Hantverk

Långsamt ljus. Varför ljusets hastighet är konstant på dina fingrar™ Hur man bestämmer ljusets hastighet i ett medium

Ljusets hastighet är den sträcka som ljuset färdas per tidsenhet. Detta värde beror på i vilket ämne ljuset fortplantar sig.

I vakuum är ljusets hastighet 299 792 458 m/s. Detta är den högsta hastighet som kan uppnås. Vid lösning av problem som inte kräver speciell noggrannhet tas detta värde lika med 300 000 000 m/s. Det antas att alla typer av elektromagnetisk strålning fortplantar sig i ett vakuum med ljusets hastighet: radiovågor, infraröd strålning, synligt ljus, ultraviolett strålning, röntgenstrålning, gammastrålning. Det är betecknat med en bokstav Med .

Hur bestämdes ljusets hastighet?

I gamla tider trodde forskare att ljusets hastighet var oändlig. Senare började diskussioner om denna fråga bland forskare. Kepler, Descartes och Fermat instämde i åsikten från forntida vetenskapsmän. Och Galileo och Hooke trodde att, även om ljusets hastighet är mycket hög, har den fortfarande ett ändligt värde.

Galileo Galilei

En av de första som försökte mäta ljusets hastighet var den italienske vetenskapsmannen Galileo Galilei. Under experimentet var han och hans assistent på olika kullar. Galileo öppnade luckan på sin lykta. I det ögonblick då assistenten såg detta ljus var han tvungen att göra samma handlingar med sin lykta. Tiden det tog för ljuset att färdas från Galileo till assistenten och tillbaka visade sig vara så kort att Galileo insåg att ljusets hastighet är mycket hög, och det är omöjligt att mäta det på så kort avstånd, eftersom ljuset färdas nästan omedelbart. Och tiden han spelade in visar bara hastigheten på en persons reaktion.

Ljusets hastighet bestämdes första gången 1676 av den danske astronomen Olaf Roemer med hjälp av astronomiska avstånd. Med hjälp av ett teleskop för att observera förmörkelsen av Jupiters måne Io upptäckte han att när jorden rör sig bort från Jupiter inträffar varje efterföljande förmörkelse senare än beräknat. Maximal fördröjning när jorden rör sig till andra sidan solen och flyttar sig bort från Jupiter på ett avstånd som är lika med diametern jordens bana, är 22 timmar. Även om jordens exakta diameter inte var känd vid den tiden, dividerade forskaren dess ungefärliga värde med 22 timmar och fick ett värde på cirka 220 000 km/s.

Olaf Römer

Resultatet som erhållits av Roemer orsakade misstro bland forskare. Men 1849 mätte den franske fysikern Armand Hippolyte Louis Fizeau ljusets hastighet med hjälp av metoden med roterande slutare. I hans experiment passerade ljus från en källa mellan tänderna på ett roterande hjul och riktades mot en spegel. Reflekterad från honom återvände han tillbaka. Hjulets rotationshastighet ökade. När den nådde ett visst värde fördröjdes strålen som reflekterades från spegeln av en rörlig tand, och observatören såg ingenting i det ögonblicket.

Fizeaus erfarenhet

Fizeau beräknade ljusets hastighet enligt följande. Ljuset går sin väg L från hjulet till spegeln på en tid lika med t 1 = 2L/c . Tiden det tar för hjulet att snurra ½ fack är t2 = T/2N , Var T - period av hjulrotation, N - antal tänder. Rotationsfrekvens v = 1/T . Det ögonblick då betraktaren inte ser ljus inträffar när t 1 = t 2 . Härifrån får vi formeln för att bestämma ljusets hastighet:

c = 4LNv

Efter att ha utfört beräkningar med denna formel fastställde Fizeau det Med = 313 000 000 m/s. Detta resultat var mycket mer exakt.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

1838 föreslog den franske fysikern och astronomen Dominique François Jean Arago att man skulle använda metoden med roterande spegel för att beräkna ljusets hastighet. Denna idé omsattes i praktiken av den franske fysikern, mekanikern och astronomen Jean Bernard Leon Foucault, som 1862 fick värdet på ljusets hastighet (298 000 000±500 000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

År 1891 visade sig resultatet av den amerikanske astronomen Simon Newcomb vara en storleksordning mer exakt än Foucaults resultat. Som ett resultat av hans beräkningar Med = (99 810 000±50 000) m/s.

Forskning av den amerikanske fysikern Albert Abraham Michelson, som använde en uppställning med en roterande åttakantig spegel, gjorde det möjligt att bestämma ljusets hastighet ännu mer exakt. År 1926 mätte forskaren hur lång tid det tog ljus att resa avståndet mellan topparna på två berg, lika med 35,4 km, och fick Med = (299 796 000±4 000) m/s.

Den mest exakta mätningen utfördes 1975. Samma år rekommenderade generalkonferensen för vikter och mått att ljusets hastighet skulle anses vara lika med 299 792 458 ± 1,2 m/s.

Vad beror ljusets hastighet på?

Ljusets hastighet i ett vakuum beror inte på vare sig referensramen eller betraktarens position. Den förblir konstant, lika med 299 792 458 ± 1,2 m/s. Men i olika transparenta medier kommer denna hastighet att vara lägre än hastigheten i vakuum. Varje transparent medium har en optisk densitet. Och ju högre den är, desto långsammare fortplantar sig ljusets hastighet i den. Till exempel är ljusets hastighet i luft högre än hastigheten i vatten, och i rent optiskt glas är den lägre än i vatten.

Om ljuset går från mindre tätt medium till en tätare, minskar dess hastighet. Och om övergången sker från ett mer tätt medium till ett mindre tätt, ökar hastigheten tvärtom. Detta förklarar varför ljusstrålen avböjs vid övergångsgränsen mellan två media.

För att bestämma hastighet (tillryggalagd sträcka/tid) måste vi välja avstånd och tidsstandarder. Olika standarder kan ge olika hastighetsmätningar.

Är ljusets hastighet konstant?

[Faktum är att den fina strukturkonstanten beror på energiskalan, men här hänvisar vi till dess lågenergigräns.]

Särskild relativitetsteori

Definitionen av mätaren i SI-systemet är också baserad på antagandet om riktigheten av relativitetsteorin. Ljusets hastighet är konstant i enlighet med relativitetsteorins grundpostulat. Detta postulat innehåller två idéer:

Ljusets hastighet beror inte på betraktarens rörelse.
Ljusets hastighet beror inte på koordinater i tid och rum.

Tanken att ljusets hastighet är oberoende av betraktarens hastighet är kontraintuitiv. Vissa människor kan inte ens hålla med om att denna idé är logisk. 1905 visade Einstein att denna idé var logiskt korrekt om vi övergav antagandet om rummets och tidens absoluta natur.

1879 trodde man att ljus måste färdas genom något medium i rymden, precis som ljud färdas genom luft och andra ämnen. Michelson och Morley genomfört ett experiment för att upptäcka etern genom att observera förändringar i ljusets hastighet när riktningen för jordens rörelse i förhållande till solen förändras under hela året. Till deras förvåning upptäcktes ingen förändring i ljusets hastighet.

Oavsett färg, våglängd eller energi förblir hastigheten med vilken ljus färdas i vakuum konstant. Det beror inte på plats eller riktningar i rum och tid

Ingenting i universum kan röra sig snabbare än ljuset i ett vakuum. 299 792 458 meter per sekund. Om det är en massiv partikel kan den bara närma sig denna hastighet, men inte nå den; om det är en masslös partikel ska den alltid röra sig med exakt denna hastighet om det händer i tomt utrymme. Men hur vet vi detta och vad är anledningen till detta? Den här veckan ställer vår läsare oss tre frågor relaterade till ljusets hastighet:

Varför är ljusets hastighet ändlig? Varför är hon som hon är? Varför inte snabbare och inte långsammare?

Fram till 1800-talet hade vi inte ens bekräftelse på dessa uppgifter.

En illustration av ljus som passerar genom ett prisma och separeras i distinkta färger.

När ljus passerar genom vatten, ett prisma eller något annat medium separeras det i olika färger. Den röda färgen bryts i en annan vinkel än blå, varför något som en regnbåge dyker upp. Detta kan också observeras utanför det synliga spektrumet; infrarött och ultraviolett ljus beter sig på samma sätt. Detta skulle bara vara möjligt om ljusets hastighet i mediet är olika för ljus med olika våglängder/energier. Men i ett vakuum, utanför vilket medium som helst, rör sig allt ljus med samma ändliga hastighet.

Separationen av ljus i färger sker på grund av ljusets olika hastigheter, beroende på våglängden, genom mediet

Detta insågs först i mitten av 1800-talet, när fysikern James Clerk Maxwell visade vad ljus faktiskt är: en elektromagnetisk våg. Maxwell var den första som lade de oberoende fenomenen elektrostatik (statiska laddningar), elektrodynamik (rörliga laddningar och strömmar), magnetostatik (konstanta magnetiska fält) och magnetodynamik (inducerade strömmar och alternerande magnetiska fält) på en enda enhetlig plattform. Ekvationerna som styr det - Maxwells ekvationer - gör det möjligt att beräkna svaret på en till synes enkel fråga: vilka typer av elektriska och magnetiska fält kan existera i tomt utrymme utanför elektriska eller magnetiska källor? Utan laddningar och utan strömmar kan man bestämma att det inte finns några - men Maxwells ekvationer bevisar överraskande motsatsen.

Surfplatta med Maxwells ekvationer med baksidan hans monument

Ingenting är en av de möjliga lösningarna; men något annat är också möjligt - ömsesidigt vinkelräta elektriska och magnetiska fält som svänger i en fas. De har vissa amplituder. Deras energi bestäms av frekvensen av fältsvängningar. De rör sig med en viss hastighet, bestämd av två konstanter: ε 0 och µ 0. Dessa konstanter bestämmer storleken på elektriska och magnetiska interaktioner i vårt universum. Den resulterande ekvationen beskriver vågen. Och som vilken våg som helst har den en hastighet, 1/√ε 0 µ 0, som visar sig vara lika med c, ljusets hastighet i vakuum.

Ömsesidigt vinkelräta elektriska och magnetiska fält som oscillerar i en fas och fortplantar sig med ljusets hastighet bestämmer elektromagnetisk strålning

Ur en teoretisk synvinkel är ljus masslös elektromagnetisk strålning. Enligt elektromagnetismens lagar måste den röra sig med en hastighet på 1/√ε 0 µ 0, lika med c - oavsett dess övriga egenskaper (energi, rörelsemängd, våglängd). ε 0 kan mätas genom att tillverka och mäta en kondensator; µ 0 bestäms exakt från ampere, en enhet för elektrisk ström, som ger oss c. Samma fundamentala konstant, först härledd av Maxwell 1865, har dykt upp på många andra platser sedan dess:

Detta är hastigheten för alla masslösa partiklar eller vågor, inklusive gravitationella.
Detta är den grundläggande konstanten som relaterar din rörelse i rymden till din rörelse i tiden i relativitetsteorin.
Och detta är den fundamentala konstanten som relaterar energi till vilomassa, E = mc 2

Roemers observationer gav oss de första mätningarna av ljusets hastighet, erhållna med hjälp av geometri och mätning av den tid som krävs för ljuset att resa ett avstånd som är lika med diametern på jordens omloppsbana.

De första mätningarna av denna kvantitet gjordes under astronomiska observationer. När Jupiters månar går in i och lämnar förmörkelsepositioner verkar de vara synliga eller osynliga från jorden i en specifik sekvens beroende på ljusets hastighet. Detta ledde till den första kvantitativa mätningen av s på 1600-talet, som bestämdes till 2,2 × 10 8 m/s. Avböjningen av stjärnljus - på grund av stjärnans och jordens rörelse på vilken teleskopet är installerat - kan också uppskattas numeriskt. 1729 visade denna metod att mäta c ett värde som skilde sig från den moderna med endast 1,4 %. På 1970-talet bestämdes c till 299 792 458 m/s med ett fel på bara 0,0000002 %, varav mycket berodde på oförmågan att exakt definiera en meter eller sekund. År 1983 omdefinierades tvåan och mätaren i termer av c och de universella egenskaperna hos atomstrålning. Nu är ljusets hastighet exakt 299 792 458 m/s.

Atomövergång från 6S-omloppsbanan, δf 1, bestämmer ljusets mätare, sekund och hastighet

Så varför är ljusets hastighet inte snabbare eller långsammare? Förklaringen är så enkel som den som visas i fig. Ovan finns en atom. Atomövergångar sker som de gör på grund av de grundläggande kvantegenskaperna hos naturens byggstenar. Atomkärnans växelverkan med de elektriska och magnetiska fälten som skapas av elektroner och andra delar av atomen leder till att olika energinivåer hamnar extremt nära varandra, men ändå lite olika: detta kallas hyperfin splitting. I synnerhet emitterar övergångsfrekvensen för hyperfinstrukturen hos cesium-133 ljus med en mycket specifik frekvens. Tiden det tar för 9 192 631 770 sådana cykler att passera bestämmer den andra; avståndet som ljuset färdas under denna tid är 299 792 458 meter; Hastigheten med vilken detta ljus färdas bestämmer c.

En lila foton bär en miljon gånger mer energi än en gul foton. Fermi Gamma-ray rymdteleskop visar inga fördröjningar i någon av de fotoner som kommer till oss från gammastrålningen, vilket bekräftar konstanten i ljusets hastighet för alla energier

För att ändra denna definition måste något fundamentalt annorlunda än dess nuvarande natur hända med denna atomära övergång eller med ljuset som kommer från den. Detta exempel lär oss också en värdefull läxa: om atomfysik och atomövergångar hade fungerat annorlunda tidigare eller över långa avstånd, skulle det finnas bevis för att ljusets hastighet har förändrats över tiden. Hittills har alla våra mätningar endast infört ytterligare begränsningar för ljusets hastighets konstans, och dessa begränsningar är mycket strikta: förändringen överstiger inte 7% av det nuvarande värdet under de senaste 13,7 miljarder åren. Om, med någon av dessa mätetal, ljusets hastighet visade sig vara inkonsekvent, eller om den var olika för olika typer av ljus, skulle det leda till den största vetenskapliga revolutionen sedan Einstein. Istället pekar alla bevis på ett universum där alla fysikens lagar förblir desamma hela tiden, överallt, i alla riktningar, hela tiden, inklusive själva ljusets fysik. På sätt och vis är detta också ganska revolutionerande information.

På 1800-talet skedde flera vetenskapliga experiment som ledde till upptäckten av en rad nya fenomen. Bland dessa fenomen är Hans Oersteds upptäckt av genereringen av magnetisk induktion elchock. Senare upptäckte Michael Faraday den motsatta effekten, som kallades elektromagnetisk induktion.

James Maxwells ekvationer - ljusets elektromagnetiska natur

Som ett resultat av dessa upptäckter noterades den så kallade "interaktionen på avstånd", vilket resulterade i den nya teorin om elektromagnetism som formulerades av Wilhelm Weber, som var baserad på långdistansverkan. Senare definierade Maxwell begreppet elektriska och magnetiska fält, som är kapabla att generera varandra, vilket är en elektromagnetisk våg. Därefter använde Maxwell den så kallade "elektromagnetiska konstanten" i sina ekvationer - Med.

Vid den tiden hade forskare redan kommit nära det faktum att ljus är elektromagnetiskt till sin natur. Den fysiska innebörden av den elektromagnetiska konstanten är hastigheten för utbredning av elektromagnetiska excitationer. Till James Maxwells överraskning visade sig det uppmätta värdet av denna konstant i experiment med enhetsladdningar och strömmar vara lika med ljusets hastighet i vakuum.

Innan denna upptäckt mänskligheten delade ljus, elektricitet och magnetism. Maxwells generalisering gjorde det möjligt för oss att ta en ny titt på ljusets natur, som ett visst fragment av elektriska och magnetiska fält som fortplantar sig oberoende i rymden.

Bilden nedan visar ett diagram över utbredningen av en elektromagnetisk våg, som också är ljus. Här är H spänningsvektorn magnetiskt fält, E är vektorn för elektrisk fältstyrka. Båda vektorerna är vinkelräta mot varandra, såväl som till vågens utbredningsriktning.

Michelson-experiment - ljusets hastighets absoluthet

Den tidens fysik byggde till stor del på Galileos relativitetsprincip, enligt vilken mekanikens lagar ser likadana ut i valfri vald tröghetsreferensram. Samtidigt, enligt tillägget av hastigheter, bör utbredningshastigheten bero på källans hastighet. Men i det här fallet skulle den elektromagnetiska vågen bete sig annorlunda beroende på valet av referensram, vilket bryter mot Galileos relativitetsprincip. Således var Maxwells till synes välformade teori i ett skakigt tillstånd.

Experiment har visat att ljusets hastighet verkligen inte beror på källans hastighet, vilket innebär att det krävs en teori som kan förklara ett så konstigt faktum. Den bästa teorin vid den tiden visade sig vara teorin om "eter" - ett visst medium där ljus fortplantar sig, precis som ljud fortplantar sig i luften. Då skulle ljusets hastighet inte bestämmas av källans rörelsehastighet, utan av egenskaperna hos själva mediet - etern.

Många experiment har genomförts för att upptäcka etern, varav det mest kända är experimentet av den amerikanske fysikern Albert Michelson. Kort sagt är det känt att jorden rör sig i yttre rymden. Då är det logiskt att anta att den också rör sig genom etern, eftersom eterns fullständiga fäste vid jorden inte bara är den högsta graden av egoism, utan kan helt enkelt inte orsakas av någonting. Om jorden rör sig genom ett visst medium där ljus utbreder sig, så är det logiskt att anta att tillägget av hastigheter sker här. Det vill säga att ljusets utbredning måste bero på jordens rörelseriktning, som flyger genom etern. Som ett resultat av sina experiment upptäckte Michelson ingen skillnad mellan ljusets utbredningshastighet i båda riktningarna från jorden.

Den holländska fysikern Hendrik Lorentz försökte lösa detta problem. Enligt hans antagande påverkade den "eteriska vinden" kroppar på ett sådant sätt att de minskade sin storlek i rörelseriktningen. Baserat på detta antagande upplevde både jorden och Michelsons enhet denna Lorentz-sammandragning, som ett resultat av vilket Albert Michelson fick samma hastighet för ljusets utbredning i båda riktningarna. Och även om Lorentz var något framgångsrikt i att fördröja eterteorins död, ansåg forskare fortfarande att denna teori var "långsökt". Således skulle etern ha ett antal "sagoegenskaper", inklusive viktlöshet och frånvaro av motstånd mot rörliga kroppar.

Slutet på eterns historia kom 1905 med publiceringen av artikeln "On the Electrodynamics of Moving Bodies" av den då föga kända Albert Einstein.

Albert Einsteins speciella relativitetsteori

Tjugosexårige Albert Einstein uttryckte en helt ny, annorlunda syn på rummets och tidens natur, som stred mot tidens idéer och i synnerhet grovt kränkt Galileos relativitetsprincip. Enligt Einstein gav Michelsons experiment inga positiva resultat av den anledningen att rum och tid har sådana egenskaper att ljusets hastighet är ett absolut värde. Det vill säga, oavsett vilken referensram observatören befinner sig i, så är ljusets hastighet i förhållande till honom alltid densamma, 300 000 km/sek. Av detta följde omöjligheten att tillämpa tillägg av hastigheter i förhållande till ljus - oavsett hur snabbt ljuskällan rör sig kommer ljusets hastighet inte att förändras (lägga till eller subtrahera).

Einstein använde Lorentz-kontraktionen för att beskriva förändringar i parametrarna för kroppar som rör sig med hastigheter nära ljusets hastighet. Så till exempel kommer längden på sådana kroppar att minska, och deras egen tid kommer att sakta ner. Koefficienten för sådana förändringar kallas Lorentz-faktorn. Einsteins berömda formel E=mc 2 inkluderar faktiskt också Lorentz-faktorn ( E= ymc 2), vilket i allmänhet är lika med enhet i fallet när kroppshastigheten v lika med noll. När kroppshastigheten närmar sig v till ljusets hastighet c Lorentz faktor y rusar mot oändligheten. Det följer av detta att för att accelerera en kropp till ljusets hastighet kommer det att krävas en oändlig mängd energi, och därför är det omöjligt att passera denna hastighetsgräns.

Det finns också ett argument för detta uttalande som kallas "relativiteten av samtidighet."

Paradox av relativiteten för samtidighet av SRT

Kort sagt, fenomenet med relativitet av simultanitet är att klockor som är placerade på olika punkter i rymden bara kan köras "samtidigt" om de är i samma tröghetsreferensram. Det vill säga tiden på klockan beror på valet av referenssystem.

Av detta följer paradoxen att händelse B, som är en konsekvens av händelse A, kan inträffa samtidigt med den. Dessutom är det möjligt att välja referenssystem på ett sådant sätt att händelse B inträffar tidigare än händelse A som orsakade den. Ett sådant fenomen bryter mot kausalitetsprincipen, som är ganska fast förankrad i vetenskapen och aldrig har ifrågasatts. Denna hypotetiska situation observeras dock endast i fallet när avståndet mellan händelserna A och B är större än tidsintervallet mellan dem multiplicerat med den "elektromagnetiska konstanten" - Med. Alltså konstanten c, som är lika med ljusets hastighet, är den maximala hastigheten för informationsöverföring. Annars skulle kausalitetsprincipen kränkas.

Hur mäts ljusets hastighet?

Iakttagelser av Olaf Roemer

Forntidens vetenskapsmän trodde till största delen att ljus rör sig med oändlig hastighet, och den första uppskattningen av ljusets hastighet erhölls redan 1676. Den danske astronomen Olaf Roemer observerade Jupiter och dess månar. I det ögonblick då jorden och Jupiter befann sig på motsatta sidor av solen, fördröjdes förmörkelsen av Jupiters satellit Io med 22 minuter jämfört med den beräknade tiden. Den enda lösning som Olaf Roemer hittat är att ljusets hastighet är begränsande. Av denna anledning är information om den observerade händelsen försenad med 22 minuter, eftersom det tar lite tid att resa avståndet från Io-satelliten till astronomens teleskop. Enligt Roemers beräkningar var ljusets hastighet 220 000 km/s.

Observationer av James Bradley

År 1727 upptäckte den engelske astronomen James Bradley fenomenet ljusaberration. Kärnan i detta fenomen är att när jorden rör sig runt solen, såväl som under jordens egen rotation, observeras en förskjutning av stjärnor på natthimlen. Eftersom den jordboende observatören och jorden själv hela tiden ändrar sin rörelseriktning i förhållande till den observerade stjärnan, färdas ljuset som stjärnan sänder ut olika avstånd och faller i olika vinklar mot observatören över tiden. Ljusets begränsade hastighet leder till att stjärnorna på himlen beskriver en ellips under hela året. Detta experiment gjorde det möjligt för James Bradley att uppskatta ljusets hastighet - 308 000 km/s.

Louis Fizeau-upplevelsen

1849 genomförde den franske fysikern Louis Fizeau ett laboratorieexperiment för att mäta ljusets hastighet. Fysikern installerade en spegel i Paris på ett avstånd av 8 633 meter från källan, men enligt Roemers beräkningar kommer ljuset att färdas detta avstånd på hundra tusendelar av en sekund. En sådan klocknoggrannhet var ouppnåelig då. Fizeau använde sedan ett kugghjul som roterade på vägen från källan till spegeln och från spegeln till betraktaren, vars tänder periodvis blockerade ljuset. I fallet när en ljusstråle från källan till spegeln passerade mellan tänderna och på vägen tillbaka träffade en tand, fördubblade fysikern hjulets rotationshastighet. När hjulets rotationshastighet ökade slutade ljuset nästan att försvinna tills rotationshastigheten nådde 12,67 varv per sekund. I detta ögonblick försvann ljuset igen.

En sådan observation innebar att ljuset ständigt "stöt" in i tänderna och inte hade tid att "glida" mellan dem. Genom att känna till hjulets rotationshastighet, antalet tänder och två gånger avståndet från källan till spegeln, beräknade Fizeau ljusets hastighet, som visade sig vara lika med 315 000 km/sek.

Ett år senare genomförde en annan fransk fysiker Leon Foucault ett liknande experiment där han använde en roterande spegel istället för ett kugghjul. Värdet han fick för ljusets hastighet i luft var 298 000 km/s.

Ett sekel senare förbättrades Fizeaus metod så mycket att ett liknande experiment utfört 1950 av E. Bergstrand gav ett hastighetsvärde på 299 793,1 km/s. Detta nummer skiljer sig endast med 1 km/s från det aktuella värdet på ljusets hastighet.

Ytterligare mätningar

Med tillkomsten av lasrar och ökande noggrannhet hos mätinstrument var det möjligt att minska mätfelet ner till 1 m/s. Så 1972 använde amerikanska forskare en laser för sina experiment. Genom att mäta laserstrålens frekvens och våglängd kunde de få ett värde på 299 792 458 m/s. Det är anmärkningsvärt att en ytterligare ökning av noggrannheten för att mäta ljusets hastighet i vakuum var omöjlig, inte på grund av instrumentens tekniska brister utan på grund av felet i själva mätarstandarden. Av denna anledning, 1983, definierade XVII General Conference on Weights and Measures mätaren som det avstånd som ljuset färdas i ett vakuum på en tid lika med 1/299 792 458 sekunder.

Låt oss sammanfatta det

Så av allt ovanstående följer att ljusets hastighet i ett vakuum är en grundläggande fysisk konstant som förekommer i många grundläggande teorier. Denna hastighet är absolut, det vill säga den beror inte på valet av referenssystem, och är också lika med den maximala hastigheten för informationsöverföring. Inte bara elektromagnetiska vågor (ljus), utan även alla masslösa partiklar rör sig med denna hastighet. Inklusive, förmodligen, graviton, en partikel av gravitationsvågor. Bland annat, på grund av relativistiska effekter, står ljusets egen tid bokstavligen stilla.

Sådana egenskaper hos ljus, särskilt otillämpligheten av principen om tillägg av hastigheter till det, passar inte in i huvudet. Men många experiment bekräftar egenskaperna som anges ovan, och ett antal grundläggande teorier är baserade just på denna ljusets natur.

Ämnet om hur man mäter, liksom vad ljusets hastighet är, har intresserat forskare sedan antiken. Detta är ett mycket fascinerande ämne, som sedan urminnes tider har varit föremål för vetenskaplig debatt. Man tror att en sådan hastighet är ändlig, ouppnåelig och konstant. Det är ouppnåeligt och konstant, som oändligheten. Samtidigt är det ändligt. Det visar sig vara ett intressant fysiskt och matematiskt pussel. Det finns ett alternativ för att lösa detta problem. Trots allt mättes ljusets hastighet fortfarande.

I forna tider trodde tänkare det ljusets hastighet- det här är en oändlig mängd. Den första uppskattningen av denna indikator gavs 1676. Olaf Römer. Enligt hans beräkningar var ljusets hastighet cirka 220 tusen km/s. Detta var inte ett helt korrekt värde, men nära det sanna.

Finitud och uppskattningen av ljusets hastighet bekräftades ett halvt sekel senare.

I framtiden, vetenskapsmannen Fizeau Det var möjligt att bestämma ljusets hastighet när det tog strålen att färdas en exakt sträcka.

Han genomförde ett experiment (se figur), under vilket en ljusstråle avvek från källan S, reflekterades av spegel 3, avbröts av tandskiva 2 och passerade basen (8 km). Sedan reflekterades det av spegel 1 och återfördes till skivan. Ljuset föll in i gapet mellan tänderna och kunde observeras genom okularet 4. Tiden det tog strålen att färdas genom basen bestämdes beroende på skivans rotationshastighet. Värdet erhållet av Fizeau var: c = 313300 km/s.

Hastigheten för strålens utbredning i något speciellt medium är mindre än denna hastighet i ett vakuum. Dessutom för olika ämnen denna indikator har olika värden. Efter några år Foucault ersatt skivan med en snabbt roterande spegel. Anhängarna av dessa forskare använde upprepade gånger sina metoder och forskningsdesigner.

Linser är grunden för optiska instrument. Vet du hur det räknas ut? Du kan ta reda på det genom att läsa en av våra artiklar.

Du kan hitta information om hur du ställer in ett optiskt sikte som består av sådana linser. Läs vårt material så kommer du inte ha några frågor om ämnet.

Vad är ljusets hastighet i vakuum?

Den mest exakta mätningen av ljusets hastighet visar siffran 1 079 252 848,8 kilometer i timmen eller 299 792 458 m/s. Denna siffra är endast giltig för förhållanden som skapas i ett vakuum.

Men för att lösa problem används vanligtvis indikatorn 300 000 000 m/s. I ett vakuum är ljusets hastighet i Planck-enheter 1. Ljusenergin färdas alltså 1 Planck-längdenhet på 1 Planck-tid. Om ett vakuum skapas i naturliga förhållanden, då kan de röra sig med sådan hastighet Röntgenstrålar, synliga ljusvågor och gravitationsvågor.

Det finns en tydlig uppfattning bland forskare att partiklar med massa kan ta en hastighet som är så nära ljusets hastighet som möjligt. Men de kan inte uppnå och överträffa indikatorn. Den högsta hastigheten, nära ljusets hastighet, registrerades under studiet av kosmiska strålar och under accelerationen av vissa partiklar i acceleratorer.

Ljushastigheten i vilket medium som helst beror på brytningsindexet för detta medium.

Denna indikator kan vara olika för olika frekvenser. Noggrann mätning av kvantiteten är viktig för beräkningen av andra fysiska parametrar. Till exempel för att bestämma avståndet under passagen av ljus eller radiosignaler i optisk avståndsavstånd, radar, ljusavstånd och andra områden.

Moderna forskare använder olika metoder för att bestämma ljusets hastighet. Vissa experter använder astronomiska metoder, såväl som mätmetoder med experimentell teknik. Den förbättrade Fizeau-metoden används ofta. I detta fall ersätts kugghjulet med en ljusmodulator, som försvagar eller avbryter ljusstrålen. Mottagaren här är en fotoelektrisk multiplikator eller fotocell. Ljuskällan kan vara en laser, vilket hjälper till att minska mätfel. Bestämning av ljusets hastighet Beroende på tiden för basens passage kan det göras med direkta eller indirekta metoder, som också gör det möjligt att få exakta resultat.

Vilka formler används för att beräkna ljusets hastighet?

Ljusets utbredningshastighet i vakuum är ett absolut värde. Fysiker betecknar det med bokstaven "c". Detta är ett grundläggande och konstant värde som inte är beroende av val av rapporteringssystem och som präglar tid och rum som helhet. Forskare antar att denna hastighet är den maximala hastigheten för partikelrörelse.
Ljushastighetsformel i ett vakuum:

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

här är c en indikator på ljusets hastighet i vakuum.
Det har forskare bevisat ljusets hastighet i luften nästan sammanfaller med ljusets hastighet i vakuum. Det kan beräknas med formeln: