Viteza de propagare a luminii într-o formulă de substanță. Lumină lentă. Viteza luminii într-un mediu. Experiența Louis Fizeau

În primăvara anului trecut, reviste științifice și de popularizare din întreaga lume au raportat știri senzaționale. Fizicienii americani au efectuat un experiment unic: au reușit să scadă viteza luminii la 17 metri pe secundă.

Toată lumea știe că lumina călătorește cu o viteză extraordinară - aproape 300 de mii de kilometri pe secundă. Valoarea exactă a valorii sale în vid = 299792458 m/s este o constantă fizică fundamentală. Conform teoriei relativității, aceasta este viteza maximă posibilă de transmisie a semnalului.

În orice mediu transparent, lumina se deplasează mai încet. Viteza sa v depinde de indicele de refracție al mediului n: v = c/n. Indicele de refracție al aerului este de 1,0003, apă - 1,33, diferite tipuri de sticlă - de la 1,5 la 1,8. Una dintre cele mai mari valori ale indicelui de refracție este diamantul - 2,42. Astfel, viteza luminii în substanțele obișnuite va scădea de cel mult 2,5 ori.

La începutul anului 1999, un grup de fizicieni de la Institutul Rowland cercetare științifică de la Universitatea Harvard (Massachusetts, SUA) și de la Universitatea Stanford (California) au investigat efectul cuantic macroscopic - așa-numita transparență autoindusă, prin trecerea impulsurilor laser printr-un mediu opac în condiții normale. Acest mediu era atomi de sodiu într-o stare specială numită condensat Bose-Einstein. Când este iradiat cu un impuls laser, acesta dobândește proprietăți optice care reduc viteza de grup a impulsului cu un factor de 20 de milioane în comparație cu viteza în vid. Experimentatorii au reușit să aducă viteza luminii până la 17 m/s!

Înainte de a descrie esența acestui experiment unic, să ne amintim semnificația unor concepte fizice.

viteza de grup. Când lumina se propagă într-un mediu, se disting două viteze - fază și grup. Viteza de fază vph caracterizează mișcarea fazei unei unde monocromatice ideale - o sinusoidă infinită de strict o frecvență și determină direcția de propagare a luminii. Viteza fazei în mediu corespunde indicelui de refracție a fazei - același ale cărui valori sunt măsurate pentru diverse substante. Indicele de fază de refracție și, prin urmare, viteza de fază, depinde de lungimea de undă. Această dependență se numește dispersie; duce, în special, la descompunere lumină albă trecând prin prismă în spectru.

Dar o undă luminoasă reală constă dintr-un set de unde de frecvențe diferite, grupate într-un anumit interval spectral. Un astfel de set se numește un grup de unde, un pachet de undă sau un impuls de lumină. Aceste unde se propagă într-un mediu cu viteze de fază diferite datorită dispersiei. În acest caz, pulsul este întins și forma lui se schimbă. Prin urmare, pentru a descrie mișcarea unui impuls, a unui grup de unde în ansamblu, este introdus conceptul de viteză de grup. Are sens numai în cazul unui spectru îngust și într-un mediu cu dispersie slabă, când diferența dintre vitezele de fază ale componentelor individuale este mică. Pentru a înțelege mai bine situația, putem face o analogie vizuală.

Imaginați-vă că șapte sportivi s-au aliniat pe linia de start, îmbrăcați în tricouri multicolore după culorile spectrului: roșu, portocaliu, galben etc. La semnalul pistolului de start, aceștia încep să alerge în același timp. , dar sportivul "rosu" alearga mai repede decat cel "portocaliu". , "portocaliu" este mai rapid decat "galben" etc., astfel incat se intind intr-un lant care creste continuu in lungime. Și acum imaginați-vă că le privim de sus de la o astfel de înălțime încât nu putem distinge alergătorii individuali, ci vedem doar un loc pestriț. Este posibil să vorbim despre viteza de mișcare a acestui loc în ansamblu? Este posibil, dar numai dacă nu este foarte neclar, când diferența de viteză a alergătorilor de diferite culori este mică. În caz contrar, locul se poate întinde pe toată lungimea pistei, iar problema vitezei sale își va pierde sensul. Aceasta corespunde unei dispersii puternice - o răspândire mare a vitezelor. Dacă alergătorii sunt îmbrăcați în tricouri de aproape aceeași culoare, care diferă doar în nuanțe (să zicem, de la roșu închis la roșu deschis), acest lucru va corespunde cu un spectru îngust. Atunci vitezele alergătorilor nu vor diferi mult, grupul va rămâne destul de compact în timpul mișcării și poate fi caracterizat printr-o valoare bine definită a vitezei, care se numește viteza de grup.

Statistica Bose-Einstein. Acesta este unul dintre tipurile de așa-numite statistici cuantice - o teorie care descrie starea sistemelor care conțin foarte multe număr mare particule care respectă legile mecanicii cuantice.

Toate particulele - ambele închise într-un atom și libere - sunt împărțite în două clase. Pentru una dintre ele este valabil principiul excluderii Pauli, conform căruia nu poate exista mai mult de o particulă la fiecare nivel de energie. Particulele din această clasă se numesc fermioni (aceștia sunt electroni, protoni și neutroni; aceeași clasă include particule formate dintr-un număr impar de fermioni), iar legea distribuției lor se numește statistică Fermi-Dirac. Particulele din altă clasă se numesc bosoni și nu se supun principiului Pauli: un număr nelimitat de bosoni se pot acumula la un nivel de energie. În acest caz se vorbește despre statistica Bose-Einstein. Bosonii includ fotoni, dintre care unii sunt de scurtă durată particule elementare(de exemplu, pi-mezoni), precum și atomi formați dintr-un număr par de fermioni. La temperaturi foarte scăzute, bosonii se adună la cel mai scăzut nivel de energie – de bază; Apoi se spune că are loc condensarea Bose-Einstein. Atomii condensatului își pierd proprietățile individuale și câteva milioane dintre ei încep să se comporte ca un întreg, funcțiile lor de undă se contopesc, iar comportamentul este descris de o ecuație. Acest lucru face posibil să spunem că atomii condensatului au devenit coerenți, ca fotonii din radiația laser. Cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA au folosit această proprietate a condensatului Bose-Einstein pentru a crea un „laser atomic” (vezi „Science and Life” nr. 10, 1997).

Transparență autoindusă. Acesta este unul dintre efectele opticii neliniare - optica câmpurilor luminoase puternice. Constă în faptul că un impuls luminos foarte scurt și puternic trece fără atenuare printr-un mediu care absoarbe radiații continue sau impulsuri lungi: un mediu opac devine transparent pentru acesta. Transparența autoindusă se observă în gazele rarefiate cu o durată a impulsului de ordinul 10-7 - 10-8 s și în mediile condensate - mai puțin de 10-11 s. În acest caz, există o întârziere a pulsului - viteza grupului său este mult redusă. Acest efect a fost demonstrat pentru prima dată de McCall și Hahn în 1967 pe rubin la o temperatură de 4 K. În 1970, s-au obținut întârzieri în vaporii de rubidiu corespunzând vitezelor pulsului de trei ordine de mărime (de 1000 de ori) mai mici decât viteza luminii în vid.

Să ne întoarcem acum la experimentul unic din 1999. A fost realizat de Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Institutul Rowland) și Steve Harris (Universitatea Stanford). Au răcit un nor dens de atomi de sodiu ținut de un câmp magnetic până la tranziția lor la starea fundamentală - la nivelul cu minimă energie. În acest caz, au fost izolați doar acei atomi, în care momentul dipolului magnetic a fost îndreptat opus direcției camp magnetic. Cercetătorii au răcit apoi norul la mai puțin de 435 nK (nanokelvin, adică 0,000000435 K, aproape la zero absolut).

După aceea, condensatul a fost iluminat cu un „faz de legătură” de lumină laser polarizată liniar, cu o frecvență corespunzătoare energiei excitației sale slabe. Atomii s-au mutat la un nivel de energie mai înalt și au încetat să mai absoarbă lumina. Ca rezultat, condensul a devenit transparent la următoarea radiație laser. Și aici au apărut efecte foarte ciudate și neobișnuite. Măsurătorile au arătat că, în anumite condiții, un puls care trece printr-un condensat Bose-Einstein suferă o întârziere corespunzătoare încetinirii luminii cu mai mult de șapte ordine de mărime - de 20 de milioane de ori. Viteza pulsului de lumină a scăzut la 17 m/s, iar lungimea sa a scăzut de mai multe ori - până la 43 de micrometri.

Cercetătorii cred că, evitând încălzirea cu laser a condensului, vor putea încetini și mai mult lumina - poate la o viteză de câțiva centimetri pe secundă.

Un sistem cu astfel de caracteristici neobișnuite va face posibilă studierea proprietăților optice cuantice ale materiei, precum și crearea diferitelor dispozitive pentru computerele cuantice ale viitorului, de exemplu, comutatoare cu un singur foton.

Viteza luminii este distanța pe care o parcurge lumina pe unitatea de timp. Această valoare depinde de mediul 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 cu viteza luminii în vid: unde radio, radiații infraroșii, lumină vizibilă, radiații ultraviolete, raze X, radiații gama. Desemnează-l cu o literă din .

Cum se determină viteza luminii?

În antichitate, oamenii de știință credeau că viteza luminii era infinită. Ulterior, au început discuții pe această temă în comunitatea științifică. 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 măsurat viteza luminii a fost omul de știință italian Galileo Galilei. În timpul experimentului, el și asistentul său au fost pe diferite dealuri. Galileo deschise amortizorul lanternei lui. În acel moment, când asistentul a văzut această lumină, a trebuit să facă același lucru 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 propagă aproape. imediat. Iar timpul înregistrat de el arată doar viteza de reacție a unei persoane.

Viteza luminii a fost determinată pentru prima dată în 1676 de astronomul danez Olaf Römer folosind distanțe astronomice. Observând cu un telescop eclipsa lunii Io a lui Jupiter, a descoperit că, pe măsură ce Pământul se îndepărtează de Jupiter, fiecare eclipsă ulterioară vine mai târziu decât a fost calculat. Întârzierea maximă, 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 la acea vreme diametrul exact al Pământului nu era cunoscut, omul de știință și-a împărțit valoarea aproximativă la 22 de ore și a venit cu o valoare de aproximativ 220.000 km/s.

Olaf Römer

Rezultatul obținut de Römer 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 direcționată către o oglindă. Reflectat de la el, s-a întors înapoi. Viteza roții a crescut. Când a ajuns la o anumită valoare, fasciculul reflectat de oglindă a fost întârziat de dintele mișcat, iar observatorul în acel moment nu a văzut nimic.

Experiența lui Fizeau

Fizeau a calculat viteza luminii după cum urmează. Lumina merge pe drum L de la roată la oglindă într-un timp egal cu t1 = 2L/s . Timpul necesar roții pentru a face o jumătate de rotație este t 2 \u003d T / 2N , Unde T - perioada de rotație a roții, N - numarul de dinti. Frecvența de rotație v = 1/T . Vine momentul în care observatorul nu vede lumina t1 = t2 . De aici obținem formula pentru determinarea vitezei luminii:

c = 4LNv

După ce a calculat această formulă, Fizeau a stabilit că din = 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 oglinzilor rotative pentru a calcula viteza luminii. Această idee a fost pusă în practică de către fizicianul, mecanicul și astronomul francez Jean Bernard Léon 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 din = (99 810 000±50 000) m/s.

Studiile fizicianului american Albert Abraham Michelson, care a folosit o instalație cu o oglindă octaedrică rotativă, au făcut posibilă determinarea mai precisă a vitezei luminii. În 1926, omul de știință a măsurat timpul în care lumina a parcurs distanța dintre vârfurile a doi munți, egală cu 35,4 km, și a primit din = (299 796 000±4 000) m/s.

Cea mai precisă măsurătoare a fost făcută 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.

Ceea ce determină viteza luminii

Viteza luminii în vid nu depinde de cadrul de referință sau 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 sus, cu atât lumina se propaga mai lent în ea. Deci, 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 are loc 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 tranziției a două medii.

Pentru a determina viteza (distanța parcursă / timpul scurs) trebuie să alegem distanța și standardele de timp. Standarde diferite pot da rezultate diferite de măsurare a vitezei.

Este constantă viteza luminii?

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

Teoria specială a relativității

Definiția contorului în sistemul SI se bazează și pe presupunerea că teoria relativității este corectă. Viteza luminii este o 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 este 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 se propagă printr-un mediu din spațiu, la fel cum sunetul se propagă prin aer și alte substanțe. Michelson și Morley a înființat un experiment pentru a detecta eterul observând schimbarea vitezei luminii atunci când direcția mișcării Pământului față de Soare se schimbă în timpul anului. Spre surprinderea lor, nu a fost detectată nicio modificare a vitezei luminii.

În secolul al XIX-lea, au avut loc mai multe experimente științifice care au dus la descoperirea unui număr de fenomene noi. Printre aceste fenomene se numără descoperirea de către 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”, în urma căreia noua teorie a electromagnetismului, formulată de Wilhelm Weber, s-a bazat pe interacțiunea pe 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 în ecuațiile sale așa-numita „constantă electromagnetică” - din.

Până atunci, oamenii de știință se apropiaseră deja de faptul că lumina are natura 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 împărtășea lumina, electricitatea și magnetismul. Generalizarea lui Maxwell a făcut posibilă o nouă privire asupra naturii luminii, ca 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 câmp electric. Ambii vectori sunt perpendiculari unul pe celălalt, precum și pe direcția de propagare a undei.

Experimentul lui Michelson - absolutitatea vitezei luminii

Fizica acelei vremuri a fost construită în mare măsură ținând cont de principiul relativității al 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 fi trebuit 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 construită a lui Maxwell era într-o stare instabilă.

Experimentele au arătat că viteza luminii nu depinde cu adevărat 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 era 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 sursei, ci de caracteristicile mediului însuși - eterul.

Au fost întreprinse numeroase experimente pentru a descoperi eterul, dintre care cel mai faimos este experiența fizicianului american Albert Michelson. Pe scurt, știm că Pământul se deplasează 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 mediu în care se propagă lumina, atunci este logic să presupunem că există o adăugare de viteze. Adică, propagarea luminii ar trebui să depindă de direcția de mișcare a Pământului, care zboară prin eter. Ca rezultat al experimentelor sale, Michelson nu a găsit 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 acestea și-au redus dimensiunea în direcția mișcării lor. Pe baza acestei presupuneri, atât Pământul, cât și aparatul 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 momentul morții teoriei eterului, oamenii de știință au simțit totuși că această teorie a fost „exagerată”. Deci eterul trebuia să aibă o serie de proprietăți „fabuloase”, 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 atunci puțin cunoscut Albert Einstein.

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 de atunci 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 de 300.000 km/s. 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 modificarea parametrilor corpurilor care se mișcă la viteze apropiate de viteza luminii. Deci, de exemplu, lungimea unor astfel de corpuri va fi redusă, iar timpul lor va încetini. Coeficientul unor astfel de modificări se numește factor Lorentz. Formula cunoscută Einstein E=mc 2 include de fapt și factorul Lorentz ( E= ymc2), care în cazul general este egal cu unitatea, în cazul în care viteza corpului v este egal cu zero. Pe măsură ce viteza corpului se apropie v la viteza luminii c factorul Lorentz y se repezi spre infinit. De aici rezultă că pentru a accelera corpul la viteza luminii este necesară o cantitate infinită de energie și, prin urmare, este imposibil să depășiți această limită de viteză.

În favoarea acestei afirmații, există și un astfel de argument precum „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.

Acest lucru implică și un astfel de paradox încât evenimentul B, care este o consecință a evenimentului A, poate avea loc simultan cu acesta. În plus, se pot alege cadre de referință în așa fel încât evenimentul B să aibă loc mai devreme decât evenimentul A care l-a cauzat.Un astfel de fenomen încalcă principiul cauzalității, care este destul de ferm stabilit în știință și nu a fost niciodată pus la îndoială. Totuși, această situație ipotetică se observă numai atunci când distanța dintre evenimentele A și B este mai mare decât intervalul de timp dintre ele, înmulțit cu „constanta electromagnetică” - din. Deci constanta c, care este egală cu viteza luminii, este viteza maximă de transfer de informații. În caz contrar, principiul cauzalității ar fi încălcat.

Cum se măsoară viteza luminii?

Observații de Olaf Römer

Oamenii de știință din antichitate credeau în cea mai mare parte că lumina se mișcă cu o viteză infinită, iar prima estimare a vitezei luminii a fost obținută încă din 1676. Astronomul danez Olaf Römer a observat Jupiter și lunile sale. În momentul în care Pământul și Jupiter erau cu părți opuse Soare, eclipsa lunii Io a lui Jupiter a întârziat 22 de minute față de timpul calculat. Singura soluție pe care a găsit-o Olaf Römer este că viteza luminii este limita. 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. Roemer a calculat că viteza luminii era de 220.000 km/s.

Observațiile lui James Bradley

În 1727, astronomul englez James Bradley a descoperit fenomenul aberației luminii. esență acest fenomen constă în faptul că în timpul mișcării Pământului în jurul Soarelui, precum și în timpul propriei rotații a Pământului, se observă o deplasare a stelelor pe cerul nopții. Deoarece observatorul de pe Pământ 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 face ca stelele de pe cer să descrie o elipsă în timpul 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 pus bazele unui 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 Römer, lumina va parcurge această distanță într-o sută de mii de secundă. O astfel de precizie a ceasului era atunci de neatins. Apoi Fizeau a folosit o roată dințată, care se învârtea pe drumul de la sursă la oglindă și de la oglindă la observator, ai cărei dinți blocau periodic lumina. În cazul în care fasciculul de lumină de la sursă la oglindă a trecut printre dinți și a lovit dintele la întoarcere, fizicianul a dublat viteza roții. Odată cu creșterea vitezei de rotație a roții, lumina practic a încetat să dispară, până când viteza de rotație a ajuns la 12,67 de rotații pe secundă. În acel 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 de 315.000 km/sec.

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

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

Alte măsurători

Odată cu apariția laserelor și o creștere a preciziei instrumentelor de măsură, 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 irealizabilă, nu din cauza imperfecțiunii tehnice a instrumentelor, ci din cauza erorii standardului contorului în sine. Din acest motiv, în 1983, a 17-a Conferință Generală pentru Greutăți și Măsuri a definit metrul ca distanța parcursă de lumină în vid într-un timp egal cu 1/299.792.458 dintr-o secundă.

Rezumând

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 rată este absolută, adică nu depinde de alegerea sistemului de referință și este, de asemenea, egală cu rata limită de transfer de informații. Cu această viteză în mișcare nu numai undele electromagnetice(lumină), dar și toate particulele fără masă. Inclusiv, probabil, gravitonul - o particulă de unde gravitaționale. În plus, datorită efectelor relativiste, timpul potrivit pentru lumină merită literalmente.

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 se bazează tocmai pe această natură a luminii.