магнетното поле, E е векторот на јачината на електричното поле. Двата вектори се нормални еден на друг, како и на насоката на ширење на бранот.

Експеримент на Мајкелсон - апсолутноста на брзината на светлината

Физиката од тоа време во голема мера беше изградена на принципот на релативност на Галилео, според кој законите на механиката изгледаат исти во секоја избрана инерцијална референтна рамка. Во исто време, според додавањето на брзините, брзината на ширење треба да зависи од брзината на изворот. Меѓутоа, во овој случај, електромагнетниот бран би се однесувал поинаку во зависност од изборот на референтната рамка, што го нарушува принципот на релативност на Галилео. Така, навидум добро формираната теорија на Максвел беше во несигурна состојба.

Експериментите покажаа дека брзината на светлината навистина не зависи од брзината на изворот, што значи дека е потребна теорија која може да објасни таков чуден факт. Најдобрата теорија во тоа време се покажа дека е теоријата на „етер“ - одреден медиум во кој светлината се шири, исто како што се шири звукот во воздухот. Тогаш брзината на светлината не би била одредена од брзината на движење на изворот, туку од карактеристиките на самиот медиум - етерот.

Преземени се многу експерименти за откривање на етерот, од кои најпознат е експериментот на американскиот физичар Алберт Мајкелсон. Накратко, познато е дека Земјата се движи во вселената. Тогаш логично е да се претпостави дека и тој се движи низ етерот, бидејќи целосната приврзаност на етерот со Земјата не само што е највисок степен на егоизам, туку едноставно не може да биде предизвикана од ништо. Ако Земјата се движи низ одреден медиум во кој се шири светлината, тогаш логично е да се претпостави дека тука се случува собирање на брзини. Односно, ширењето на светлината мора да зависи од насоката на движење на Земјата, која лета низ етерот. Како резултат на неговите експерименти, Мајкелсон не открил никаква разлика помеѓу брзината на ширење на светлината во двете насоки од Земјата.

Овој проблем се обиде да го реши холандскиот физичар Хендрик Лоренц. Според неговата претпоставка, „етеричниот ветер“ влијаел на телата на таков начин што тие ја намалувале нивната големина во насока на нивното движење. Врз основа на оваа претпоставка, и Земјата и уредот на Мајкелсон ја доживеале оваа Лоренцова контракција, како резултат на што Алберт Мајкелсон ја добил истата брзина за ширење на светлината во двете насоки. И иако Лоренц беше донекаде успешен во одложувањето на смртта на теоријата на етерот, научниците сепак сметаа дека оваа теорија е „далеку пресивна“. Така, етерот требаше да има голем број „бајковити“ својства, вклучувајќи бестежинска состојба и отсуство на отпор кон телата што се движат.

Крајот на историјата на етерот дојде во 1905 година со објавувањето на написот „За електродинамиката на телата во движење“ од тогаш малку познатиот Алберт Ајнштајн.

Специјалната теорија на релативноста на Алберт Ајнштајн

Дваесет и шестгодишниот Алберт Ајнштајн изразил сосема ново, поинакво гледиште за природата на просторот и времето, што се спротивставувало на идеите од тоа време, а особено грубо го нарушувало принципот на релативност на Галилео. Според Ајнштајн, експериментот на Мајкелсон не дал позитивни резултати од причина што просторот и времето имаат такви својства што брзината на светлината е апсолутна вредност. Односно, без разлика во која референтна рамка се наоѓа набљудувачот, брзината на светлината во однос на него е секогаш иста, 300.000 км/сек. Оттука следеше неможноста да се примени додавање на брзини во однос на светлината - без разлика колку брзо се движи изворот на светлина, брзината на светлината нема да се менува (додава или одзема).

Ајнштајн ја користел Лоренцовата контракција за да ги опише промените во параметрите на телата кои се движат со брзина блиска до брзината на светлината. Така, на пример, должината на таквите тела ќе се намали, а нивното време ќе се забави. Коефициентот на таквите промени се нарекува фактор Лоренц. Познатата формула на Ајнштајн Е=mc 2всушност го вклучува и факторот Лоренц ( Е= ymc 2), што воопшто е еднакво на единство во случај кога брзината на телото vеднаква на нула. Како што се приближува брзината на телото vдо брзината на светлината вЛоренц фактор yбрза кон бесконечноста. Од ова произлегува дека за да се забрза телото до брзината на светлината, ќе биде потребна бесконечна количина на енергија, и затоа е невозможно да се премине оваа граница на брзина.

Исто така, постои аргумент во корист на оваа изјава наречена „релативност на симултаноста“.

Парадокс на релативноста на симултаноста на SRT

Накратко, феноменот на релативноста на симултаноста е дека часовниците што се наоѓаат на различни точки во просторот можат да работат „во исто време“ само ако се во иста инерцијална референтна рамка. Тоа е, времето на часовникот зависи од изборот на референтниот систем.

Од ова произлегува парадоксот дека настанот Б, кој е последица на настанот А, може да се случи истовремено со него. Дополнително, можно е да се изберат референтни системи на таков начин што настанот Б ќе се случи порано од настанот А што го предизвикал Таквата појава го нарушува принципот на каузалноста, кој е прилично цврсто вкоренет во науката и никогаш не бил доведен во прашање. Сепак, оваа хипотетичка ситуација се забележува само во случај кога растојанието помеѓу настаните А и Б е поголемо од временскиот интервал меѓу нив помножен со „електромагнетната константа“ - Со. Така, константата в, која е еднаква на брзината на светлината, е максималната брзина на пренос на информации. Во спротивно, би се нарушил принципот на каузалност.

Како се мери брзината на светлината?

Набљудувања од Олаф Ромер

Научниците од антиката во најголем дел верувале дека светлината се движи со бесконечна брзина, а првата проценка за брзината на светлината била добиена веќе во 1676 година. Данскиот астроном Олаф Ромер го набљудувал Јупитер и неговите месечини. Во моментот кога Земјата и Јупитер беа на спротивните страни на Сонцето, затемнувањето на Јупитеровата месечина Ио доцнеше за 22 минути во однос на пресметаното време. Единственото решение што го нашол Олаф Ромер е дека брзината на светлината е ограничена. Поради оваа причина, информациите за набљудуваниот настан доцнат за 22 минути, бидејќи е потребно извесно време да се помине растојанието од сателитот Io до телескопот на астрономот. Според пресметките на Ромер, брзината на светлината била 220.000 km/s.

Набљудувања од Џејмс Бредли

Во 1727 година, англискиот астроном Џејмс Бредли го откри феноменот на светлосна аберација. Суштината на овој феномен е дека додека Земјата се движи околу Сонцето, како и за време на сопствената ротација на Земјата, се забележува поместување на ѕвездите на ноќното небо. Бидејќи земниот набљудувач и самата Земја постојано го менуваат својот правец на движење во однос на набљудуваната ѕвезда, светлината што ја емитира ѕвездата патува различни растојанија и паѓа под различни агли до набљудувачот со текот на времето. Ограничената брзина на светлината води до фактот дека ѕвездите на небото опишуваат елипса во текот на целата година. Овој експеримент му овозможи на Џејмс Бредли да ја процени брзината на светлината - 308.000 km/s.

Искуството на Луис Физо

Во 1849 година, францускиот физичар Луј Физо спроведе лабораториски експеримент за мерење на брзината на светлината. Физичарот инсталирал огледало во Париз на оддалеченост од 8.633 метри од изворот, но според пресметките на Ромер, светлината ќе го помине ова растојание за сто илјадити делови од секундата. Таквата точност на часовникот тогаш беше недостижна. Физо потоа користел запчаник што ротирал на патот од изворот до огледалото и од огледалото до набљудувачот, чии заби периодично ја блокирале светлината. Во случај кога светлосен зрак од изворот до огледалото поминал меѓу забите, а на враќање удрил во заб, физичарот ја удвоил брзината на ротација на тркалото. Како што се зголемуваше брзината на вртење на тркалото, светлината речиси престана да исчезнува додека брзината на ротација не достигна 12,67 вртежи во секунда. Во овој момент светлината повторно исчезна.

Таквото набљудување значеше дека светлината постојано „удри“ во забите и немаше време да се „лизне“ меѓу нив. Знаејќи ја брзината на вртење на тркалото, бројот на забите и двојното растојание од изворот до огледалото, Физо ја пресметал брзината на светлината, која се покажала еднаква на 315.000 км/сек.

Една година подоцна, друг француски физичар Леон Фуко спроведе сличен експеримент во кој користеше ротирачко огледало наместо запчаник. Вредноста што ја добил за брзината на светлината во воздухот била 298.000 km/s.

Еден век подоцна, методот на Физо беше толку многу подобрен што сличен експеримент спроведен во 1950 година од Е. Бергстранд даде вредност на брзина од 299.793,1 km/s. Овој број се разликува за само 1 km/s од моменталната вредност на брзината на светлината.

Понатамошни мерења

Со доаѓањето на ласерите и зголемената точност на мерните инструменти, беше можно да се намали грешката во мерењето на 1 m/s. Така, во 1972 година, американските научници користеа ласер за нивните експерименти. Со мерење на фреквенцијата и брановата должина на ласерскиот зрак, тие успеаја да добијат вредност од 299.792.458 m/s. Вреди да се одбележи дека дополнителното зголемување на точноста на мерењето на брзината на светлината во вакуум беше невозможно, не поради техничките несовршености на инструментите, туку поради грешката на самиот стандард на мерачот. Поради оваа причина, во 1983 година, XVII Генерална конференција за тежини и мерки го дефинираше мерачот како растојание што светлината го поминува во вакуум за време еднакво на 1/299,792,458 секунди.

Ајде да го сумираме

Значи, од сето горенаведено произлегува дека брзината на светлината во вакуум е основна физичка константа која се појавува во многу фундаментални теории. Оваа брзина е апсолутна, односно не зависи од изборот на референтен систем, а исто така е еднаква на максималната брзина на пренос на информации. Со оваа брзина се движат не само електромагнетните бранови (светлина), туку и сите честички без маса. Вклучувајќи го, веројатно, гравитонот, честичка од гравитационите бранови. Меѓу другото, поради релативистичките ефекти, времето на сопственото светло буквално застанува.

Ваквите својства на светлината, особено неприменливоста на принципот на додавање брзини на неа, не се вклопуваат во главата. Сепак, многу експерименти ги потврдуваат својствата наведени погоре, а голем број фундаментални теории се базираат токму на оваа природа на светлината.

Светлината е еден од клучните концепти на оптичката физика. Светлината е електромагнетно зрачење кое е достапно за човечкото око.

Многу децении, најдобрите умови се бореле со проблемот да одредат со која брзина се движи светлината и на што е еднаква, како и со сите пресметки што ја придружуваат. Во 1676 година се случи револуција меѓу физичарите. Данскиот астроном по име Оле Ромер го отфрли тврдењето дека светлината патува низ универзумот со неограничена брзина.

Во 1676 година, Оле Ромер утврдил дека брзината на светлината во вакуум е 299792458 m/s.

За погодност, оваа бројка почна да се заокружува. Номиналната вредност од 300.000 m/s се користи и денес.

Во нормални услови за нас, ова правило важи за сите објекти без исклучок, вклучително и рендгенски зраци, светлина и гравитациони бранови од спектарот што е опиплив за нашите очи.

Современите физичари кои ја проучуваат оптиката докажаа дека брзината на светлината има неколку карактеристики:

• постојаност;
• недостижност;
• екстремитет.

Брзина на светлина во различни медиуми

Треба да се запомни дека физичката константа директно зависи од нејзината околина, особено од индексот на рефракција. Во овој поглед, точната вредност може да се промени, бидејќи се одредува според фреквенциите.

Формулата за пресметување на брзината на светлината е напишана како s = 3 * 10^8 m/s.

епиграф
Наставникот прашува: Деца, која е најбрзата работа на светот?
Танечка вели: Најбрзиот збор. Само реков, нема да се вратиш.
Ванечка вели: Не, светлината е најбрза.
Штом го притиснав прекинувачот, собата веднаш стана светла.
А Вовочка се противи: Најбрзата работа на светот е дијареата.
Еднаш бев толку нетрпелив што не кажав ниту еден збор
Немав време да кажам ништо или да запалам светло.

Дали некогаш сте се запрашале зошто брзината на светлината е максимална, конечна и константна во нашиот универзум? Ова е многу интересно прашање, и веднаш, како спојлер, ќе ја дадам страшната тајна на одговорот на тоа - никој не знае точно зошто. Се зема брзината на светлината, т.е. ментално прифатениза константа, и на овој постулат, како и на идејата дека сите инерцијални референтни рамки се еднакви, Алберт Ајнштајн ја изградил својата специјална теорија на релативноста, која сто години ги нервира научниците, дозволувајќи му на Ајнштајн да си го залепи јазикот. неказниво излезе кон светот и насмевка во неговиот гроб за димензиите на свињата што тој го посади на целото човештво.

Но зошто всушност е толку константно, толку максимално и толку конечно, нема одговор, ова е само аксиома, т.е. изјава преземена врз основа на вера, потврдена со набљудувања и здрав разум, но логички или математички не може да се изведе од никаде. И сосема е веројатно дека тоа не е толку точно, но никој со никакво искуство сè уште не успеал да го побие.

Имам свои размислувања за ова прашање, повеќе за нив подоцна, но засега, да бидеме едноставни, на вашите прсти™Ќе се обидам да одговорам барем на еден дел - што значи брзината на светлината „постојана“.

Не, нема да ви досадувам со мисловни експерименти за тоа што би се случило ако ги вклучите фаровите во ракета што лета со брзина на светлината итн., но тоа не е она за што сега зборувам.

Ако погледнете во референтна книга или Википедија, брзината на светлината во вакуум се дефинира како основна физичка константа која точноеднакво на 299.792.458 m/s. Па, односно грубо кажано, ќе биде околу 300.000 km/s, но ако точно точно- 299.792.458 метри во секунда.

Се чини, од каде доаѓа таквата точност? Секоја математичка или физичка константа, без разлика, дури и Пи, дури и основата на природниот логаритам д, дури и гравитациската константа G или Планковата константа ч, секогаш содржи некои броеви по децималната точка. Во Пи, моментално се познати околу 5 трилиони од овие децимални места (иако само првите 39 цифри имаат физичко значење), гравитациската константа денес е дефинирана како G ~ 6,67384(80)x10 -11, а константата Планк ч~ 6,62606957(29)x10 -34 .

Брзината на светлината во вакуум е мазна 299.792.458 m/s, ниту сантиметар повеќе, ниту една наносекунда помалку. Сакате да знаете од каде доаѓа оваа точност?

Сè започна како и обично со античките Грци. Науката како таква, во современа смисла на зборот, не постоела меѓу нив. Филозофите од античка Грција биле наречени филозофи затоа што прво измислиле некои глупости во нивните глави, а потоа, користејќи логични заклучоци (а понекогаш и вистински физички експерименти), се обиделе да го докажат или побијат. Сепак, употребата на реални физички мерења и феномени од нив се сметаше за докази од „втора класа“, што не може да се спореди со првокласни логички заклучоци добиени директно од главата.

Првиот човек што размислувал за постоењето на сопствената брзина на светлината се смета за филозофот Емпидокле, кој рекол дека светлината е движење, а движењето мора да има брзина. Нему му се спротивстави Аристотел, кој тврдеше дека светлината е едноставно присуство на нешто во природата, и тоа е сè. И ништо не се движи никаде. Но, тоа е нешто друго! Евклид и Птоломеј генерално верувале дека светлината се емитува од нашите очи, а потоа паѓа врз предметите и затоа ги гледаме. Накратко, античките Грци биле глупави колку што можеле додека не биле освоени од истите стари Римјани.

Во средниот век, повеќето научници продолжиле да веруваат дека брзината на ширење на светлината е бесконечна, меѓу нив биле, на пример, Декарт, Кеплер и Ферма.

Но, некои, како Галилео, веруваа дека светлината има брзина и затоа може да се мери. Надалеку е познат експериментот на Галилео, кој запали светилка и му даде светлина на асистент кој се наоѓа на неколку километри од Галилео. Откако ја виде светлината, помошникот ја запали својата светилка, а Галилео се обиде да го измери доцнењето помеѓу овие моменти. Нормално, не успеал и на крајот бил принуден да напише во своите дела дека ако светлината има брзина, тогаш таа е исклучително висока и не може да се мери со човечки напор, па затоа може да се смета за бесконечна.

Првото документирано мерење на брзината на светлината му се припишува на данскиот астроном Олаф Ромер во 1676 година. До оваа година, астрономите, вооружени со телескопите на истиот Галилео, активно ги набљудуваа сателитите на Јупитер, па дури и ги пресметаа нивните периоди на ротација. Научниците утврдиле дека најблиската месечина до Јупитер, Ио, има период на ротација од приближно 42 часа. Сепак, Ромер забележал дека понекогаш Ио се појавува од зад Јупитер 11 минути порано од очекуваното, а понекогаш и 11 минути подоцна. Како што се испостави, Ио се појавува порано во оние периоди кога Земјата, ротирајќи околу Сонцето, се приближува до Јупитер на минимално растојание и заостанува за 11 минути кога Земјата е на спротивното место од орбитата, и затоа е подалеку од Јупитер.

Глупаво делејќи го дијаметарот на земјината орбита (а тоа веќе беше повеќе или помалку познато во тие денови) со 22 минути, Ромер ја доби брзината на светлината 220.000 km/s, пропуштајќи ја вистинската вредност за околу една третина.

Во 1729 година, англискиот астроном Џејмс Бредли, набљудувајќи паралакса(со мало отстапување во локацијата) ѕвездата Етамин (Гама Драконис) го откри ефектот аберации на светлината, т.е. промена на положбата на ѕвездите најблиску до нас на небото поради движењето на Земјата околу Сонцето.

Од ефектот на светлосна аберација, откриен од Бредли, може да се заклучи и дека светлината има конечна брзина на ширење, која Бредли ја искористил, пресметувајќи ја на приближно 301.000 km/s, што е веќе во точност од 1% од вредноста позната денес.

Ова беше проследено со сите појаснувачки мерења од други научници, но бидејќи се веруваше дека светлината е бран, а бранот не може сам да се шири, нешто треба да се „возбуди“, идејата за постоење на „ просветлен етер“ се појави, чие откритие американскиот очајно не успеа физичарот Алберт Мајкелсон. Тој не откри никаков просветлен етер, но во 1879 година ја разјасни брзината на светлината до 299.910±50 km/s.

Отприлика во исто време, Максвел ја објави својата теорија за електромагнетизам, што значи дека брзината на светлината стана возможна не само директно да се измери, туку и да се изведе од вредностите на електричната и магнетната пропустливост, што беше направено со појаснување на вредноста на брзината на светлината до 299.788 km/s во 1907 година.

Конечно, Ајнштајн изјавил дека брзината на светлината во вакуум е константа и не зависи од ништо. Напротив, сè друго - додавање брзини и наоѓање на правилни референтни системи, ефектите на временското проширување и промените на растојанија при движење со големи брзини и многу други релативистички ефекти зависат од брзината на светлината (бидејќи таа е вклучена во сите формули како константа). Накратко, сè во светот е релативно, а брзината на светлината е количината во однос на која сите други работи во нашиот свет се релативни. Еве, можеби, треба да му ја дадеме дланката на Лоренц, но да не бидеме меркантилни, Ајнштајн е Ајнштајн.

Точното одредување на вредноста на оваа константа продолжи во текот на 20 век, со секоја деценија научниците наоѓаа се повеќе и повеќе броеви по децимална точкасо брзина на светлината, додека во нивните глави не почнаа да се појавуваат нејасни сомнежи.

Утврдувајќи се повеќе и попрецизно колку метри светлината патува во вакуум во секунда, научниците почнаа да се прашуваат што мериме во метри? На крајот на краиштата, на крајот, еден метар е само должина на некое платино-иридиумско стапче што некој го заборавил во некој музеј во близина на Париз!

И на почетокот идејата за воведување стандарден метар изгледаше одлична. За да не страдаат со дворови, стапала и други коси фатоми, Французите во 1791 година решиле како стандардна мерка за должина да земат десет милионити дел од растојанието од Северниот пол до екваторот по меридијанот што минува низ Париз. Тие го измериле ова растојание со точноста достапна во тоа време, фрлиле стап од легура платина-иридиум (поточно, прво месинг, потоа платина, а потоа платина-иридиум) и го ставиле во оваа париска комора на тегови и мерки како примерок. Колку подалеку одиме, толку повеќе се покажува дека површината на земјата се менува, континентите се деформираат, меридијаните се поместуваат и за десет милионити дел ја заборавиле и почнале да ја бројат како метар должината на стапот. што лежи во кристалниот ковчег на парискиот „мавзолеј“.

Таквото идолопоклонство не му одговара на вистински научник, ова не е Црвениот плоштад (!), а во 1960 година беше одлучено да се поедностави концептот на мерачот до сосема очигледна дефиниција - мерачот е точно еднаков на 1.650.763,73 бранови должини емитирани со транзицијата на електрони помеѓу енергетските нивоа 2p10 и 5d5 на невозбудениот изотоп на елементот Криптон-86 во вакуум. Па, колку појасно?

Ова траеше 23 години, додека брзината на светлината во вакуум се мереше со зголемена точност, сè додека во 1983 година, конечно, дури и најтврдокорните ретроградни сфатија дека брзината на светлината е најточната и идеална константа, а не некој вид. на изотоп на криптон. И беше одлучено се да се преврти наопаку (поточно, ако размислите, беше одлучено се да се сврти наопаку), сега брзината на светлината Сое вистинска константа, а метар е растојанието што светлината го поминува во вакуум за (1/299,792,458) секунди.

Вистинската вредност на брзината на светлината и денес продолжува да се разјаснува, но она што е интересно е дека со секој нов експеримент научниците не ја појаснуваат брзината на светлината, туку вистинската должина на мерачот. И колку попрецизно ќе се најде брзината на светлината во наредните децении, толку е попрецизен мерачот што на крајот ќе го добиеме.

И не обратно.

Па, сега да се вратиме на нашите овци. Зошто брзината на светлината во вакуумот на нашиот Универзум е максимална, конечна и константна? Јас вака го разбирам.

Секој знае дека брзината на звукот во метал, и во речиси секое цврсто тело, е многу поголема од брзината на звукот во воздухот. Ова е многу лесно да се провери, само ставете го увото до шината и ќе можете да ги слушнете звуците на воз што се приближува многу порано отколку низ воздухот. Зошто е тоа? Очигледно е дека звукот во суштина е ист, а брзината на неговото ширење зависи од медиумот, од конфигурацијата на молекулите од кои се состои овој медиум, од неговата густина, од параметрите на неговата кристална решетка - накратко, од моменталната состојба на медиумот преку кој се пренесувал звукот.

И иако идејата за прозрачниот етер одамна е напуштена, вакуумот низ кој се шират електромагнетните бранови не е апсолутно ништо, без разлика колку празен ни изгледа.

Разбирам дека аналогијата е донекаде пресилен, но тоа е вистина на вашите прсти™исто! Токму како пристапна аналогија, и во никој случај како директен премин од еден збир на физички закони кон други, ве замолувам само да замислите дека брзината на ширење на електромагнетните (и воопшто, сите, вклучително и глуонските и гравитационите) вибрации, исто како што брзината на звукот во челик е „зашиена“ во шината. Од тука танцуваме.

УПД: Патем, ги поканувам „читателите со ѕвездичка“ да замислат дали брзината на светлината останува константна во „тежок вакуум“. На пример, се верува дека при енергии од редот на температура од 10-30 К, вакуумот едноставно престанува да врие со виртуелни честички и почнува да „зоврие“, т.е. ткаенината на просторот се распаѓа, количините на Планк се заматуваат и го губат своето физичко значење итн. Дали брзината на светлината во таков вакуум сè уште би била еднаква на в, или ова ќе го означи почетокот на новата теорија за „релативистички вакуум“ со корекции како Лоренцовите коефициенти при екстремни брзини? Не знам, не знам, времето ќе покаже...