Lysets spredningshastighet i forskjellige medier. Hva er lysets hastighet
Virkelig hvordan? Hvordan måle høyeste hastighet i Univers i våre beskjedne, jordiske forhold? Vi trenger ikke lenger å gruble over dette - tross alt, over flere århundrer har så mange mennesker jobbet med dette problemet og utviklet metoder for å måle lysets hastighet. La oss starte historien i rekkefølge.
Lysets hastighet– forplantningshastighet av elektromagnetiske bølger i vakuum. Det er merket med den latinske bokstaven c. Lysets hastighet er omtrent 300 000 000 m/s.
Til å begynne med tenkte ingen på spørsmålet om å måle lysets hastighet. Det er lys - det er flott. Så, i antikkens æra, var den rådende oppfatningen blant vitenskapelige filosofer at lysets hastighet er uendelig, det vil si øyeblikkelig. Så skjedde det Middelalderen med inkvisisjonen, da hovedspørsmålet til tenkende og progressive mennesker var "Hvordan unngå å bli fanget i brannen?" Og bare i epoker Renessanse Og Opplysning Forskernes meninger ble mangedoblet og var selvfølgelig delte.
Så, Descartes, Kepler Og Gård var av samme oppfatning som antikkens vitenskapsmenn. Men han mente at lysets hastighet er begrenset, selv om den er veldig høy. Faktisk gjorde han den første målingen av lysets hastighet. Mer presist gjorde han det første forsøket på å måle den.
Galileos eksperiment
Erfaring Galileo Galilei var strålende i sin enkelhet. Forskeren utførte et eksperiment for å måle lysets hastighet, bevæpnet med enkle improviserte midler. På stor og velkjent avstand fra hverandre, på forskjellige bakker, sto Galileo og hans assistent med tente lykter. En av dem åpnet lukkeren på lykten, og den andre måtte gjøre det samme da han så lyset fra den første lykten. Ved å vite avstanden og tiden (forsinkelsen før assistenten åpner lykten), forventet Galileo å beregne lysets hastighet. Dessverre, for at dette eksperimentet skulle lykkes, måtte Galileo og assistenten hans velge åser som var flere millioner kilometer fra hverandre. Jeg vil minne om at du kan ved å fylle ut en søknad på nettsiden.
Roemer og Bradley eksperimenterer
Det første vellykkede og overraskende nøyaktige eksperimentet for å bestemme lysets hastighet var det fra en dansk astronom Olaf Rømer. Roemer brukte den astronomiske metoden for å måle lysets hastighet. I 1676 observerte han Jupiters satellitt Io gjennom et teleskop, og oppdaget at tidspunktet for satellittens formørkelse endres når jorden beveger seg bort fra Jupiter. Maksimal forsinkelsestid var 22 minutter. Ved å regne ut at jorden beveger seg bort fra Jupiter i en avstand fra diameteren til jordens bane, delte Römer den omtrentlige verdien av diameteren på forsinkelsestiden, og fikk en verdi på 214 000 kilometer per sekund. Selvfølgelig var en slik beregning veldig grov, avstandene mellom planetene var bare kjent omtrentlig, men resultatet viste seg å være relativt nær sannheten.
Bradleys erfaring. I 1728 James Bradley estimerte lysets hastighet ved å observere aberrasjonen til stjerner. Abberasjon er en endring i den tilsynelatende posisjonen til en stjerne forårsaket av jordens bevegelse i dens bane. Ved å kjenne jordens hastighet og måle aberrasjonsvinkelen oppnådde Bradley en verdi på 301 000 kilometer per sekund.
Fizeaus erfaring
Den vitenskapelige verdenen på den tiden reagerte med mistillit til resultatet av eksperimentet til Roemer og Bradley. Bradleys resultat var imidlertid det mest nøyaktige på over hundre år, helt frem til 1849. Det året, en fransk vitenskapsmann Armand Fizeau målte lyshastigheten ved hjelp av roterende lukkermetoden, uten å observere himmellegemer, men her på jorden. Faktisk var dette den første laboratoriemetoden for å måle lysets hastighet siden Galileo. Nedenfor er et diagram over laboratorieoppsettet.
Lyset, reflektert fra speilet, passerte gjennom tennene på hjulet og ble reflektert fra et annet speil, 8,6 kilometer unna. Hastigheten på hjulet ble økt til lyset ble synlig i neste gap. Fizeaus beregninger ga et resultat på 313.000 kilometer i sekundet. Et år senere ble et lignende eksperiment med et roterende speil utført av Leon Foucault, som oppnådde et resultat på 298 000 kilometer i sekundet.
Med inntoget av masere og lasere har mennesker fått nye muligheter og måter å måle lysets hastighet, og utviklingen av teorien gjorde det også mulig å beregne lysets hastighet indirekte, uten å gjøre direkte målinger.
Den mest nøyaktige verdien av lysets hastighet
Menneskeheten har samlet enorm erfaring med å måle lysets hastighet. I dag anses den mest nøyaktige verdien for lysets hastighet å være 299 792 458 meter per sekund, mottatt i 1983. Det er interessant at ytterligere, mer nøyaktig måling av lyshastigheten viste seg å være umulig på grunn av feil i målingen meter. For øyeblikket er verdien av en meter knyttet til lysets hastighet og er lik avstanden som lyset reiser på 1/299 792 458 av et sekund.
Til slutt, som alltid, foreslår vi at du ser en pedagogisk video. Venner, selv om du står overfor en slik oppgave som uavhengig måling av lyshastigheten ved hjelp av improviserte midler, kan du trygt henvende deg til forfatterne våre for å få hjelp. Du kan fylle ut en søknad på Correspondence Student-nettstedet. Vi ønsker deg en hyggelig og enkel studie!
I fjor vår rapporterte vitenskapelige og populærvitenskapelige magasiner rundt om i verden oppsiktsvekkende nyheter. Amerikanske fysikere utførte et unikt eksperiment: de klarte å redusere lyshastigheten til 17 meter per sekund.
Alle vet at lyset reiser med enorm hastighet - nesten 300 tusen kilometer i sekundet. Den nøyaktige verdien av dens verdi i vakuum = 299792458 m/s er en grunnleggende fysisk konstant. I følge relativitetsteorien er dette den maksimalt mulige signaloverføringshastigheten.
I et hvilket som helst gjennomsiktig medium beveger lys seg langsommere. Hastigheten v avhenger av brytningsindeksen til mediet n: v = c/n. Brytningsindeksen til luft er 1,0003, vann - 1,33, for forskjellige typer glass - fra 1,5 til 1,8. Diamant har en av de høyeste brytningsindeksverdiene - 2,42. Dermed vil lyshastigheten i vanlige stoffer ikke synke mer enn 2,5 ganger.
Tidlig i 1999 studerte en gruppe fysikere fra Rowland Institute for Scientific Research ved Harvard University (Massachusetts, USA) og Stanford University (California) den makroskopiske kvanteeffekten – den såkalte selvinduserte transparensen, som sender laserpulser gjennom et medium. som vanligvis er ugjennomsiktig. Dette mediet var natriumatomer i en spesiell tilstand kalt Bose-Einstein-kondensatet. Når den bestråles med en laserpuls, får den optiske egenskaper som reduserer gruppehastigheten til pulsen med 20 millioner ganger sammenlignet med hastigheten i vakuum. Eksperimentører klarte å øke lyshastigheten til 17 m/s!
Før vi beskriver essensen av dette unike eksperimentet, la oss huske betydningen av noen fysiske konsepter.
Gruppehastighet. Når lys forplanter seg gjennom et medium, skilles to hastigheter: fase og gruppe. Fasehastighet vf karakteriserer bevegelsen av fasen til en ideell monokromatisk bølge - en uendelig sinusbølge med strengt tatt en frekvens og bestemmer retningen for lysets utbredelse. Fasehastigheten i mediet tilsvarer fasebrytningsindeksen - den samme hvis verdier måles for forskjellige stoffer. Fasebrytningsindeksen, og derfor fasehastigheten, avhenger av bølgelengden. Denne avhengigheten kalles spredning; det fører spesielt til nedbrytning av hvitt lys som passerer gjennom et prisme til et spektrum.
Men en ekte lysbølge består av et sett med bølger med forskjellige frekvenser, gruppert i et visst spektralintervall. Et slikt sett kalles en gruppe bølger, en bølgepakke eller en lyspuls. Disse bølgene forplanter seg gjennom mediet ved forskjellige fasehastigheter på grunn av spredning. I dette tilfellet strekkes impulsen og formen endres. Derfor, for å beskrive bevegelsen til en impuls, en gruppe bølger som helhet, introduseres begrepet gruppehastighet. Det gir mening bare i tilfellet med et smalt spektrum og i et medium med svak dispersjon, når forskjellen i fasehastighetene til de enkelte komponentene er liten. For bedre å forstå situasjonen kan vi gi en klar analogi.
La oss forestille oss at syv utøvere stilte opp på startstreken, kledd i forskjellige fargede trøyer i henhold til fargene på spekteret: rød, oransje, gul osv. På signal fra startpistolen begynner de samtidig å løpe, men den «røde ” idrettsutøveren løper raskere enn den “oransje” , “oransje” er raskere enn “gul” osv., slik at de strekker seg til en kjede, hvis lengde øker kontinuerlig. Tenk deg nå at vi ser på dem ovenfra fra en slik høyde at vi ikke kan skille individuelle løpere, men bare ser en broket flekk. Er det mulig å snakke om bevegelseshastigheten til dette stedet som helhet? Det er mulig, men bare hvis det ikke er veldig uskarpt, når forskjellen i hastigheten til forskjellige fargede løpere er liten. Ellers kan stedet strekke seg over hele lengden av ruten, og spørsmålet om hastigheten vil miste mening. Dette tilsvarer sterk spredning - en stor spredning av hastigheter. Hvis løpere er kledd i jerseys av nesten samme farge, som bare skiller seg i nyanser (for eksempel fra mørk rød til lys rød), blir dette i samsvar med tilfellet med et smalt spektrum. Da vil ikke hastigheten til løperne avvike mye, gruppen vil forbli ganske kompakt når den beveger seg og kan karakteriseres av en veldig bestemt hastighet, som kalles gruppehastighet.
Bose-Einstein-statistikk. Dette er en av typene såkalt kvantestatistikk - en teori som beskriver tilstanden til systemer som inneholder et veldig stort antall partikler som adlyder kvantemekanikkens lover.
Alle partikler - både de som finnes i et atom og frie - er delt inn i to klasser. For en av dem er Pauli-eksklusjonsprinsippet gyldig, ifølge hvilket det ikke kan være mer enn én partikkel på hvert energinivå. Partikler av denne klassen kalles fermioner (disse er elektroner, protoner og nøytroner; den samme klassen inkluderer partikler som består av et oddetall fermioner), og loven om deres distribusjon kalles Fermi-Dirac-statistikk. Partikler av en annen klasse kalles bosoner og følger ikke Pauli-prinsippet: et ubegrenset antall bosoner kan samle seg på ett energinivå. I dette tilfellet snakker vi om Bose-Einstein-statistikk. Bosoner inkluderer fotoner, noen kortlivede elementærpartikler (for eksempel pi-mesoner), samt atomer som består av et jevnt antall fermioner. Ved svært lave temperaturer samles bosoner på sitt laveste—grunnleggende—energinivå; så sier de at Bose-Einstein kondens oppstår. Kondensatatomene mister sine individuelle egenskaper, og flere millioner av dem begynner å oppføre seg som én, deres bølgefunksjoner smelter sammen, og deres oppførsel er beskrevet av en enkelt ligning. Dette gjør det mulig å si at atomene i kondensatet har blitt koherente, som fotoner i laserstråling. Forskere fra American National Institute of Standards and Technology brukte denne egenskapen til Bose-Einstein-kondensatet for å lage en "atomisk laser" (se Science and Life nr. 10, 1997).
Selvfremkalt åpenhet. Dette er en av effektene av ikke-lineær optikk - optikken til kraftige lysfelt. Den består i det faktum at en veldig kort og kraftig lyspuls passerer uten demping gjennom et medium som absorberer kontinuerlig stråling eller lange pulser: et ugjennomsiktig medium blir gjennomsiktig for det. Selvindusert gjennomsiktighet observeres i sjeldne gasser med en pulsvarighet i størrelsesorden 10-7 - 10-8 s og i kondenserte medier - mindre enn 10-11 s. I dette tilfellet oppstår en forsinkelse av pulsen - gruppehastigheten reduseres sterkt. Denne effekten ble først demonstrert av McCall og Khan i 1967 på rubin ved en temperatur på 4 K. I 1970 ble det oppnådd forsinkelser tilsvarende pulshastigheter tre størrelsesordener (1000 ganger) mindre enn lyshastigheten i vakuum i rubidium damp.
La oss nå gå til det unike eksperimentet fra 1999. Det ble utført av Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Rowland Institute) og Steve Harris (Stanford University). De avkjølte en tett, magnetisk holdt sky av natriumatomer til de kom tilbake til grunntilstanden, det laveste energinivået. I dette tilfellet ble bare de atomene isolert hvis magnetiske dipolmoment var rettet motsatt retningen til magnetfeltet. Forskerne avkjølte deretter skyen til mindre enn 435 nK (nanokelvin, eller 0,000000435 K, nesten absolutt null).
Etter dette ble kondensatet belyst med en "koblingsstråle" av lineært polarisert laserlys med en frekvens som tilsvarer dens svake eksitasjonsenergi. Atomene beveget seg til et høyere energinivå og sluttet å absorbere lys. Som et resultat ble kondensatet gjennomsiktig for følgende laserstråling. Og her dukket det opp veldig merkelige og uvanlige effekter. Målingene viste at under visse forhold opplever en puls som går gjennom et Bose-Einstein-kondensat en forsinkelse som tilsvarer at lyset bremses med mer enn syv størrelsesordener - en faktor på 20 millioner. Hastigheten på lyspulsen ble redusert til 17 m/s, og lengden ble redusert flere ganger - til 43 mikrometer.
Forskerne mener at ved å unngå laseroppvarming av kondensatet vil de kunne bremse lyset ytterligere – kanskje til en hastighet på flere centimeter per sekund.
Et system med slike uvanlige egenskaper vil gjøre det mulig å studere de kvanteoptiske egenskapene til materie, samt lage ulike enheter for fremtidens kvantedatamaskiner, for eksempel enkeltfoton-svitsjer.
På 1800-tallet ble det sett flere vitenskapelige eksperimenter som førte til oppdagelsen av en rekke nye fenomener. Blant disse fenomenene er Hans Oersteds oppdagelse av generering av magnetisk induksjon ved elektrisk strøm. Senere oppdaget Michael Faraday den motsatte effekten, som ble kalt elektromagnetisk induksjon.
James Maxwells ligninger - lysets elektromagnetiske natur
Som et resultat av disse oppdagelsene ble den såkalte "interaksjonen på avstand" notert, noe som resulterte i den nye teorien om elektromagnetisme formulert av Wilhelm Weber, som var basert på langdistansehandling. Senere definerte Maxwell begrepet elektriske og magnetiske felt, som er i stand til å generere hverandre, som er en elektromagnetisk bølge. Deretter brukte Maxwell den såkalte "elektromagnetiske konstanten" i ligningene sine - Med.
På den tiden hadde forskerne allerede kommet nær det faktum at lys er elektromagnetisk i naturen. Den fysiske betydningen av den elektromagnetiske konstanten er hastigheten på forplantningen av elektromagnetiske eksitasjoner. Til overraskelse for James Maxwell selv viste den målte verdien av denne konstanten i eksperimenter med enhetsladninger og strømmer seg å være lik lysets hastighet i vakuum.
Før denne oppdagelsen skilte menneskeheten lys, elektrisitet og magnetisme. Maxwells generalisering tillot oss å ta et nytt blikk på lysets natur, som et visst fragment av elektriske og magnetiske felt som forplanter seg uavhengig i rommet.
Figuren under viser et diagram over forplantningen av en elektromagnetisk bølge, som også er lys. Her er H den magnetiske feltstyrkevektoren, E er den elektriske feltstyrkevektoren. Begge vektorene er vinkelrett på hverandre, så vel som på retningen for bølgeutbredelse.
Michelson-eksperiment - absoluttheten til lysets hastighet
Datidens fysikk var i stor grad bygget på Galileos relativitetsprinsipp, ifølge hvilket mekanikkens lover ser like ut i enhver valgt treghetsreferanseramme. Samtidig, i henhold til tillegg av hastigheter, bør forplantningshastigheten avhenge av kildens hastighet. Men i dette tilfellet vil den elektromagnetiske bølgen oppføre seg annerledes avhengig av valg av referanseramme, noe som bryter med Galileos relativitetsprinsipp. Dermed var Maxwells tilsynelatende velformede teori i en rystende tilstand.
Eksperimenter har vist at lysets hastighet egentlig ikke er avhengig av kildens hastighet, noe som betyr at det kreves en teori som kan forklare et så merkelig faktum. Den beste teorien på den tiden viste seg å være teorien om "eter" - et bestemt medium der lys forplanter seg, akkurat som lyd forplanter seg i luften. Da ville lysets hastighet ikke bli bestemt av kildens bevegelseshastighet, men av egenskapene til selve mediet - eteren.
Mange eksperimenter har blitt utført for å oppdage eteren, den mest kjente av disse er eksperimentet til den amerikanske fysikeren Albert Michelson. Kort fortalt er det kjent at jorden beveger seg i verdensrommet. Da er det logisk å anta at den også beveger seg gjennom eteren, siden eterens fullstendige tilknytning til jorden ikke bare er den høyeste grad av egoisme, men rett og slett ikke kan være forårsaket av noe. Hvis Jorden beveger seg gjennom et bestemt medium der lys forplanter seg, så er det logisk å anta at tillegg av hastigheter finner sted her. Det vil si at lysets utbredelse må avhenge av bevegelsesretningen til jorden, som flyr gjennom eteren. Som et resultat av sine eksperimenter oppdaget ikke Michelson noen forskjell mellom hastigheten på lysets utbredelse i begge retninger fra jorden.
Den nederlandske fysikeren Hendrik Lorentz prøvde å løse dette problemet. I følge hans antagelse påvirket den "eteriske vinden" legemer på en slik måte at de reduserte størrelsen i bevegelsesretningen. Basert på denne antakelsen opplevde både Jorden og Michelsons enhet denne Lorentz-sammentrekningen, som et resultat av at Albert Michelson oppnådde samme hastighet for forplantningen av lys i begge retninger. Og selv om Lorentz var noe vellykket med å forsinke døden til eter-teorien, mente forskerne fortsatt at denne teorien var "langsøkt". Dermed skulle eteren ha en rekke "eventyregenskaper", inkludert vektløshet og fravær av motstand mot bevegelige kropper.
Slutten på eterens historie kom i 1905 med publiseringen av artikkelen "On the Electrodynamics of Moving Bodies" av den da lite kjente Albert Einstein.
Albert Einsteins spesielle relativitetsteori
Tjueseks år gamle Albert Einstein uttrykte et helt nytt, annerledes syn på rommets og tidens natur, som gikk i strid med datidens ideer, og spesielt grovt krenket Galileos relativitetsprinsipp. Ifølge Einstein ga ikke Michelsons eksperiment positive resultater av den grunn at rom og tid har slike egenskaper at lysets hastighet er en absolutt verdi. Det vil si at uansett hvilken referanseramme observatøren befinner seg i, er lyshastigheten i forhold til ham alltid den samme, 300 000 km/sek. Fra dette fulgte det umuligheten av å legge tillegg av hastigheter i forhold til lys - uansett hvor raskt lyskilden beveger seg, vil ikke lyshastigheten endres (legge til eller trekke fra).
Einstein brukte Lorentz-sammentrekningen for å beskrive endringer i parametrene til kropper som beveger seg med hastigheter nær lysets hastighet. Så for eksempel vil lengden på slike kropper avta, og deres egen tid vil avta. Koeffisienten til slike endringer kalles Lorentz-faktoren. Einsteins berømte formel E=mc 2 inkluderer faktisk også Lorentz-faktoren ( E= ymc 2), som generelt er lik enhet i tilfellet når kroppshastigheten v lik null. Når kroppshastigheten nærmer seg v til lysets hastighet c Lorentz faktor y skynder seg mot det uendelige. Det følger av dette at for å akselerere et legeme til lysets hastighet, vil det kreves en uendelig mengde energi, og derfor er det umulig å krysse denne fartsgrensen.
Det er også et argument for denne uttalelsen kalt "relativiteten til samtidighet."
Paradoks av relativiteten til samtidighet av SRT
Kort sagt, fenomenet med relativiteten til samtidighet er at klokker som er plassert på forskjellige punkter i rommet, bare kan kjøre "samtidig" hvis de er i samme treghetsreferanseramme. Det vil si at tiden på klokken avhenger av valg av referansesystem.
Av dette følger paradokset at hendelse B, som er en konsekvens av hendelse A, kan inntreffe samtidig med den. I tillegg er det mulig å velge referansesystemer på en slik måte at hendelse B vil inntreffe tidligere enn hendelsen A som forårsaket det. Imidlertid observeres denne hypotetiske situasjonen bare i tilfellet når avstanden mellom hendelser A og B er større enn tidsintervallet mellom dem multiplisert med den "elektromagnetiske konstanten" - Med. Dermed konstanten c, som er lik lysets hastighet, er den maksimale hastigheten for informasjonsoverføring. Ellers ville kausalitetsprinsippet bli brutt.
Hvordan måles lysets hastighet?
Observasjoner av Olaf Roemer
Forskere i antikken trodde for det meste at lys beveger seg med uendelig hastighet, og det første estimatet av lysets hastighet ble oppnådd allerede i 1676. Den danske astronomen Olaf Roemer observerte Jupiter og dens måner. I det øyeblikket Jorden og Jupiter var på hver sin side av Solen, ble formørkelsen av Jupiters måne Io forsinket med 22 minutter sammenlignet med den beregnede tiden. Den eneste løsningen Olaf Roemer fant er at lysets hastighet er begrensende. Av denne grunn er informasjon om den observerte hendelsen forsinket med 22 minutter, siden det tar litt tid å reise avstanden fra Io-satellitten til astronomens teleskop. I følge Roemers beregninger var lyshastigheten 220 000 km/s.
Observasjoner av James Bradley
I 1727 oppdaget den engelske astronomen James Bradley fenomenet lysaberrasjon. Essensen av dette fenomenet er at når jorden beveger seg rundt solen, så vel som under jordens egen rotasjon, observeres en forskyvning av stjerner på nattehimmelen. Siden jordobservatøren og jorden selv hele tiden endrer bevegelsesretning i forhold til den observerte stjernen, reiser lyset som sendes ut av stjernen forskjellige avstander og faller i forskjellige vinkler til observatøren over tid. Den begrensede lyshastigheten fører til at stjernene på himmelen beskriver en ellipse gjennom hele året. Dette eksperimentet tillot James Bradley å estimere lysets hastighet - 308 000 km/s.
Louis Fizeau-opplevelsen
I 1849 utførte den franske fysikeren Louis Fizeau et laboratorieeksperiment for å måle lysets hastighet. Fysikeren installerte et speil i Paris i en avstand på 8.633 meter fra kilden, men ifølge Roemers beregninger vil lyset reise denne avstanden på hundretusendeler av et sekund. Slik klokkenøyaktighet var uoppnåelig da. Fizeau brukte deretter et tannhjul som roterte på vei fra kilden til speilet og fra speilet til observatøren, hvis tenner periodisk blokkerte lyset. I tilfellet da en lysstråle fra kilden til speilet passerte mellom tennene, og på vei tilbake traff en tann, doblet fysikeren rotasjonshastigheten til hjulet. Etter hvert som hjulets rotasjonshastighet økte, sluttet lyset nesten å forsvinne til rotasjonshastigheten nådde 12,67 omdreininger per sekund. I dette øyeblikket forsvant lyset igjen.
En slik observasjon betydde at lyset hele tiden "støtet" inn i tennene og ikke hadde tid til å "gli" mellom dem. Ved å vite hjulets rotasjonshastighet, antall tenner og to ganger avstanden fra kilden til speilet, beregnet Fizeau lyshastigheten, som viste seg å være lik 315 000 km/sek.
Et år senere utførte en annen fransk fysiker Leon Foucault et lignende eksperiment der han brukte et roterende speil i stedet for et tannhjul. Verdien han oppnådde for lyshastigheten i luft var 298 000 km/s.
Et århundre senere ble Fizeaus metode forbedret så mye at et lignende eksperiment utført i 1950 av E. Bergstrand ga en hastighetsverdi på 299 793,1 km/s. Dette tallet avviker bare med 1 km/s fra gjeldende verdi for lyshastigheten.
Ytterligere målinger
Med inntoget av lasere og økende nøyaktighet av måleinstrumenter var det mulig å redusere målefeilen ned til 1 m/s. Så i 1972 brukte amerikanske forskere en laser for sine eksperimenter. Ved å måle frekvensen og bølgelengden til laserstrålen kunne de oppnå en verdi på 299 792 458 m/s. Det er bemerkelsesverdig at en ytterligere økning i nøyaktigheten av å måle lyshastigheten i et vakuum var umulig, ikke på grunn av de tekniske feilene til instrumentene, men på grunn av feilen i selve målerstandarden. Av denne grunn, i 1983, definerte XVII General Conference on Weights and Measures måleren som avstanden som lyset reiser i et vakuum på en tid lik 1/299,792,458 sekunder.
La oss oppsummere det
Så fra alt det ovennevnte følger det at lysets hastighet i et vakuum er en grunnleggende fysisk konstant som vises i mange grunnleggende teorier. Denne hastigheten er absolutt, det vil si at den ikke avhenger av valg av referansesystem, og er også lik den maksimale hastigheten for informasjonsoverføring. Ikke bare elektromagnetiske bølger (lys), men også alle masseløse partikler beveger seg med denne hastigheten. Inkludert, antagelig, graviton, en partikkel av gravitasjonsbølger. Blant annet, på grunn av relativistiske effekter, står lysets egen tid bokstavelig talt stille.
Slike egenskaper til lys, spesielt uanvendeligheten av prinsippet om tilsetning av hastigheter til det, passer ikke inn i hodet. Imidlertid bekrefter mange eksperimenter egenskapene som er oppført ovenfor, og en rekke grunnleggende teorier er basert nettopp på denne lysets natur.
Lys er et av nøkkelbegrepene i optisk fysikk. Lys er elektromagnetisk stråling som er tilgjengelig for det menneskelige øyet.
I mange tiår slet de beste hodene med problemet med å bestemme med hvilken hastighet lyset beveger seg og hva det er lik, samt alle beregningene som følger med det. I 1676 skjedde en revolusjon blant fysikere. En dansk astronom ved navn Ole Roemer tilbakeviste påstanden om at lys reiser gjennom universet med ubegrenset hastighet.
I 1676 fastslo Ole Roemer at lysets hastighet i et vakuum er 299792458 m/s.
For enkelhets skyld begynte dette tallet å bli avrundet. Den nominelle verdien på 300 000 m/s brukes fortsatt i dag.
Under normale forhold for oss gjelder denne regelen for alle objekter uten unntak, inkludert røntgenstråler, lys og gravitasjonsbølger av spekteret som er håndgripelig for øynene våre.
Moderne fysikere som studerer optikk har bevist at lysets hastighet har flere egenskaper:
- konstanthet;
- uoppnåelighet;
- lem.
Lyshastighet i forskjellige medier
Det bør huskes at den fysiske konstanten direkte avhenger av miljøet, spesielt av brytningsindeksen. I denne forbindelse kan den nøyaktige verdien endres, fordi den bestemmes av frekvenser.
Formelen for å beregne lysets hastighet skrives som s = 3 * 10^8 m/s.
epigraf
Læreren spør: Barn, hva er det raskeste i verden?
Tanechka sier: Det raskeste ordet. Jeg sa bare, du kommer ikke tilbake.
Vanechka sier: Nei, lys er raskest.
Så snart jeg trykket på bryteren ble rommet umiddelbart lyst.
Og Vovochka innvender: Den raskeste tingen i verden er diaré.
Jeg var en gang så utålmodig at jeg ikke sa et ord
Jeg hadde ikke tid til å si noe eller slå på lyset.
Har du noen gang lurt på hvorfor lysets hastighet er maksimal, begrenset og konstant i universet vårt? Dette er et veldig interessant spørsmål, og med en gang, som en spoiler, vil jeg gi bort den forferdelige hemmeligheten bak svaret på det - ingen vet nøyaktig hvorfor. Lysets hastighet tas, d.v.s. mentalt akseptert for en konstant, og på dette postulatet, så vel som på ideen om at alle treghetsreferanserammer er like, bygde Albert Einstein sin spesielle relativitetsteori, som har irritert forskere i hundre år, og tillater Einstein å stikke tungen. ut på verden ustraffet og gliser i graven over dimensjonene grisen som han plantet på hele menneskeheten.
Men hvorfor er det faktisk så konstant, så maksimalt og så endelig, det er ikke noe svar, dette er bare et aksiom, dvs. et utsagn tatt på tro, bekreftet av observasjoner og sunn fornuft, men som ikke kan utledes logisk eller matematisk fra noe sted. Og det er ganske sannsynlig at det ikke er så sant, men ingen har ennå kunne motbevise det med noen erfaring.
Jeg har mine egne tanker om denne saken, mer om dem senere, men for nå, la oss holde det enkelt, på fingrene™ Jeg skal prøve å svare på minst én del - hva betyr lyshastigheten "konstant".
Nei, jeg skal ikke kjede deg med tankeeksperimenter om hva som ville skje hvis du slår på frontlysene i en rakett som flyr med lysets hastighet osv., det er litt utenfor temaet nå.
Hvis du ser i en oppslagsbok eller Wikipedia, er lyshastigheten i et vakuum definert som en grunnleggende fysisk konstant som nøyaktig lik 299.792.458 m/s. Vel, det vil si grovt sett vil det være ca 300 000 km/s, men hvis helt riktig- 299 792 458 meter per sekund.
Det ser ut til, hvor kommer slik nøyaktighet fra? En hvilken som helst matematisk eller fysisk konstant, uansett, til og med Pi, til og med basen til den naturlige logaritmen e, til og med gravitasjonskonstanten G, eller Plancks konstant h, alltid inneholde noen tall etter desimaltegn. I Pi er rundt 5 billioner av disse desimalplassene for øyeblikket kjent (selv om bare de første 39 sifrene har noen fysisk betydning), gravitasjonskonstanten er i dag definert som G ~ 6,67384(80)x10 -11, og konstanten Plank h~ 6,62606957(29)x10 -34 .
Lysets hastighet i vakuum er glatt 299 792 458 m/s, ikke en centimeter mer, ikke et nanosekund mindre. Vil du vite hvor denne nøyaktigheten kommer fra?
Det hele startet som vanlig med de gamle grekerne. Vitenskap, som sådan, i moderne betydning av ordet, eksisterte ikke blant dem. Filosofene i antikkens Hellas ble kalt filosofer fordi de først fant opp noe dritt i hodet, og deretter, ved å bruke logiske konklusjoner (og noen ganger ekte fysiske eksperimenter), prøvde de å bevise eller motbevise det. Imidlertid ble bruken av virkelige fysiske målinger og fenomener av dem ansett for å være "andreklasses" bevis, som ikke kan sammenlignes med førsteklasses logiske konklusjoner hentet direkte fra hodet.
Den første personen som tenker på eksistensen av lysets egen hastighet regnes for å være filosofen Empidocles, som uttalte at lys er bevegelse, og bevegelse må ha hastighet. Han ble innvendt mot av Aristoteles, som hevdet at lys ganske enkelt er tilstedeværelsen av noe i naturen, og det er alt. Og ingenting beveger seg noe sted. Men det er noe annet! Euklid og Ptolemaios trodde generelt at lys sendes ut fra øynene våre, og deretter faller på gjenstander, og derfor ser vi dem. Kort sagt, de gamle grekerne var så dumme de kunne til de ble erobret av de samme gamle romerne.
I middelalderen fortsatte de fleste forskere å tro at lysets forplantningshastighet var uendelig, blant dem var for eksempel Descartes, Kepler og Fermat.
Men noen, som Galileo, trodde at lyset hadde hastighet og derfor kunne måles. Eksperimentet til Galileo, som tente en lampe og ga lys til en assistent som ligger flere kilometer fra Galileo, er viden kjent. Etter å ha sett lyset, tente assistenten lampen sin, og Galileo prøvde å måle forsinkelsen mellom disse øyeblikkene. Naturligvis lyktes han ikke, og til slutt ble han tvunget til å skrive i skriftene sine at hvis lyset har en hastighet, så er det ekstremt høyt og kan ikke måles ved menneskelig innsats, og kan derfor betraktes som uendelig.
Den første dokumenterte målingen av lysets hastighet tilskrives den danske astronomen Olaf Roemer i 1676. Innen dette året observerte astronomer, bevæpnet med teleskopene til den samme Galileo, aktivt Jupiters satellitter og beregnet til og med rotasjonsperiodene deres. Forskere har bestemt at den nærmeste månen til Jupiter, Io, har en rotasjonsperiode på omtrent 42 timer. Roemer la imidlertid merke til at noen ganger dukker Io opp bak Jupiter 11 minutter tidligere enn forventet, og noen ganger 11 minutter senere. Som det viste seg, dukker Io opp tidligere i de periodene når jorden, som roterer rundt solen, nærmer seg Jupiter på en minimumsavstand, og henger etter med 11 minutter når jorden er på motsatt plass av banen, og derfor er lenger unna. Jupiter.
Ved å dele diameteren på jordens bane dumt (og det var allerede mer eller mindre kjent på den tiden) med 22 minutter, mottok Roemer lyshastigheten 220 000 km/s, og savnet den sanne verdien med omtrent en tredjedel.
I 1729 observerte den engelske astronomen James Bradley parallakse(ved et lite avvik i plassering) oppdaget stjernen Etamin (Gamma Draconis) effekten aberrasjoner av lys, dvs. en endring i posisjonen til stjernene nærmest oss på himmelen på grunn av jordens bevegelse rundt solen.
Fra effekten av lysaberrasjon, oppdaget av Bradley, kan det også konkluderes med at lys har en begrenset forplantningshastighet, som Bradley grep, og beregnet den til å være omtrent 301 000 km/s, som allerede er innenfor en nøyaktighet på 1 % av verdien som er kjent i dag.
Dette ble fulgt av alle de avklarende målingene fra andre forskere, men siden det ble antatt at lys er en bølge, og en bølge ikke kan forplante seg på egen hånd, må noe "begeistres", ideen om eksistensen av en " luminiferous ether» oppsto, oppdagelsen som den amerikanske mislykkede fysikeren Albert Michelson. Han oppdaget ingen lysende eter, men i 1879 klargjorde han lyshastigheten til 299 910±50 km/s.
Omtrent på samme tid publiserte Maxwell sin teori om elektromagnetisme, som betyr at lyshastigheten ble mulig ikke bare å måle direkte, men også å utlede fra verdiene for elektrisk og magnetisk permeabilitet, noe som ble gjort ved å klargjøre verdien av lyshastigheten til 299 788 km/s i 1907.
Til slutt erklærte Einstein at lysets hastighet i et vakuum er en konstant og ikke er avhengig av noe i det hele tatt. Tvert imot, alt annet - å legge til hastigheter og finne de riktige referansesystemene, effekten av tidsdilatasjon og endringer i avstander når du beveger deg i høye hastigheter og mange andre relativistiske effekter avhenger av lysets hastighet (fordi det er inkludert i alle formler som en konstant). Kort sagt, alt i verden er relativt, og lysets hastighet er mengden i forhold til som alle andre ting i vår verden er relative. Her burde vi kanskje gi håndflaten til Lorentz, men la oss ikke være merkantile, Einstein er Einstein.
Den nøyaktige bestemmelsen av verdien av denne konstanten fortsatte gjennom det 20. århundre, med hvert tiår som forskere fant mer og mer tall etter desimaltegn med lysets hastighet, inntil vage mistanker begynte å dukke opp i hodet deres.
Ved å bestemme mer og mer nøyaktig hvor mange meter lys beveger seg i et vakuum per sekund, begynte forskerne å lure på hva vi måler i meter? Tross alt, til syvende og sist er en meter bare lengden på en platina-iridiumpinne som noen glemte på et museum i nærheten av Paris!
Og til å begynne med virket ideen om å introdusere en standardmåler god. For ikke å lide med meter, føtter og andre skrå favner, bestemte franskmennene seg i 1791 for å ta som standard lengdemål en ti-milliondel av avstanden fra Nordpolen til ekvator langs meridianen som går gjennom Paris. De målte denne avstanden med den nøyaktigheten som var tilgjengelig på den tiden, støpte en pinne fra en platina-iridium (mer presist, først messing, deretter platina og deretter platina-iridium) legering og satte den i dette parisiske kammeret for vekter og mål som en prøve. Jo lenger vi kommer, jo mer viser det seg at jordoverflaten endrer seg, kontinentene deformeres, meridianene forskyves, og med en ti-milliondels del har de glemt, og begynte å telle som en meter lengden på pinnen som ligger i krystallkisten til det parisiske "mausoleet".
Slik avgudsdyrkelse passer ikke en ekte vitenskapsmann, dette er ikke den røde firkanten (!), og i 1960 ble det besluttet å forenkle begrepet måleren til en helt åpenbar definisjon - måleren er nøyaktig lik 1 650 763,73 bølgelengder som sendes ut av overgangen til elektroner mellom energinivåene 2p10 og 5d5 til den ueksiterte isotopen til grunnstoffet Krypton-86 i et vakuum. Vel, hvor mye mer tydelig?
Dette pågikk i 23 år, mens lyshastigheten i vakuum ble målt med økende nøyaktighet, inntil i 1983, til slutt, selv de mest gjenstridige retrogradene innså at lysets hastighet er den mest nøyaktige og ideelle konstanten, og ikke en slags av isotop av krypton. Og det ble besluttet å snu alt opp ned (mer presist, hvis du tenker på det, ble det besluttet å snu alt på hodet igjen), nå lysets hastighet Med er en sann konstant, og en meter er avstanden som lyset beveger seg i et vakuum på (1/299,792,458) sekunder.
Den virkelige verdien av lyshastigheten fortsetter å bli avklart i dag, men det som er interessant er at forskerne med hvert nytt eksperiment avklarer ikke lysets hastighet, men den sanne lengden på meteren. Og jo mer nøyaktig lyshastigheten er funnet de neste tiårene, jo mer nøyaktig måleren vil vi til slutt få.
Og ikke omvendt.
Vel, la oss nå gå tilbake til sauene våre. Hvorfor er lysets hastighet i vakuumet til vårt univers maksimal, begrenset og konstant? Slik forstår jeg det.
Alle vet at lydhastigheten i metall, og i nesten alle faste kropper, er mye høyere enn lydhastigheten i luft. Dette er veldig enkelt å sjekke; bare legg øret til skinnen, og du vil kunne høre lyden av et tog som nærmer seg mye tidligere enn gjennom luften. Hvorfor det? Det er åpenbart at lyden i hovedsak er den samme, og hastigheten på dens utbredelse avhenger av mediet, av konfigurasjonen av molekylene som dette mediet består av, av dets tetthet, av parametrene til dets krystallgitter - kort sagt på den nåværende tilstanden til mediet som lyden ble overført gjennom.
Og selv om ideen om lysende eter lenge har blitt forlatt, er vakuumet som elektromagnetiske bølger forplanter seg gjennom, ikke absolutt ingenting, uansett hvor tomt det kan virke for oss.
Jeg forstår at analogien er litt langsøkt, men det er sant på fingrene™ samme! Nettopp som en tilgjengelig analogi, og på ingen måte som en direkte overgang fra ett sett med fysiske lover til andre, ber jeg deg bare om å forestille deg at forplantningshastigheten til elektromagnetiske (og generelt alle, inkludert gluon og gravitasjons) vibrasjoner, akkurat som lydhastigheten i stål "sys inn" i skinnen. Herfra danser vi.
UPD: Forresten, jeg inviterer "lesere med en stjerne" til å forestille seg om lysets hastighet forblir konstant i et "vanskelig vakuum." For eksempel antas det at ved energier i størrelsesorden 10–30 K, slutter vakuumet ganske enkelt å koke med virtuelle partikler, og begynner å "koke bort", dvs. stoffet i rommet faller i stykker, Planck-mengder uskarpes og mister sin fysiske betydning, etc. Ville lysets hastighet i et slikt vakuum fortsatt være lik c, eller vil dette markere begynnelsen på en ny teori om "relativistisk vakuum" med korreksjoner som Lorentz-koeffisienter ved ekstreme hastigheter? Jeg vet ikke, jeg vet ikke, tiden vil vise...