Meşteşuguri

Lumină lentă. De ce viteza luminii este constantă pe degetele tale™ Cum se determină viteza luminii într-un mediu

Viteza luminii este distanța pe care o parcurge lumina pe unitatea de timp. Această valoare depinde de substanța în care se propagă lumina.

În vid, viteza luminii este de 299.792.458 m/s. Aceasta este cea mai mare viteză care poate fi atinsă. La rezolvarea problemelor care nu necesită o precizie specială, această valoare este luată egală cu 300.000.000 m/s. Se presupune că toate tipurile de radiații electromagnetice se propagă în vid cu viteza luminii: unde radio, radiații infraroșii, lumină vizibilă, radiații ultraviolete, raze X, radiații gamma. Este desemnat printr-o scrisoare Cu .

Cum a fost determinată viteza luminii?

În antichitate, oamenii de știință credeau că viteza luminii era infinită. Mai târziu, au început discuțiile pe această temă între oamenii de știință. Kepler, Descartes și Fermat au fost de acord cu opinia oamenilor de știință antici. Și Galileo și Hooke credeau că, deși viteza luminii este foarte mare, aceasta are totuși o valoare finită.

Galileo Galilei

Unul dintre primii care a încercat să măsoare viteza luminii a fost omul de știință italian Galileo Galilei. În timpul experimentului, el și asistentul său au fost pe diferite dealuri. Galileo deschise obloanele lanternei sale. În momentul în care asistentul a văzut această lumină, a trebuit să facă aceleași acțiuni cu lanterna lui. Timpul necesar luminii pentru a călători de la Galileo la asistent și înapoi s-a dovedit a fi atât de scurt încât Galileo și-a dat seama că viteza luminii este foarte mare și este imposibil să o măsori la o distanță atât de mică, deoarece lumina se deplasează. aproape instantaneu. Iar timpul pe care l-a înregistrat arată doar viteza de reacție a unei persoane.

Viteza luminii a fost determinată pentru prima dată în 1676 de astronomul danez Olaf Roemer folosind distanțe astronomice. Folosind un telescop pentru a observa eclipsa lunii Io a lui Jupiter, el a descoperit că, pe măsură ce Pământul se îndepărtează de Jupiter, fiecare eclipsă ulterioară are loc mai târziu decât a fost calculat. Întârzierea maximă, atunci când Pământul se deplasează pe cealaltă parte a Soarelui și se îndepărtează de Jupiter la o distanță egală cu diametrul orbitei Pământului, este de 22 de ore. Deși diametrul exact al Pământului nu era cunoscut în acel moment, omul de știință și-a împărțit valoarea aproximativă la 22 de ore și a obținut o valoare de aproximativ 220.000 km/s.

Olaf Roemer

Rezultatul obținut de Roemer a provocat neîncredere în rândul oamenilor de știință. Dar în 1849, fizicianul francez Armand Hippolyte Louis Fizeau a măsurat viteza luminii folosind metoda obturatorului rotativ. În experimentul său, lumina dintr-o sursă a trecut între dinții unei roți care se învârte și a fost îndreptată spre o oglindă. Reflectat de la el, s-a întors înapoi. Viteza de rotație a roții a crescut. Când a ajuns la o anumită valoare, fasciculul reflectat de oglindă a fost întârziat de un dinte în mișcare, iar observatorul nu a văzut nimic în acel moment.

Experiența lui Fizeau

Fizeau a calculat viteza luminii după cum urmează. Lumina își merge pe drum L de la roată la oglindă într-un timp egal cu t 1 = 2L/c . Timpul necesar pentru ca roata să rotească ½ slot este t2 = T/2N , Unde T - perioada de rotație a roții, N - numărul de dinți. Frecvența de rotație v = 1/T . Momentul în care observatorul nu vede lumină apare când t 1 = t 2 . De aici obținem formula pentru determinarea vitezei luminii:

c = 4LNv

După ce a efectuat calcule folosind această formulă, Fizeau a stabilit că Cu = 313.000.000 m/s. Acest rezultat a fost mult mai precis.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

În 1838, fizicianul și astronomul francez Dominique François Jean Arago a propus utilizarea metodei oglinzii rotative pentru a calcula viteza luminii. Această idee a fost pusă în practică de către fizicianul, mecanicul și astronomul francez Jean Bernard Leon Foucault, care a obținut în 1862 valoarea vitezei luminii (298.000.000±500.000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

În 1891, rezultatul astronomului american Simon Newcomb s-a dovedit a fi cu un ordin de mărime mai precis decât rezultatul lui Foucault. Ca urmare a calculelor sale Cu = (99.810.000±50.000) m/s.

Cercetările efectuate de fizicianul american Albert Abraham Michelson, care a folosit o configurație cu o oglindă octogonală rotativă, au făcut posibilă determinarea vitezei luminii și mai precis. În 1926, omul de știință a măsurat timpul necesar luminii pentru a parcurge distanța dintre vârfurile a doi munți, egală cu 35,4 km, și a obținut Cu = (299.796.000±4.000) m/s.

Cea mai precisă măsurătoare a fost efectuată în 1975. În același an, Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri a recomandat ca viteza luminii să fie considerată egală cu 299.792.458 ± 1,2 m/s.

De ce depinde viteza luminii?

Viteza luminii în vid nu depinde nici de cadrul de referință, nici de poziția observatorului. Rămâne constantă, egală cu 299.792.458 ± 1,2 m/s. Dar în diferite medii transparente această viteză va fi mai mică decât viteza sa în vid. Orice mediu transparent are o densitate optică. Și cu cât este mai mare, cu atât viteza luminii se propaga mai lentă în ea. De exemplu, viteza luminii în aer este mai mare decât viteza sa în apă, iar în sticla optică pură este mai mică decât în apă.

Dacă lumina trece de la un mediu mai puțin dens la unul mai dens, viteza acesteia scade. Și dacă trecerea de la un mediu mai dens la unul mai puțin dens, atunci viteza, dimpotrivă, crește. Aceasta explică de ce fasciculul de lumină este deviat la limita de tranziție dintre două medii.

Pentru a determina viteza (distanța parcursă/timpul parcurs) trebuie să alegem distanța și standardele de timp. Standarde diferite pot da măsurători de viteză diferite.

Este constantă viteza luminii?

[De fapt, constanta structurii fine depinde de scara de energie, dar aici ne referim la limita sa de energie scăzută.]

Teoria specială a relativității

Definiția contorului în sistemul SI se bazează și pe ipoteza corectitudinii teoriei relativității. Viteza luminii este constantă în conformitate cu postulatul de bază al teoriei relativității. Acest postulat conține două idei:

Viteza luminii nu depinde de mișcarea observatorului.
Viteza luminii nu depinde de coordonatele în timp și spațiu.

Ideea că viteza luminii este independentă de viteza observatorului este contraintuitivă. Unii oameni nici măcar nu pot fi de acord că această idee este logică. În 1905, Einstein a arătat că această idee era corectă din punct de vedere logic dacă se renunță la presupunerea naturii absolute a spațiului și timpului.

În 1879, se credea că lumina trebuie să călătorească printr-un mediu din spațiu, la fel cum sunetul călătorește prin aer și alte substanțe. Michelson și Morley a efectuat un experiment pentru a detecta eterul prin observarea modificărilor vitezei luminii atunci când direcția mișcării Pământului în raport cu Soarele se schimbă de-a lungul anului. Spre surprinderea lor, nu a fost detectată nicio modificare a vitezei luminii.

Indiferent de culoare, lungime de undă sau energie, viteza cu care se deplasează lumina în vid rămâne constantă. Nu depinde de locație sau direcții în spațiu și timp

Nimic din Univers nu poate călători mai repede decât lumina în vid. 299.792.458 de metri pe secundă. Dacă este o particulă masivă, se poate apropia doar de această viteză, dar nu o atinge; dacă este o particulă fără masă, ar trebui să se miște întotdeauna exact cu această viteză dacă se întâmplă în spațiul gol. Dar de unde știm acest lucru și care este motivul pentru asta? În această săptămână, cititorul nostru ne pune trei întrebări legate de viteza luminii:

De ce viteza luminii este finită? De ce este așa cum este? De ce nu mai repede și nu mai lent?

Până în secolul al XIX-lea, nici măcar nu am avut confirmarea acestor date.

O ilustrare a luminii care trece printr-o prismă și este separată în culori distincte.

Când lumina trece prin apă, o prismă sau orice alt mediu, este separată în diferite culori. Culoarea roșie este refractată într-un unghi diferit de albastru, motiv pentru care apare ceva ca un curcubeu. Acest lucru poate fi observat și în afara spectrului vizibil; lumina infraroșu și ultravioletă se comportă la fel. Acest lucru ar fi posibil numai dacă viteza luminii în mediu este diferită pentru lumina cu lungimi de undă/energii diferite. Dar în vid, în afara oricărui mediu, toată lumina se mișcă cu aceeași viteză finită.

Separarea luminii in culori are loc datorita diferitelor viteze ale luminii, in functie de lungimea de unda, prin mediu

Acest lucru s-a realizat abia la mijlocul secolului al XIX-lea, când fizicianul James Clerk Maxwell a arătat ce este de fapt lumina: o undă electromagnetică. Maxwell a fost primul care a pus fenomenele independente de electrostatică (sarcină statică), electrodinamică (sarcină în mișcare și curenți), magnetostatică (câmpuri magnetice constante) și magnetodinamică (curenți induși și câmpuri magnetice alternative) pe o singură platformă unificată. Ecuațiile care o guvernează - ecuațiile lui Maxwell - fac posibilă calcularea răspunsului la o întrebare aparent simplă: ce tipuri de câmpuri electrice și magnetice pot exista în spațiul gol în afara surselor electrice sau magnetice? Fără sarcini și fără curenți, s-ar putea decide că nu există - dar ecuațiile lui Maxwell demonstrează în mod surprinzător contrariul.

Tabletă cu ecuațiile lui Maxwell pe spatele monumentului său

Nimic nu este una dintre soluțiile posibile; dar este posibil și altceva - câmpuri electrice și magnetice reciproc perpendiculare care oscilează într-o fază. Au anumite amplitudini. Energia lor este determinată de frecvența oscilațiilor câmpului. Se mișcă cu o anumită viteză, determinată de două constante: ε 0 și µ 0. Aceste constante determină amploarea interacțiunilor electrice și magnetice din Universul nostru. Ecuația rezultată descrie valul. Și, ca orice undă, are o viteză, 1/√ε 0 µ 0, care se dovedește a fi egală cu c, viteza luminii în vid.

Câmpurile electrice și magnetice reciproc perpendiculare care oscilează într-o fază și se propagă cu viteza luminii determină radiația electromagnetică

Din punct de vedere teoretic, lumina este radiație electromagnetică fără masă. Conform legilor electromagnetismului, trebuie să se miște cu o viteză de 1/√ε 0 µ 0, egală cu c - indiferent de celelalte proprietăți ale sale (energie, impuls, lungime de undă). ε 0 poate fi măsurat prin realizarea și măsurarea unui condensator; µ 0 este determinat cu precizie din amper, o unitate de curent electric, care ne dă c. Aceeași constantă fundamentală, derivată pentru prima dată de Maxwell în 1865, a apărut în multe alte locuri de atunci:

Aceasta este viteza oricărei particule sau unde fără masă, inclusiv a celor gravitaționale.
Aceasta este constanta fundamentală care leagă mișcarea ta în spațiu cu mișcarea ta în timp în teoria relativității.
Și aceasta este constanta fundamentală care raportează energia la masa în repaus, E = mc 2

Observațiile lui Roemer ne-au oferit primele măsurători ale vitezei luminii, obținute folosind geometrie și măsurând timpul necesar luminii pentru a parcurge o distanță egală cu diametrul orbitei Pământului.

Primele măsurători ale acestei mărimi au fost făcute în timpul observațiilor astronomice. Când lunile lui Jupiter intră și ies din pozițiile de eclipsă, ele apar vizibile sau invizibile de pe Pământ într-o anumită secvență, în funcție de viteza luminii. Aceasta a condus la prima măsurare cantitativă a lui s în secolul al XVII-lea, care a fost determinată a fi 2,2 × 10 8 m/s. Deviația luminii stelelor - datorită mișcării stelei și a Pământului pe care este instalat telescopul - poate fi estimată și numeric. În 1729, această metodă de măsurare a c arăta o valoare care diferă de cea modernă cu doar 1,4%. Până în anii 1970, c a fost determinat a fi 299.792.458 m/s cu o eroare de doar 0,0000002%, dintre care o mare parte a provenit din incapacitatea de a defini cu precizie un metru sau o secundă. Până în 1983, al doilea și metrul au fost redefinite în termeni de c și proprietățile universale ale radiației atomice. Acum viteza luminii este exact 299.792.458 m/s.

Tranziția atomică de la orbitalul 6S, δf 1, determină metrul, secunda și viteza luminii

Deci, de ce viteza luminii nu este mai rapidă sau mai lentă? Explicația este la fel de simplă precum se arată în fig. Deasupra este un atom. Tranzițiile atomice au loc așa cum se întâmplă din cauza proprietăților cuantice fundamentale ale blocurilor de construcție ale naturii. Interacțiunile nucleului atomic cu câmpurile electrice și magnetice create de electroni și alte părți ale atomului fac ca nivelurile de energie diferite să fie extrem de apropiate unele de altele, dar totuși ușor diferite: aceasta se numește divizare hiperfină. În special, frecvența de tranziție a structurii hiperfină a cesiului-133 emite lumină cu o frecvență foarte specifică. Timpul necesar pentru ca 9.192.631.770 de astfel de cicluri să treacă determină al doilea; distanța pe care o parcurge lumina în acest timp este de 299.792.458 de metri; Viteza cu care se deplasează această lumină determină c.

Un foton violet transportă de un milion de ori mai multă energie decât un foton galben. Telescopul spațial Fermi Gamma-ray nu arată nicio întârziere în niciunul dintre fotonii care vin la noi din explozia de raze gamma, ceea ce confirmă constanța vitezei luminii pentru toate energiile.

Pentru a schimba această definiție, ceva fundamental diferit de natura sa actuală trebuie să se întâmple acestei tranziții atomice sau luminii care vine din ea. Acest exemplu ne învață și o lecție valoroasă: dacă fizica atomică și tranzițiile atomice ar fi funcționat diferit în trecut sau pe distanțe lungi, ar exista dovezi că viteza luminii s-a schimbat în timp. Până acum, toate măsurătorile noastre impun doar restricții suplimentare privind constanța vitezei luminii, iar aceste restricții sunt foarte stricte: modificarea nu depășește 7% din valoarea actuală în ultimii 13,7 miliarde de ani. Dacă, după oricare dintre aceste metrici, viteza luminii s-ar dovedi a fi inconsecventă sau dacă ar fi diferită pentru diferite tipuri de lumină, ar duce la cea mai mare revoluție științifică de la Einstein. În schimb, toate dovezile indică un Univers în care toate legile fizicii rămân aceleași în orice moment, peste tot, în toate direcțiile, în orice moment, inclusiv în fizica luminii însăși. Într-un fel, aceasta este și o informație destul de revoluționară.

Secolul al XIX-lea a văzut mai multe experimente științifice care au dus la descoperirea unui număr de fenomene noi. Printre aceste fenomene se numără descoperirea lui Hans Oersted a generării inducției magnetice prin curent electric. Mai târziu, Michael Faraday a descoperit efectul opus, care a fost numit inducție electromagnetică.

Ecuațiile lui James Maxwell - natura electromagnetică a luminii

În urma acestor descoperiri, s-a remarcat așa-numita „interacțiune la distanță”, rezultând noua teorie a electromagnetismului formulată de Wilhelm Weber, care se baza pe acțiunea la distanță lungă. Mai târziu, Maxwell a definit conceptul de câmpuri electrice și magnetice, care sunt capabile să se genereze reciproc, care este o undă electromagnetică. Ulterior, Maxwell a folosit așa-numita „constantă electromagnetică” în ecuațiile sale - Cu.

Până atunci, oamenii de știință se apropiaseră deja de faptul că lumina este de natură electromagnetică. Sensul fizic al constantei electromagnetice este viteza de propagare a excitațiilor electromagnetice. Spre surprinderea lui James Maxwell însuși, valoarea măsurată a acestei constante în experimente cu sarcini și curenți unitare s-a dovedit a fi egală cu viteza luminii în vid.

Înainte de această descoperire, omenirea a separat lumina, electricitatea și magnetismul. Generalizarea lui Maxwell ne-a permis să aruncăm o nouă privire asupra naturii luminii, ca un anumit fragment de câmpuri electrice și magnetice care se propagă independent în spațiu.

Figura de mai jos prezintă o diagramă a propagării unei unde electromagnetice, care este, de asemenea, lumină. Aici H este vectorul intensității câmpului magnetic, E este vectorul intensității câmpului electric. Ambii vectori sunt perpendiculari unul pe celălalt, precum și pe direcția de propagare a undei.

Experimentul Michelson - absolutitatea vitezei luminii

Fizica acelei vremuri a fost construită în mare măsură pe principiul relativității lui Galileo, conform căruia legile mecanicii arată la fel în orice cadru de referință inerțial ales. În același timp, în funcție de adăugarea vitezelor, viteza de propagare ar trebui să depindă de viteza sursei. Cu toate acestea, în acest caz, unda electromagnetică s-ar comporta diferit în funcție de alegerea cadrului de referință, ceea ce încalcă principiul relativității lui Galileo. Astfel, teoria aparent bine formată a lui Maxwell era într-o stare instabilă.

Experimentele au arătat că viteza luminii chiar nu depinde de viteza sursei, ceea ce înseamnă că este necesară o teorie care să poată explica un fapt atât de ciudat. Cea mai bună teorie la acea vreme s-a dovedit a fi teoria „eterului” - un anumit mediu în care lumina se propagă, la fel cum se propagă sunetul în aer. Atunci viteza luminii ar fi determinată nu de viteza de mișcare a sursei, ci de caracteristicile mediului însuși - eterul.

Au fost întreprinse multe experimente pentru a descoperi eterul, dintre care cel mai faimos este experimentul fizicianului american Albert Michelson. Pe scurt, se știe că Pământul se mișcă în spațiul cosmic. Atunci este logic să presupunem că se mișcă și prin eter, deoarece atașarea completă a eterului de Pământ nu este doar cel mai înalt grad de egoism, ci pur și simplu nu poate fi cauzată de nimic. Dacă Pământul se mișcă printr-un anumit mediu în care se propagă lumina, atunci este logic să presupunem că aici are loc adăugarea vitezelor. Adică, propagarea luminii trebuie să depindă de direcția de mișcare a Pământului, care zboară prin eter. În urma experimentelor sale, Michelson nu a descoperit nicio diferență între viteza de propagare a luminii în ambele direcții de la Pământ.

Fizicianul olandez Hendrik Lorentz a încercat să rezolve această problemă. Conform presupunerii sale, „vântul eteric” a influențat corpurile în așa fel încât și-au redus dimensiunea în direcția mișcării lor. Pe baza acestei presupuneri, atât Pământul, cât și dispozitivul lui Michelson au experimentat această contracție Lorentz, în urma căreia Albert Michelson a obținut aceeași viteză pentru propagarea luminii în ambele direcții. Și, deși Lorentz a avut oarecum succes în a întârzia moartea teoriei eterului, oamenii de știință au simțit totuși că această teorie este „exagerată”. Astfel, eterul ar fi trebuit să aibă o serie de proprietăți „de basm”, inclusiv imponderabilitate și absența rezistenței la corpurile în mișcare.

Sfârșitul istoriei eterului a venit în 1905 odată cu publicarea articolului „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare” de către puțin cunoscutul Albert Einstein de atunci.

Teoria specială a relativității a lui Albert Einstein

Albert Einstein, în vârstă de douăzeci și șase de ani, a exprimat o viziune complet nouă, diferită asupra naturii spațiului și timpului, care a fost împotriva ideilor vremii și, în special, a încălcat grav principiul relativității lui Galileo. Potrivit lui Einstein, experimentul lui Michelson nu a dat rezultate pozitive pentru că spațiul și timpul au astfel de proprietăți încât viteza luminii este o valoare absolută. Adică, indiferent în ce cadru de referință se află observatorul, viteza luminii în raport cu el este întotdeauna aceeași, 300.000 km/sec. De aici a urmat imposibilitatea aplicării adunării vitezelor în raport cu lumina - indiferent cât de repede se mișcă sursa de lumină, viteza luminii nu se va modifica (aduna sau scădea).

Einstein a folosit contracția Lorentz pentru a descrie schimbările în parametrii corpurilor care se mișcă la viteze apropiate de viteza luminii. Deci, de exemplu, lungimea unor astfel de corpuri va scădea, iar timpul lor va încetini. Coeficientul unor astfel de modificări se numește factor Lorentz. celebra formulă a lui Einstein E=mc 2 include de fapt și factorul Lorentz ( E= ymc 2), care în general este egal cu unitatea în cazul în care viteza corpului v egal cu zero. Pe măsură ce viteza corpului se apropie v la viteza luminii c factorul Lorentz y se repezi spre infinit. Rezultă de aici că, pentru a accelera un corp la viteza luminii, va fi necesară o cantitate infinită de energie și, prin urmare, este imposibil să depășești această limită de viteză.

Există, de asemenea, un argument în favoarea acestei afirmații numit „relativitatea simultaneității”.

Paradoxul relativității simultaneității SRT

Pe scurt, fenomenul relativității simultaneității este că ceasurile care sunt situate în puncte diferite ale spațiului pot rula „în același timp” doar dacă se află în același cadru inerțial de referință. Adică, timpul de pe ceas depinde de alegerea sistemului de referință.

De aici rezultă paradoxul că evenimentul B, care este o consecință a evenimentului A, poate avea loc concomitent cu acesta. În plus, este posibil să alegeți sisteme de referință în așa fel încât evenimentul B să se producă mai devreme decât evenimentul A care l-a provocat. Un astfel de fenomen încalcă principiul cauzalității, care este destul de ferm înrădăcinat în știință și nu a fost niciodată pus la îndoială. Cu toate acestea, această situație ipotetică se observă numai în cazul în care distanța dintre evenimentele A și B este mai mare decât intervalul de timp dintre ele înmulțit cu „constanta electromagnetică” - Cu. Astfel, constanta c, care este egală cu viteza luminii, este viteza maximă de transmitere a informațiilor. În caz contrar, principiul cauzalității ar fi încălcat.

Cum se măsoară viteza luminii?

Observații de Olaf Roemer

Oamenii de știință din antichitate credeau în cea mai mare parte că lumina se mișcă cu viteză infinită, iar prima estimare a vitezei luminii a fost obținută deja în 1676. Astronomul danez Olaf Roemer a observat Jupiter și lunile sale. În momentul în care Pământul și Jupiter se aflau pe părțile opuse ale Soarelui, eclipsa lunii Io a lui Jupiter a fost întârziată cu 22 de minute față de timpul calculat. Singura soluție pe care a găsit-o Olaf Roemer este că viteza luminii este limitativă. Din acest motiv, informațiile despre evenimentul observat sunt întârziate cu 22 de minute, deoarece este nevoie de ceva timp pentru a parcurge distanța de la satelitul Io până la telescopul astronomului. Conform calculelor lui Roemer, viteza luminii era de 220.000 km/s.

Observații de James Bradley

În 1727, astronomul englez James Bradley a descoperit fenomenul aberației luminii. Esența acestui fenomen este că, pe măsură ce Pământul se mișcă în jurul Soarelui, precum și în timpul propriei rotații a Pământului, se observă o deplasare a stelelor pe cerul nopții. Deoarece observatorul pământean și Pământul însuși își schimbă constant direcția de mișcare în raport cu steaua observată, lumina emisă de stea parcurge diferite distanțe și cade în unghiuri diferite față de observator în timp. Viteza limitată a luminii duce la faptul că stelele de pe cer descriu o elipsă pe tot parcursul anului. Acest experiment i-a permis lui James Bradley să estimeze viteza luminii - 308.000 km/s.

Experiența Louis Fizeau

În 1849, fizicianul francez Louis Fizeau a efectuat un experiment de laborator pentru a măsura viteza luminii. Fizicianul a instalat o oglindă la Paris la o distanță de 8.633 de metri de sursă, dar conform calculelor lui Roemer, lumina va parcurge această distanță în sute de miimi de secundă. O astfel de precizie a ceasului era de neatins atunci. Fizeau a folosit apoi o roată dinţată care se învârtea pe drumul de la sursă la oglindă şi de la oglindă la observator, ai cărei dinţi blocau periodic lumina. În cazul în care un fascicul de lumină de la sursă la oglindă a trecut printre dinți, iar la întoarcere a lovit un dinte, fizicianul a dublat viteza de rotație a roții. Pe măsură ce viteza de rotație a roții a crescut, lumina aproape a încetat să dispară până când viteza de rotație a atins 12,67 rotații pe secundă. În acest moment lumina a dispărut din nou.

O astfel de observație însemna că lumina „se lovește” constant de dinți și nu avea timp să „alunece” între ei. Cunoscând viteza de rotație a roții, numărul de dinți și de două ori distanța de la sursă la oglindă, Fizeau a calculat viteza luminii, care s-a dovedit a fi egală cu 315.000 km/sec.

Un an mai târziu, un alt fizician francez Leon Foucault a efectuat un experiment similar în care a folosit o oglindă rotativă în loc de o roată dințată. Valoarea pe care a obţinut-o pentru viteza luminii în aer a fost de 298.000 km/s.

Un secol mai târziu, metoda lui Fizeau a fost îmbunătățită atât de mult încât un experiment similar efectuat în 1950 de E. Bergstrand a dat o valoare a vitezei de 299.793,1 km/s. Acest număr diferă cu doar 1 km/s de valoarea actuală a vitezei luminii.

Alte măsurători

Odată cu apariția laserelor și creșterea preciziei instrumentelor de măsurare, a fost posibilă reducerea erorii de măsurare până la 1 m/s. Deci, în 1972, oamenii de știință americani au folosit un laser pentru experimentele lor. Măsurând frecvența și lungimea de undă a fasciculului laser, aceștia au putut obține o valoare de 299.792.458 m/s. Este de remarcat faptul că o creștere suplimentară a preciziei de măsurare a vitezei luminii în vid a fost imposibilă, nu din cauza imperfecțiunilor tehnice ale instrumentelor, ci din cauza erorii standardului contorului în sine. Din acest motiv, în 1983, Conferința Generală a XVII-a asupra Greutăților și Măsurilor a definit metrul ca distanța pe care lumina o parcurge în vid într-un timp egal cu 1/299.792.458 secunde.

Să rezumam

Deci, din toate cele de mai sus rezultă că viteza luminii în vid este o constantă fizică fundamentală care apare în multe teorii fundamentale. Această viteză este absolută, adică nu depinde de alegerea sistemului de referință și este, de asemenea, egală cu viteza maximă de transmitere a informațiilor. Nu numai undele electromagnetice (lumina), ci și toate particulele fără masă se mișcă cu această viteză. Inclusiv, probabil, gravitonul, o particulă de unde gravitaționale. Printre altele, din cauza efectelor relativiste, timpul propriu al luminii sta literalmente pe loc.

Astfel de proprietăți ale luminii, în special inaplicabilitatea principiului de adăugare a vitezelor la aceasta, nu se potrivesc în cap. Cu toate acestea, multe experimente confirmă proprietățile enumerate mai sus și o serie de teorii fundamentale sunt construite tocmai pe această natură a luminii.

Subiectul despre cum se măsoară, precum și care este viteza luminii, a interesat oamenii de știință încă din cele mai vechi timpuri. Acesta este un subiect foarte fascinant, care din timpuri imemoriale a făcut obiectul dezbaterilor științifice. Se crede că o astfel de viteză este finită, de neatins și constantă. Este de neatins și constant, ca infinitul. În același timp, este finit. Se dovedește a fi un puzzle fizic și matematic interesant. Există o singură opțiune pentru a rezolva această problemă. La urma urmei, viteza luminii era încă măsurată.

În cele mai vechi timpuri, gânditorii credeau asta viteza luminii- aceasta este o cantitate infinită. Prima estimare a acestui indicator a fost dată în 1676. Olaf Roemer. Conform calculelor sale, viteza luminii era de aproximativ 220 mii km/s. Aceasta nu a fost o valoare complet exactă, dar aproape de cea adevărată.

Finitudinea și estimarea vitezei luminii au fost confirmate o jumătate de secol mai târziu.

În viitor, omul de știință Fizeau A fost posibil să se determine viteza luminii în momentul în care fasciculului i-a trebuit să parcurgă o distanță exactă.

El a efectuat un experiment (vezi figura), în timpul căruia un fascicul de lumină a plecat de la sursa S, a fost reflectat de oglinda 3, întrerupt de discul dintat 2 și a trecut de bază (8 km). Apoi a fost reflectat de oglinda 1 și a revenit pe disc. Lumina a căzut în golul dintre dinți și a putut fi observată prin ocularul 4. Timpul necesar fasciculului pentru a trece prin bază a fost determinat în funcție de viteza de rotație a discului. Valoarea obtinuta de Fizeau a fost: c = 313300 km/s.

Viteza de propagare a fasciculului într-un anumit mediu este mai mică decât această viteză în vid. În plus, pentru diferite substanțe, acest indicator ia valori diferite. După câțiva ani Foucault a înlocuit discul cu o oglindă care se rotește rapid. Adepții acestor oameni de știință și-au folosit în mod repetat metodele și proiectele de cercetare.

Lentilele sunt baza instrumentelor optice. Știți cum se calculează? Puteți afla citind unul dintre articolele noastre.

Puteți găsi informații despre cum să configurați un obiectiv optic format din astfel de lentile. Citiți materialul nostru și nu veți avea întrebări pe această temă.

Care este viteza luminii în vid?

Cea mai precisă măsurătoare a vitezei luminii arată cifra de 1.079.252.848,8 kilometri pe oră sau 299.792.458 m/s. Această cifră este valabilă numai pentru condițiile create în vid.

Dar pentru a rezolva probleme, se folosește de obicei indicatorul 300.000.000 m/s. În vid, viteza luminii în unități Planck este 1. Astfel, energia luminii parcurge 1 unitate Planck de lungime într-o unitate de timp Planck. Dacă se creează un vid în condiții naturale, atunci razele X, undele de lumină din spectrul vizibil și undele gravitaționale pot călători cu astfel de viteze.

Există o opinie clară în rândul oamenilor de știință că particulele cu masă pot lua o viteză cât mai apropiată de viteza luminii. Dar ei nu sunt capabili să atingă și să depășească indicatorul. Cea mai mare viteză, apropiată de viteza luminii, a fost înregistrată în timpul studiului razelor cosmice și în timpul accelerației anumitor particule în acceleratoare.

Viteza luminii în orice mediu depinde de indicele de refracție al acestui mediu.

Acest indicator poate fi diferit pentru diferite frecvențe. Măsurarea precisă a mărimii este importantă pentru calcularea altor parametri fizici. De exemplu, pentru a determina distanța în timpul trecerii semnalelor luminoase sau radio în domeniul optic, radar, lumina și alte zone.

Oamenii de știință moderni folosesc diferite metode pentru a determina viteza luminii. Unii experți folosesc metode astronomice, precum și metode de măsurare folosind tehnologia experimentală. Metoda Fizeau îmbunătățită este foarte des folosită. În acest caz, roata dințată este înlocuită cu un modulator de lumină, care slăbește sau întrerupe fasciculul luminos. Receptorul aici este un multiplicator fotoelectric sau fotocelulă. Sursa de lumină poate fi un laser, ceea ce ajută la reducerea erorii de măsurare. Determinarea vitezei luminiiÎn funcție de timpul de trecere a bazei, se poate face folosind metode directe sau indirecte, care permit și obținerea unor rezultate precise.

Ce formule se folosesc pentru a calcula viteza luminii?

Viteza de propagare a luminii în vid este o valoare absolută. Fizicienii o notează cu litera „c”. Aceasta este o valoare fundamentală și constantă care nu depinde de alegerea sistemului de raportare și caracterizează timpul și spațiul în ansamblu. Oamenii de știință presupun că această viteză este viteza maximă de mișcare a particulelor.
Formula vitezei luminiiîn vid:

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

aici c este un indicator al vitezei luminii în vid.
Oamenii de știință au dovedit asta viteza luminii în aer aproape coincide cu viteza luminii în vid. Poate fi calculat folosind formula: