obrti

Počasna svetloba. Zakaj je svetlobna hitrost konstantna na vaših prstih™ Kako določiti svetlobno hitrost v mediju

Svetlobna hitrost je razdalja, ki jo svetloba prepotuje na časovno enoto. Ta vrednost je odvisna od snovi, v kateri 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 vse vrste elektromagnetnega sevanja širijo v vakuumu s svetlobno hitrostjo: radijski valovi, infrardeče sevanje, vidna svetloba, ultravijolično sevanje, rentgenski žarki, sevanje gama. Označena je s črko z .

Kako je bila določena hitrost svetlobe?

V starih časih so znanstveniki verjeli, da je svetlobna hitrost neskončna. Kasneje so se med znanstveniki 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 poskušal izmeriti svetlobno hitrost, je bil italijanski znanstvenik Galileo Galilei. Med poskusom sta bila on in njegov pomočnik na različnih hribih. Galileo je odprl zaklop na svoji luči. V trenutku, ko je pomočnik zagledal to luč, je moral narediti ista dejanja s svojo svetilko. Čas, potreben, da svetloba potuje od Galileja do pomočnika in nazaj, se je izkazal za tako kratkega, da je Galileo ugotovil, da je svetlobna hitrost zelo velika in je nemogoče izmeriti na tako kratki razdalji, saj svetloba potuje skoraj takoj. In čas, ki ga je zabeležil, kaže le hitrost človekove reakcije.

Svetlobno hitrost je leta 1676 prvi določil danski astronom Olaf Roemer z uporabo astronomskih razdalj. S teleskopom za opazovanje mrka Jupitrove lune Io je odkril, da ko se Zemlja oddaljuje od Jupitra, se vsak naslednji mrk zgodi 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 natančen premer Zemlje takrat še ni bil znan, je znanstvenik njegovo približno vrednost razdelil na 22 ur in dobil vrednost približno 220.000 km/s.

Olaf Roemer

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

Fizeaujeva izkušnja

Fizeau je hitrost svetlobe izračunal na naslednji način. Svetloba gre svojo pot L od kolesa do ogledala v času, ki je enak t 1 = 2L/c . Čas, ki je potreben, da se kolo obrne za ½ reže, je t 2 = T/2N , Kje T - čas vrtenja kolesa, n - število zob. Frekvenca vrtenja v = 1/T . Trenutek, ko opazovalec ne vidi svetlobe, nastopi, ko t 1 = t 2 . Od tu dobimo formulo za določanje hitrosti svetlobe:

c = 4LNv

Po izračunih po tej formuli 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 vrtljivega zrcala za izračun hitrosti svetlobe. To idejo je uresničil francoski fizik, mehanik in astronom Jean Bernard Leon 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.

Raziskave ameriškega fizika Alberta Abrahama Michelsona, ki je uporabil postavitev z vrtljivim osmerokotnim zrcalom, so omogočile še natančnejše določanje hitrosti svetlobe. Leta 1926 je znanstvenik izmeril čas, ki je potreben, da svetloba prepotuje razdaljo med vrhovoma dveh gora, ki je enak 35,4 km, in dobil z = (299.796.000 ± 4.000) m/s.

Najbolj natančna meritev je bila izvedena 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.

Od česa je odvisna hitrost svetlobe?

Hitrost svetlobe v vakuumu ni odvisna niti od referenčnega sistema niti od 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 ko je, počasnejša je svetlobna hitrost v njej. Na primer, hitrost svetlobe v zraku je večja od hitrosti svetlobe v vodi, v čistem optičnem steklu pa nižja kot v vodi.

Če se svetloba premika iz manj gostega medija v gostejšega, se njena hitrost zmanjša. In če pride do prehoda iz bolj gostega medija v manj gosto, potem se hitrost, nasprotno, poveča. To pojasnjuje, zakaj se svetlobni žarek odkloni na prehodni meji med dvema medijema.

Za določitev hitrosti (prevožena razdalja/porabljen čas) moramo izbrati razdaljo in časovni standard. Različni standardi lahko dajejo različne meritve hitrosti.

Ali je hitrost svetlobe konstantna?

[Pravzaprav je konstanta fine strukture odvisna od energijske lestvice, vendar tu mislimo na njeno nizkoenergijsko mejo.]

Posebna teorija relativnosti

Tudi definicija metra v sistemu SI temelji na predpostavki o pravilnosti relativnostne teorije. Hitrost svetlobe je konstantna v skladu z osnovnim postulatom relativnostne teorije. Ta postulat vsebuje dve zamisli:

Hitrost svetlobe ni odvisna od gibanja opazovalca.
Hitrost svetlobe ni odvisna od koordinat v času in prostoru.

Ideja, da je svetlobna hitrost neodvisna od hitrosti opazovalca, je kontraintuitivna. Nekateri se sploh ne morejo strinjati, da je ta ideja logična. Leta 1905 je Einstein pokazal, da je ta ideja logično pravilna, če opustimo predpostavko o absolutni naravi prostora in časa.

Leta 1879 so verjeli, da mora svetloba potovati skozi nek medij v vesolju, tako kot zvok potuje skozi zrak in druge snovi. Michelson in Morley izvedel eksperiment za odkrivanje etra z opazovanjem sprememb svetlobne hitrosti, ko se skozi leto spreminja smer gibanja Zemlje glede na Sonce. Na njihovo presenečenje niso zaznali nobene spremembe hitrosti svetlobe.

Ne glede na barvo, valovno dolžino ali energijo ostaja hitrost, s katero svetloba potuje v vakuumu, konstantna. Ni odvisna od lokacije ali smeri v prostoru in času

Nič v vesolju ne more potovati hitreje od svetlobe v vakuumu. 299.792.458 metrov na sekundo. Če gre za masiven delec, se lahko tej hitrosti le približa, ne doseže pa je; če gre za brezmasni delec, bi se moral vedno gibati točno s to hitrostjo, če se dogaja v praznem prostoru. Toda kako to vemo in kaj je razlog za to? Ta teden nam naš bralec postavlja tri vprašanja, povezana s svetlobno hitrostjo:

Zakaj je svetlobna hitrost končna? Zakaj je takšna kot je? Zakaj ne hitreje in ne počasneje?

Do 19. stoletja sploh nismo imeli potrditve tega podatka.

Ilustracija svetlobe, ki gre skozi prizmo in se loči v različne barve.

Ko svetloba prehaja skozi vodo, prizmo ali kateri koli drug medij, se loči na različne barve. Rdeča barva se lomi pod drugačnim kotom kot modra, zato se pojavi nekaj podobnega mavrici. To lahko opazimo tudi zunaj vidnega spektra; infrardeča in ultravijolična svetloba se obnašata enako. To bi bilo mogoče le, če bi bila hitrost svetlobe v mediju različna za svetlobo različnih valovnih dolžin/energij. Toda v vakuumu, zunaj katerega koli medija, se vsa svetloba giblje z enako končno hitrostjo.

Ločevanje svetlobe na barve nastane zaradi različnih hitrosti svetlobe, odvisno od valovne dolžine, skozi medij

To so spoznali šele sredi 19. stoletja, ko je fizik James Clerk Maxwell pokazal, kaj svetloba pravzaprav je: elektromagnetno valovanje. Maxwell je bil prvi, ki je neodvisne pojave elektrostatike (statični naboji), elektrodinamike (gibajoči se naboji in tokovi), magnetostatike (konstantna magnetna polja) in magnetodinamike (inducirani tokovi in izmenična magnetna polja) postavil na eno enotno platformo. Enačbe, ki ga urejajo - Maxwellove enačbe - omogočajo izračun odgovora na na videz preprosto vprašanje: kakšne vrste električnih in magnetnih polj lahko obstajajo v praznem prostoru zunaj električnih ali magnetnih virov? Brez nabojev in brez tokov bi se lahko odločili, da jih ni - vendar Maxwellove enačbe presenetljivo dokazujejo nasprotno.

Tablica z Maxwellovimi enačbami na zadnji strani njegovega spomenika

Nič je ena od možnih rešitev; možno pa je tudi kaj drugega - medsebojno pravokotna električna in magnetna polja, ki nihata v eni fazi. Imajo določene amplitude. Njihova energija je določena s frekvenco nihanj polja. Gibljejo se z določeno hitrostjo, ki jo določata dve konstanti: ε 0 in µ 0. Te konstante določajo obseg električnih in magnetnih interakcij v našem vesolju. Nastala enačba opisuje valovanje. In kot vsak val ima hitrost 1/√ε 0 µ 0, ki se izkaže, da je enaka c, hitrosti svetlobe v vakuumu.

Medsebojno pravokotni električni in magnetni polji, ki nihata v eni fazi in se širita s svetlobno hitrostjo, določata elektromagnetno sevanje

S teoretičnega vidika je svetloba brezmasno elektromagnetno sevanje. Po zakonih elektromagnetizma se mora gibati s hitrostjo 1/√ε 0 µ 0, enako c - ne glede na njegove druge lastnosti (energijo, gibalno količino, valovno dolžino). ε 0 lahko izmerimo tako, da izdelamo in izmerimo kondenzator; µ 0 je natančno določen iz ampera, enote za električni tok, ki nam da c. Ista temeljna konstanta, ki jo je prvi izpeljal Maxwell leta 1865, se je od takrat pojavila na mnogih drugih mestih:

To je hitrost katerega koli brezmasnega delca ali vala, vključno z gravitacijskimi.
To je temeljna konstanta, ki povezuje vaše gibanje v prostoru z vašim gibanjem v času v teoriji relativnosti.
In to je osnovna konstanta, ki povezuje energijo z maso v mirovanju, E = mc 2

Roemerjeva opazovanja so nam omogočila prve meritve hitrosti svetlobe, pridobljene z uporabo geometrije in merjenjem časa, potrebnega, da svetloba prepotuje razdaljo, ki je enaka premeru Zemljine orbite.

Prve meritve te količine so bile opravljene med astronomskimi opazovanji. Ko Jupitrove lune vstopijo in zapustijo položaj mrka, so videti vidne ali nevidne z Zemlje v določenem zaporedju, odvisno od hitrosti svetlobe. To je vodilo do prve kvantitativne meritve s v 17. stoletju, ki je bila določena na 2,2 × 10 8 m/s. Odklon zvezdne svetlobe – zaradi gibanja zvezde in Zemlje, na kateri je nameščen teleskop – je mogoče oceniti tudi numerično. Leta 1729 je ta metoda merjenja c pokazala vrednost, ki se je od sodobne razlikovala le za 1,4 %. Do leta 1970 je bil c določen na 299.792.458 m/s z napako samo 0,0000002 %, ki je večinoma izvirala iz nezmožnosti natančne opredelitve metra ali sekunde. Do leta 1983 sta bila sekunda in meter na novo definirana glede na c in univerzalne lastnosti atomskega sevanja. Zdaj je svetlobna hitrost natančno 299.792.458 m/s.

Atomski prehod iz orbitale 6S, δf 1, določa meter, sekundo in hitrost svetlobe

Zakaj torej svetlobna hitrost ni večja ali počasnejša? Razlaga je tako preprosta, kot je prikazana na sl. Zgoraj je atom. Atomski prehodi se zgodijo tako, kot se zgodijo, zaradi temeljnih kvantnih lastnosti naravnih gradnikov. Interakcije atomskega jedra z električnimi in magnetnimi polji, ki jih ustvarjajo elektroni in drugi deli atoma, povzročijo, da so različne energijske ravni izjemno blizu druga drugi, a vseeno nekoliko različne: to se imenuje hiperfino cepljenje. Zlasti hiperfina strukturna prehodna frekvenca cezija-133 oddaja svetlobo zelo specifične frekvence. Čas, potreben za pretekanje 9.192.631.770 takih ciklov, določa sekundo; razdalja, ki jo v tem času prepotuje svetloba, je 299.792.458 metrov; Hitrost, s katero ta svetloba potuje, določa c.

Vijolični foton nosi milijonkrat več energije kot rumeni foton. Fermijev vesoljski teleskop za žarke gama ne kaže zamud pri nobenem od fotonov, ki prihajajo k nam iz izbruha žarkov gama, kar potrjuje konstantnost hitrosti svetlobe za vse energije

Da bi spremenili to definicijo, se mora temu atomskemu prehodu ali svetlobi, ki prihaja iz njega, zgoditi nekaj bistveno drugačnega od njegove trenutne narave. Ta primer nas tudi nauči dragocene lekcije: če bi atomska fizika in atomski prehodi v preteklosti ali na velikih razdaljah delovali drugače, bi obstajali dokazi, da se je svetlobna hitrost skozi čas spreminjala. Doslej vse naše meritve nalagajo samo dodatne omejitve glede konstantnosti svetlobne hitrosti, in te omejitve so zelo stroge: sprememba ne presega 7% trenutne vrednosti v zadnjih 13,7 milijardah let. Če bi bilo po kateri koli od teh meritev ugotovljeno, da je svetlobna hitrost nedosledna ali če bi bila različna za različne vrste svetlobe, bi to vodilo do največje znanstvene revolucije po Einsteinu. Namesto tega vsi dokazi kažejo na vesolje, v katerem vsi fizikalni zakoni ostajajo enaki ves čas, povsod, v vseh smereh, ves čas, vključno s samo fiziko svetlobe. V nekem smislu je to tudi precej revolucionarna informacija.

V 19. stoletju je bilo izvedenih več znanstvenih poskusov, ki so pripeljali do odkritja številnih novih pojavov. Med temi pojavi je odkritje Hansa Oersteda o ustvarjanju magnetne indukcije z električnim tokom. Kasneje je Michael Faraday odkril nasprotni učinek, ki so ga poimenovali elektromagnetna indukcija.

Enačbe Jamesa Maxwella - elektromagnetna narava svetlobe

Kot rezultat teh odkritij je bila ugotovljena tako imenovana "interakcija na daljavo", kar je povzročilo novo teorijo elektromagnetizma, ki jo je formuliral Wilhelm Weber in ki je temeljila na delovanju na velike razdalje. Kasneje je Maxwell definiral koncept električnega in magnetnega polja, ki se lahko med seboj generirata, kar je elektromagnetno valovanje. Kasneje je Maxwell v svojih enačbah uporabil tako imenovano "elektromagnetno konstanto" - z.

Takrat so se znanstveniki že približali dejstvu, da je svetloba po naravi elektromagnetna. Fizični pomen elektromagnetne konstante je hitrost širjenja elektromagnetnih vzburjenj. Na presenečenje samega Jamesa Maxwella se je izkazalo, da je izmerjena vrednost te konstante v poskusih z enotskimi naboji in tokovi enaka hitrosti svetlobe v vakuumu.

Pred tem odkritjem je človeštvo ločilo svetlobo, elektriko in magnetizem. Maxwellova posplošitev nam je omogočila nov pogled na naravo svetlobe, kot določenega fragmenta električnih in magnetnih polj, ki se neodvisno širijo v prostoru.

Spodnja slika prikazuje diagram širjenja elektromagnetnega valovanja, ki je tudi svetloba. Tukaj je H vektor magnetne poljske jakosti, E je vektor električne poljske jakosti. Oba vektorja sta pravokotna drug na drugega, kot tudi na smer širjenja valov.

Michelsonov poskus - absolutnost svetlobne hitrosti

Fizika tistega časa je bila v veliki meri zgrajena na Galilejevem načelu relativnosti, po katerem so zakoni mehanike videti enaki v katerem koli izbranem inercialnem referenčnem okviru. Hkrati naj bi bila glede na seštevek hitrosti hitrost širjenja odvisna od hitrosti vira. Vendar bi se v tem primeru elektromagnetno valovanje glede na izbiro referenčnega sistema obnašalo drugače, kar je v nasprotju z Galilejevim načelom relativnosti. Tako je bila Maxwellova na videz dobro oblikovana teorija v trhlem stanju.

Eksperimenti so pokazali, da hitrost svetlobe res ni odvisna od hitrosti vira, kar pomeni, da je potrebna teorija, ki lahko pojasni tako nenavadno dejstvo. Najboljša teorija v tistem času se je izkazala za teorijo "etra" - določenega medija, v katerem se svetloba širi, tako kot se zvok širi v zraku. Potem hitrost svetlobe ne bi določala hitrost gibanja vira, temveč značilnosti medija samega - etra.

Za odkrivanje etra je bilo izvedenih veliko poskusov, med katerimi je najbolj znan poskus ameriškega fizika Alberta Michelsona. Skratka, znano je, da se Zemlja giblje v vesolju. Potem je logično domnevati, da se giblje tudi po etru, saj popolna navezanost etra na Zemljo ni samo najvišja stopnja egoizma, ampak je enostavno ne more povzročiti nič. Če se Zemlja giblje skozi določen medij, v katerem se širi svetloba, potem je logično domnevati, da se tu dogaja seštevanje hitrosti. To pomeni, da mora biti širjenje svetlobe odvisno od smeri gibanja Zemlje, ki leti skozi eter. Kot rezultat svojih poskusov Michelson ni odkril razlike med hitrostjo širjenja svetlobe v obe smeri od Zemlje.

To težavo je poskušal rešiti nizozemski fizik Hendrik Lorentz. Po njegovi domnevi je »eterični veter« vplival na telesa tako, da so ta zmanjševala svojo velikost v smeri gibanja. Na podlagi te predpostavke sta tako Zemlja kot Michelsonova naprava doživeli to Lorentzovo kontrakcijo, zaradi česar je Albert Michelson dobil enako hitrost širjenja svetlobe v obe smeri. In čeprav je bil Lorentz nekoliko uspešen pri odložitvi smrti teorije o etru, so znanstveniki še vedno menili, da je bila ta teorija »premišljena«. Tako naj bi imel eter vrsto »pravljičnih« lastnosti, med drugim breztežnost in odsotnost upora gibajočih se teles.

Konec zgodovine etra je prišel leta 1905 z objavo članka »O elektrodinamiki gibajočih se teles« takrat malo znanega Alberta Einsteina.

Posebna teorija relativnosti Alberta Einsteina

Šestindvajsetletni Albert Einstein je izrazil povsem nov, drugačen pogled na naravo prostora in časa, ki je bil v nasprotju s takratnimi idejami, predvsem pa je močno kršil Galilejevo načelo relativnosti. Po Einsteinu Michelsonov eksperiment ni dal pozitivnih rezultatov iz razloga, ker imata prostor in čas takšne lastnosti, da je hitrost svetlobe absolutna vrednost. Se pravi, ne glede na to, v katerem referenčnem okviru je opazovalec, je svetlobna hitrost glede nanj vedno enaka, 300.000 km/s. Iz tega je sledila nezmožnost uporabe seštevanja hitrosti glede na svetlobo - ne glede na to, kako hitro se svetlobni vir giblje, se svetlobna hitrost ne bo spremenila (seštevala ali odvzemala).

Einstein je uporabil Lorentzovo kontrakcijo za opis sprememb parametrov teles, ki se gibljejo s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti. Tako se bo na primer dolžina takih teles zmanjšala, njihov lastni čas pa se bo upočasnil. Koeficient takih sprememb se imenuje Lorentzov faktor. Einsteinova znana formula E=mc 2 dejansko vključuje tudi Lorentzov faktor ( E= ymc 2), ki je na splošno enaka enoti v primeru, ko je hitrost telesa v enako nič. Ko se hitrost telesa približuje v do svetlobne hitrosti c Lorentz faktor l drvi proti neskončnosti. Iz tega sledi, da bo za pospešitev telesa do svetlobne hitrosti potrebna neskončna količina energije, zato je nemogoče preseči to mejo hitrosti.

Obstaja tudi argument v prid tej izjavi, imenovan "relativnost sočasnosti".

Paradoks relativnosti simultanosti SRT

Skratka, fenomen relativnosti simultanosti je, da lahko ure, ki se nahajajo na različnih točkah v prostoru, tečejo "hkrati" le, če so v istem inercialnem referenčnem okviru. To pomeni, da je čas na uri odvisen od izbire referenčnega sistema.

Iz tega sledi paradoks, da se dogodek B, ki je posledica dogodka A, lahko pojavi hkrati z njim. Poleg tega je možno izbrati referenčne sisteme tako, da se bo dogodek B zgodil prej kot dogodek A, ki ga je povzročil.Takšen pojav krši načelo vzročnosti, ki je v znanosti precej trdno zasidrano in nikoli ni bilo postavljeno pod vprašaj. Vendar pa se ta hipotetična situacija opazi le v primeru, ko je razdalja med dogodki A in B večja od časovnega intervala med njima, pomnoženega z "elektromagnetno konstanto" - z. Tako je konstanta c, ki je enaka svetlobni hitrosti, je največja hitrost prenosa informacij. V nasprotnem primeru bi bilo kršeno načelo vzročnosti.

Kako se meri hitrost svetlobe?

Opažanja Olafa Roemerja

Znanstveniki antike so večinoma verjeli, da se svetloba giblje z neskončno hitrostjo, prvo oceno svetlobne hitrosti pa so dobili že leta 1676. Danski astronom Olaf Roemer je opazoval Jupiter in njegove lune. V trenutku, ko sta bila Zemlja in Jupiter na nasprotnih straneh Sonca, je bil mrk Jupitrove lune Io v primerjavi z izračunanim časom zamaknjen za 22 minut. Edina rešitev, ki jo je našel Olaf Roemer, je, da je hitrost svetlobe omejujoča. Zaradi tega je informacija o opazovanem dogodku zakasnjena za 22 minut, saj traja nekaj časa, da prepotuje razdaljo od satelita Io do astronomovega teleskopa. Po Roemerjevih izračunih je bila hitrost svetlobe 220.000 km/s.

Opažanja Jamesa Bradleya

Leta 1727 je angleški astronom James Bradley odkril pojav svetlobne aberacije. Bistvo tega pojava je v tem, da pri gibanju Zemlje okoli Sonca, pa tudi med Zemljino lastno rotacijo, opazimo premik zvezd na nočnem nebu. Ker opazovalec Zemljan in Zemlja sama nenehno spreminjata smer gibanja glede na opazovano zvezdo, svetloba, ki jo oddaja zvezda, skozi čas prepotuje različne razdalje in pada pod različnimi koti na opazovalca. Omejena svetlobna hitrost vodi do tega, da zvezde na nebu skozi vse leto opisujejo elipso. Ta poskus je Jamesu Bradleyu omogočil oceno hitrosti svetlobe - 308.000 km/s.

Izkušnja Louisa Fizeauja

Leta 1849 je francoski fizik Louis Fizeau izvedel laboratorijski poskus za merjenje hitrosti svetlobe. Fizik je v Parizu namestil ogledalo na razdalji 8633 metrov od vira, a po Roemerjevih izračunih bo svetloba to razdaljo prepotovala v stotisočinkah sekunde. Takšna natančnost ure je bila takrat nedosegljiva. Fizeau je nato uporabil zobnik, ki se je vrtel na poti od vira do zrcala in od zrcala do opazovalca, katerega zobje so občasno blokirali svetlobo. V primeru, ko je svetlobni žarek od vira do ogledala prešel med zobema in na poti nazaj zadel zob, je fizik podvojil hitrost vrtenja kolesa. Ko se je hitrost vrtenja kolesa povečala, je svetloba skoraj prenehala izginjati, dokler hitrost vrtenja ni dosegla 12,67 vrtljajev na sekundo. V tem trenutku je svetloba spet izginila.

Takšno opazovanje je pomenilo, da je svetloba nenehno "trkala" v zobe in ni imela časa, da bi "zdrsnila" med njimi. Fizeau je ob poznavanju hitrosti vrtenja kolesa, števila zob in dvakratne razdalje od vira do ogledala izračunal hitrost svetlobe, ki se je izkazala za 315.000 km/s.

Leto pozneje je drugi francoski fizik Leon Foucault izvedel podoben poskus, v katerem je namesto zobnika uporabil vrteče se ogledalo. Vrednost, ki jo je dobil za hitrost svetlobe v zraku, je bila 298.000 km/s.

Stoletje kasneje so Fizeaujevo metodo toliko izboljšali, da je podoben poskus, ki ga je leta 1950 izvedel E. Bergstrand, dal vrednost hitrosti 299.793,1 km/s. To število se od trenutne vrednosti svetlobne hitrosti razlikuje le za 1 km/s.

Nadaljnje meritve

S pojavom laserjev in vse večjo natančnostjo merilnih instrumentov je bilo možno zmanjšati merilno napako vse do 1 m/s. Tako so leta 1972 ameriški znanstveniki za svoje poskuse uporabili laser. Z merjenjem frekvence in valovne dolžine laserskega žarka jim je uspelo dobiti vrednost 299.792.458 m/s. Omeniti velja, da je bilo nadaljnje povečanje natančnosti merjenja hitrosti svetlobe v vakuumu nemogoče, ne zaradi tehničnih nepopolnosti instrumentov, temveč zaradi napake samega standarda merilnika. Zaradi tega je leta 1983 XVII. generalna konferenca za uteži in mere opredelila meter kot razdaljo, ki jo svetloba prepotuje v vakuumu v času, ki je enak 1/299.792.458 sekunde.

Naj povzamemo

Iz vsega navedenega torej sledi, da je hitrost svetlobe v vakuumu temeljna fizikalna konstanta, ki se pojavlja v številnih temeljnih teorijah. Ta hitrost je absolutna, torej ni odvisna od izbire referenčnega sistema, in je enaka tudi največji hitrosti prenosa informacij. S to hitrostjo se ne gibljejo samo elektromagnetni valovi (svetloba), ampak tudi vsi brezmasni delci. Vključno z domnevno gravitonom, delcem gravitacijskih valov. Med drugim zaradi relativističnih učinkov lastni čas svetlobe dobesedno stoji.

Takšne lastnosti svetlobe, še posebej neuporabnost principa dodajanja hitrosti k njej, ne sodijo v glavo. Vendar številni poskusi potrjujejo zgoraj naštete lastnosti in številne temeljne teorije so zgrajene prav na tej naravi svetlobe.

Tema o tem, kako meriti in kakšna je hitrost svetlobe, zanima znanstvenike že od antičnih časov. To je zelo zanimiva tema, ki je že od nekdaj predmet znanstvenih razprav. Menijo, da je takšna hitrost končna, nedosegljiva in stalna. Je nedosegljiva in stalna, kot neskončnost. Hkrati je končna. Izkazalo se je, da je zanimiva fizikalna in matematična uganka. Obstaja ena možnost za rešitev te težave. Konec koncev je bila hitrost svetlobe še vedno izmerjena.

V starih časih so misleci verjeli, da hitrost svetlobe- to je neskončna količina. Prva ocena tega kazalnika je bila podana leta 1676. Olaf Roemer. Po njegovih izračunih je bila hitrost svetlobe približno 220 tisoč km/s. To ni bila povsem točna vrednost, a blizu prave.

Končnost in ocena hitrosti svetlobe sta bili potrjeni pol stoletja kasneje.

V prihodnosti znanstvenik Fizeau Hitrost svetlobe je bilo mogoče določiti glede na čas, ko je žarek prepotoval natančno razdaljo.

Izvedel je poskus (glej sliko), med katerim je svetlobni žarek odšel od vira S, se odbil z ogledalom 3, prekinil z zobatim diskom 2 in prešel bazo (8 km). Nato ga je ogledalo 1 odbilo in vrnilo na disk. Svetloba je padla v režo med zobmi in jo je bilo mogoče opazovati skozi okular 4. Čas, ki je bil potreben, da je žarek potoval skozi podlago, je bil določen glede na hitrost vrtenja diska. Vrednost, ki jo je dobil Fizeau, je bila: c = 313300 km/s.

Hitrost širjenja žarka v katerem koli mediju je manjša od te hitrosti v vakuumu. Poleg tega ima ta indikator za različne snovi različne vrednosti. Po nekaj letih Foucault zamenjal disk s hitro vrtečim se ogledalom. Privrženci teh znanstvenikov so vedno znova uporabljali njihove metode in raziskovalne načrte.

Leče so osnova optičnih instrumentov. Ali veste, kako se izračuna? To lahko ugotovite tako, da preberete enega od naših člankov.

Najdete lahko informacije o tem, kako nastaviti optični cilj, sestavljen iz takšnih leč. Preberite naše gradivo in ne boste imeli nobenih vprašanj o temi.

Kakšna je hitrost svetlobe v vakuumu?

Najbolj natančna meritev svetlobne hitrosti kaže številko 1.079.252.848,8 kilometrov na uro oz. 299.792.458 m/s. Ta številka velja le za pogoje, ustvarjene v vakuumu.

Toda za reševanje težav se običajno uporablja indikator 300.000.000 m/s. V vakuumu je hitrost svetlobe v Planckovih enotah 1. Svetlobna energija torej potuje 1 Planckovo enoto dolžine v 1 enoti Planckovega časa. Če v naravnih razmerah nastane vakuum, potem lahko s takšnimi hitrostmi potujejo rentgenski žarki, svetlobni valovi v vidnem spektru in gravitacijski valovi.

Med znanstveniki obstaja jasno mnenje, da lahko delci z maso dosežejo hitrost, ki je čim bližja svetlobni hitrosti. Toda kazalnika ne morejo doseči in preseči. Največja hitrost, blizu svetlobne, je bila zabeležena med študijem kozmičnih žarkov in med pospeševanjem nekaterih delcev v pospeševalnikih.

Hitrost svetlobe v katerem koli mediju je odvisna od lomnega količnika tega medija.

Ta indikator je lahko drugačen za različne frekvence. Natančna meritev količine je pomembna za izračun drugih fizikalnih parametrov. Na primer za določanje razdalje med prehodom svetlobe ali radijskih signalov pri optičnem merjenju, radarju, merjenju svetlobe in drugih področjih.

Sodobni znanstveniki uporabljajo različne metode za določanje hitrosti svetlobe. Nekateri strokovnjaki uporabljajo astronomske metode, pa tudi merilne metode z uporabo eksperimentalne tehnologije. Zelo pogosto se uporablja izboljšana metoda Fizeau. V tem primeru se zobnik zamenja s svetlobnim modulatorjem, ki oslabi ali prekine svetlobni snop. Sprejemnik je tu fotoelektrični množilnik ali fotocelica. Vir svetlobe je lahko laser, kar pomaga zmanjšati merilno napako. Določanje svetlobne hitrosti Glede na čas prehoda baze se lahko izvaja z neposrednimi ali posrednimi metodami, ki prav tako omogočajo natančne rezultate.

Katere formule se uporabljajo za izračun hitrosti svetlobe?

Hitrost širjenja svetlobe v vakuumu je absolutna vrednost. Fiziki ga označujejo s črko "c". To je temeljna in stalna vrednota, ki ni odvisna od izbire sistema poročanja in označuje čas in prostor kot celoto. Znanstveniki domnevajo, da je ta hitrost največja hitrost gibanja delcev.
Formula hitrosti svetlobe v vakuumu:

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

tukaj je c indikator hitrosti svetlobe v vakuumu.
Znanstveniki so to dokazali hitrost svetlobe v zraku skoraj sovpada s hitrostjo svetlobe v vakuumu. Lahko se izračuna po formuli: