Kakšna je svetlobna hitrost? Kakšna je svetlobna hitrost.

Svetlobna hitrost je razdalja, ki jo svetloba prepotuje na časovno enoto. Ta vrednost je odvisna od medija, v katerem se svetloba širi.

V vakuumu je hitrost svetlobe 299.792.458 m/s. To je najvišja hitrost, ki jo je mogoče doseči. Pri reševanju problemov, ki ne zahtevajo posebne natančnosti, je ta vrednost enaka 300.000.000 m / s. Predpostavlja se, da se v vakuumu s svetlobno hitrostjo širijo vse vrste elektromagnetnega sevanja: radijski valovi, infrardeče sevanje, vidna svetloba, ultravijolično sevanje, rentgenski žarki, sevanje gama. Označite ga s črko z .

Kako se določi hitrost svetlobe?

V starih časih so znanstveniki verjeli, da je svetlobna hitrost neskončna. Kasneje so se v znanstveni skupnosti začele razprave o tem vprašanju. Kepler, Descartes in Fermat so se strinjali z mnenjem starodavnih znanstvenikov. In Galileo in Hooke sta verjela, da ima hitrost svetlobe, čeprav je zelo visoka, še vedno končno vrednost.

Galileo Galilej

Eden prvih, ki je izmeril svetlobno hitrost, je bil italijanski znanstvenik Galileo Galilei. Med poskusom sta bila on in njegov pomočnik na različnih hribih. Galileo je odprl loputo na svoji luči. V tistem trenutku, ko je pomočnik zagledal to luč, je moral storiti enako s svojo svetilko. Čas, v katerem je svetloba potovala od Galileja do pomočnika in nazaj, se je izkazal za tako kratkega, da je Galileo ugotovil, da je hitrost svetlobe zelo visoka in je nemogoče izmeriti na tako kratki razdalji, saj se svetloba širi skoraj v trenutku. . In čas, ki ga je zabeležil, kaže samo hitrost reakcije osebe.

Svetlobno hitrost je leta 1676 prvi določil danski astronom Olaf Römer z uporabo astronomskih razdalj. Ko je s teleskopom opazoval mrk Jupitrove lune Io, je ugotovil, da ko se Zemlja oddaljuje od Jupitra, pride vsak naslednji mrk pozneje, kot je bilo izračunano. Največja zamuda, ko se Zemlja premakne na drugo stran Sonca in se od Jupitra oddalji na razdaljo, ki je enaka premeru Zemljine orbite, je 22 ur. Čeprav takrat natančen premer Zemlje ni bil znan, je znanstvenik njegovo približno vrednost razdelil na 22 ur in prišel do vrednosti okoli 220.000 km/s.

Olaf Römer

Rezultat, ki ga je dobil Römer, je povzročil nezaupanje med znanstveniki. Toda leta 1849 je francoski fizik Armand Hippolyte Louis Fizeau izmeril hitrost svetlobe z uporabo metode vrtljivega zaklopa. V njegovem poskusu je svetloba iz vira prešla med zobce vrtečega se kolesa in bila usmerjena v ogledalo. Odsev od njega se je vrnil nazaj. Hitrost koles se je povečala. Ko je dosegel določeno vrednost, je žarek, ki se je odbil od ogledala, zadržal premaknjeni zob in opazovalec v tistem trenutku ni videl ničesar.

Fizeaujeva izkušnja

Fizeau je hitrost svetlobe izračunal na naslednji način. Svetloba gre po poti L od kolesa do ogledala v času, ki je enak t1 = 2L/s . Čas, ki ga kolo potrebuje, da naredi ½ obrata reže, je t 2 \u003d T / 2N , kje T - čas vrtenja kolesa, n - število zob. Frekvenca vrtenja v = 1/T . Nastopi trenutek, ko opazovalec ne vidi svetlobe t1 = t2 . Od tu dobimo formulo za določanje hitrosti svetlobe:

c = 4LNv

Po izračunu te formule je Fizeau ugotovil, da z = 313.000.000 m/s. Ta rezultat je bil veliko bolj natančen.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

Leta 1838 je francoski fizik in astronom Dominique François Jean Arago predlagal uporabo metode vrtljivih zrcal za izračun hitrosti svetlobe. To idejo je udejanjil francoski fizik, mehanik in astronom Jean Bernard Léon Foucault, ki je leta 1862 dobil vrednost svetlobne hitrosti (298.000.000 ± 500.000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

Leta 1891 se je izkazalo, da je rezultat ameriškega astronoma Simona Newcomba za red velikosti natančnejši od Foucaultovega rezultata. Kot rezultat njegovih izračunov z = (99 810 000 ± 50 000) m/s.

Študije ameriškega fizika Alberta Abrahama Michelsona, ki je uporabil instalacijo z vrtljivim oktaedričnim ogledalom, so omogočile natančnejšo določitev hitrosti svetlobe. Leta 1926 je znanstvenik izmeril čas, v katerem je svetloba prepotovala razdaljo med vrhovoma dveh gora, ki je enak 35,4 km, in prejel z = (299 796 000 ± 4 000) m/s.

Najbolj natančna meritev je bila opravljena leta 1975. Istega leta je Generalna konferenca za uteži in mere priporočila, da se hitrost svetlobe šteje za enako 299.792.458 ± 1,2 m/s.

Kaj določa hitrost svetlobe

Hitrost svetlobe v vakuumu ni odvisna od referenčnega sistema ali položaja opazovalca. Ostaja konstantna, enaka 299.792.458 ± 1,2 m/s. Toda v različnih prozornih medijih bo ta hitrost manjša od hitrosti v vakuumu. Vsak prozoren medij ima optično gostoto. In višje kot je, počasneje se svetloba v njem širi. Tako je na primer hitrost svetlobe v zraku večja od njene hitrosti v vodi, v čistem optičnem steklu pa je manjša kot v vodi.

Če svetloba prehaja iz manj gostega medija v gostejšega, se njena hitrost zmanjša. In če pride do prehoda iz gostejšega medija v manj gosto, se hitrost, nasprotno, poveča. To pojasnjuje, zakaj se svetlobni žarek odkloni na meji prehoda dveh medijev.

Leta 1676 je danski astronom Ole Römer naredil prvo grobo oceno hitrosti svetlobe. Römer je opazil rahlo neskladje v trajanju mrkov Jupitrovih satelitov in ugotovil, da je gibanje Zemlje, bodisi približevanje Jupitru ali oddaljevanje od njega, spremenilo razdaljo, ki jo je morala prehoditi svetloba, odbita od satelitov.

Z merjenjem velikosti tega neskladja je Römer izračunal, da je svetlobna hitrost 219.911 kilometrov na sekundo. V kasnejšem poskusu leta 1849 je francoski fizik Armand Fizeau ugotovil, da je hitrost svetlobe 312.873 kilometrov na sekundo.

Kot je prikazano na zgornji sliki, je bila Fizeaujeva eksperimentalna postavitev sestavljena iz vira svetlobe, prosojnega zrcala, ki odbija samo polovico svetlobe, ki pada nanj, preostanek pa omogoča, da preide mimo vrtečega se zobnika in stacionarnega zrcala. Ko je svetloba zadela prosojno ogledalo, se je odbila na zobnik, ki je svetlobo razdelil na žarke. Po prehodu skozi sistem leč za fokusiranje se je vsak svetlobni žarek odbil od fiksnega ogledala in vrnil nazaj na zobnik. Z natančnimi meritvami hitrosti, pri kateri je zobnik blokiral odbite žarke, je Fizeau lahko izračunal hitrost svetlobe. Njegov kolega Jean Foucault je to metodo leto pozneje izboljšal in ugotovil, da je hitrost svetlobe 297.878 kilometrov na sekundo. Ta vrednost se malo razlikuje od sodobne vrednosti 299.792 kilometrov na sekundo, ki se izračuna z množenjem valovne dolžine in frekvence laserskega sevanja.

Fizeaujev eksperiment

Kot je prikazano na zgornjih slikah, potuje svetloba naprej in nazaj skozi isto režo med zobmi kolesa, če se le-to vrti počasi (spodnja slika). Če se kolo vrti hitro (zgornja slika), sosednji zobnik blokira povratno svetlobo.

Fizeaujevi rezultati

S postavitvijo zrcala na razdaljo 8,64 kilometra od zobnika je Fizeau ugotovil, da je hitrost vrtenja zobnika, potrebna za blokiranje povratnega svetlobnega žarka, 12,6 vrtljajev na sekundo. Ker je poznal te številke, pa tudi razdaljo, ki jo je prepotovala svetloba, in razdaljo, ki jo je moralo prepotovati orodje, da je blokiralo svetlobni žarek (enako širini reže med zobmi kolesa), je izračunal, da potrebuje svetlobni žarek 0,000055 sekunde za prevoženo razdaljo od zobnika do ogledala in nazaj. Če s tem časom delimo skupno razdaljo 17,28 kilometrov, ki jo prepotuje svetloba, je Fizeau za svojo hitrost dobil vrednost 312.873 kilometrov na sekundo.

Foucaultov eksperiment

Leta 1850 je francoski fizik Jean Foucault izboljšal Fizeaujevo tehniko tako, da je zobnik zamenjal z vrtljivim ogledalom. Svetloba iz vira je dosegla opazovalca šele, ko je ogledalo v časovnem intervalu med odhodom in povratkom svetlobnega žarka naredilo polni obrat za 360°. S to metodo je Foucault za svetlobno hitrost dobil vrednost 297.878 kilometrov na sekundo.

Zadnji akord pri meritvah svetlobne hitrosti.

Izum laserjev je fizikom omogočil merjenje hitrosti svetlobe z veliko večjo natančnostjo kot kadar koli prej. Leta 1972 so znanstveniki na Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo natančno izmerili valovno dolžino in frekvenco laserskega žarka ter fiksirali hitrost svetlobe, produkt teh dveh spremenljivk, na 299792458 metrov na sekundo (186282 milj na sekundo). Ena od posledic te nove meritve je bila odločitev Generalne konference za uteži in mere, da kot referenčni meter (3,3 čevlja) sprejme razdaljo, ki jo svetloba prepotuje v 1/299792458 sekunde. Tako je hitrost svetlobe, najpomembnejša temeljna konstanta v fiziki, zdaj izračunana z zelo visoko zanesljivostjo, referenčni meter pa je mogoče določiti veliko natančneje kot kdaj koli prej.

Hitrost svetlobe je najbolj nenavadna meritev, znana doslej. Prvi, ki je poskušal razložiti pojav širjenja svetlobe, je bil Albert Einstein. On je izpeljal dobro znano formulo E = mc² , kje E je celotna energija telesa, m je masa in c je hitrost svetlobe v vakuumu.

Formula je bila prvič objavljena v Annalen der Physik leta 1905. Približno v istem času je Einstein postavil teorijo o tem, kaj bi se zgodilo s telesom, ki se premika z absolutno hitrostjo. Na podlagi dejstva, da je svetlobna hitrost stalna vrednost, je prišel do zaključka, da se morata prostor in čas spreminjati.

Tako se bo s svetlobno hitrostjo objekt neskončno krčil, njegova masa večala za nedoločen čas in čas se bo tako rekoč ustavil.

Leta 1977 je bilo mogoče izračunati hitrost svetlobe, imenovana je bila številka 299.792.458 ± 1,2 metra na sekundo. Za bolj grobe izračune se vedno vzame vrednost 300.000 km/s. Od te vrednosti se odbijajo vse druge kozmične meritve. Tako sta se pojavila pojma "svetlobno leto" in "parsec" (3,26 svetlobnih let).

Niti premikati se s svetlobno hitrostjo niti, poleg tega, premagati je nemogoče. Vsaj na tej stopnji razvoja človeštva. Po drugi strani pa se pisci znanstvene fantastike na straneh svojih romanov že približno 100 let trudijo rešiti ta problem. Morda bo nekega dne domišljija postala resničnost, saj je že v 19. stoletju Jules Verne napovedal pojav helikopterja, letala in električnega stola, takrat pa je bila to čista domišljija!

Svetloba je v vseh časih zasedala pomembno mesto pri preživetju ljudi in ustvarjanju napredne civilizacije, ki jo vidimo danes. Svetlobna hitrost je skozi zgodovino razvoja človeštva razburjala misli najprej filozofov in naravoslovcev, nato pa znanstvenikov in fizikov. To je temeljna konstanta obstoja našega vesolja.

Mnogi znanstveniki so v različnih časih poskušali ugotoviti, kaj je širjenje svetlobe v različnih medijih. Za znanost je bil najpomembnejši izračun vrednosti, ki jo ima svetlobna hitrost v vakuumu. Ta članek vam bo pomagal razumeti to vprašanje in izvedeti veliko zanimivih stvari o tem, kako se svetloba obnaša v vakuumu.

Svetloba in vprašanje hitrosti

Svetloba v sodobni fiziki igra ključno vlogo, saj je, kot se je izkazalo, na tej stopnji razvoja naše civilizacije nemogoče preseči vrednost njene hitrosti. Trajalo je veliko let, da smo izmerili, kakšna je svetlobna hitrost. Pred tem so znanstveniki opravili veliko raziskav in poskušali odgovoriti na najpomembnejše vprašanje "kakšna je hitrost širjenja svetlobe v vakuumu?".
V tem trenutku so znanstveniki dokazali, da ima hitrost svetlobe (CPC) naslednje značilnosti:

• ona je stalna;
• ona je nespremenljiva;
• ona je nedosegljiva;
• končna je.

Opomba! Hitrost svetlobe v sedanjem trenutku razvoja znanosti je absolutno nedosegljiva vrednost. O tem, kaj se zgodi z objektom, ki hipotetično doseže vrednost hitrosti širjenja svetlobnega toka v vakuumu, imajo fiziki le nekaj predpostavk.

Svetlobna hitrost

Zakaj je tako pomembno, kako hitro potuje svetloba v vakuumu? Odgovor je preprost. Navsezadnje je vakuum v vesolju. Torej, ko bomo izvedeli, kateri digitalni indikator ima hitrost svetlobe v vakuumu, bomo lahko razumeli, s kakšno največjo možno hitrostjo se je mogoče premikati po prostranstvih sončnega sistema in zunaj njega.
Osnovni delci, ki prenašajo svetlobo v našem vesolju, so fotoni. In hitrost, s katero se svetloba premika v vakuumu, velja za absolutno vrednost.

Opomba! SRS se nanaša na hitrost, s katero se premikajo elektromagnetni valovi. Zanimivo je, da svetloba hkrati predstavlja osnovne delce (fotone) in valovanje. To izhaja iz teorije korpuskularnih valov. Po njej se svetloba v določenih situacijah obnaša kot delec, v drugih pa kot val.

V tem trenutku velja, da je širjenje svetlobe v prostoru (vakuum) temeljna konstanta, ki ni odvisna od izbire uporabljenega inercialnega referenčnega sistema. Ta vrednost se nanaša na osnovne fizične konstante. V tem primeru vrednost CPC na splošno označuje osnovne lastnosti geometrije prostora-časa.
Sodobne ideje označujejo CPC kot konstanto, ki je največja dovoljena vrednost za gibanje delcev, pa tudi širjenje njihove interakcije. V fiziki je ta količina označena z latinsko črko "c".

Zgodovina preučevanja vprašanja

V starih časih so se presenetljivo celo starodavni misleci spraševali o širjenju svetlobe v našem vesolju. Potem je veljalo, da je to neskončna vrednost. Prvo oceno fizikalnega pojava hitrosti svetlobe je dal Olaf Remer šele leta 1676. Po njegovih izračunih je bilo širjenje svetlobe približno 220 tisoč km / s.

Opomba! Olaf Remer je dal približno vrednost, vendar, kot se je kasneje izkazalo, ne zelo daleč od prave.

Pravilno vrednost hitrosti, s katero potuje svetloba v vakuumu, so določili šele pol stoletja po Olafu Roemerju. To je storil francoski fizik A.I.L. Fizeau z izvedbo posebnega poskusa.

Fizeaujev eksperiment

Ta fizikalni pojav je lahko izmeril tako, da je izmeril čas, ki je bil potreben, da je žarek prepotoval določeno in natančno izmerjeno območje.
Izkušnja je izgledala takole:

• vir S je oddajal svetlobni tok;
• odsevalo se je od ogledala (3);
• nato je bil svetlobni tok prekinjen z nazobčanim diskom (2);
• nato je šel mimo baze, katere razdalja je bila 8 km;
• nato se je svetlobni tok odbil od ogledala (1) in šel nazaj na disk.

Med poskusom je svetlobni tok padal v reže med zobmi diska in ga je bilo mogoče opazovati skozi okular (4). Fizeau je določil čas prehoda žarka iz hitrosti vrtenja diska. Kot rezultat tega poskusa je dobil vrednost c = 313.300 km/s.
A to še ni konec raziskav, ki so bile posvečene temu vprašanju. Končna formula za izračun fizikalne konstante je nastala po zaslugi številnih znanstvenikov, vključno z Albertom Einsteinom.

Einstein in vakuum: končni rezultati izračuna

Danes vsak človek na Zemlji ve, da je največja dovoljena vrednost gibanja materialnih predmetov, pa tudi kakršnih koli signalov, hitrost svetlobe v vakuumu. Natančna vrednost tega indikatorja je skoraj 300 tisoč km / s. Če smo natančni, je hitrost svetlobe v vakuumu 299.792.458 m/s.
Teorijo, da je te vrednosti nemogoče preseči, je postavil slavni fizik preteklosti Albert Einstein v svoji posebni teoriji relativnosti ali SRT.

Opomba! Einsteinova teorija relativnosti velja za neomajno, dokler ni pravih dokazov, da je prenos signala možen pri hitrostih, ki presegajo CPC v vakuumu.

Einsteinova teorija relativnosti

Toda danes so nekateri raziskovalci odkrili pojave, ki so lahko predpogoj za to, da je Einsteinov SRT mogoče spremeniti. Pod določenimi posebej danimi pogoji je mogoče slediti pojavu superluminalnih hitrosti. Zanimivo je, da v tem primeru ne pride do kršitve relativnostne teorije.

Zakaj se ne moreš premikati hitreje od svetlobe?

Do danes je v tem vprašanju nekaj "pasti". Na primer, zakaj v normalnih pogojih konstante CPC ni mogoče premagati? V skladu s sprejeto teorijo bo v tej situaciji kršeno temeljno načelo strukture našega sveta, namreč zakon vzročnosti. Trdi, da učinek po definiciji ne more prehiteti svojega vzroka. Figurativno povedano, ne more biti, da medved najprej pade mrtev, šele nato pa se zasliši strel lovca, ki ga je ustrelil. Če pa je CPC presežen, bi se morali dogodki začeti odvijati v obratnem vrstnem redu. Posledično bo čas začel obratno teči.

Kakšna je torej hitrost širjenja svetlobnega žarka?

Po številnih študijah, ki so bile navedene, da bi ugotovili natančno vrednost CPC, so bile pridobljene konkretne številke. Danes c = 1.079.252.848,8 km/h ali 299.792.458 m/s. in v Planckovih enotah je ta parameter definiran kot ena. To pomeni, da energija svetlobe prepotuje 1 Planckovo enoto dolžine v 1 enoti Planckovega časa.

Opomba! Te številke veljajo samo za pogoje, ki obstajajo v vakuumu.

Formula za konstantno vrednost

Toda v fiziki se za enostavnejši način reševanja problemov uporablja zaokrožena vrednost - 300.000.000 m / s.
To pravilo v normalnih pogojih velja za vse predmete, pa tudi za rentgenske žarke, gravitacijske in svetlobne valove nam vidnega spektra. Poleg tega so znanstveniki dokazali, da se lahko delci z maso približajo hitrosti svetlobnega žarka. Vendar ga ne morejo doseči ali preseči.

Opomba! Največja hitrost, blizu svetlobne, je bila dosežena pri preučevanju kozmičnih žarkov, pospešenih v posebnih pospeševalnikih.

Omeniti velja, da je ta fizična konstanta odvisna od medija, v katerem se meri, in sicer od lomnega količnika. Zato se lahko njegova dejanska hitrost razlikuje glede na frekvence.

Kako izračunati vrednost temeljne konstante

Do danes obstajajo različne metode za določanje SRS. Lahko je:

• astronomske metode;
• izboljšana Fizeaujeva metoda. Tu je zobnik nadomeščen s sodobnim modulatorjem.

Opomba! Znanstveniki so dokazali, da so kazalniki CPC v zraku in v vakuumu skoraj enaki. In je manj kot približno 25% vode.

Naslednja formula se uporablja za izračun količine širjenja svetlobnega žarka.

Formula za izračun hitrosti svetlobe

Ta formula je primerna za izračune vakuuma.

Zaključek

Svetloba je v našem svetu zelo pomembna in trenutek, ko bodo znanstveniki lahko dokazali možnost obstoja nadsvetlobnih hitrosti, lahko popolnoma spremeni naš znani svet. Kaj bo to odkritje pomenilo za ljudi, je celo težko oceniti. Bo pa zagotovo neverjeten preboj!

Kako izbrati in namestiti senzorje prostornine za samodejno krmiljenje svetlobe
Domači nastavljivi tranzistorski napajalniki: montaža, praktična uporaba

Hitrost svetlobe v vakuumu- absolutna vrednost hitrosti širjenja elektromagnetnega valovanja v vakuumu. V fiziki se označuje z latinsko črko c.
Hitrost svetlobe v vakuumu je temeljna konstanta, neodvisno od izbire inercialnega referenčnega sistema.
Po definiciji je točno tako 299 792 458 m / s (približna vrednost 300 tisoč km / s).
Po posebni teoriji relativnosti je največja hitrost za širjenje kakršnih koli fizičnih interakcij, ki prenašajo energijo in informacije.

Kako se določi hitrost svetlobe?

Hitrost svetlobe je bila prvič določena l 1676 O. K. Römer s spreminjanjem časovnih intervalov med mrki Jupitrovih satelitov.

Leta 1728 jo je postavil J. Bradley, ki temelji na njegovih opazovanjih aberacije zvezdne svetlobe.

Leta 1849 A. I. L. Fizeau prvi je izmeril svetlobno hitrost s časom, v katerem svetloba prepotuje natančno znano razdaljo (bazo); ker se lomni količnik zraka zelo malo razlikuje od 1, dajejo zemeljske meritve vrednost zelo blizu s.
V Fizeaujevem poskusu je žarek svetlobe iz vira S, ki ga odbije polprozorno zrcalo N, periodično prekinil vrteči se zobati disk W, prešel bazo MN (približno 8 km) in se, odbit od zrcala M, vrnil v disk. Ko je svetloba zadela zob, svetloba ni prišla do opazovalca, svetlobo, ki je padla v režo med zobmi, pa je bilo mogoče opazovati skozi okular E. Čas prehoda svetlobe skozi bazo smo določili iz znanega diska. hitrosti vrtenja. Fizeau je dobil vrednost c = 313.300 km/s.

Leta 1862 J. B. L. Foucault uresničil idejo D. Arago, izraženo leta 1838, z uporabo hitro vrtljivega (512 vrt / min) ogledala namesto zobatega diska. Ko se je odbijal od ogledala, je bil žarek svetlobe usmerjen na podnožje in po vrnitvi spet padel na isto ogledalo, ki se je imelo čas obrniti za določen majhen kot. Foucault je pri osnovi le 20 m ugotovil, da je hitrost svetlobe je 29800080 ± 500 km/s. Sheme in osnovne ideje eksperimentov Fizeauja in Foucaulta so bile v naslednjih delih večkrat uporabljene za določitev s.