Crafts

Sporo svjetlo. Zašto je brzina svjetlosti konstantna na vašim prstima™ Kako odrediti brzinu svjetlosti u mediju

Brzina svjetlosti je udaljenost koju svjetlost prijeđe u jedinici vremena. Ova vrijednost ovisi o tvari u kojoj se svjetlost širi.

U vakuumu, brzina svjetlosti je 299,792,458 m/s. Ovo je najveća brzina koja se može postići. Prilikom rješavanja zadataka koji ne zahtijevaju posebnu tačnost, ova vrijednost se uzima jednakom 300.000.000 m/s. Pretpostavlja se da se sve vrste elektromagnetnog zračenja šire u vakuumu brzinom svetlosti: radio talasi, infracrveno zračenje, vidljivo svetlo, ultraljubičasto zračenje, rendgensko zračenje, gama zračenje. Označava se slovom With .

Kako je određena brzina svjetlosti?

U davna vremena, naučnici su vjerovali da je brzina svjetlosti beskonačna. Kasnije su počele rasprave o ovom pitanju među naučnicima. Kepler, Descartes i Fermat složili su se sa mišljenjem antičkih naučnika. A Galileo i Hooke su vjerovali da, iako je brzina svjetlosti vrlo velika, ona ipak ima konačnu vrijednost.

Galileo Galilei

Jedan od prvih koji je pokušao da izmeri brzinu svetlosti bio je italijanski naučnik Galileo Galilej. Tokom eksperimenta, on i njegov pomoćnik bili su na različitim brdima. Galileo je otvorio kapak na svom fenjeru. U trenutku kada je pomoćnik ugledao ovo svjetlo, iste radnje je morao učiniti i sa svojim fenjerom. Vrijeme koje je bilo potrebno svjetlosti da putuje od Galilea do pomoćnika i nazad pokazalo se tako kratko da je Galileo shvatio da je brzina svjetlosti vrlo velika i nemoguće je izmjeriti je na tako maloj udaljenosti, jer svjetlost putuje skoro trenutno. A vrijeme koje je snimio pokazuje samo brzinu reakcije osobe.

Brzinu svjetlosti prvi je odredio 1676. danski astronom Olaf Roemer koristeći astronomske udaljenosti. Koristeći teleskop za posmatranje pomračenja Jupiterovog mjeseca Io, otkrio je da kako se Zemlja udaljava od Jupitera, svaka naredna pomračenje se događa kasnije nego što je izračunato. Maksimalno kašnjenje, kada se Zemlja pomeri na drugu stranu Sunca i udalji se od Jupitera na udaljenosti koja je jednaka prečniku Zemljine orbite, je 22 sata. Iako tačan prečnik Zemlje tada nije bio poznat, naučnik je njegovu približnu vrijednost podijelio sa 22 sata i dobio vrijednost od oko 220.000 km/s.

Olaf Roemer

Rezultat koji je Roemer dobio izazvao je nepovjerenje među naučnicima. Ali 1849. godine francuski fizičar Armand Hipolit Louis Fizeau izmjerio je brzinu svjetlosti koristeći metodu rotirajućih zatvarača. U njegovom eksperimentu, svjetlost iz izvora prolazila je između zubaca rotirajućeg točka i usmjeravala se na ogledalo. Odražen od njega, vratio se nazad. Povećana je brzina rotacije točka. Kada je dostigao određenu vrijednost, snop koji se reflektirao od ogledala je odgođen pomicanjem zuba, a posmatrač u tom trenutku nije ništa vidio.

Fizeauovo iskustvo

Fizeau je izračunao brzinu svjetlosti na sljedeći način. Svetlo ide svojim putem L od točka do ogledala u vremenu jednakom t 1 = 2L/c . Vrijeme potrebno da se kotač okrene za ½ utora je t 2 = T/2N , Gdje T - period rotacije točka, N - broj zuba. Frekvencija rotacije v = 1/T . Trenutak kada posmatrač ne vidi svjetlost nastaje kada t 1 = t 2 . Odavde dobijamo formulu za određivanje brzine svetlosti:

c = 4LNv

Nakon što je izvršio proračune koristeći ovu formulu, Fizeau je to utvrdio With = 313.000.000 m/s. Ovaj rezultat je bio mnogo tačniji.

Armand Hipolit Louis Fizeau

Godine 1838. francuski fizičar i astronom Dominique François Jean Arago predložio je korištenje metode rotirajućih ogledala za izračunavanje brzine svjetlosti. Ovu ideju je u praksi sproveo francuski fizičar, mehaničar i astronom Jean Bernard Leon Foucault, koji je 1862. godine dobio vrijednost brzine svjetlosti (298.000.000±500.000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

Godine 1891. pokazalo se da je rezultat američkog astronoma Simona Newcomba za red veličine tačniji od Foucaultovog rezultata. Kao rezultat njegovih proračuna With = (99,810,000±50,000) m/s.

Istraživanje američkog fizičara Alberta Abrahama Michelsona, koji je koristio postavu s rotirajućim osmougaonim ogledalom, omogućilo je još preciznije određivanje brzine svjetlosti. Naučnik je 1926. izmjerio vrijeme potrebno svjetlosti da pređe udaljenost između vrhova dvije planine, jednaku 35,4 km, i dobio With = (299,796,000±4,000) m/s.

Najpreciznije mjerenje obavljeno je 1975. Iste godine, Generalna konferencija za utege i mjere preporučila je da se brzina svjetlosti smatra jednakom 299,792,458 ± 1,2 m/s.

Od čega zavisi brzina svjetlosti?

Brzina svjetlosti u vakuumu ne ovisi ni o referentnom okviru ni o poziciji posmatrača. Ostaje konstantan, jednak 299,792,458 ± 1,2 m/s. Ali u raznim transparentnim medijima ova brzina će biti manja od brzine u vakuumu. Svaki prozirni medij ima optičku gustoću. I što je veći, to se u njemu širi brzina svjetlosti sporije. Na primjer, brzina svjetlosti u zraku je veća od brzine u vodi, a u čistom optičkom staklu manja je nego u vodi.

Ako se svjetlost kreće iz manje guste sredine u gustu, njena brzina se smanjuje. A ako dođe do prijelaza iz gustijeg medija u manje gustu, tada se brzina, naprotiv, povećava. Ovo objašnjava zašto se svjetlosni snop odbija na prijelaznoj granici između dva medija.

Da bismo odredili brzinu (pređenu udaljenost/preuzeto vrijeme) moramo odabrati standarde udaljenosti i vremena. Različiti standardi mogu dati različita mjerenja brzine.

Da li je brzina svjetlosti konstantna?

[Zapravo, konstanta fine strukture ovisi o energetskoj skali, ali ovdje mislimo na njenu niskoenergetsku granicu.]

Specijalna teorija relativnosti

Definicija metra u SI sistemu takođe se zasniva na pretpostavci ispravnosti teorije relativnosti. Brzina svjetlosti je konstantna u skladu sa osnovnim postulatom teorije relativnosti. Ovaj postulat sadrži dvije ideje:

Brzina svetlosti ne zavisi od kretanja posmatrača.
Brzina svjetlosti ne ovisi o koordinatama u vremenu i prostoru.

Ideja da je brzina svjetlosti nezavisna od brzine posmatrača je kontraintuitivna. Neki ljudi se čak ne mogu složiti da je ova ideja logična. Godine 1905. Ajnštajn je pokazao da je ova ideja logički ispravna ako se napusti pretpostavka apsolutne prirode prostora i vremena.

Godine 1879. vjerovalo se da svjetlost mora putovati kroz neki medij u svemiru, baš kao što zvuk putuje kroz zrak i druge supstance. Michelson i Morley proveo eksperiment za otkrivanje etra posmatrajući promjene u brzini svjetlosti kada se smjer kretanja Zemlje u odnosu na Sunce mijenja tokom godine. Na njihovo iznenađenje, nije otkrivena nikakva promjena brzine svjetlosti.

Bez obzira na boju, talasnu dužinu ili energiju, brzina kojom svetlost putuje u vakuumu ostaje konstantna. Ne zavisi od lokacije ili pravca u prostoru i vremenu

Ništa u svemiru ne može putovati brže od svjetlosti u vakuumu. 299,792,458 metara u sekundi. Ako je masivna čestica, može se samo približiti ovoj brzini, ali ne i dostići je; ako je čestica bez mase, uvijek bi se trebala kretati upravo ovom brzinom ako se to dešava u praznom prostoru. Ali kako to znamo i koji je razlog tome? Ove sedmice naš čitatelj nam postavlja tri pitanja vezana za brzinu svjetlosti:

Zašto je brzina svjetlosti konačna? Zašto je takva kakva jeste? Zašto ne brže, a ne sporije?

Sve do 19. vijeka nismo ni imali potvrdu za ovaj podatak.

Ilustracija svjetlosti koja prolazi kroz prizmu i razdvaja se u različite boje.

Kada svjetlost prođe kroz vodu, prizmu ili bilo koji drugi medij, ona se razdvaja u različite boje. Crvena boja se lomi pod drugačijim uglom od plave, zbog čega se pojavljuje nešto poput duge. Ovo se takođe može posmatrati izvan vidljivog spektra; infracrveno i ultraljubičasto svjetlo se ponašaju na isti način. Ovo bi bilo moguće samo ako je brzina svjetlosti u mediju različita za svjetlost različitih valnih dužina/energija. Ali u vakuumu, izvan bilo kojeg medija, sva svjetlost se kreće istom konačnom brzinom.

Razdvajanje svjetlosti na boje nastaje zbog različitih brzina svjetlosti, ovisno o talasnoj dužini, kroz medij

Ovo se shvatilo tek sredinom 19. veka, kada je fizičar Džejms Klerk Maksvel pokazao šta je zapravo svetlost: elektromagnetni talas. Maksvel je prvi postavio nezavisne fenomene elektrostatike (statički naboji), elektrodinamike (pokretni naboji i struje), magnetostatike (konstantna magnetna polja) i magnetodinamike (indukovane struje i naizmenična magnetna polja) na jedinstvenu platformu. Jednačine koje njime upravljaju - Maxwellove jednačine - omogućavaju izračunavanje odgovora na naizgled jednostavno pitanje: koje vrste električnih i magnetskih polja mogu postojati u praznom prostoru izvan električnih ili magnetskih izvora? Bez naboja i bez struja, moglo bi se zaključiti da ih nema - ali Maxwellove jednačine iznenađujuće dokazuju suprotno.

Tablica s Maxwellovim jednadžbama na poleđini njegovog spomenika

Ništa nije jedno od mogućih rješenja; ali je moguće i nešto drugo - međusobno okomite električno i magnetsko polje koje osciliraju u jednoj fazi. Imaju određene amplitude. Njihova energija je određena frekvencijom oscilacija polja. Kreću se određenom brzinom koju određuju dvije konstante: ε 0 i µ 0. Ove konstante određuju veličinu električnih i magnetskih interakcija u našem Univerzumu. Rezultirajuća jednačina opisuje val. I, kao i svaki talas, ima brzinu 1/√ε 0 µ 0, za koju se ispostavilo da je jednaka c, brzini svetlosti u vakuumu.

Međusobno okomito električno i magnetsko polje koje oscilira u jednoj fazi i širi se brzinom svjetlosti određuju elektromagnetno zračenje

Sa teorijske tačke gledišta, svjetlost je elektromagnetno zračenje bez mase. Prema zakonima elektromagnetizma, mora se kretati brzinom 1/√ε 0 µ 0, jednakom c - bez obzira na druga svojstva (energija, impuls, talasna dužina). ε 0 se može izmjeriti izradom i mjerenjem kondenzatora; µ 0 je precizno određen iz ampera, jedinice električne struje, što nam daje c. Ista osnovna konstanta, koju je prvi izveo Maxwell 1865. godine, pojavila se na mnogim drugim mjestima od tada:

Ovo je brzina bilo koje čestice ili talasa bez mase, uključujući gravitacione.
Ovo je osnovna konstanta koja povezuje vaše kretanje u prostoru sa vašim kretanjem u vremenu u teoriji relativnosti.
A ovo je osnovna konstanta koja povezuje energiju sa masom mirovanja, E = mc 2

Roemerova zapažanja pružila su nam prva mjerenja brzine svjetlosti, dobijena pomoću geometrije i mjerenja vremena potrebnog svjetlosti da pređe udaljenost jednaku prečniku Zemljine orbite.

Prva mjerenja ove veličine izvršena su tokom astronomskih posmatranja. Kada Jupiterovi mjeseci ulaze i izlaze iz položaja pomračenja, izgledaju vidljivi ili nevidljivi sa Zemlje u određenom nizu ovisno o brzini svjetlosti. To je dovelo do prvog kvantitativnog mjerenja s u 17. stoljeću, za koje je utvrđeno da iznosi 2,2 × 10 8 m/s. Otklon svjetlosti zvijezda - zbog kretanja zvijezde i Zemlje na kojoj je teleskop instaliran - također se može procijeniti numerički. Ova metoda mjerenja c je 1729. godine pokazala vrijednost koja se razlikovala od moderne za samo 1,4%. Do 1970-ih, c je utvrđeno na 299,792,458 m/s sa greškom od samo 0,0000002%, od čega je veliki dio proizašao iz nemogućnosti preciznog definiranja metra ili sekunde. Do 1983. sekunda i metar su redefinisani u smislu c i univerzalnih svojstava atomskog zračenja. Sada je brzina svjetlosti tačno 299,792,458 m/s.

Atomski prijelaz sa 6S orbitale, δf 1, određuje metar, sekundu i brzinu svjetlosti

Pa zašto brzina svjetlosti nije ni veća ni sporija? Objašnjenje je jednostavno kao što je prikazano na sl. Iznad je atom. Atomski prijelazi se dešavaju na način na koji se dešavaju zbog osnovnih kvantnih svojstava građevnih blokova prirode. Interakcije atomskog jezgra s električnim i magnetskim poljima koje stvaraju elektroni i drugi dijelovi atoma uzrokuju da različiti energetski nivoi budu izuzetno blizu jedan drugom, ali ipak malo različiti: to se naziva hiperfino cijepanje. Konkretno, prelazna frekvencija hiperfine strukture cezijuma-133 emituje svjetlost vrlo specifične frekvencije. Vreme koje je potrebno da prođe 9,192,631,770 takvih ciklusa određuje drugi; udaljenost koju svjetlost pređe za to vrijeme je 299,792,458 metara; Brzina kojom ova svjetlost putuje određuje c.

Ljubičasti foton nosi milion puta više energije od žutog fotona. Svemirski teleskop Fermi gama zraka ne pokazuje kašnjenja u bilo kojem od fotona koji nam dolaze iz gama zraka, što potvrđuje konstantnost brzine svjetlosti za sve energije

Da bi se ova definicija promijenila, ovom atomskom prijelazu ili svjetlosti koja dolazi iz nje mora se dogoditi nešto fundamentalno drugačije od njegove trenutne prirode. Ovaj primjer nas također uči vrijednoj lekciji: da su atomska fizika i atomski prijelazi funkcionirali drugačije u prošlosti ili na velikim udaljenostima, postojao bi dokaz da se brzina svjetlosti mijenjala tokom vremena. Do sada sva naša mjerenja nameću samo dodatna ograničenja na konstantnost brzine svjetlosti, a ta ograničenja su vrlo stroga: promjena ne prelazi 7% trenutne vrijednosti u proteklih 13,7 milijardi godina. Ako bi se, prema bilo kojoj od ovih metrika, utvrdilo da je brzina svjetlosti nedosljedna, ili da je različita za različite vrste svjetlosti, to bi dovelo do najveće naučne revolucije od Ajnštajna. Umjesto toga, svi dokazi upućuju na Univerzum u kojem svi zakoni fizike ostaju isti u svakom trenutku, svuda, u svim pravcima, u svakom trenutku, uključujući i samu fiziku svjetlosti. U određenom smislu, ovo je također prilično revolucionarna informacija.

U 19. stoljeću došlo je do nekoliko naučnih eksperimenata koji su doveli do otkrića niza novih fenomena. Među ovim fenomenima je otkriće Hansa Oersteda o stvaranju magnetske indukcije električnom strujom. Kasnije je Michael Faraday otkrio suprotan efekat, koji je nazvan elektromagnetna indukcija.

Jednadžbe Jamesa Maxwella - elektromagnetna priroda svjetlosti

Kao rezultat ovih otkrića, zabilježena je takozvana "interakcija na daljinu", što je rezultiralo novom teorijom elektromagnetizma koju je formulirao Wilhelm Weber, a koja se temeljila na djelovanju dugog dometa. Kasnije je Maksvel definisao koncept električnog i magnetnog polja, koji su u stanju da generišu jedno drugo, što je elektromagnetski talas. Nakon toga, Maxwell je koristio takozvanu "elektromagnetsku konstantu" u svojim jednačinama - With.

U to vrijeme, naučnici su se već približili činjenici da je svjetlost elektromagnetne prirode. Fizičko značenje elektromagnetne konstante je brzina širenja elektromagnetne pobude. Na iznenađenje samog Jamesa Maxwella, izmjerena vrijednost ove konstante u eksperimentima s jediničnim nabojem i strujama pokazala se jednakom brzini svjetlosti u vakuumu.

Prije ovog otkrića, čovječanstvo je razdvojilo svjetlost, elektricitet i magnetizam. Maxwellova generalizacija nam je omogućila da iznova pogledamo prirodu svjetlosti, kao određenog fragmenta električnog i magnetskog polja koji se nezavisno širi u prostoru.

Na slici ispod prikazan je dijagram širenja elektromagnetnog talasa, koji je takođe svetlost. Ovdje je H vektor jačine magnetnog polja, E je vektor jačine električnog polja. Oba vektora su okomita jedan na drugi, kao i na pravac prostiranja talasa.

Michelsonov eksperiment - apsolutnost brzine svjetlosti

Fizika tog vremena uglavnom je izgrađena na Galileovom principu relativnosti, prema kojem zakoni mehanike izgledaju isto u bilo kojem odabranom inercijskom referentnom okviru. Istovremeno, prema dodavanju brzina, brzina širenja treba da zavisi od brzine izvora. Međutim, u ovom slučaju, elektromagnetski talas bi se ponašao drugačije u zavisnosti od izbora referentnog okvira, što krši Galilejev princip relativnosti. Stoga je Maxwellova naizgled dobro formirana teorija bila u poljuljanom stanju.

Eksperimenti su pokazali da brzina svjetlosti zaista ne ovisi o brzini izvora, što znači da je potrebna teorija koja može objasniti tako čudnu činjenicu. Najboljom teorijom u to vrijeme se pokazala teorija "etera" - određenog medija u kojem se svjetlost širi, baš kao što se širi zvuk u zraku. Tada bi brzina svjetlosti bila određena ne brzinom kretanja izvora, već karakteristikama samog medija - etra.

Poduzeti su mnogi eksperimenti da bi se otkrio eter, od kojih je najpoznatiji eksperiment američkog fizičara Alberta Michelsona. Ukratko, poznato je da se Zemlja kreće u svemiru. Tada je logično pretpostaviti da se i on kreće kroz eter, jer potpuna vezanost etra za Zemlju nije samo najviši stepen egoizma, već jednostavno ne može biti ničim izazvana. Ako se Zemlja kreće kroz određeni medij u kojem se širi svjetlost, onda je logično pretpostaviti da se ovdje odvija dodavanje brzina. Odnosno, širenje svjetlosti mora ovisiti o smjeru kretanja Zemlje, koja leti kroz etar. Kao rezultat svojih eksperimenata, Michelson nije otkrio nikakvu razliku između brzine širenja svjetlosti u oba smjera od Zemlje.

Holandski fizičar Hendrik Lorenc pokušao je da reši ovaj problem. Prema njegovoj pretpostavci, “eterični vjetar” je utjecao na tijela na način da su smanjivala svoju veličinu u pravcu kretanja. Na osnovu ove pretpostavke, i Zemlja i Michelsonov uređaj su doživjeli ovu Lorencovu kontrakciju, usljed čega je Albert Michelson dobio istu brzinu za širenje svjetlosti u oba smjera. I iako je Lorentz donekle bio uspešan u odlaganju smrti teorije etra, naučnici su i dalje smatrali da je ova teorija „nategnuta“. Dakle, eter je trebao imati niz “bajkovitih” svojstava, uključujući bestežinsko stanje i odsustvo otpora na tijela koja se kreću.

Kraj istorije etra došao je 1905. godine objavljivanjem članka “O elektrodinamici pokretnih tijela” tada malo poznatog Alberta Ajnštajna.

Specijalna teorija relativnosti Alberta Ajnštajna

Dvadesetšestogodišnji Albert Einstein iznio je potpuno nov, drugačiji pogled na prirodu prostora i vremena, koji je bio u suprotnosti s idejama tog vremena, a posebno je grubo narušio Galilejev princip relativnosti. Prema Einsteinu, Michelsonov eksperiment nije dao pozitivne rezultate iz razloga što prostor i vrijeme imaju takva svojstva da je brzina svjetlosti apsolutna vrijednost. Odnosno, bez obzira u kom referentnom okviru se posmatrač nalazi, brzina svetlosti u odnosu na njega je uvek ista, 300.000 km/sek. Iz toga je proizašla nemogućnost primjene sabiranja brzina u odnosu na svjetlost – bez obzira koliko se brzo kretao izvor svjetlosti, brzina svjetlosti se neće mijenjati (sabirati ili oduzeti).

Einstein je koristio Lorentzovu kontrakciju da opiše promjene u parametrima tijela koja se kreću brzinama bliskim brzini svjetlosti. Tako će se, na primjer, dužina takvih tijela smanjiti, a njihovo vlastito vrijeme će se usporiti. Koeficijent takvih promjena naziva se Lorentz faktor. Einsteinova poznata formula E=mc 2 zapravo uključuje i Lorentz faktor ( E= ymc 2), što je općenito jednako jedinici u slučaju kada je brzina tijela v jednaka nuli. Kako se brzina tijela približava v do brzine svetlosti c Lorentz faktor y juri ka beskonačnosti. Iz ovoga slijedi da će za ubrzanje tijela do brzine svjetlosti biti potrebna beskonačna količina energije, te je stoga nemoguće prijeći ovu granicu brzine.

Postoji i argument u prilog ove izjave pod nazivom „relativnost istovremenosti“.

Paradoks relativnosti simultanosti SRT

Ukratko, fenomen relativnosti simultanosti je da satovi koji se nalaze u različitim tačkama u prostoru mogu da rade „istovremeno” samo ako su u istom inercijalnom referentnom okviru. Odnosno, vrijeme na satu ovisi o izboru referentnog sistema.

Iz ovoga slijedi paradoks da se događaj B, koji je posljedica događaja A, može dogoditi istovremeno s njim. Osim toga, moguće je odabrati referentne sisteme na način da će se događaj B dogoditi ranije od događaja A koji ga je izazvao. Takav fenomen narušava princip uzročnosti, koji je prilično čvrsto ukorijenjen u nauci i nikada nije doveden u pitanje. Međutim, ova hipotetička situacija se opaža samo u slučaju kada je udaljenost između događaja A i B veća od vremenskog intervala između njih pomnoženog s "elektromagnetskom konstantom" - With. Dakle, konstanta c, koja je jednaka brzini svjetlosti, je maksimalna brzina prijenosa informacija. U suprotnom bi došlo do povrede principa uzročnosti.

Kako se mjeri brzina svjetlosti?

Zapažanja Olafa Roemera

Antički naučnici su većinom vjerovali da se svjetlost kreće beskonačnom brzinom, a prva procjena brzine svjetlosti dobivena je već 1676. godine. Danski astronom Olaf Roemer posmatrao je Jupiter i njegove mjesece. U trenutku kada su Zemlja i Jupiter bili na suprotnim stranama Sunca, pomračenje Jupiterovog satelita Io kasnilo je 22 minuta u odnosu na izračunato vrijeme. Jedino rješenje koje je Olaf Roemer pronašao je da je brzina svjetlosti ograničena. Iz tog razloga, informacija o posmatranom događaju kasni 22 minuta, jer je potrebno neko vrijeme da se pređe udaljenost od satelita Io do astronomskog teleskopa. Prema Roemerovim proračunima, brzina svjetlosti bila je 220.000 km/s.

Zapažanja Jamesa Bradleya

Godine 1727. engleski astronom James Bradley otkrio je fenomen svjetlosne aberacije. Suština ovog fenomena je da se prilikom kretanja Zemlje oko Sunca, kao i tokom same rotacije Zemlje, uočava pomeranje zvezda na noćnom nebu. Budući da posmatrač Zemljan i sama Zemlja stalno mijenjaju smjer kretanja u odnosu na promatranu zvijezdu, svjetlost koju emituje zvijezda putuje različite udaljenosti i pada pod različitim uglovima prema posmatraču tokom vremena. Ograničena brzina svjetlosti dovodi do činjenice da zvijezde na nebu opisuju elipsu tokom cijele godine. Ovaj eksperiment je omogućio Džejmsu Bredliju da proceni brzinu svetlosti - 308.000 km/s.

Iskustvo Louisa Fizeaua

Godine 1849. francuski fizičar Louis Fizeau izveo je laboratorijski eksperiment za mjerenje brzine svjetlosti. Fizičar je u Parizu postavio ogledalo na udaljenosti od 8.633 metra od izvora, ali prema Roemerovim proračunima, svjetlost će ovu udaljenost preći za stotiljaditi dio sekunde. Takva tačnost sata tada je bila nedostižna. Fizeau je zatim koristio zupčanik koji se rotirao na putu od izvora do ogledala i od ogledala do posmatrača, čiji su zubi povremeno blokirali svjetlost. U slučaju kada je svjetlosni snop od izvora do ogledala prošao između zuba, a na povratku udario u zub, fizičar je udvostručio brzinu rotacije točka. Kako se brzina rotacije točka povećavala, svjetlo je gotovo prestalo nestajati sve dok brzina rotacije nije dosegla 12,67 okretaja u sekundi. U ovom trenutku svjetlo je ponovo nestalo.

Takvo zapažanje značilo je da je svjetlost stalno "udarala" u zube i nije imala vremena da "proklizne" između njih. Poznavajući brzinu rotacije točka, broj zubaca i dvostruko rastojanje od izvora do ogledala, Fizeau je izračunao brzinu svjetlosti, za koju se ispostavilo da je jednaka 315.000 km/sec.

Godinu dana kasnije, drugi francuski fizičar Leon Foucault izveo je sličan eksperiment u kojem je umjesto zupčanika koristio rotirajuće ogledalo. Vrijednost koju je dobio za brzinu svjetlosti u zraku bila je 298.000 km/s.

Stoljeće kasnije, Fizeauova metoda je toliko poboljšana da je sličan eksperiment koji je 1950. izveo E. Bergstrand dao vrijednost brzine od 299.793,1 km/s. Ovaj broj se razlikuje za samo 1 km/s od trenutne vrijednosti brzine svjetlosti.

Dalja mjerenja

Pojavom lasera i povećanjem tačnosti mjernih instrumenata bilo je moguće smanjiti grešku mjerenja na 1 m/s. Tako su 1972. godine američki naučnici koristili laser za svoje eksperimente. Mjerenjem frekvencije i talasne dužine laserskog zraka uspjeli su dobiti vrijednost od 299.792.458 m/s. Važno je napomenuti da je daljnje povećanje tačnosti mjerenja brzine svjetlosti u vakuumu bilo nemoguće, ne zbog tehničkih nesavršenosti instrumenata, već zbog greške samog etalona. Iz tog razloga je 1983. godine XVII Generalna konferencija za utege i mjere definirala metar kao udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu za vrijeme jednako 1/299,792,458 sekundi.

Hajde da sumiramo

Dakle, iz svega navedenog proizlazi da je brzina svjetlosti u vakuumu fundamentalna fizička konstanta koja se pojavljuje u mnogim fundamentalnim teorijama. Ova brzina je apsolutna, odnosno ne zavisi od izbora referentnog sistema, a jednaka je i maksimalnoj brzini prenosa informacija. Ne samo elektromagnetski valovi (svjetlost), već i sve čestice bez mase kreću se ovom brzinom. Uključujući, vjerovatno, graviton, česticu gravitacijskih valova. Između ostalog, zbog relativističkih efekata, vlastito vrijeme svjetlosti doslovno stoji.

Takva svojstva svjetlosti, posebno neprimjenjivost principa dodavanja brzina na nju, ne uklapaju se u glavu. Međutim, mnogi eksperimenti potvrđuju svojstva koja su gore navedena, a brojne fundamentalne teorije temelje se upravo na ovoj prirodi svjetlosti.

Tema kako mjeriti, kao i kolika je brzina svjetlosti, zanimala je naučnike od davnina. Ovo je veoma fascinantna tema koja je od pamtivijeka bila predmet naučne rasprave. Vjeruje se da je takva brzina konačna, nedostižna i konstantna. Ona je nedostižna i konstantna, kao beskonačnost. Istovremeno je konačan. Ispostavilo se da je to zanimljiva fizička i matematička zagonetka. Postoji jedna opcija za rješavanje ovog problema. Na kraju krajeva, brzina svjetlosti se i dalje mjerila.

U stara vremena, mislioci su to vjerovali brzina svetlosti- ovo je beskonačna količina. Prva procjena ovog pokazatelja data je 1676. godine. Olaf Roemer. Prema njegovim proračunima, brzina svjetlosti bila je približno 220 hiljada km/s. Ovo nije bila sasvim tačna vrijednost, ali bliska pravoj.

Konačnost i procena brzine svetlosti potvrđeni su pola veka kasnije.

U budućnosti, naučnik Fizeau Bilo je moguće odrediti brzinu svjetlosti prema vremenu potrebnom snopu da pređe tačnu udaljenost.

Izveo je eksperiment (vidi sliku), tokom kojeg je snop svjetlosti otišao od izvora S, reflektirao se od ogledala 3, prekinuo zupčasti disk 2 i prošao bazu (8 km). Zatim se reflektovao u ogledalu 1 i vratio na disk. Svetlost je padala u procep između zuba i mogla se posmatrati kroz okular 4. Vreme koje je trebalo snopu da prođe kroz bazu određivano je u zavisnosti od brzine rotacije diska. Vrijednost koju je dobio Fizeau je: c = 313300 km/s.

Brzina prostiranja zraka u bilo kojoj određenoj sredini je manja od ove brzine u vakuumu. Osim toga, za različite tvari ovaj pokazatelj poprima različite vrijednosti. Nakon nekoliko godina Foucault disk zamijenio brzo rotirajućim ogledalom. Sljedbenici ovih naučnika su više puta koristili njihove metode i istraživačke nacrte.

Leće su osnova optičkih instrumenata. Znate li kako se računa? To možete saznati čitajući jedan od naših članaka.

I možete pronaći informacije o tome kako postaviti optički nišan koji se sastoji od takvih sočiva. Pročitajte naš materijal i nećete imati pitanja o ovoj temi.

Kolika je brzina svjetlosti u vakuumu?

Najpreciznije mjerenje brzine svjetlosti pokazuje brojku 1.079.252.848,8 kilometara na sat ili 299 792 458 m/s. Ova brojka vrijedi samo za uvjete stvorene u vakuumu.

Ali za rješavanje problema obično se koristi indikator 300.000.000 m/s. U vakuumu je brzina svjetlosti u Planckovim jedinicama 1. Dakle, svjetlosna energija putuje 1 Plankovu jedinicu dužine za 1 jedinicu Planckovog vremena. Ako se u prirodnim uslovima stvori vakuum, tada rendgenski zraci, svjetlosni valovi u vidljivom spektru i gravitacijski valovi mogu putovati takvim brzinama.

Među naučnicima postoji jasno mišljenje da čestice sa masom mogu poprimiti brzinu koja je što je moguće bliža brzini svjetlosti. Ali oni nisu u stanju da dostignu i premaše indikator. Najveća brzina, bliska brzini svjetlosti, zabilježena je tokom proučavanja kosmičkih zraka i prilikom ubrzanja pojedinih čestica u akceleratorima.

Brzina svjetlosti u bilo kojoj sredini ovisi o indeksu prelamanja ovog medija.

Ovaj indikator može biti različit za različite frekvencije. Precizno mjerenje količine je važno za proračun ostalih fizičkih parametara. Na primjer, za određivanje udaljenosti tokom prolaska svjetlosnih ili radio signala u optičkom dometu, radaru, svjetlosnom dometu i drugim područjima.

Moderni naučnici koriste različite metode za određivanje brzine svjetlosti. Neki stručnjaci koriste astronomske metode, kao i metode mjerenja pomoću eksperimentalne tehnologije. Često se koristi poboljšana Fizeau metoda. U tom slučaju, zupčanik se zamjenjuje svjetlosnim modulatorom, koji slabi ili prekida svjetlosni snop. Prijemnik je ovdje fotoelektrični množitelj ili fotoćelija. Izvor svjetlosti može biti laser, što pomaže u smanjenju greške mjerenja. Određivanje brzine svjetlosti U zavisnosti od vremena prolaska baze, to se može uraditi direktnim ili indirektnim metodama, koje takođe omogućavaju dobijanje tačnih rezultata.

Koje formule se koriste za izračunavanje brzine svjetlosti?

Brzina prostiranja svjetlosti u vakuumu je apsolutna vrijednost. Fizičari ga označavaju slovom "c". Ovo je fundamentalna i konstantna vrijednost koja ne zavisi od izbora sistema izvještavanja i karakterizira vrijeme i prostor u cjelini. Naučnici pretpostavljaju da je ova brzina maksimalna brzina kretanja čestica.
Formula brzine svjetlosti u vakuumu:

s = 3 * 10^8 = 299792458 m/s

ovdje c je indikator brzine svjetlosti u vakuumu.
Naučnici su to dokazali brzina svetlosti u vazduhu gotovo se poklapa sa brzinom svjetlosti u vakuumu. Može se izračunati pomoću formule: