Viteza luminii în aer. Care este viteza luminii. Ecuațiile lui James Maxwell - Natura electromagnetică a 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 o natură electromagnetică. Sensul fizic al constantei electromagnetice este viteza de propagare a excitațiilor electromagnetice. Spre surprinderea lui James Maxwell însuși, valoarea măsurată a acestei constante în experimente cu sarcini și curenți unitare s-a dovedit a fi egal cu viteza lumina in 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 camp 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 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. Totuși, 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 multe 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. Cu toate acestea, 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 la cale un experiment de laborator pentru a măsura viteza luminii. Fizicianul a instalat o oglindă la Paris la o distanță de 8.633 de metri de sursă, dar conform calculelor lui 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 atins 12,67 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. Nu numai undele electromagnetice (lumina) se mișcă cu această viteză, ci 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.
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.
epigraf
Profesorul întreabă: Copii, care este cel mai rapid lucru din lume?
Tanechka spune: Cuvântul este cel mai rapid. Tocmai ai spus că nu te vei întoarce.
Vanechka spune: Nu, lumina este cea mai rapidă.
Tocmai am apăsat pe întrerupător, iar camera a devenit imediat lumină.
Și Vovochka obiectează: Diareea este cel mai rapid lucru din lume.
Odată am fost atât de nerăbdător încât nici un cuvânt
Nu am avut timp să spun, nu am aprins lumina.
Te-ai întrebat vreodată de ce viteza luminii este maximă, finită și constantă în Universul nostru? Aceasta este o întrebare foarte interesantă și imediat, ca spoiler, voi emite teribil secret Răspunsul la asta este că nimeni nu știe exact de ce. Se ia viteza luminii, i.e. acceptat mental pentru o constantă, și pe acest postulat, precum și pe ideea că toate cadrele de referință inerțiale sunt egale, Albert Einstein și-a construit teoria specială a relativității, care de o sută de ani ia înnebunit pe oamenii de știință, permițându-i lui Einstein să-și arate limba lumea cu nepedepsire și rânjește într-un sicriu peste dimensiunile porcului pe care l-a plantat asupra întregii omeniri.
Dar de ce, de fapt, este atât de constant, atât de maxim și de un răspuns atât de final, nu există niciun răspuns, aceasta este doar o axiomă, adică. o afirmație luată de bună, susținută de observație și bun simț, dar care nu este derivată logic sau matematic de nicăieri. Și este probabil că nu este atât de adevărat, dar nimeni nu a putut încă să o infirme cu vreo experiență.
Am propriile mele gânduri despre această chestiune, despre ele mai târziu, dar deocamdată, într-un mod simplu, on fingers™ Voi încerca să răspund la cel puțin o parte - ce înseamnă viteza luminii „constant”.
Nu, nu vă voi încărca cu experimente mentale, ce se va întâmpla dacă farurile sunt aprinse într-o rachetă care zboară cu viteza luminii etc., acum este puțin în afara subiectului.
Dacă te uiți într-o carte de referință sau pe wikipedia, viteza luminii în vid este definită ca o constantă fizică fundamentală, care este exact este egal cu 299 792 458 m/s. Ei bine, adică vorbind aproximativ, vor fi aproximativ 300.000 km/s, dar dacă exact exact- 299.792.458 de metri pe secundă.
Se pare, de unde o asemenea acuratețe? Orice constantă matematică sau fizică, orice ai lua, chiar și Pi, chiar și baza unui logaritm natural e, chiar dacă constanta gravitațională G sau constanta lui Planck h, conține întotdeauna câteva numere după virgulă zecimală. În acest moment, aproximativ 5 trilioane din aceste zecimale sunt cunoscute pentru Pi (deși doar primele 39 de cifre au vreo semnificație fizică), constanta gravitațională astăzi este definită ca G ~ 6,67384(80)x10 -11 , iar constanta plank h~ 6,62606957(29)x10 -34 .
Viteza luminii în vid este neted 299.792.458 m/s, nici un centimetru mai mult, nici o nanosecundă mai puțin. Vrei să știi de unde vine o asemenea acuratețe?
Totul a început ca de obicei cu grecii antici. Știința, ca atare, în sensul modern al cuvântului, ele nu au existat. Filosofii Grecia antică de aceea au fost numiți filosofi, pentru că la început au inventat un fel de porcărie în capul lor, iar apoi cu ajutorul concluziilor logice (și uneori a unor experimente fizice reale) au încercat să o demonstreze sau să o infirme. Cu toate acestea, utilizarea măsurătorilor și fenomenelor fizice din viața reală a fost considerată de ei drept dovezi de „clasa a doua”, care nu pot fi comparate cu concluziile logice de primă clasă obținute direct de la cap.
Primul care s-a gândit la existența propriei viteze a luminii este filozoful Empidocles, care a afirmat că lumina este mișcare, iar mișcarea trebuie să aibă viteză. El a fost obiectat de Aristotel, care a susținut că lumina este pur și simplu prezența a ceva în natură și asta este. Și nimic nu se mișcă. Dar asta e mai mult! Euclid și Ptolemeu, așa că în general credeau că lumina este emisă din ochii noștri și apoi cade pe obiecte și, prin urmare, le vedem. Pe scurt, grecii antici au fost muți cât au putut, până au fost cuceriți de aceiași vechi romani.
În Evul Mediu, majoritatea oamenilor de știință au continuat să creadă că viteza luminii este infinită, printre aceștia fiind, să zicem, Descartes, Kepler și Fermat.
Dar unii, precum Galileo, credeau că lumina are o viteză, ceea ce înseamnă că poate fi măsurată. Este cunoscută experiența lui Galileo, care a aprins o lampă și a strălucit asupra unui asistent care se afla la câțiva kilometri distanță de Galileo. Văzând lumina, asistentul și-a aprins lampa, iar Galileo a încercat să măsoare întârzierea dintre aceste momente. Bineînțeles, nu a reușit, iar în cele din urmă a fost nevoit să scrie în scrierile sale că, dacă lumina are o viteză, atunci ea este extrem de mare și nu poate fi măsurată prin eforturile umane și, prin urmare, poate fi considerată infinită.
Prima măsurare documentată a vitezei luminii este atribuită astronomului danez Olaf Roemer în 1676. Până în acest an, astronomii, înarmați cu telescoape ale aceluiași Galileo, observau sateliții lui Jupiter cu putere și principal și chiar și-au calculat perioadele de rotație. Oamenii de știință au stabilit că Io, cea mai apropiată lună de Jupiter, are o perioadă de rotație de aproximativ 42 de ore. Cu toate acestea, Roemer a observat că uneori Io apare din spatele lui Jupiter cu 11 minute mai devreme, iar uneori cu 11 minute întârziere. După cum sa dovedit, Io apare mai devreme în acele perioade în care Pământul, rotindu-se în jurul Soarelui, se apropie de Jupiter la o distanță minimă și rămâne în urmă cu 11 minute când Pământul se află în locul opus orbitei, ceea ce înseamnă că este mai departe. de la Jupiter.
Împărțind în mod prostesc diametrul orbitei pământului (și era deja mai mult sau mai puțin cunoscut la acea vreme) la 22 de minute, Remer a primit viteza luminii 220.000 km/s, aproximativ o treime pierzând valoarea adevărată.
În 1729, astronomul englez James Bradley, observând paralaxă(ușoară abatere de locație) stele Etamin (Dragon Gamma) au deschis efectul aberatii ale luminii, adică schimbarea poziției stelelor cele mai apropiate de noi pe cer datorită mișcării Pământului în jurul Soarelui.
Din efectul aberației luminoase, descoperit de Bradley, se mai poate deduce că lumina are o viteză de propagare finită, de care Bradley a apucat-o, calculând-o a fi de aproximativ 301.000 km/s, ceea ce se află deja în limita de 1% precizie din valoarea cunoscută. azi.
Apoi au urmat toate măsurătorile clarificatoare ale altor oameni de știință, dar din moment ce se credea că lumina este o undă, iar unda nu se poate propaga de la sine, ceva trebuie să fie „îngrijorat”, ideea existenței unui „ a apărut eterul luminifer”, a cărui descoperire a eșuat lamentabil la fizicianul american Albert Michelson. Nu a descoperit niciun eter luminifer, dar în 1879 a specificat viteza luminii la 299 910 ± 50 km/s.
În aceeași perioadă, Maxwell și-a publicat teoria electromagnetismului, ceea ce înseamnă că a devenit posibil nu numai măsurarea directă a vitezei luminii, ci și derivarea acesteia din valorile permeabilității electrice și magnetice, care s-a realizat prin rafinarea valoarea vitezei luminii la 299.788 km/s în 1907.
În cele din urmă, Einstein a declarat că viteza luminii în vid este o constantă și nu depinde deloc de nimic. Dimpotrivă, orice altceva - adăugarea de viteze și găsirea cadrelor de referință corecte, efectele dilatării timpului și modificări ale distanțelor atunci când se deplasează la viteze mari și multe alte efecte relativiste depind de viteza luminii (deoarece este inclusă în toate formule ca constantă). Pe scurt, totul în lume este relativ, iar viteza luminii este valoarea relativă la care toate celelalte lucruri din lumea noastră sunt relative. Aici, poate, ar trebui să-i dăm palma lui Lorentz, dar să nu fim mercantili, Einstein este Einstein.
Determinarea exactă a valorii acestei constante a continuat de-a lungul secolului al XX-lea, cu fiecare deceniu, oamenii de știință au descoperit din ce în ce mai multe cifre după virgulă zecimală cu viteza luminii, până când în capul lor au început să se formeze suspiciuni vagi.
Determinând din ce în ce mai precis câți metri parcurge lumina în vid pe secundă, oamenii de știință au început să se întrebe, ce măsurăm cu toții în metri? La urma urmei, un metru este doar lungimea unui bețișor de platină-iridiu pe care cineva l-a uitat într-un muzeu de lângă Paris!
Și la început ideea de a introduce un contor standard părea grozavă. Pentru a nu avea de suferit cu metrii, picioarele și alte brațe oblice, francezii în 1791 au decis să ia ca măsură standard a lungimii o zece milioneme din distanța de la polul Nord până la ecuator de-a lungul meridianului care trece prin Paris. Ei au măsurat această distanță cu precizia disponibilă în acel moment, au turnat un băț dintr-un aliaj platină-iridiu (mai precis, mai întâi alamă, apoi platină și abia apoi platină-iridiu) și l-au pus în această cameră pariziană de greutăți și măsuri. , ca mostră. Cu cât mergi mai departe, cu atât devine mai clar că suprafața pământului se schimbă, continentele sunt deformate, meridianele se mișcă și au marcat o parte a zece milioane și au început să considere lungimea bastonului care se află în sicriul de cristal al „mausoleului” parizian ca un metru.
O astfel de idolatrie nu se potrivește unui om de știință adevărat, aceasta nu este Piața Roșie pentru tine (!), iar în 1960 s-a decis să simplifice conceptul de metru la o definiție complet evidentă - un metru este exact egal cu 1.650.763,73 lungimi de undă emise de tranziția electronilor între nivelurile de energie 2p10 și 5d5 ale unui izotop neexcitat al elementului Krypton-86 în vid. Ei bine, cu cât mai clar?
Acest lucru a durat timp de 23 de ani, în timp ce viteza luminii în vid a fost măsurată cu o acuratețe din ce în ce mai mare, până când în 1983, în cele din urmă, chiar și cele mai încăpățânate retrograde s-a dat seama că viteza luminii este cea mai precisă și ideală constantă, și nu un fel. a unui izotop al criptonului. Și s-a hotărât să se întoarcă totul cu susul în jos (mai exact, dacă te gândești bine, s-a decis să răstoarne totul cu susul în jos), acum viteza luminii din este o constantă adevărată, iar un metru este distanța pe care lumina o parcurge în vid în (1/299.792.458) secunde.
Valoarea reală a vitezei luminii continuă să fie rafinată și astăzi, dar ceea ce este interesant este că, cu fiecare nouă experiență, oamenii de știință nu specifică viteza luminii, ci lungimea adevărată a unui metru. Și cu cât viteza luminii va fi găsită mai precis în următoarele decenii, cu atât contorul vom obține în cele din urmă mai precis.
Și nu invers.
Ei bine, acum înapoi la oile noastre. De ce viteza luminii în vidul Universului nostru este maximă, finită și constantă? Înțeleg așa.
Toată lumea știe că viteza sunetului în metal, și într-adevăr în aproape orice corp solid, este mult mai mare decât viteza sunetului în aer. Este foarte ușor să verificați acest lucru, doar puneți urechea la șină și puteți auzi sunetele unui tren care se apropie mult mai devreme decât prin aer. De ce este asta? Evident, sunetul este în esență același, iar viteza de propagare a acestuia depinde de mediu, de configurația moleculelor din care este format acest mediu, de densitatea sa, de parametrii rețelei sale cristaline - pe scurt, de curent. starea mediului prin care se transmite sunetul.
Și deși ideea unui eter luminifer a fost abandonată de mult timp, vidul prin care are loc propagarea undele electromagnetice, acest lucru nu este absolut absolut nimic, indiferent cât de gol ni s-ar părea.
Îmi dau seama că analogia este un pic exagerată, nu-i așa? on fingers™ la fel! Ca o analogie accesibilă și în niciun caz ca o tranziție directă de la un set de legi fizice la altele, vă cer doar să vă imaginați că viteza de propagare a vibrațiilor electromagnetice (și, în general, a oricăror, inclusiv gluon și gravitație), ca într-o șină, viteza sunetului în oțel este „cusut”. De aici dansăm.
UPD: Apropo, le sugerez „cititorilor cu asterisc” să se fantezeze dacă viteza luminii rămâne constantă într-un „vid dificil”. De exemplu, se crede că la energii de ordinul unei temperaturi de 10 30 K, vidul încetează pur și simplu să fierbe cu particule virtuale, dar începe să „fierbe”, adică. țesătura spațiului se destramă, valorile Planck sunt estompate și își pierd sensul fizic și așa mai departe. Ar mai fi viteza luminii într-un astfel de vid c, sau va marca începutul unei noi teorii a „vidului relativistic” cu corecții precum coeficienții Lorentz la viteze extreme? Nu știu, nu știu, timpul va spune...
Mulți oameni știu despre existența unui astfel de concept precum „viteza luminii” încă din copilărie. Cantitate mare oamenii știu că lumina călătorește foarte repede. Dar nu toată lumea știe în detaliu despre acest fenomen.
Mulți au observat că în timpul unei furtuni există o întârziere între fulgerul și sunetul tunetului. Flash-ul tinde să ajungă la noi mai repede. Aceasta înseamnă că are o viteză mai mare decât sunetul. Cu ce este legat? Care este viteza luminii și cum se măsoară?
Care este viteza luminii?
Să înțelegem mai întâi care este viteza luminii. Din punct de vedere științific, aceasta este o astfel de valoare care arată cât de repede se deplasează razele în vid sau în aer. De asemenea, trebuie să știi ce este lumina. Aceasta este radiația care este percepută de ochiul uman. Viteza depinde de condițiile de mediu, precum și de alte proprietăți, cum ar fi refracția.
Fapt interesant: Este nevoie de 1,25 secunde pentru ca lumina să călătorească de la Pământ la Lună.
Care este viteza luminii în cuvintele tale?
Dacă explicați in termeni simpli Viteza luminii este timpul necesar unui fascicul de lumină pentru a parcurge o anumită distanță. Timpul se măsoară de obicei în secunde. Cu toate acestea, unii oameni de știință folosesc alte unități de măsură. Distanța este, de asemenea, măsurată diferit. Practic, este un metru. Adică, această valoare este considerată în m/s. Fizica o explică astfel: un fenomen care se mișcă cu o anumită viteză (constantă).
Materiale conexe:
Eratostene și circumferința pământului
Pentru a fi mai ușor de înțeles, să luăm în considerare următorul exemplu. Un biciclist se deplasează cu o viteză de 20 km/h. Vrea să-l depășească pe șoferul unui autoturism a cărui viteză este de 25 km/h. Dacă calculezi, atunci mașina se deplasează cu 5 km/h mai repede decât biciclistul. Cu razele de lumină, lucrurile stau altfel. Indiferent cât de repede se mișcă primul și al doilea om, lumina, în raport cu ei, se mișcă cu o viteză constantă.
Care este viteza luminii?
Când nu este în vid, lumina este afectată de diferite condiții. Substanța prin care trec razele, inclusiv. Dacă fără acces la oxigen, numărul de metri pe secundă nu se modifică, atunci într-un mediu cu acces la aer, valoarea se modifică.
Lumina se deplasează mai lent prin diverse materiale precum sticla, apa și aerul. Acest fenomen are un indice de refracție pentru a descrie cât de mult încetinesc mișcarea luminii. Sticla are un indice de refracție de 1,5, ceea ce înseamnă că lumina trece prin ea cu aproximativ 200.000 de kilometri pe secundă. Indicele de refracție al apei este de 1,3, iar indicele de refracție al aerului este puțin mai mare de 1, ceea ce înseamnă că aerul încetinește doar puțin lumina.
Materiale conexe:
Cât de repede se mișcă pământul în jurul axei sale și al soarelui?
Prin urmare, după trecerea prin aer sau lichid, viteza încetinește, devine mai mică decât în vid. De exemplu, în diferite rezervoare, viteza de mișcare a razelor este de 0,75 din viteza în spațiu. De asemenea, la o presiune standard de 1,01 bar, indicatorul încetinește cu 1,5-2%. Adică, în condiții terestre, viteza luminii variază în funcție de condițiile de mediu.
Pentru un astfel de fenomen a fost inventat un concept special - refracția. Aceasta este refracția luminii. Este utilizat pe scară largă în diverse invenții. De exemplu, un refractor este un telescop cu un sistem optic. De asemenea, cu ajutorul acestuia se creează și binocluri și alte echipamente, a căror esență este utilizarea opticii.
Refractor telescop - schemă În general, fasciculul este cel mai puțin refracabil atunci când trece prin aer normal. La trecerea printr-o sticlă optică special concepută, viteza este de aproximativ 195 de mii de kilometri pe secundă. Aceasta este cu aproape 105 km/sec mai puțin decât constanta.
Cea mai precisă valoare pentru viteza luminii
De mulți ani, fizicienii au acumulat experiență în studierea vitezei razelor de lumină. În acest moment, cea mai precisă valoare pentru viteza luminii este 299.792 de kilometri pe secundă. Constanta a fost stabilită în 1933. Numărul este valabil și astăzi.
Cu toate acestea, în viitor, au apărut dificultăți cu definirea indicatorului. Acest lucru s-a datorat erorilor de măsurare a contorului. Acum însăși valoarea contorului depinde direct de viteza luminii. Este egală cu distanța pe care o parcurg razele într-un anumit număr de secunde - 1/viteza luminii.
Materiale conexe:
Cum se studiază soarele?
Care este viteza luminii în vid?
Deoarece lumina nu este afectată de diferite condiții în vid, viteza ei nu se schimbă așa cum se întâmplă pe Pământ. Viteza luminii în vid este de 299.792 de kilometri pe secundă.. Acest indicator este limita. Se crede că nimic din lume nu se poate mișca mai repede, chiar și corpurile cosmice care se mișcă destul de repede.
De exemplu, un avion de luptă, un Boeing X-43, care depășește viteza sunetului de aproape 10 ori (mai mult de 11 mii km / h), zboară mai încet decât un fascicul. Acesta din urmă se deplasează cu peste 96 de mii de kilometri pe oră mai repede.
Cum a fost măsurată viteza luminii?
Primii oameni de știință au încercat să măsoare această valoare. Au fost folosite diverse metode. În perioada antichității, oamenii de știință credeau că este infinit, așa că era imposibil de măsurat. Această părere a rămas multă vreme, până în secolul XVI-XVII. La acel moment au apărut și alți oameni de știință care au sugerat că fasciculul are un capăt, iar viteza poate fi măsurată.
Celebrul astronom danez Olaf Römer a dus cunoștințele despre viteza luminii la un nou nivel. A observat că eclipsa de Lună a lui Jupiter a întârziat. Anterior, nimeni nu a acordat atenție acestui lucru. Prin urmare, a decis să calculeze viteza.
Fizică
principiul Huygens. Legile refracției și reflexiei luminii. Dispersia luminii
Natura ondulatorie a luminii și principiul Huygens.- Definitii:
- Frontul de undă - o suprafață care conectează toate punctele undei care se află în aceeași fază (adică toate punctele undei care se află în aceeași stare de oscilație în același timp);
- Fascicul - o linie în fiecare punct perpendicular pe frontul de undă și indicând direcția de propagare a undei;
- O undă plană este o astfel de undă, al cărei front de undă este un plan care se mișcă în spațiu cu viteza undei;
- Pentru o undă sferică, frontul de undă este o sferă a cărei rază este R=vt, Unde v- viteza undei.
Pe baza acestui principiu, este ușor de demonstrat că razele de lumină într-un mediu omogen se propagă în linie dreaptă.
Reflexia luminii bazată pe teoria undelor. Lasă o undă plană să cadă la un anumit unghi A pe o suprafata reflectorizanta. Prin convenție, unghiul de incidență (precum și unghiurile de reflexie și refracție) se măsoară de la normal la suprafață în punctul de incidență.
1. Raza incidentă, raza reflectată și normala la suprafață în punctul de incidență se află în același plan;
2. Unghiul de incidență A egal cu unghiul de reflexie g.
Viteza luminii în vid și în mediu. Viteza luminii într-un mediu este mai mică decât viteza luminii în vid. Se poate arăta că în vid
Unde e 0Și m0- constante dielectrice si magnetice. Dacă lumina se propagă într-un mediu omogen cu permitivitate eși permeabilitatea magnetică m, apoi viteza luminii într-un astfel de mediu
(2.1)
Unde n > 1 - indicele absolut de refracție al mediului. În general, viteza luminii depinde de proprietățile mediului, de temperatura acestuia și de lungimea de undă a luminii. De obicei, cu cât lungimea de undă a luminii este mai mare, cu atât se propagă mai repede într-un mediu dat, adică. lumina roșie călătorește mai repede decât lumina violetă.
Indicele de refracție relativ al unui mediu 1 față de alt mediu 2 este raportul vitezelor de propagare a luminii în două medii:
Se numește un mediu cu indice de refracție ridicat mediu optic mai dens, cu un indice de refracție mai mic - mediu optic mai puțin dens.
Refracția luminii bazată pe teoria undelor. Legea refracției luminii în timpul trecerii de la un mediu la altul cu un indice de refracție diferit a fost descoperită de Snell în 1620 și a fost menționată pentru prima dată în scrierile lui R. Descartes. Această lege poate fi derivată folosind principiul lui Huygens.
Lasă o undă de lumină plană să cadă într-un unghi A la interfaţa dintre două medii cu viteze diferite de propagare a luminii în ele. Atunci, pentru unghiurile razelor incidente și refractate, următoarea formulă este adevărată:
(2.2)
reflecție internă totală. Dacă lumina trece de la un mediu optic mai dens la unul optic mai puțin dens (de exemplu, dintr-o fibră de sticlă în aer), atunci unghiul de refracție devine mai mare decât unghiul de incidență. Deoarece unghiul de refracție nu poate fi mai mare p/2, care corespunde unghiului de incidență
(unghi limitativ de reflexie totală),
Apoi, toate razele de lumină care cad pe interfața dintre medii la unghiuri mai mari decât un 0 sunt reflectate înapoi. Acest fenomen se numește reflecție internă totală.
dispersia luminii. Indicele de refracție al oricărui mediu este determinat de proprietățile acestui mediu și depinde de frecvența (sau lungimea de undă) luminii, adică. n = n(w). Fenomenul dependenței indicelui de refracție al unui mediu de frecvența luminii transmise se numește dispersie.
