Mekkora a fénysebesség? Mekkora a fénysebesség.

A fénysebesség az a távolság, amelyet a fény egységnyi idő alatt megtesz. Ez az érték attól függ, hogy a fény milyen közegben terjed.

Vákuumban a fény sebessége 299 792 458 m/s. Ez a legnagyobb elérhető sebesség. Különleges pontosságot nem igénylő feladatok megoldásakor ezt az értéket 300 000 000 m/s-nak veszik. Feltételezzük, hogy vákuumban minden típusú elektromágneses sugárzás fénysebességgel terjed: rádióhullámok, infravörös sugárzás, látható fény, ultraibolya sugárzás, röntgensugárzás, gamma-sugárzás. Jelölje meg egy betűvel val vel .

Hogyan határozható meg a fény sebessége?

Az ókorban a tudósok azt hitték, hogy a fény sebessége végtelen. Később erről a kérdésről viták kezdődtek a tudományos közösségben. Kepler, Descartes és Fermat egyetértett az ókori tudósok véleményével. Galileo és Hooke pedig úgy gondolta, hogy bár a fénysebesség nagyon nagy, ennek mégis véges értéke van.

Galileo Galilei

Az egyik első, aki megmérte a fénysebességet, Galileo Galilei olasz tudós volt. A kísérlet során ő és asszisztense különböző dombokon tartózkodtak. Galilei kinyitotta a lámpáján a csappantyút. Abban a pillanatban, amikor az asszisztens meglátta ezt a fényt, neki is ugyanezt kellett tennie a lámpásával. Az az idő, ami alatt a fény eljutott a Galileótól az asszisztensig és vissza, olyan rövidnek bizonyult, hogy Galilei rájött, hogy a fénysebesség nagyon nagy, és nem is lehet ilyen kis távolságon megmérni, mivel a fény szinte terjed. azonnal. Az általa rögzített idő pedig csak az ember reakciójának sebességét mutatja.

A fénysebességet először 1676-ban Olaf Römer dán csillagász határozta meg csillagászati ​​távolságok segítségével. Teleszkóppal megfigyelve a Jupiter Io holdjának fogyatkozását, azt találta, hogy ahogy a Föld távolodik a Jupitertől, minden következő fogyatkozás később következik be, mint ahogy számították. A maximális késleltetés, amikor a Föld a Nap túloldalára kerül, és a Jupitertől a Föld pályájának átmérőjével megegyező távolságra távolodik, 22 óra. Bár akkor még nem ismerték a Föld pontos átmérőjét, a tudós hozzávetőleges értékét elosztotta 22 órával, és körülbelül 220 000 km/s értékre jutott.

Olaf Römer

A Römer által elért eredmény bizalmatlanságot keltett a tudósokban. De 1849-ben a francia fizikus, Armand Hippolyte Louis Fizeau forgó redőny módszerrel mérte meg a fény sebességét. Kísérletében egy forrásból származó fény egy forgó kerék fogai között haladt át, és egy tükör felé irányította. Róla visszatükrözve visszatért. A kerék sebessége nőtt. Amikor elért egy bizonyos értéket, a tükörről visszaverődő sugarat az elmozdított fog késleltette, és a megfigyelő abban a pillanatban nem látott semmit.

Fizeau tapasztalata

Fizeau a következőképpen számította ki a fénysebességet. A fény az utat járja L a keréktől a tükörig egyenlő idő alatt t1 = 2L/s . Az az idő, ami alatt a kerék ½ résnyi fordulatot tesz meg t 2 \u003d T / 2N , ahol T - kerék forgási periódusa, N - a fogak száma. Forgási frekvencia v = 1/T . Eljön az a pillanat, amikor a megfigyelő nem látja a fényt t1 = t2 . Innen kapjuk a fénysebesség meghatározásának képletét:

c = 4LNv

Fizeau ennek a képletnek a kiszámítása után megállapította val vel = 313 000 000 m/s. Ez az eredmény sokkal pontosabb volt.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

1838-ban Dominique François Jean Arago francia fizikus és csillagász a tükrök forgatásának módszerét javasolta a fénysebesség kiszámítására. Ezt az elképzelést Jean Bernard Léon Foucault francia fizikus, mechanikus és csillagász ültette át a gyakorlatba, aki 1862-ben megkapta a fénysebesség értékét (298 000 000 ± 500 000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

1891-ben Simon Newcomb amerikai csillagász eredménye egy nagyságrenddel pontosabbnak bizonyult, mint Foucault eredménye. Számításai eredményeként val vel = (99 810 000±50 000) m/s.

Albert Abraham Michelson amerikai fizikus tanulmányai, aki egy forgó oktaéderes tükörrel ellátott installációt alkalmazott, lehetővé tették a fénysebesség pontosabb meghatározását. 1926-ban a tudós megmérte azt az időt, ameddig a fény két hegy csúcsa között megtett 35,4 km-es távolságot, val vel = (299 796 000±4 000) m/s.

A legpontosabb mérést 1975-ben végezték. Ugyanebben az évben az Általános Súly- és Mértékkonferencia azt javasolta, hogy a fénysebességet 299 792 458 ± 1,2 m/s-nak tekintsék.

Mi határozza meg a fény sebességét

A fény sebessége vákuumban nem függ a vonatkoztatási rendszertől vagy a megfigyelő helyzetétől. Állandó marad, 299 792 458 ± 1,2 m/s. De különféle átlátszó közegekben ez a sebesség alacsonyabb lesz, mint a vákuumban. Minden átlátszó közegnek van optikai sűrűsége. És minél magasabb, annál lassabban terjed benne a fény. Így például a fény sebessége a levegőben nagyobb, mint a vízben, a tiszta optikai üvegben pedig kisebb, mint a vízben.

Ha a fény egy kevésbé sűrű közegből egy sűrűbbre halad át, akkor a sebessége csökken. És ha az átmenet sűrűbb közegről kevésbé sűrűre történik, akkor a sebesség éppen ellenkezőleg, növekszik. Ez megmagyarázza, hogy a fénysugár miért térül el két közeg átmenetének határán.

1676-ban Ole Römer dán csillagász készítette el a fénysebesség első durva becslését. Römer észrevett egy kis eltérést a Jupiter műholdak fogyatkozásának időtartamában, és arra a következtetésre jutott, hogy a Föld mozgása, akár közeledik a Jupiterhez, akár távolodik tőle, megváltoztatta azt a távolságot, amelyet a műholdakról visszaverődő fénynek meg kellett tennie.

Ennek az eltérésnek a nagyságát mérve Römer kiszámította, hogy a fény sebessége 219 911 kilométer per másodperc. Egy későbbi, 1849-es kísérletben Armand Fizeau francia fizikus megállapította, hogy a fény sebessége 312 873 kilométer per másodperc.

Ahogy a fenti ábrán is látható, a Fizeau kísérleti elrendezése egy fényforrásból, egy áttetsző tükörből állt, amely a rá eső fénynek csak a felét veri vissza, így a többi áthaladhat a forgó fogaskeréken és az álló tükörön. Amikor a fény egy áttetsző tükröt ért, visszaverődött egy fogaskerékre, amely nyalábokra osztotta a fényt. Miután áthaladt a fókuszáló lencsék rendszerén, minden fénysugár visszaverődött egy rögzített tükörről, és visszakerült a fogaskerékhez. Azáltal, hogy pontosan megmérte a sebességet, amellyel a fogaskerék blokkolja a visszavert sugarakat, Fizeau ki tudta számítani a fénysebességet. Kollégája, Jean Foucault egy évvel később továbbfejlesztette ezt a módszert, és megállapította, hogy a fény sebessége 297 878 ​​kilométer per másodperc. Ez az érték alig tér el a modern 299 792 kilométer per másodperces értéktől, amelyet a lézersugárzás hullámhosszának és frekvenciájának szorzatával számítanak ki.

Fizeau kísérlet

Ahogy a fenti képeken is látható, a fény a kerék fogai közötti ugyanazon a résen halad előre és hátra, ha lassan forog (alsó kép). Ha a kerék gyorsan forog (felső kép), a szomszédos fogaskerék blokkolja a visszatérő lámpát.

Fizeau eredményei

Fizeau a tükröt a fogaskeréktől 8,64 kilométeres távolságra helyezve megállapította, hogy a visszatérő fénysugár blokkolásához szükséges fogaskerék forgási sebessége 12,6 fordulat/másodperc. Ismerve ezeket a számokat, valamint a fény által megtett távolságot és azt a távolságot, amelyet a fogaskeréknek meg kellett tennie, hogy blokkolja a fénysugarat (amely megegyezik a kerék fogai közötti rés szélességével), kiszámította, hogy ez a fénysugarat vette igénybe. 0,000055 másodperc a megtételéhez a fogaskeréktől a tükörig és vissza. A fény által megtett 17,28 kilométeres teljes távolságot ezzel az idővel elosztva Fizeau sebességére 312 873 kilométer/s értéket kapott.

Foucault-kísérlet

1850-ben Jean Foucault francia fizikus úgy fejlesztette Fizeau technikáját, hogy a fogaskereket forgó tükörre cserélte. A forrásból érkező fény csak akkor jutott el a megfigyelőhöz, amikor a tükör teljes 360°-os fordulatot tett a fénysugár kiindulása és visszatérése közötti időintervallumban. Ezzel a módszerrel Foucault 297 878 ​​kilométer/másodperces értéket kapott a fénysebességre.

Az utolsó akkord a fénysebesség mérésében.

A lézerek feltalálása lehetővé tette a fizikusok számára, hogy minden eddiginél nagyobb pontossággal mérhessék a fénysebességet. 1972-ben az Országos Szabványügyi és Technológiai Intézet tudósai gondosan megmérték a lézersugár hullámhosszát és frekvenciáját, és a fénysebességet, e két változó szorzatát 299792458 méter/s (186282 mérföld/s) értékben rögzítették. Ennek az új mérésnek az egyik következménye az volt, hogy a Súlyok és Mértékek Általános Konferenciája úgy döntött, hogy referenciamérőként (3,3 láb) azt a távolságot fogadta el, amelyet a fény 1/299792458 másodperc alatt tesz meg. Így / a fénysebesség, a fizika legfontosabb alapállandója ma már nagyon nagy biztonsággal számítható, és a referenciamérő sokkal pontosabban meghatározható, mint valaha.

A fénysebesség az eddig ismert legszokatlanabb mérés. Az első ember, aki megpróbálta megmagyarázni a fény terjedésének jelenségét, Albert Einstein volt. Ő volt az, aki levezette a jól ismert formulát E = mc² , ahol E a test teljes energiája, m a tömeg, és c a fény sebessége vákuumban.

A képlet először 1905-ben jelent meg az Annalen der Physik-ben. Körülbelül ugyanebben az időben Einstein felállított egy elméletet arról, hogy mi történne egy abszolút sebességgel mozgó testtel. Abból kiindulva, hogy a fénysebesség állandó érték, arra a következtetésre jutott, hogy a térnek és az időnek változnia kell.

Így fénysebességgel egy objektum korlátlanul zsugorodni fog, tömege korlátlanul nő, az idő pedig gyakorlatilag megáll.

1977-ben sikerült kiszámítani a fénysebességet, másodpercenként 299 792 458 ± 1,2 métert neveztek el. A durvább számításokhoz mindig 300 000 km/s értéket veszünk. Ettől az értéktől az összes többi kozmikus mérés visszaszorul. Így jelent meg a "fényév" és a "parszek" (3,26 fényév) fogalma.

Sem fénysebességgel mozogni, sem leküzdeni lehetetlen. Legalábbis az emberi fejlődés ezen szakaszában. Másrészt a tudományos-fantasztikus írók mintegy 100 éve próbálják megoldani ezt a problémát regényeik lapjain. Talán egy napon a fantázia valósággá válik, mert Jules Verne még a 19. században megjósolta egy helikopter, egy repülőgép és egy elektromos szék megjelenését, és akkor ez tiszta fantázia volt!

A fény mindenkor fontos helyet foglalt el az emberek túlélésében és egy olyan fejlett civilizáció létrehozásában, amelyet ma látunk. A fénysebesség az emberi fejlődés története során először filozófusok és természettudósok, majd tudósok és fizikusok elméjét izgatta. Ez az univerzumunk létezésének alapvető állandója.

Sok tudós különböző időkben igyekezett kideríteni, mi a fény terjedése a különböző közegekben. A tudomány számára a legnagyobb jelentőségű a fénysebesség vákuumban mért értékének kiszámítása volt. Ez a cikk segít megérteni ezt a problémát, és sok érdekes dolgot megtudhat arról, hogyan viselkedik a fény a vákuumban.

A fény és a sebesség kérdése

A fény a modern fizikában kulcsszerepet játszik, mert, mint kiderült, civilizációnk fejlődésének ebben a szakaszában lehetetlen legyőzni sebességének értékét. Sok évbe telt megmérni, hogy mekkora a fénysebesség. Ezt megelőzően a tudósok sok kutatást végeztek, és megpróbálták megválaszolni a legfontosabb kérdést, hogy "mi a fény terjedési sebessége vákuumban?".
Jelenleg a tudósok bebizonyították, hogy a fénysebesség (CPC) a következő jellemzőkkel rendelkezik:

• állandó;
• ő változatlan;
• elérhetetlen;
• ő véges.

Jegyzet! A fénysebesség a tudomány fejlődésének jelenlegi pillanatában abszolút elérhetetlen érték. A fizikusoknak csak néhány feltételezéseik vannak arról, hogy mi történik egy tárggyal, amely hipotetikusan eléri a fényáram vákuumban terjedési sebességének értékét.

Fénysebesség

Miért olyan fontos, hogy a fény milyen gyorsan terjed a vákuumban? A válasz egyszerű. Hiszen a vákuum az űrben van. Ezért, miután megtanultuk, hogy a vákuumban lévő fénysebességnek milyen digitális mutatója van, meg fogjuk érteni, hogy milyen maximális sebességgel lehet áthaladni a Naprendszer kiterjedésein és azon túl.
Az univerzumunkban a fényt hordozó elemi részecskék fotonok. A fény vákuumban való mozgásának sebességét pedig abszolút értéknek tekintjük.

Jegyzet! Az SRS az elektromágneses hullámok mozgási sebességére utal. Érdekes módon a fény egyszerre képvisel elemi részecskéket (fotonokat) és egy hullámot. Ez a korpuszkuláris hullám elméletből következik. Eszerint bizonyos helyzetekben a fény részecskeként, máskor hullámként viselkedik.

Ebben az időpontban a fény térbeli terjedése (vákuum) alapvető állandónak számít, amely nem függ az alkalmazott tehetetlenségi vonatkoztatási rendszer megválasztásától. Ez az érték a fizikai alapállandókra vonatkozik. Ebben az esetben a CPC értéke általánosságban jellemzi a tér-idő geometria alapvető tulajdonságait.
A modern elképzelések a CPC-t konstansként jellemzik, amely a részecskék mozgásának, valamint kölcsönhatásuk terjedésének maximális megengedett értéke. A fizikában ezt a mennyiséget a latin "c" betűvel jelölik.

A kérdés tanulmányozásának története

Az ókorban meglepő módon még az ókori gondolkodók is csodálkoztak a fény terjedésén univerzumunkban. Akkor azt hitték, hogy ez végtelen érték. A fénysebesség fizikai jelenségének első becslését Olaf Remer csak 1676-ban adta meg. Számításai szerint a fény terjedése körülbelül 220 ezer km/s volt.

Jegyzet! Olaf Remer hozzávetőleges értéket adott, de, mint később kiderült, nem nagyon messze a valóditól.

A fény vákuumban terjedési sebességének helyes értékét csak fél évszázaddal Olaf Roemer után határozták meg. Ezt a francia fizikus, A.I.L. Fizeau egy speciális kísérlet elvégzésével.

Fizeau kísérlet

Ezt a fizikai jelenséget úgy tudta megmérni, hogy megmérte azt az időt, ami alatt a nyaláb áthalad egy meghatározott és pontosan mért területen.
Az élmény így nézett ki:

• az S forrás fényáramot bocsátott ki;
• visszaverődött a tükörről (3);
• ezt követően a fényáramot egy fogazott tárcsa (2) segítségével megszakítottuk;
• majd elhaladt a bázison, melynek távolsága 8 km volt;
• ezt követően a fényáramot a tükör (1) visszaverte és visszament a koronghoz.

A kísérlet során a fényáram a korong fogai közötti résekbe esett, és az okuláron (4) keresztül lehetett megfigyelni. Fizeau a korong forgási sebességéből határozta meg a sugár áthaladásának idejét. E kísérlet eredményeként c = 313 300 km/s értéket kapott.
De ezzel még nem ért véget a kérdéssel foglalkozó kutatás. A fizikai állandó kiszámításának végső képlete sok tudósnak, köztük Albert Einsteinnek köszönhető.

Einstein és a vákuum: a számítás végeredménye

Ma már a Földön minden ember tudja, hogy az anyagi tárgyak, valamint az esetleges jelek mozgásának megengedett legnagyobb értéke a fény vákuumban való sebessége. Ennek a mutatónak a pontos értéke közel 300 ezer km / s. Pontosabban, a fény sebessége vákuumban 299 792 458 m/s.
Azt az elméletet, hogy ezt az értéket lehetetlen túllépni, a múlt híres fizikusa, Albert Einstein terjesztette elő speciális relativitáselméletében vagy SRT-ben.

Jegyzet! Einstein relativitáselméletét megingathatatlannak tekintik mindaddig, amíg nincs valódi bizonyíték arra, hogy a jelátvitel lehetséges a CPC-t meghaladó sebességgel vákuumban.

Einstein relativitáselmélete

De ma néhány kutató olyan jelenségeket fedezett fel, amelyek előfeltételei lehetnek annak, hogy az Einstein-féle SRT megváltoztatható. Bizonyos speciális körülmények között nyomon lehet követni a szuperluminális sebességek megjelenését. Érdekes, hogy ebben az esetben a relativitáselmélet megsértése nem következik be.

Miért nem tudsz gyorsabban haladni a fénynél?

A mai napig van néhány "csapda" ebben a kérdésben. Például normál körülmények között miért nem lehet leküzdeni a CPC állandót? Az elfogadott elmélet szerint ebben a helyzetben világunk felépítésének alapelve, nevezetesen az okság törvénye sérül. Azt állítja, hogy a hatás definíció szerint nem képes felülmúlni az okát. Képletesen szólva nem fordulhat elő, hogy először a medve holtan esik le, és csak ezután hallatszik az őt lelő vadász lövése. De ha a CPC-t túllépik, akkor az eseményeknek fordított sorrendben kell elkezdődniük. Ennek eredményeként az idő visszafelé halad.

Tehát mekkora a fénysugár terjedési sebessége?

Számos tanulmány után, amelyeket a CPC pontos értékének meghatározására hivatkoztak, konkrét számokat kaptunk. Ma c = 1 079 252 848,8 km/h vagy 299 792 458 m/s. és Planck-egységekben ez a paraméter egyként van definiálva. Ez azt jelenti, hogy a fény energiája 1 egység Planck-idő alatt 1 Planck hosszegységet utazik.

Jegyzet! Ezek az adatok csak a vákuumban fennálló feltételekre érvényesek.

Állandó értékű képlet

De a fizikában a problémák egyszerűbb megoldásához kerekített értéket használnak - 300 000 000 m / s.
Ez a szabály normál körülmények között minden objektumra vonatkozik, valamint a számunkra látható spektrum röntgen-, gravitációs és fényhullámaira is. Ezenkívül a tudósok bebizonyították, hogy a tömegű részecskék megközelíthetik a fénysugár sebességét. De nem tudják elérni vagy túllépni.

Jegyzet! A fénysebességhez közeli maximális sebességet a speciális gyorsítókban felgyorsított kozmikus sugarak tanulmányozása során kaptuk.

Érdemes megjegyezni, hogy ez a fizikai állandó függ attól a közegtől, amelyben mérik, nevezetesen a törésmutatótól. Ezért a tényleges sebesség a frekvenciáktól függően változhat.

Hogyan számítsuk ki az alapállandó értékét

A mai napig többféle módszer létezik az SRS meghatározására. Lehet:

• csillagászati ​​módszerek;
• továbbfejlesztett Fizeau módszer. Itt a fogaskereket egy modern modulátorra cserélik.

Jegyzet! A tudósok bebizonyították, hogy a CPC-mutatók levegőben és vákuumban szinte azonosak. És ez kevesebb, mint körülbelül 25% víz.

A következő képlet segítségével számítjuk ki a fénysugár terjedésének mértékét.

Képlet a fénysebesség kiszámításához

Ez a képlet vákuumszámításra alkalmas.

Következtetés

Világunkban a fény nagyon fontos, és az a pillanat, amikor a tudósok bizonyítani tudják a szuperluminális sebességek létezésének lehetőségét, teljesen megváltoztathatja ismerős világunkat. Még azt is nehéz felmérni, hogy ez a felfedezés mit jelent az emberek számára. De ez mindenképpen hihetetlen áttörés lesz!

Hogyan válasszuk ki és telepítsük a hangerő-érzékelőket az automatikus fényszabályozáshoz
Házi készítésű állítható tranzisztoros tápegységek: összeszerelés, gyakorlati alkalmazás

A fény sebessége vákuumban- az elektromágneses hullámok terjedési sebességének abszolút értéke vákuumban. A fizikában latin betűvel jelölik c.
A fény sebessége vákuumban alapvető állandó, független az inerciális vonatkoztatási rendszer megválasztásától.
Definíció szerint pontosan az 299 792 458 m/s (körülbelül 300 ezer km/s érték).
A speciális relativitáselmélet szerint az az energiát és információt továbbító fizikai kölcsönhatások terjedésének maximális sebessége.

Hogyan határozható meg a fény sebessége?

A fénysebességet először ben határozták meg 1676 O. K. Römer a Jupiter műholdak fogyatkozásai közötti időintervallumok megváltoztatásával.

1728-ban J. Bradley telepítette, a csillagfény aberrációjával kapcsolatos megfigyelései alapján.

1849-ben A. I. L. Fizeauő volt az első, aki megmérte a fény sebességét, ameddig a fény egy pontosan ismert távolságot (bázist) tesz meg; mivel a levegő törésmutatója nagyon kevéssé különbözik 1-től, a földi mérések s-hez nagyon közeli értéket adnak.
Fizeau kísérletében az S forrásból származó, egy félig átlátszó tükör N által visszavert fénysugarat egy forgó fogazott W korong időnként megszakította, áthaladt az MN alapon (kb. 8 km), és az M tükörről visszaverődően visszatért a tükörbe. korong. Amikor a fény a fogat érte, a fény nem érte el a szemlélőt, és a fogak közötti résbe eső fényt az E okuláron keresztül lehetett megfigyelni. A fény alapon való áthaladásának idejét az ismert korongból határoztuk meg. forgási sebességek. Fizeau c = 313 300 km/s értéket kapott.

1862-ben J. B. L. Foucault megvalósította D. Arago 1838-ban kifejtett ötletét, egy gyorsan forgó (512 ford./perc) tükröt használva fogazott tárcsa helyett. A tükörről visszaverődő fénysugár az alapra irányult, és visszatérve ismét ugyanarra a tükörre esett, amelynek volt ideje egy bizonyos kis szögben átfordulni. A mindössze 20 m-es bázissal Foucault úgy találta, hogy a sebesség fénysebessége 29800080 ± 500 km/s. Fizeau és Foucault kísérleteinek sémáit és alapötleteit a későbbi munkákban többször is felhasználták s meghatározására.