Скорость света в пустоте


О существовании такого понятия как «скорость света» многие знают еще с раннего детства. Большому количество людей известно, что свет движется очень быстро. Но не все знают подробно о явлении.

Многие обращали внимание на то, что во время грозы существует задержка между вспышкой молнии и звуком грома. Вспышка, как правило, доходит до нас быстрее. Это значит, что она имеет большую быстроту, чем звук. С чем это связано? Что такое скорость света и как её измеряют?

Что такое скорость света?

Давайте для начала разберемся, что такое скорость света. По-научному, это такая величина, которая показывает, насколько быстро перемещаются лучи в вакууме или в воздухе. Также нужно знать, что такое свет. Это излучение, которое воспринимается человеческим глазом. От условий окружения зависит быстрота, а также другие свойства, например, преломление.

Свет от Луны до Земли
Свет от Луны до Земли

Что такое скорость света своими словами?


Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой).

Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.

Чему равна скорость света?

При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.

Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.


Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.

Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.

Телескоп рефрактор - схема
Телескоп рефрактор – схема

В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.

Самое точное значение скорости света


Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.

Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.

Чему равна скорость света в вакууме?

Поскольку в вакууме на свет не влияют различные условия, то его скорость не меняется так, как на Земле. Скорость света в вакууме равна 299 792 километрам в секунду. Такой показатель является предельным. Считается, что ничто в мире не может двигаться быстрее, даже космические тела, которые движутся довольно быстро.

К примеру, истребитель, Боинг Х-43, который превышает скорость звука практически в 10 раз (более 11 тысяч км/ч), летит медленнее, чем луч. Последний движется более, чем на 96 тысяч километров в час быстрее.

Как измеряли скорость света?


Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.

Измерение скорости света
Измерение скорости света

Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.

Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.


Через некоторое время большинство ученых заинтересовались этой величиной. В исследованиях принимали участие люди науки из разных стран. Однако до 70-х годов 20 века каких либо грандиозных открытий не было. С 1970-х, когда придумали лазеры и мазеры (квантовые генераторы), ученые провели исследования и получили точную скорость. Текущее значение актуально с 1983 года. Исправляли лишь небольшие погрешности.

Опыт Галилея

Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.

Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.

Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Как измеряли скорость света?
Как измеряли скорость света?

Опыт Рёмера и Брэдли


Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.

Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.

Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.

В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.

Опыт Физо

Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.


Опыт Физо
Опыт Физо

Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.

Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.


Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.

Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.

Источник: kipmu.ru

В вакууме (пустоте)

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. 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[3]. Для решения школьных задач и разного рода оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение 300 000 000 м/с (3×108 м/с).

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.

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.

В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом).

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)[4]. (Подробнее см. Сверхсветовое движение, также соответствующий раздел данной статьи ниже).

В прозрачной среде

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.


Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ = c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

История измерений скорости света

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной[5]. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.

Сверхсветовое движение

Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) невозможно, так как это нарушило бы фундаментальный принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами, движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.

Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.

Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и во-вторых, никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности — с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а разность их скоростей также не достигает скорости света.

Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны.

В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

C 2006 года появляются сообщения о том, что в так называемом эффекте квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана — сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества[6].

В результате обработки данных эксперимента OPERA[7], набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино[8]. Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов[9]. Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино[10]. В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили[11][12]. В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля)[13].

В культуре

В фантастическом рассказе «Светопреставление» Александр Беляев описывает ситуацию, когда скорость света снижается до нескольких метров в секунду.

См. также

  • Сверхсветовое движение
  • Скорость звука
  • Переменная скорость света
  • Световой год

Литература

  • Е. Б. Александров, П. А. Александров, В. С. Запасский, В. Н. Корчуганов, А. И. Стирин. Эксперименты по прямой демонстрации независимости скорости света от скорости движения источника // Успехи физических наук. — 2011. — В. 12..
  • Физические величины: Справочник./А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова М.: Энергоатомиздат, 1991, — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5

Источник: dic.academic.ru

Что такое скорость света

Скорость распространения света в вакууме считают абсолютной величиной, отражающей быстроту распространения электромагнитных излучений. Она широко используется в физике и имеет обозначение в виде маленькой латинской буквы «с» (говорится «цэ»).

По мнению большинства исследователей и ученых скорость света в вакууме – это максимально возможная быстрота движения частиц и распространения различных типов излучения.

Что касается примеров явлений, они таковы:

  1. Видимый свет, исходящий из любого источника.
  2. Все виды электромагнитного излучения (например, рентгеновские лучи и радиоволны).
  3. Гравитационные волны (тут мнения некоторых специалистов расходятся).

Многие виды частиц могут двигаться с околосветовой скоростью, но при этом не достигают ее.

Фундаментальная роль скорости света в физике

Этот показатель является одним из основных независимо от того, какая система отсчета используется при исследовании. Он не зависит от движения источника волн, что тоже важно.

Инвариантность была принята в виде постулата Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Это произошло после того, как еще один ученый, Максвелл, не обнаружив доказательств существования светоносного эфира, выдвинул теорию об электромагнетизме.

Утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, превышающей световую на сегодня считается вполне обоснованным.

Кстати! Физики не отрицают, что некоторые из частиц могут двигаться со скоростью, превышающей рассматриваемый показатель. Но при этом они не могут быть использованы для передачи информации.

Исторические справки

Чтобы разобраться в особенностях темы и узнать, как были открыты те или иные явления, следует изучить опыты некоторых ученых. В 19 веке было сделано множество открытий, которые помогли ученым впоследствии, в основном они касались электрического тока и явлений магнитной и электромагнитной индукций.

Опыты Джеймса Максвелла

Исследования физика подтвердили взаимодействие частиц на расстоянии. Впоследствии это позволило Вильгельму Веберу разработать новую теорию электромагнетизма. Также Максвелл четко установил явление магнитного и электрического поля и определил, что они могут порождать друг друга, образуя электромагнитные волны. Именно этот ученый первым стал использовать обозначение «с», которое применяется физиками всего мира до сих пор.

Благодаря этому большинство исследователей уже тогда заговорили об электромагнитной природе света. Максвелл при исследовании скорости распространения электромагнитных возбуждений пришел к выводу, что этот показатель равен скорости света, в свое время его удивил этот факт.

Благодаря исследованиям Максвелла стало понятно, что свет, магнетизм и электричество – это не отдельные понятия. В совокупности эти факторы и определяют природу света, ведь это сочетание магнитного и электрического поля, которое распространяется в пространстве.

Майкельсон и его опыт по доказательству абсолютности скорости света

В начале прошлого века большинством ученых использовался принцип относительности Галилея, по которому считалось, что законы механики неизменны вне зависимости от того, какая система отсчета применяется. Но при этом согласно теории скорость распространения электромагнитных волн должна меняться при движении источника. Это шло вразрез как с постулатами Галилея, так и с теорией Максвелла, что и стало причиной начала исследований.

На тот момент большинство ученых склонялось к «теории эфира», по которой показатели не зависели от скорости движения его источника, главным определяющим фактором считались особенности среды.

Так как Земля движется в космическом пространстве в определенном направлении, скорость света согласно закону сложения скоростей будет отличаться при измерении в разных направлениях. Но Майкельсон не обнаружил никакой разницы в распространении электромагнитных волн вне зависимости от того, в каком направлении производились измерения.

Теория эфира не могла объяснить наличие абсолютной величины, что еще лучше показало ее ошибочность.

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна

Молодой на тот момент ученый представил теорию, идущую вразрез с представлениями большинства исследователей. Согласно ей время и пространство обладают таким характеристиками, которые обеспечивают неизменность скорости света в вакууме независимо от выбранной системы отсчета. Это объясняло неудачные опыты Майкельсона, так как быстрота распространения света не зависит от движения его источника.

Как измеряли скорость света ранее

Попытки определить этот показатель предпринимались многими, но из-за низкого уровня развития науки сделать это ранее было проблематично. Так, ученые античности считали, что скорость света бесконечна, но позднее многие исследователи усомнились в этом постулате, что и привело к ряду попыток определить ее:

  1. Галилей использовал фонарики. Чтобы рассчитать скорость распространения световых волн, он и его помощник находились на холмах, расстояние между которыми было определено точно. Затем один из участников открывал фонарь, второй должен был делать то же самое, как только увидел свет. Но такой метод не дал результатов из-за высокой скорости распространений волн и невозможности точно определить временной промежуток.
  2. Олаф Ремер, астроном из Дании, при наблюдении за Юпитером заметил особенность. Когда Земля и Юпитер находились на противоположных точках орбит, затмение Ио (спутника Юпитера), запаздывало на 22 минуты в сравнении с самой планетой. Исходя из этого он сделал вывод, что быстрота распространения световых волн не бесконечна и имеет предел. По его расчетам показатель составил примерно 220 000 км в сек.
  3. Примерно в тот же период английский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света, когда из-за движения Земли вокруг Солнца, а также из-за вращения вокруг своей оси, из-за чего положение звезд на небосклоне и расстояние до них постоянно изменяются. В силу этих особенностей звезды описывают эллипс в течение каждого года. На основании расчетов и наблюдений астроном рассчитал скорость, она составила 308 000 км в секунду.
  4. Луи Физо был первым, кто решил определить точный показатель посредством лабораторного опыта. Он установил стекло с зеркальной поверхностью на расстоянии 8633 м от источника, но так как расстояние небольшое, сделать точные расчеты времени было невозможно. Тогда ученый поставил зубчатое колесо, которое зубцами периодически закрывало свет. Меняя скорость движения колеса Физо установил, при какой скорости свет не успевает проскочить между зубцами и вернуться обратно. По его расчетам скорость составила 315 тысяч километров в секунду.

Измерение скорости света

Это можно делать несколькими способами. Подробно разбирать их не стоит, для каждого потребуется отдельный обзор. Поэтому проще всего разобраться в разновидностях:

  1. Астрономические измерения. Тут чаще всего используют методы Ремера и Брэдли, так как они доказали свою эффективность и на показатели не влияют свойства воздуха, воды и другие особенности среды. В условиях космического вакуума точность измерений возрастает.
  2. Резонанс полости или эффект полости – так называют явление низкочастотных стоячих магнитных волн, возникающих между поверхностью планеты и ионосферой. Используя специальные формулы и данные измерительного оборудования вычислить значение скорости движения частиц в воздушной среде несложно.
  3. Интерферометрия – совокупность методов исследования, при которых складывается несколько типов волн. Это дает эффект интерференции, благодаря которому можно проводить многочисленные измерения как электромагнитных, так и звуковых колебаний.

С помощью специального оборудования можно проводить замеры, не используя специальные методики.

Точное значение скорости света

Ученые много лет пытались определить, чему равна скорость света, но точные измерения провели в 70-х годах прошлого века. В итоге показатель составил 299 792 458 м/с при максимальном отклонении +/-1,2 м. На сегодня это неизменная физическая единица, так как расстояние в метр равно 1/299 792 458 секунды, именно столько времени нужно свету в вакууме, чтобы преодолеть 100 см.

Чтобы упростить расчеты, показатель упрощается до 300 000 000 м/с (3×108 м/с). Он знаком всем по курсу физики в школе, именно там скорость измеряется в таком виде.

Возможна ли сверхсветовая скорость

Если исходить из теории относительности, превышение показателя физическими частицами нарушает принцип причинности. Из-за этого возможна передача сигналов из будущего в прошлое и наоборот. Но при этом теория не отрицает, что могут существовать частицы, которые двигаются быстрее, при этом они взаимодействуют с обычными веществами.

Этот тип частиц именуют тахионы. Чем быстрее они двигаются, тем меньше энергии несут.

Видео-урок: Опыт Физо. Измерение скорости света. Физика 11 класс.

Скорость света в вакууме – постоянная величина, на ней основываются многие явления в физике. Ее определение стало новой вехой в развитии науки, так как позволило объяснить многие процессы и упростило целый ряд расчетов.

Источник: svetilov.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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