Pomalé svetlo. Prečo je rýchlosť svetla na vašich prstoch konštantná™ Ako určiť rýchlosť svetla v médiu
Rýchlosť svetla je vzdialenosť, ktorú svetlo prejde za jednotku času. Táto hodnota závisí od látky, v ktorej sa svetlo šíri.
Vo vákuu je rýchlosť svetla 299 792 458 m/s. Toto je najvyššia rýchlosť, ktorú možno dosiahnuť. Pri riešení problémov, ktoré nevyžadujú špeciálnu presnosť, sa táto hodnota rovná 300 000 000 m/s. Predpokladá sa, že všetky druhy elektromagnetického žiarenia sa šíria vo vákuu rýchlosťou svetla: rádiové vlny, infračervené žiarenie, viditeľné svetlo, ultrafialové žiarenie, röntgenové žiarenie, gama žiarenie. Označuje sa písmenom s .
Ako bola určená rýchlosť svetla?
V staroveku vedci verili, že rýchlosť svetla je nekonečná. Neskôr sa medzi vedcami začali diskusie na túto tému. Kepler, Descartes a Fermat súhlasili s názorom starovekých vedcov. A Galileo a Hooke verili, že aj keď je rýchlosť svetla veľmi vysoká, stále má konečnú hodnotu.
Galileo Galilei
Jedným z prvých, ktorí sa pokúsili zmerať rýchlosť svetla, bol taliansky vedec Galileo Galilei. Počas experimentu boli on a jeho asistent na rôznych kopcoch. Galileo otvoril okenicu na svojej lampe. V momente, keď asistent uvidel toto svetlo, musel urobiť to isté so svojou lampou. Čas, ktorý svetlo potreboval na cestu z Galilea k asistentovi a späť, sa ukázal byť taký krátky, že Galileo si uvedomil, že rýchlosť svetla je veľmi vysoká a nie je možné ju zmerať na takú krátku vzdialenosť, pretože svetlo sa šíri takmer okamžite. A čas, ktorý zaznamenal, ukazuje iba rýchlosť reakcie človeka.
Rýchlosť svetla prvýkrát určil v roku 1676 dánsky astronóm Olaf Roemer pomocou astronomických vzdialeností. Pomocou ďalekohľadu na pozorovanie zatmenia Jupiterovho mesiaca Io zistil, že keď sa Zem vzďaľuje od Jupitera, každé nasledujúce zatmenie nastáva neskôr, ako bolo vypočítané. Maximálne oneskorenie, kedy sa Zem presunie na druhú stranu Slnka a vzdiali sa od Jupitera na vzdialenosť rovnajúcu sa priemeru obežnej dráhy Zeme, je 22 hodín. Aj keď presný priemer Zeme nebol v tom čase známy, vedec jeho približnú hodnotu vydelil 22 hodinami a dostal hodnotu asi 220 000 km/s.
Olaf Roemer
Výsledok získaný Roemerom vyvolal medzi vedcami nedôveru. Ale v roku 1849 francúzsky fyzik Armand Hippolyte Louis Fizeau zmeral rýchlosť svetla pomocou metódy rotujúcej uzávierky. V jeho experimente svetlo zo zdroja prechádzalo medzi zubami rotujúceho kolesa a smerovalo na zrkadlo. Odrazený od neho sa vrátil späť. Rýchlosť otáčania kolesa sa zvýšila. Keď dosiahol určitú hodnotu, lúč odrazený od zrkadla bol oneskorený pohybujúcim sa zubom a pozorovateľ v tej chvíli nič nevidel.
Fizeauova skúsenosť
Fizeau vypočítal rýchlosť svetla nasledovne. Svetlo ide svojou cestou L z kolesa do zrkadla za čas rovný t 1 = 2 l/c . Čas potrebný na otočenie kolesa o ½ drážky je t2 = T/2N , Kde T - doba otáčania kolesa, N - počet zubov. Frekvencia otáčania v = 1/T . Okamih, kedy pozorovateľ nevidí svetlo nastáva, keď t1 = t2 . Odtiaľ dostaneme vzorec na určenie rýchlosti svetla:
c = 4LNv
Po vykonaní výpočtov pomocou tohto vzorca to Fizeau určil s = 313 000 000 m/s. Tento výsledok bol oveľa presnejší.
Armand Hippolyte Louis Fizeau
V roku 1838 francúzsky fyzik a astronóm Dominique François Jean Arago navrhol použiť metódu rotujúceho zrkadla na výpočet rýchlosti svetla. Túto myšlienku uviedol do praxe francúzsky fyzik, mechanik a astronóm Jean Bernard Leon Foucault, ktorý v roku 1862 získal hodnotu rýchlosti svetla (298 000 000±500 000) m/s.
Dominique Francois Jean Arago
V roku 1891 sa výsledok amerického astronóma Simona Newcomba ukázal byť rádovo presnejší ako Foucaultov výsledok. V dôsledku jeho výpočtov s = (99 810 000 ± 50 000) m/s.
Výskum amerického fyzika Alberta Abrahama Michelsona, ktorý použil zostavu s rotujúcim osemhranným zrkadlom, umožnil ešte presnejšie určiť rýchlosť svetla. V roku 1926 vedec zmeral čas potrebný na to, aby svetlo prekonalo vzdialenosť medzi vrcholmi dvoch hôr, rovnajúcu sa 35,4 km, a získal s = (299 796 000 ± 4 000) m/s.
Najpresnejšie meranie sa uskutočnilo v roku 1975. V tom istom roku Všeobecná konferencia pre váhy a miery odporučila, aby sa rýchlosť svetla považovala za rovnajúcu sa 299 792 458 ± 1,2 m/s.
Od čoho závisí rýchlosť svetla?
Rýchlosť svetla vo vákuu nezávisí ani od vzťažnej sústavy, ani od polohy pozorovateľa. Zostáva konštantná, rovná sa 299 792 458 ± 1,2 m/s. Ale v rôznych transparentných médiách bude táto rýchlosť nižšia ako rýchlosť vo vákuu. Akékoľvek priehľadné médium má optickú hustotu. A čím je vyššia, tým pomalšie sa v nej šíri rýchlosť svetla. Napríklad rýchlosť svetla vo vzduchu je vyššia ako rýchlosť vo vode a v čistom optickom skle je nižšia ako vo vode.
Ak sa svetlo pohybuje z menej hustého média do hustejšieho, jeho rýchlosť klesá. A ak dôjde k prechodu z hustejšieho média na menej husté, rýchlosť sa naopak zvýši. To vysvetľuje, prečo je svetelný lúč vychýlený na prechodovej hranici medzi dvoma médiami.
Na určenie rýchlosti (prejdenej vzdialenosti/času) musíme zvoliť štandardy vzdialenosti a času. Rôzne normy môžu poskytovať rôzne merania rýchlosti.
Je rýchlosť svetla konštantná?
[V skutočnosti konštanta jemnej štruktúry závisí od energetickej stupnice, ale tu hovoríme o jej nízkoenergetickom limite.]
Špeciálna teória relativity
Aj definícia metra v sústave SI vychádza z predpokladu správnosti teórie relativity. Rýchlosť svetla je konštantná v súlade so základným postulátom teórie relativity. Tento postulát obsahuje dve myšlienky:
- Rýchlosť svetla nezávisí od pohybu pozorovateľa.
- Rýchlosť svetla nezávisí od súradníc v čase a priestore.
Myšlienka, že rýchlosť svetla je nezávislá od rýchlosti pozorovateľa, je kontraintuitívna. Niektorí ľudia dokonca nemôžu súhlasiť s tým, že táto myšlienka je logická. V roku 1905 Einstein ukázal, že táto myšlienka je logicky správna, ak sa upustí od predpokladu absolútnej povahy priestoru a času.
V roku 1879 sa verilo, že svetlo sa musí pohybovať cez nejaké médium vo vesmíre, rovnako ako zvuk sa šíri vzduchom a inými látkami. Michelson a Morley uskutočnil experiment na detekciu éteru pozorovaním zmien rýchlosti svetla, keď sa počas roka mení smer pohybu Zeme voči Slnku. Na ich prekvapenie nebola zistená žiadna zmena rýchlosti svetla.
Bez ohľadu na farbu, vlnovú dĺžku alebo energiu, rýchlosť, ktorou sa svetlo pohybuje vo vákuu, zostáva konštantná. Nezávisí od miesta alebo smerov v priestore a čase
Nič vo vesmíre nemôže cestovať rýchlejšie ako svetlo vo vákuu. 299 792 458 metrov za sekundu. Ak je to masívna častica, môže sa k tejto rýchlosti iba priblížiť, ale nedosiahnuť ju; ak ide o bezhmotnú časticu, mala by sa vždy pohybovať presne touto rýchlosťou, ak sa tak stane v prázdnom priestore. Ale ako to vieme a aký je pre to dôvod? Tento týždeň nám náš čitateľ kladie tri otázky súvisiace s rýchlosťou svetla:
Prečo je rýchlosť svetla konečná? Prečo je taká, aká je? Prečo nie rýchlejšie a nie pomalšie?
Do 19. storočia sme tieto údaje nemali ani potvrdené.
Ilustrácia svetla, ktoré prechádza hranolom a je rozdelené do odlišných farieb.
Keď svetlo prechádza vodou, hranolom alebo akýmkoľvek iným médiom, je rozdelené do rôznych farieb. Červená farba sa láme pod iným uhlom ako modrá, preto sa objavuje niečo ako dúha. To možno pozorovať aj mimo viditeľného spektra; infračervené a ultrafialové svetlo sa správajú rovnako. To by bolo možné len vtedy, ak by rýchlosť svetla v médiu bola iná pre svetlo rôznych vlnových dĺžok/energií. Ale vo vákuu, mimo akéhokoľvek média, sa všetko svetlo pohybuje rovnakou konečnou rýchlosťou.
Rozdelenie svetla na farby nastáva v dôsledku rôznych rýchlostí svetla v závislosti od vlnovej dĺžky cez médium
To sa podarilo zrealizovať až v polovici 19. storočia, keď fyzik James Clerk Maxwell ukázal, čo vlastne svetlo je: elektromagnetická vlna. Maxwell ako prvý postavil nezávislé javy elektrostatiky (statické náboje), elektrodynamiky (pohybujúce sa náboje a prúdy), magnetostatiky (konštantné magnetické polia) a magnetodynamiky (indukované prúdy a striedavé magnetické polia) na jednotnú, jednotnú platformu. Rovnice, ktorými sa riadi – Maxwellove rovnice – umožňujú vypočítať odpoveď na zdanlivo jednoduchú otázku: aké typy elektrických a magnetických polí môžu existovať v prázdnom priestore mimo elektrických alebo magnetických zdrojov? Bez nábojov a bez prúdov by sa dalo rozhodnúť, že žiadne neexistujú – ale Maxwellove rovnice prekvapivo dokazujú opak.
Tabuľka s Maxwellovými rovnicami na zadnej strane jeho pomníka
Nič nie je jedným z možných riešení; ale možné je aj niečo iné - vzájomne kolmé elektrické a magnetické polia oscilujúce v jednej fáze. Majú určité amplitúdy. Ich energia je určená frekvenciou kmitov poľa. Pohybujú sa určitou rýchlosťou, ktorá je určená dvoma konštantami: ε 0 a µ 0. Tieto konštanty určujú veľkosť elektrických a magnetických interakcií v našom vesmíre. Výsledná rovnica opisuje vlnu. A ako každá vlna má rýchlosť 1/√ε 0 µ 0, ktorá sa rovná c, rýchlosti svetla vo vákuu.
Vzájomne kolmé elektrické a magnetické polia oscilujúce v jednej fáze a šíriace sa rýchlosťou svetla určujú elektromagnetické žiarenie
Z teoretického hľadiska je svetlo bezhmotné elektromagnetické žiarenie. Podľa zákonov elektromagnetizmu sa musí pohybovať rýchlosťou 1/√ε 0 µ 0, ktorá sa rovná c - bez ohľadu na jeho ostatné vlastnosti (energia, hybnosť, vlnová dĺžka). ε 0 možno merať vytvorením a meraním kondenzátora; µ 0 je presne určené z ampéra, jednotky elektrického prúdu, ktorý nám dáva c. Rovnaká základná konštanta, ktorú prvýkrát odvodil Maxwell v roku 1865, sa odvtedy objavila na mnohých iných miestach:
Toto je rýchlosť akejkoľvek bezhmotnej častice alebo vlny, vrátane gravitačných.
Toto je základná konštanta, ktorá spája váš pohyb v priestore s vaším pohybom v čase v teórii relativity.
A toto je základná konštanta vzťahujúca sa na energiu k pokojovej hmotnosti, E = mc 2
Roemerove pozorovania nám poskytli prvé merania rýchlosti svetla, získané pomocou geometrie a merania času potrebného na to, aby svetlo prešlo vzdialenosť rovnajúcu sa priemeru obežnej dráhy Zeme.
Prvé merania tejto veličiny sa uskutočnili počas astronomických pozorovaní. Keď mesiace Jupitera vstupujú do pozícií zatmenia a opúšťajú ich, javia sa ako viditeľné alebo neviditeľné zo Zeme v určitom poradí v závislosti od rýchlosti svetla. To viedlo k prvému kvantitatívnemu meraniu s v 17. storočí, ktoré bolo určené na 2,2 × 10 8 m/s. Odklon hviezdneho svetla - v dôsledku pohybu hviezdy a Zeme, na ktorej je ďalekohľad inštalovaný - možno odhadnúť aj číselne. V roku 1729 tento spôsob merania c vykazoval hodnotu, ktorá sa od moderného líšila len o 1,4 %. V 70-tych rokoch 20. storočia bolo c určené ako 299 792 458 m/s s chybou len 0,0000002 %, z čoho väčšina pramenila z neschopnosti presne definovať meter alebo sekundu. V roku 1983 boli druhý a meter predefinované z hľadiska c a univerzálnych vlastností atómového žiarenia. Teraz je rýchlosť svetla presne 299 792 458 m/s.
Atómový prechod z orbitálu 6S, δf 1, určuje meter, sekundu a rýchlosť svetla
Prečo teda rýchlosť svetla nie je vyššia alebo pomalšia? Vysvetlenie je také jednoduché, ako je znázornené na obr. Hore je atóm. Atómové prechody sa vyskytujú tak, ako sa vyskytujú, kvôli základným kvantovým vlastnostiam prírodných stavebných blokov. Interakcie atómového jadra s elektrickými a magnetickými poľami vytváranými elektrónmi a inými časťami atómu spôsobujú, že rôzne energetické hladiny sú k sebe extrémne blízko, no stále sa mierne líšia: nazýva sa to hyperjemné štiepenie. Najmä frekvencia prechodu hyperjemnej štruktúry cézia-133 vyžaruje svetlo s veľmi špecifickou frekvenciou. Čas, ktorý trvá, kým prejde 9 192 631 770 takýchto cyklov, určuje druhý; vzdialenosť, ktorú svetlo prejde za tento čas, je 299 792 458 metrov; Rýchlosť, ktorou sa toto svetlo pohybuje, určuje c.
Fialový fotón nesie miliónkrát viac energie ako žltý fotón. Fermiho gama vesmírny teleskop neukazuje žiadne oneskorenia v žiadnom z fotónov, ktoré k nám prichádzajú z gama záblesku, čo potvrdzuje nemennosť rýchlosti svetla pre všetky energie.
Aby sme zmenili túto definíciu, musí sa s týmto atómovým prechodom alebo so svetlom, ktoré z neho prichádza, stať niečo zásadne odlišné od jeho súčasnej povahy. Tento príklad nás tiež učí cennú lekciu: ak by atómová fyzika a atómové prechody fungovali inak v minulosti alebo na veľké vzdialenosti, existoval by dôkaz, že rýchlosť svetla sa časom zmenila. Všetky naše merania zatiaľ ukladajú iba dodatočné obmedzenia na stálosť rýchlosti svetla a tieto obmedzenia sú veľmi prísne: zmena nepresahuje 7 % súčasnej hodnoty za posledných 13,7 miliardy rokov. Ak by sa podľa ktorejkoľvek z týchto metrík zistilo, že rýchlosť svetla je nekonzistentná, alebo ak by sa líšila pre rôzne typy svetla, viedlo by to k najväčšej vedeckej revolúcii od čias Einsteina. Namiesto toho všetky dôkazy poukazujú na vesmír, v ktorom všetky fyzikálne zákony zostávajú rovnaké vždy, všade, vo všetkých smeroch, v každom čase, vrátane fyziky samotného svetla. V istom zmysle je to aj celkom prevratná informácia.
V 19. storočí sa uskutočnilo niekoľko vedeckých experimentov, ktoré viedli k objaveniu množstva nových javov. Medzi tieto javy patrí objav Hansa Oersteda o generovaní magnetickej indukcie elektrickým prúdom. Neskôr Michael Faraday objavil opačný efekt, ktorý sa nazýval elektromagnetická indukcia.
Rovnice Jamesa Maxwella – elektromagnetická povaha svetla
V dôsledku týchto objavov bola zaznamenaná takzvaná „interakcia na diaľku“, čo viedlo k novej teórii elektromagnetizmu formulovanej Wilhelmom Weberom, ktorá bola založená na pôsobení na veľké vzdialenosti. Neskôr Maxwell definoval pojem elektrických a magnetických polí, ktoré sa môžu navzájom generovať, čo je elektromagnetická vlna. Následne Maxwell vo svojich rovniciach použil takzvanú „elektromagnetickú konštantu“ - s.
V tom čase sa už vedci priblížili skutočnosti, že svetlo má elektromagnetickú povahu. Fyzikálny význam elektromagnetickej konštanty je rýchlosť šírenia elektromagnetických vzruchov. Na prekvapenie samotného Jamesa Maxwella sa nameraná hodnota tejto konštanty v experimentoch s jednotkovými nábojmi a prúdmi ukázala ako rovná rýchlosti svetla vo vákuu.
Pred týmto objavom ľudstvo oddelilo svetlo, elektrinu a magnetizmus. Maxwellovo zovšeobecnenie nám umožnilo nový pohľad na povahu svetla, ako určitého fragmentu elektrických a magnetických polí, ktoré sa šíria nezávisle v priestore.
Na obrázku nižšie je znázornená schéma šírenia elektromagnetickej vlny, ktorá je tiež svetlom. Tu je H vektor intenzity magnetického poľa, E je vektor intenzity elektrického poľa. Oba vektory sú kolmé na seba, ako aj na smer šírenia vlny.
Michelsonov experiment - absolútnosť rýchlosti svetla
Vtedajšia fyzika bola z veľkej časti postavená na Galileovom princípe relativity, podľa ktorého zákony mechaniky vyzerajú rovnako v akejkoľvek zvolenej inerciálnej vzťažnej sústave. Zároveň by podľa pridania rýchlostí mala rýchlosť šírenia závisieť od rýchlosti zdroja. V tomto prípade by sa však elektromagnetická vlna správala odlišne v závislosti od výberu referenčnej sústavy, čo porušuje Galileov princíp relativity. Maxwellova zdanlivo dobre vytvorená teória bola teda v neistom stave.
Experimenty ukázali, že rýchlosť svetla skutočne nezávisí od rýchlosti zdroja, čo znamená, že je potrebná teória, ktorá dokáže vysvetliť takýto zvláštny fakt. Najlepšou teóriou v tom čase bola teória „éteru“ - určitého média, v ktorom sa šíri svetlo, rovnako ako sa šíri zvuk vo vzduchu. Potom by rýchlosť svetla nebola určená rýchlosťou pohybu zdroja, ale charakteristikou samotného média – éteru.
Na objavenie éteru sa uskutočnilo mnoho experimentov, z ktorých najznámejší je experiment amerického fyzika Alberta Michelsona. Stručne povedané, je známe, že Zem sa pohybuje vo vesmíre. Potom je logické predpokladať, že sa pohybuje aj éterom, keďže úplná pripútanosť éteru k Zemi nie je len najvyšším stupňom egoizmu, ale jednoducho nemôže byť ničím spôsobená. Ak sa Zem pohybuje určitým prostredím, v ktorom sa šíri svetlo, potom je logické predpokladať, že tu prebieha sčítanie rýchlostí. To znamená, že šírenie svetla musí závisieť od smeru pohybu Zeme, ktorá letí éterom. V dôsledku svojich experimentov Michelson nezistil žiadny rozdiel medzi rýchlosťou šírenia svetla v oboch smeroch od Zeme.
Tento problém sa pokúsil vyriešiť holandský fyzik Hendrik Lorentz. Podľa jeho predpokladu „éterický vietor“ ovplyvňoval telá tak, že sa v smere pohybu zmenšovali. Na základe tohto predpokladu Zem aj Michelsonov prístroj zaznamenali túto Lorentzovu kontrakciu, v dôsledku ktorej Albert Michelson získal rovnakú rýchlosť šírenia svetla v oboch smeroch. A hoci sa Lorentzovi podarilo do istej miery oddialiť smrť éterovej teórie, vedci sa stále domnievali, že táto teória je „pritiahnutá“. Éter teda mal mať množstvo „rozprávkových“ vlastností, vrátane stavu beztiaže a absencie odporu voči pohybujúcim sa telám.
Koniec histórie éteru nastal v roku 1905 vydaním článku „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“ od vtedy málo známeho Alberta Einsteina.
Špeciálna teória relativity Alberta Einsteina
Dvadsaťšesťročný Albert Einstein vyjadril úplne nový, odlišný pohľad na povahu priestoru a času, ktorý bol v rozpore s dobovými predstavami a najmä hrubo porušoval Galileov princíp relativity. Podľa Einsteina Michelsonov experiment nepriniesol pozitívne výsledky z toho dôvodu, že priestor a čas majú také vlastnosti, že rýchlosť svetla je absolútna hodnota. To znamená, že bez ohľadu na to, v akej referenčnej sústave sa pozorovateľ nachádza, rýchlosť svetla voči nemu je vždy rovnaká, 300 000 km/s. Z toho vyplynula nemožnosť aplikovania sčítania rýchlostí vo vzťahu k svetlu – nech sa svetelný zdroj pohybuje akokoľvek rýchlo, rýchlosť svetla sa nezmení (pridať ani ubrať).
Einstein použil Lorentzovu kontrakciu na opis zmien parametrov telies pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Napríklad dĺžka takýchto telies sa zníži a ich vlastný čas sa spomalí. Koeficient takýchto zmien sa nazýva Lorentzov faktor. Slávny Einsteinov vzorec E=mc 2 v skutočnosti zahŕňa aj Lorentzov faktor ( E= ymc 2), čo sa vo všeobecnosti rovná jednote v prípade, keď je rýchlosť tela v rovná nule. Keď sa rýchlosť tela blíži v na rýchlosť svetla c Lorentzov faktor r rúti sa do nekonečna. Z toho vyplýva, že na zrýchlenie telesa na rýchlosť svetla bude potrebné nekonečné množstvo energie, a preto nie je možné prekročiť tento rýchlostný limit.
V prospech tohto tvrdenia existuje aj argument, ktorý sa nazýva „relatívnosť simultánnosti“.
Paradox relativity simultánnosti SRT
Stručne povedané, fenoménom relativity simultánnosti je, že hodiny, ktoré sa nachádzajú v rôznych bodoch priestoru, môžu bežať „v rovnakom čase“, ak sú v rovnakej inerciálnej referenčnej sústave. To znamená, že čas na hodinách závisí od výberu referenčného systému.
Z toho vyplýva paradox, že udalosť B, ktorá je dôsledkom udalosti A, môže nastať súčasne s ňou. Okrem toho je možné zvoliť referenčné systémy tak, že udalosť B nastane skôr ako udalosť A, ktorá ju spôsobila Takýto jav porušuje princíp kauzality, ktorý je vo vede dosť pevne zakorenený a nikdy nebol spochybnený. Táto hypotetická situácia sa však pozoruje iba v prípade, keď je vzdialenosť medzi udalosťami A a B väčšia ako časový interval medzi nimi vynásobený „elektromagnetickou konštantou“ - s. Teda konštanta c, ktorá sa rovná rýchlosti svetla, je maximálna rýchlosť prenosu informácií. V opačnom prípade by bol porušený princíp kauzality.
Ako sa meria rýchlosť svetla?
Pozorovania Olafa Roemera
Starovekí vedci väčšinou verili, že svetlo sa pohybuje nekonečnou rýchlosťou a prvý odhad rýchlosti svetla bol získaný už v roku 1676. Dánsky astronóm Olaf Roemer pozoroval Jupiter a jeho mesiace. V momente, keď sa Zem a Jupiter nachádzali na opačných stranách Slnka, sa zatmenie Jupiterovho mesiaca Io oneskorilo o 22 minút oproti vypočítanému času. Jediné riešenie, ktoré Olaf Roemer našiel, je, že rýchlosť svetla je limitujúca. Z tohto dôvodu sú informácie o pozorovanej udalosti oneskorené o 22 minút, pretože prejdenie vzdialenosti od satelitu Io k astronómovmu ďalekohľadu trvá určitý čas. Podľa Roemerových výpočtov bola rýchlosť svetla 220 000 km/s.
Pozorovania Jamesa Bradleyho
V roku 1727 anglický astronóm James Bradley objavil fenomén svetelnej aberácie. Podstatou tohto javu je, že ako sa Zem pohybuje okolo Slnka, ako aj počas vlastnej rotácie Zeme, pozorujeme posun hviezd na nočnej oblohe. Keďže pozemský pozorovateľ a samotná Zem neustále menia svoj smer pohybu voči pozorovanej hviezde, svetlo vyžarované hviezdou prechádza v priebehu času rôzne vzdialenosti a dopadá v rôznych uhloch k pozorovateľovi. Obmedzená rýchlosť svetla vedie k tomu, že hviezdy na oblohe opisujú elipsu počas celého roka. Tento experiment umožnil Jamesovi Bradleymu odhadnúť rýchlosť svetla – 308 000 km/s.
Zážitok Louisa Fizeaua
V roku 1849 uskutočnil francúzsky fyzik Louis Fizeau laboratórny experiment na meranie rýchlosti svetla. Fyzik nainštaloval zrkadlo v Paríži vo vzdialenosti 8 633 metrov od zdroja, no podľa Roemerových výpočtov prejde svetlo túto vzdialenosť za stotisíciny sekundy. Takáto presnosť hodiniek bola vtedy nedosiahnuteľná. Fizeau potom použil ozubené koleso, ktoré sa otáčalo na ceste od zdroja k zrkadlu a od zrkadla k pozorovateľovi, ktorého zuby periodicky blokovali svetlo. V prípade, že svetelný lúč zo zdroja do zrkadla prešiel pomedzi zuby a na ceste späť zasiahol zub, fyzik zdvojnásobil rýchlosť otáčania kolesa. Keď sa rýchlosť otáčania kolesa zvýšila, svetlo takmer prestalo miznúť, až kým rýchlosť otáčania nedosiahla 12,67 otáčok za sekundu. V tej chvíli svetlo opäť zmizlo.
Takéto pozorovanie znamenalo, že svetlo neustále „narážalo“ do zubov a nemalo čas „vkĺznuť“ medzi ne. Fizeau, ktorý poznal rýchlosť otáčania kolesa, počet zubov a dvojnásobnú vzdialenosť od zdroja k zrkadlu, vypočítal rýchlosť svetla, ktorá sa rovnala 315 000 km/s.
O rok neskôr ďalší francúzsky fyzik Leon Foucault uskutočnil podobný experiment, v ktorom namiesto ozubeného kolesa použil rotujúce zrkadlo. Hodnota, ktorú získal pre rýchlosť svetla vo vzduchu, bola 298 000 km/s.
O storočie neskôr bola Fizeauova metóda vylepšená natoľko, že podobný experiment, ktorý v roku 1950 uskutočnil E. Bergstrand, priniesol hodnotu rýchlosti 299 793,1 km/s. Toto číslo sa líši len o 1 km/s od aktuálnej hodnoty rýchlosti svetla.
Ďalšie merania
S príchodom laserov a zvyšovaním presnosti meracích prístrojov sa podarilo znížiť chybu merania až na 1 m/s. V roku 1972 teda americkí vedci použili na svoje experimenty laser. Meraním frekvencie a vlnovej dĺžky laserového lúča sa im podarilo získať hodnotu 299 792 458 m/s. Je pozoruhodné, že ďalšie zvýšenie presnosti merania rýchlosti svetla vo vákuu nebolo možné kvôli technickým nedokonalostiam prístrojov, ale kvôli chybe samotnej normy merača. Z tohto dôvodu v roku 1983 XVII. Generálna konferencia pre váhy a miery definovala meter ako vzdialenosť, ktorú svetlo prejde vo vákuu za čas rovnajúci sa 1/299 792 458 sekundy.
Poďme si to zhrnúť
Takže zo všetkého vyššie uvedeného vyplýva, že rýchlosť svetla vo vákuu je základná fyzikálna konštanta, ktorá sa objavuje v mnohých základných teóriách. Táto rýchlosť je absolútna, to znamená, že nezávisí od výberu referenčného systému a tiež sa rovná maximálnej rýchlosti prenosu informácií. Touto rýchlosťou sa pohybujú nielen elektromagnetické vlny (svetlo), ale aj všetky bezhmotné častice. Vrátane, pravdepodobne, gravitónu, častice gravitačných vĺn. Okrem iného v dôsledku relativistických efektov sa vlastný čas svetla doslova zastaví.
Takéto vlastnosti svetla, najmä nepoužiteľnosť princípu pridávania rýchlostí k nemu, nesedia do hlavy. Mnohé experimenty však potvrdzujú vlastnosti uvedené vyššie a množstvo základných teórií je založených práve na tejto povahe svetla.
Téma, ako merať, ako aj aká je rýchlosť svetla, zaujíma vedcov už od staroveku. Ide o veľmi fascinujúcu tému, ktorá je od nepamäti predmetom vedeckých diskusií. Predpokladá sa, že takáto rýchlosť je konečná, nedosiahnuteľná a konštantná. Je nedosiahnuteľný a stály, ako nekonečno. Zároveň je konečný. Vzniká z toho zaujímavá fyzikálna a matematická hádanka. Existuje jedna možnosť riešenia tohto problému. Veď aj tak sa merala rýchlosť svetla.
V staroveku tomu myslitelia verili rýchlosť svetla- to je nekonečné množstvo. Prvý odhad tohto ukazovateľa bol uvedený v roku 1676. Olaf Roemer. Podľa jeho výpočtov bola rýchlosť svetla približne 220-tisíc km/s. Nebola to úplne presná hodnota, ale blízka tej skutočnej.
Konečnosť a odhad rýchlosti svetla sa potvrdili o pol storočia neskôr.
V budúcnosti vedec Fizeau Rýchlosť svetla bolo možné určiť podľa času, za ktorý lúč prekonal presnú vzdialenosť.
Uskutočnil experiment (pozri obrázok), počas ktorého lúč svetla vychádzal zo zdroja S, bol odrazený zrkadlom 3, prerušený ozubeným kotúčom 2 a prešiel základňou (8 km). Potom sa odrazilo zrkadlom 1 a vrátilo sa na disk. Svetlo dopadalo do medzery medzi zubami a bolo možné ho pozorovať cez okulár 4. Čas, ktorý lúč potreboval na prechod cez základňu, bol určený v závislosti od rýchlosti rotácie disku. Hodnota získaná Fizeauom bola: c = 313300 km/s.
Rýchlosť šírenia lúča v akomkoľvek konkrétnom médiu je menšia ako táto rýchlosť vo vákuu. Okrem toho má tento ukazovateľ pre rôzne látky rôzne hodnoty. Po niekoľkých rokoch Foucault vymenili disk za rýchlo sa otáčajúce zrkadlo. Stúpenci týchto vedcov opakovane používali ich metódy a výskumné plány.
Základom optických prístrojov sú šošovky. Viete ako sa to počíta? Môžete to zistiť prečítaním jedného z našich článkov.
Môžete nájsť informácie o tom, ako nastaviť optický zameriavač pozostávajúci z takýchto šošoviek. Prečítajte si náš materiál a nebudete mať žiadne otázky na túto tému.
Aká je rýchlosť svetla vo vákuu?
Najpresnejšie meranie rýchlosti svetla ukazuje údaj 1 079 252 848,8 kilometrov za hodinu resp. 299 792 458 m/s. Tento údaj platí len pre podmienky vytvorené vo vákuu.
Ale na vyriešenie problémov sa zvyčajne používa indikátor 300 000 000 m/s. Vo vákuu je rýchlosť svetla v Planckových jednotkách 1. Svetelná energia teda prejde 1 Planckovu jednotku dĺžky za 1 jednotku Planckovho času. Ak sa v prirodzených podmienkach vytvorí vákuum, tak röntgenové lúče, svetelné vlny vo viditeľnom spektre a gravitačné vlny sa môžu pohybovať takou rýchlosťou.
Medzi vedcami existuje jasný názor, že častice s hmotnosťou môžu nabrať rýchlosť, ktorá sa čo najviac približuje rýchlosti svetla. Ale nie sú schopní dosiahnuť a prekročiť ukazovateľ. Najvyššia rýchlosť, blízka rýchlosti svetla, bola zaznamenaná pri štúdiu kozmického žiarenia a pri urýchľovaní určitých častíc v urýchľovačoch.
Rýchlosť svetla v akomkoľvek médiu závisí od indexu lomu tohto média.
Tento indikátor sa môže líšiť pre rôzne frekvencie. Presné meranie veličiny je dôležité pre výpočet ďalších fyzikálnych parametrov. Napríklad na určenie vzdialenosti pri prechode svetelných alebo rádiových signálov v optickom, radarovom, svetelnom a iných oblastiach.
Moderní vedci používajú rôzne metódy na určenie rýchlosti svetla. Niektorí odborníci používajú astronomické metódy, ako aj metódy merania pomocou experimentálnej techniky. Veľmi často sa používa vylepšená metóda Fizeau. V tomto prípade je ozubené koleso nahradené modulátorom svetla, ktorý zoslabuje alebo prerušuje svetelný lúč. Prijímačom je tu fotoelektrický multiplikátor alebo fotobunka. Zdrojom svetla môže byť laser, ktorý pomáha znižovať chybu merania. Stanovenie rýchlosti svetla Podľa času prechodu základne sa to dá urobiť pomocou priamych alebo nepriamych metód, ktoré tiež umožňujú získať presné výsledky.
Aké vzorce sa používajú na výpočet rýchlosti svetla?
- Rýchlosť šírenia svetla vo vákuu je absolútna hodnota. Fyzici ho označujú písmenom „c“. Ide o základnú a konštantnú hodnotu, ktorá nezávisí od výberu systému podávania správ a charakterizuje čas a priestor ako celok. Vedci predpokladajú, že táto rýchlosť je maximálnou rýchlosťou pohybu častíc.
Vzorec rýchlosti svetla vo vákuu:
s = 3 x 10^8 = 299792458 m/s
tu c je indikátorom rýchlosti svetla vo vákuu.
- Vedci to dokázali rýchlosť svetla vo vzduchu sa takmer zhoduje s rýchlosťou svetla vo vákuu. Dá sa vypočítať pomocou vzorca:
