Чему равна скорость света в физике


Физические свойства света всегда были важны для науки, однако его скорость было трудно измерить. Свет является самым быстрым известным физическим явлением, поэтому для его измерения потребовалось разработать современное хронометрическое оборудование. Ранние цивилизации, такие как древние греки, пытались количественно оценить свет, но пришли к мнению, что его свойства неизмеримы. Только в 1973 году скорость света в вакууме была принята в значении 299 792 458 метров в секунду (м/с).

Источник изображения: pngtree.com

 Одним из первых наблюдаемых фактов о свете было то, что он был быстрее, чем звук.


гда что-то производило громкий звук вместе с ярким светом, например, выстрел из пушки, то свет всегда доходил до наблюдателя раньше звука. Трудность в количественном определении этой задержки заключалась в огромной разнице в скорости двух явлений и отсутствии точных часов. Звук имеет скорость 331,3 м/с (при температуре 00 ° C, 0% влажности и атмосферном давлении 788 мм рт. ст.), тогда как свет движется со скоростью 299 792 458 м/с. Ранним исследователям казалось, что свет перемещается мгновенно. В течение многих столетий скорость света была философской концепцией. Мнения об этом разделялись: одни считали, что скорость света бесконечна, другие утверждали, что она должна быть конечна и измерима.

Изобретение более точных часов помогло произвести первый реалистичный расчет скорости света. Один из первых экспериментов, дающих приблизительную оценку скорости света провел Оле Кристенсен Ремер в 1676 году.

Способ измерения скорости света Оле Кристенсена Ремера. Источник изображения: www.fizika9kl.pm298.ru

Чтобы измерить скорость света он использовал орбитальное движение луны Юпитера Ио.


гда Юпитер был ближе всего к Земле Ремер зафиксировал точный момент, когда Ио вошел в тень Юпитера и через несколько месяцев сравнил это время со временем вхождения Ио в тень Юпитера, когда Юпитер находился на большем известном расстоянии от Земли. Таким образом, по его расчетам скорость света составила 220 000 000 м/с. В 1728 году эта оценка была улучшена Джеймсом Брэдли, который измерил наблюдаемое движение звезд в разное время по сравнению со скоростью Земли на ее орбите. Его расчет в 298 000 000 м/с был принят как более точная величина.

Способ измерения скорости света Джеймса Бредли. Источник изображения: infourok.ru

По мере увеличения точности часов и улучшения технологий изготовления часовых механизмов стало возможным разделять промежутки времени на более меньшие сегменты. Первая земная мера скорости света появилась в 1849 году, когда Ипполит Физо использовал механический аппарат для измерения скорости света. Он использовал луч света, сфокусированный на зеркале, расположенном на расстоянии нескольких тысяч метров. Заставляя свет проходить сквозь вращающееся зубчатое колесо, он обнаружил, что при определенном повороте свет будет проходить через зубчатое колесо как в прямом, так и в обратном направлениях. Расчет, основанный на комбинации расстояния источника света от зубчатого колеса, количества зубьев зубчатого колеса и скорости вращения зубчатого колеса, обеспечивал скорость 313 000 000 м/с.


Способ измерения скорости света Армана Ипполита Луи Физо. Источник изображения: wmpt.narod.ru

Этот тип эксперимента был позже уточнен с использованием вращающихся зеркал и призмы, в результате в 1926 году скорость света была оценена как 299 796 000 м/с . Для дальнейшего уточнения этого числа потребовалось появление осциллографов с временным разрешением для дальнейшего уточнения этого числа путем измерения задержки светового импульса от лазера или светодиода.

Одним из интересных свойств света является то, что его наблюдаемая скорость снижается, когда он проходит через среду, отличную от вакуума.


еломление света при его переходе из воздуха в воду является видимым проявлением замедления света при его движении в более плотной среде. Это привело ученых к изучению концепции «медленного света» путем увеличения показателя преломления различных сред. Можно увеличить путь, по которому фотоны должны проходить через среду, используя специальные условия, такие как конденсат Бозе-Эйнштейна ( такое состояние вещества, основу которого составляют бозоны, при температуре близкий к абсолютному нулю). В конденсате Бозе-Эйнштейна ученым удалось замедлить измеряемую скорость света до 1 м/с.

С 1983 года скорость света рассматривалась как определенная константа. В качестве постоянной величины она функционирует как абсолютная мера расстояния (1 метр = путь, пройденный светом за 1/299 792 458 секунды).

Известны ли Вам какие-то другие способы для измерения скорости света? Ждем Ваших ответов в комментариях.

Если Вам понравилась статья поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник: zen.yandex.ru

Немного истории. Как измеряли скорость света


Большинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.

Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.

Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.

Опыт Майкельсона по определению скорости света

Опыты продолжались с 1924 по 1927 год и состояли из 5 серий наблюдений. Суть эксперимента заключалась в следующем. На горе Вильсон в окрестностях Лос-Анжелеса были установлены источник света, зеркало и вращающаяся восьмигранная призма, а через 35 км на горе Сан-Антонио – отражающее зеркало. Вначале свет через линзу и щель попадал на вращающуюся с помощью высокоскоростного ротора (со скоростью 528 об/сек.) призму.


Участники опытов могли регулировать частоту вращения таким образом, чтобы изображение источника света было четко видно в окуляре. Поскольку расстояние между вершинами и частота вращения были известны, Майкельсон определил величину скорости света – 299796 км/сек.

Окончательно со скоростью света ученые определились во второй половине XX века, когда были созданы мазеры и лазеры, отличающиеся высочайшей стабильностью частоты излучения. К началу 70-х погрешность в измерениях снизилась до 1 км/сек. В результате по рекомендации XV Генеральной конференции по мерам и весам, состоявшейся в 1975 году, было решено считать, что скоростью света в вакууме отныне равна 299792,458 км/сек.

Достижима ли для нас скорость света?

Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?

Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.

Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.


По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации. Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.

Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.

Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.

Источник: www.techcult.ru

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) – скорость распространения любых электромагнитных волн, в том числе и световых. Представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой

На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 1,2 м/с. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды.

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):


  • собственно, видимый свет и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.);
  • предположительно — гравитационные волны.

Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой). 

Vc1

Если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несёт никакой информации о точке А.

Представим себе две лежащие в одной плоскости достаточно длинные линейки, одна из которых расположена горизонтально, а другая пересекает её под малым углом. Если первую линейку двигать вниз (в направлении, указанном стрелкой) с большой скоростью, точку пересечения линеек можно заставить бежать сколь угодно быстро, но эта точка — не материальное тело.


Vc2

Скорость света в среде всегда ниже скорости света в вакууме. Поэтому физические объекты могут двигаться в среде со скоростью больше скорости света в среде, но меньше скорости света в вакууме. Так происходит, например, в охлаждающей жидкости ядерного реактора, когда через воду проходят электроны, выбитые гамма-квантами со своих орбит, со скоростью больше скорости света в воде. При этом всегда возникает излучение Вавилова — Черенкова.

Cherenkov radiationCherenkov radiation1

Первое удачное измерение скорость света относится к 1676 г.

Астрономический метод измерения скорости света

Датский ученый Олаф Ремер в 1676 г. засекал время, которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты.


Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного по астрономическим понятиям дальше от Юпитера. В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения. Так была доказана теория о конечной скорости света, и была примерно подсчитана его скорость она примерно составляла 299800 км/с.

461467690

Лабораторные методы

Опыт Физо

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Арману Ипполиту Луи Физо в 1849 г.

     В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку. После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала З, находившегося на расстоянии нескольких километров (8,6 км) от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

    При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 км и для скорости света было получено значение 313 000 км/с.

tsol 3 6 1

Опыт Фуко

В 1862 году Жан Бернар Леон Фуко применил вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.

skorost sveta3

Опыт Майкельсона

Американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) в 1924–1927 годах разработал схему опыта, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио (расстояние порядка 35 км). В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным высокоскоростным ротором, делающим до 528 оборотов в секунду.

Изменяя частоту вращения ротора, наблюдатель добивался возникновения в окуляре устойчивого изображения источника света. Знание расстояния между установками и частоты вращения зеркала позволяли вычислить скорость света.

Maikelson

Современные методы измерения скорости света

В 1972 г. значение скорости света было определено на основе независимых измерений длины волны и частоты света. В качестве источника был выбран, по ряду причин, гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение с длиной волны 3,39 мкм. Длина волны этого излучения измерялась с помощью интерферометрического сравнения с эталоном длины, т.е. с длиной волны оранжевого излучения криптона. Методами нелинейной оптики (генерация излучения с суммарными и разностными гармониками) частоту лазерного излучения удалось сравнить с эталоном времени. Таким образом было получено значение скорости света с = λν, превосходящее по точности все ранее известные значения более чем на два порядка:

с = 299 792 456,2 ± 1,1 м/с.

He Ne

Сопоставим лучшие данные полученные разными методами:

Метод вращающегося зеркала с = 299 796 ± 4 км/с (Майкельсон, 1926 г.)
Метод прерываний (усовершенствованный) с = 299 793,1 ±0,25 км/с (Бергштранд, 1950 г.)
Радиогеодезия с = 299 792 ± 2,4 км/с (Аклаксон, 1949 г.)
Полый резонатор с = 299 792,5 км/с (Эссен, 1950 г.)
Микроволновая интерферометрия с = 299 792,2 ± 0,2 км/с (Фрум, 1958 г.)
Измерение частоты и длины волны с = 299 792, 4562 ± 0,0011 км/с (Ивенсон, 1972 г.)

arrow left                                     arrow right

Источник: light-fizika.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.