Скорость света точное значение: Скорость света 🚀 — что это? Чему равна в вакууме / воздухе?

Скорость света 🚀 — что это? Чему равна в вакууме / воздухе?

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Скорость света: чему она равна и как ее измерять

Скорость света — это величина, характеризующая быстроту перемещения света.

До второй половины XVII века скорость света считалась бесконечной, пока ее не измерил датский астроном Олаф Рёмер. Он наблюдал затмения спутника Юпитера Ио и заметил, что они не совпадают по времени с расчетными, а зависит это несовпадение от расстояния между событием и наблюдателем. Принимая во внимание положение Земли на своей орбите относительно Юпитера, Рёмер подсчитал, что скорость света равна 220 000 км/с.

В начале XIX века французский ученый Физо разработал для измерения скорости света так называемый метод прерываний. Физик направил луч света на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8,6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов Физо получил результат — 313 000 км/с.

Изобретение лазера в XX веке позволило дойти до предела точности и зафиксировать скорость света на отметке 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/c. Дальнейшее уточнение стало невозможным из-за отсутствия точного определения метра. В то время за эталон брали металлическую палку, хранящуюся в палате мер и весов.

В восьмидесятых годах прошлого века Генеральная конференция по мерам и весам (да, такая действительно существует) приняла за метр расстояние, которое преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Соответственно, скорость света стала официально равной 299 792 458 метров в секунду. Для удобства ее значение принято округлять до 300 000 км/с.

Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Неудавшийся опыт Галилея

Чтобы измерить скорость света, в 1600 году Галилей и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари и оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно открывая и закрывая огонь, они пытались рассчитать скорость света. Галилей и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать огонь. Когда один из них открывал заслонку, то же должен был сделать и другой.

Однако эксперимент был провальным, и неудивительно: чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Скорость света в различных средах

Свет распространяется в разных средах по-разному. В вакууме и в воздухе скорость света почти не различается, а вот в других средах она меньше. Это зависит от оптической плотности среды — чем она больше, тем меньше скорость распространения света.

Основной характеристикой в данном случае служит показатель преломления среды. Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости распространения света в среде.

Ниже представлена таблица скоростей света в разных средах и показателей преломления в них.

Параметры, связанные со скоростью света

Самые важные параметры — это длина волны и период.

Задачка для практики

Определите цвет освещения, проходящий расстояние в 1000 раз больше его длины волны за 2 пикосекунды.

Решение

Для начала переведем 2 пикосекунды в секунды — это 2 * 10^-12 с.

Теперь возьмем формулу скорости: v = S/t

По условию S = 1000λ, то есть v = 1000λ/t.

Выражаем длину волны:

λ = vt/1000

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = (3 * 10⁸ * 2 * 10^-12)/1000 = 600

И соотносим со шкалой видимого света:

На шкале видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Скорость выше, чем скорость света

Здесь мы подходим к самому интересному. По сути, преодолеть скорость света — это то же самое, что изобрести машину времени. Ведь мы не можем увидеть свет от зажженного на улице фонаря раньше, чем он зажегся. Казалось бы, вопрос закрыт, машина времени невозможна и вообще все мечты детства разрушены. Но на самом деле это не совсем так.

Физически машину времени ничто не запрещает. То есть с точки зрения физики она вполне возможна, у нас есть только технические ограничения.

Согласно общей теории относительности, чем быстрее мы разгоняем частицу, у которой есть некая масса, тем больше энергии нам требуется. По мере приближения к скорости света эта энергия будет стремиться к бесконечности. Но это не означает, что свет на порядки быстрее всего во Вселенной. Например, ученые ЦЕРНа разогнали протоны в Большом адронном коллайдере до скорости 299 792 455 м/c, что всего на 3 м/с уступает невесомым фотонам света.

Описанные выше ограничения, которые накладывает на скорости во Вселенной современная физика, не касаются частиц, которые не имеют массы, не взаимодействуют с обычными частицами и могут перемещаться быстрее скорости света. Такие частицы принято называть тахионами и на данный момент их существование является лишь предположением (сложно придумать эффективный инструмент для их обнаружения, ведь они ни с чем не взаимодействуют).

В специальной теории относительности есть даже такое понятие, как релятивистское замедление времени. Его смысл заключается в том, что в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее.

Классическим примером этого явления является сценарий близнецов. Представим, что один близнец летит на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, а другой остается на Земле. Когда близнец-космонавт вернется на Землю постаревшим всего на год или на два, он обнаружит, что его брат стал старше на несколько десятилетий.

В реальной жизни эксперимент с близнецами никто не проводил, но проводили аналогичный — с часами. Ученые запустили атомные часы на орбиту и оставили идентичные часы на Земле. Когда часы вернулись, они шли с некоторым отставанием от своего земного близнеца.

Еще один популярный пример сверхсветовой скорости — это явления квантовой механики. В тот самый момент, когда вы надели на правую ногу один носок, второй моментально и автоматически стал левым, несмотря на расстояние между ними.

Или эксперимент с котом Шрёдингера, про который вы наверняка что-то слышали.

Лирическое отступление про кота Шрёдингера

Физик, которому не очень нравятся кошки, помещает кота в коробку вместе с бомбой, которая взрывается с вероятностью 50% после того, как закрыли крышку. До того, как мы откроем коробку, нет способа узнать, взорвалась ли бомба. Поэтому мы не знаем, жив кот или мертв.

Оперируя понятиями квантовой физики, мы можем сказать, что до нашего наблюдения кот находился в состоянии суперпозиции — состоянии, сочетающем в себе обе возможности с шансом 50% для каждой.

Нечто подобное случается с физическими системами квантовых размеров, вроде электрона, вращающегося вокруг атома водорода. Электрон не совсем вращается — он как бы находится во всем пространстве одновременно, а в некоторых местах с большей вероятностью. Только после того, как мы определили его местоположение, мы можем точно указать, где он находится в этот момент. Так же, как мы не знали, был кот жив или мертв до того, как мы открыли коробку.

Это подводит нас к странному и красивому феномену квантовой запутанности. Представим себе, что вместо одного кота в одной коробке у нас было бы два кота в двух разных коробках. Если мы повторим эксперимент с котом Шрёдингера с парой этих котов, в результате эксперимента могут быть четыре возможности:

• оба кота будут живы,
• оба мертвы,
• один будет жив, второй мертв,
• первый мертв, второй жив.

Ситуации, когда оба кота мертвы или оба кота живы, не соответствуют состоянию суперпозиции. Другими словами, возможна такая система из двух котов, в которой в итоге всегда один из котов будет мертв, а другой жив. Пользуясь техническими терминами, можно сказать, что состояния этих двух котов запутаны.

Назревает вопрос: что произойдет, если этих котов поместить в разных уголках Вселенной. Не поверите, но то же самое! Один из котов в любом случае будет жив, а другой — мертв, хотя какой конкретно кот будет жив, а какой мертв, совершенно непредсказуемо.

Квантовая запутанность была подтверждена в настоящих лабораторных экспериментах. Две субатомные частицы запутаны в состоянии суперпозиции так, что если одна вращается в одну сторону, то другая — в противоположную.

Запутанность находится в центре квантовой информатики — развивающейся области науки, которая ищет применение законам странного квантового мира. Так, квантовая криптография позволяет шпионам надежно посылать друг другу информацию, а квантовое программирование — взламывать секретные коды.

Каждодневная физика со временем может стать более похожей на странный мир квантовой механики. Квантовая телепортация сможет достигнуть такого прогресса, что однажды ваш кот сможет сбежать в более безопасную вселенную, где нет физиков и коробок.

В общем, сверхсветовая скорость существует, хоть у нее и очень слабая доказательная база. Если ученые добьются того, чтобы скорости выше скорости света стали нашей реальностью, то и до машины времени недалеко.

Скорость света: чему равна и как ее измерили?

Скорость света является одной из фундаментальных постоянных, которые характеризуют буквально все вокруг нас — пространство и время. Именно эта величина разделяет на до и после, причину и следствие, а также накладывает массу интересных ограничений на возможности известной нам вселенной.

Изложенные ниже данные и приведенные примеры не претендуют на абсолютную научную точность, а призваны максимально простым языком объяснить читателю основные и наиболее интересные факты, касающиеся скорости света.

♥ ПО ТЕМЕ: На этой картинке 16 кругов, вы их видите?

Чему равна скорость света и как ее измерили

Любопытно, что скорость света считалась бесконечной вплоть до второй половины XVII века, то есть, такие великие ученые как Иоганн Кеплер или Рене Декарт, к примеру, воспринимали ее именно такой. Лишь в 1676 году датский астроном Олаф Ремер, наблюдавший затмения спутника Юпитера Ио, заметил, что они не совпадают с расчетными по времени и зависит это несовпадение от расстояния между событием и наблюдателем. Принимая во внимание положение Земли на своей орбите относительно Юпитера, Ремер вычислил скорость света равную 220 000 км/c (ошибся на ~80 000 км/с).

В начале XIX века ученые измеряли скорость света практическим «методом прерываний» и к 1950 году достигли результата 299 793,1 км/с с погрешностью 0,25 км/с, а изобретение лазера в дальнейшем позволило дойти до предела точности и зафиксировать скорость света на отметке 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/c.

Дальнейшее уточнение одной из базовых величин теории относительности стало невозможным из-за отсутствия точного определения метра — в то время он был равен длине металлической палки, являвшейся эталоном и хранящейся в Париже. Вопрос был снят лишь в 1983 году, когда Генеральная конференция по мерам и весам переопределила метр как расстояние, которое преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Соответственно, скорость света стала официально равной 299 792 458 метров в секунду (или грубо: 300 000 км/с).

♥ ПО ТЕМЕ: Что такое Даркнет и как туда зайти?

В чем фундаментальность скорости света

На самом деле, современная наука знает всего несколько объективных фундаментальных постоянных, которые остаются неизменными при любых условиях. Скорость света не зависит ни от наблюдателя, ни от способа измерения, ни от времени — она действительно постоянна.

Чтобы доказать обратное, можно, например, пропустить луч света через сложную неоднородную среду и он пройдет сквозь нее заметно медленнее, чем через вакуум. Однако при внимательном рассмотрении условий эксперимента окажется, что фотоны двигались с той же скоростью света, но по более сложной траектории.

ПО ТЕМЕ: У кого больше всех подписчиков в Инстаграм – 35 самых популярных аккаунтов.

Почему ничто не может преодолеть скорость света?

Если вы создадите или обнаружите объект, обладающий отличной от нуля массой или имеющий свойство каким-либо образом взаимодействовать с другими частицами, то вы изобретете машину времени. При этом ничего подобного в известном нам мире не наблюдалось ни разу. Упрощая научный язык, опишем ситуацию следующим образом:

Представим события X и Y, при этом событие X является причиной события Y, а Y, соответственно, является следствием X. Например, событие X — это вспышка сверхновой в далекой галактике, а Y — это регистрация ее частиц астрономами на Земле. Если расстояние между X и Y больше, чем время между ними (T), умноженное на скорость света (C), то в разных системах отсчета мы получим три разных результата:

1. Событие X произошло раньше события Y;
2. Событие Y произошло раньше события X;
3. События X и Y произошли одновременно.

Очевидно, что два последних варианта едва ли возможны с точки зрения современной науки, а значит ничто не может переместиться или передать информацию быстрее скорости света.

Впрочем, как насчет такой ситуации: вы берете очень мощный фонарик, направляете его на Марс, а в луче света двигаете палец — если вы делаете это достаточно быстро, то тень от вашего пальца «бегает» на поверхности Марса быстрее скорости света, что опровергает нашу теорию.

На самом деле, нет. Перемещение тени нельзя назвать перемещением объекта с массой, также как сама по себе тень ни с чем не взаимодействует, а является лишь отсутствием света. Фотоны же от вашего фонарика долетят до Марса с уже известной нам скоростью 299 792 458 метров в секунду.

♥ ПО ТЕМЕ: Космические скорости — насколько быстро нужно лететь, чтобы покинуть Землю, планетную систему и галактику?

Околосветовая скорость

Согласно постулатам общей теории относительности, чем быстрее мы разгоняем частицу, обладающую некой массой, тем больше энергии для этого нам потребуется. При этом по мере приближения к скорости света эта энергия будет стремиться к бесконечности.

Однако это вовсе не означает, что свет на порядки быстрее всего во Вселенной. Например, ученые ЦЕРНа разогнали протоны в Большом адронном коллайдере до скорости 299 792 455 м/c, что всего на 3 м/с уступает невесомым фотонам света.

♥ ПО ТЕМЕ: БелАЗ-75710: 1 300 литров топлива на 100 км и другие 7 фактов о лучшем самосвале мира из Беларуси.

Сверхсветовая скорость

Описанные выше ограничения, которые накладывает на скорости во Вселенной современная физика, не касаются частиц, которые не имеют массы, не взаимодействуют с обычными частицами и могут перемещаться быстрее скорости света. Такие частицы принято называть тахионами и на данный момент их существование является лишь предположением (сложно придумать эффективный инструмент для их обнаружения, ведь они ни с чем не взаимодействуют).

Еще один популярный пример сверхсветовой скорости — это квантомеханические явления. В тот самый момент, когда вы надели на правую ногу один носок, второй моментально и автоматически стал левым, не взирая на расстояние между ними. Примерно по такому принципу осуществляется квантовая связь при измерении спина фотонов, при этом информация не передается, однако фактически одно одно состояние переходит в другое без прямого взаимодействия между объектами.

♥ ПО ТЕМЕ: Скрытый смысл логотипов известных компаний.

Скорость света наглядно

Ученые астрофизики в большинстве случаев лишены возможности проводить полноценные эксперименты в лабораториях, как это делают, например, биологи или химики, ввиду масштабов исследуемых процессов. При этом каждому астроному доступен самый большой полигон, на котором постоянно происходят грандиозные испытания — это вся обозримая Вселенная с квазарами, радиопульсарами, черными дырами и прочими любопытными объектами.

Однако самые интересные астрофизические открытия в наши дни выглядят как малопонятные сложные графики, а публика вынуждена довольствоваться обработанными снимками лишь нескольких инструментов, таких как телескоп имени Хаббла. Тем не менее, официальная наука нынче осознает важность медийной деятельности и всячески пытается визуализировать для обывателя процессы, которые невозможно просто представить в голове.

Например, сотрудник NASA Джеймс О’Донохью, продемонстрировал скорость света относительно нашей планеты (упразднив в своих расчетах влияние атмосферы) — луч света облетает Землю 7,5 раз всего за одну секунду, каждый раз преодолевая более 40 тысяч километров.

Расстояние до Луны составляет порядка 384 000 километров (в зависимости от текущего расположения объектов) и для его преодоления фотонам потребуется уже 1,22 секунды.

Расстояние до Луны составляет порядка 384 000 километров (в зависимости от текущего расположения объектов) и для его преодоления фотонам потребуется уже 1,22 секунды.

При передаче данных с Марса на Землю со скоростью света в момент максимального сближения планет придется ждать более шести минут, а при среднем удалении время ожидания затянется до получаса.

При этом от «красной планеты» нас отделяет в среднем 254 миллиона км, зонд New Horizons, к примеру, уже отлетел от Земли на 6,64 миллиарда км, а чтобы добраться до ближайшей планеты не Солнечной системы, необходимо пролететь 39,7 триллиона км.

Смотрите также:

Скорость света — это… Что такое Скорость света?

Солнечному свету требуется около 8 минут 19 секунд, чтобы достигнуть Земли
Точные значения
Метров в секунду	299 792 458
Планковских единиц	1
Приблизительные значения
километров в секунду	300 000
километров в час	1,08 млрд
миль в секунду	186 000
миль в час	671 млн
астрономических единиц в день	173
Приблизительное время путешествия светового сигнала
Расстояние	Время
один фут	1,0 нс
один метр	3,3 нс
один километр	3,3 мкс
одна статутная миля	5,4 мкс
от геостационарной орбиты до Земли	119 мс
длина экватора Земли	134 мс
от Луны до Земли	1,255 с
от Солнца до Земли (1 а. е.)	8,3 мин.
от Вояджера-1 до Земли	16,6 часов (на март 2012)[1].
Один световой год	1 год
один парсек	3,26 лет
от Проксимы Центавра до Земли	4,24 лет
от Альфы Центавра до Земли	4,37 лет
от ближайшей галактики (Карликовой галактики в Большом Псе) до Земли	25 000 лет
через Млечный Путь	100 000 лет
от Галактики Андромеды до Земли	2,5 млн лет
от самой удалённой известной галактики до Земли	13 млрд лет

Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме^[2]. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [це]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

В вакууме (пустоте)

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с.

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды^[3]. Для решения школьных задач и разного рода оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение 300 000 000 м/с (3×10⁸ м/с).

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.

В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом).

Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой)^[4]. (Подробнее см. Сверхсветовое движение, также соответствующий раздел данной статьи ниже).

В прозрачной среде

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ = c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

История измерений скорости света

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной^[5]. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.

Сверхсветовое движение

Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) невозможно, так как это нарушило бы фундаментальный принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами, движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.

Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.

Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и во-вторых, никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности — с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а разность их скоростей также не достигает скорости света.

Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны.

В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

C 2006 года появляются сообщения о том, что в так называемом эффекте квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана — сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества^[6].

В результате обработки данных эксперимента OPERA^[7], набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино^[8]. Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов^[9]. Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино^[10]. В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили^[11][12]. В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля)^[13].

В культуре

В фантастическом рассказе «Светопреставление» Александр Беляев описывает ситуацию, когда скорость света снижается до нескольких метров в секунду.

См. также

Примечания

1. ↑ Where Are the Voyagers — NASA Voyager. Voyager — The Interstellar Mission. Jet Propulsion Laboratory, California Istitute of Technology. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012. Проверено 12 июля 2011.
2. ↑ Скорость распространения светового импульса в среде отличается от скорости его распространения в вакууме (меньше, чем в вакууме), и может быть различной для разных сред. Когда говорят просто о скорости света, обычно подразумевается именно скорость света в вакууме; если же говорят о скорости света в среде, это, как правило, оговаривается явно.
3. ↑ ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
4. ↑ Болотовский Б. М., Гинзбург В. Л. Эффект Вавилова — Черенкова и эффект Допплера при движении источников со скоростью больше скорости света в вакууме // УФН. — 1972. — Т. 106. — № 4. — С. 577-592.
5. ↑ Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках. — издание третье, расширенное. — М.: МЦНМО, 2001. — С. 105-108. — ISBN 5-900916-83-9
6. ↑ И. Иванов. Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности. Элементы.ру.
7. ↑ Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus
8. ↑ OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso
9. ↑ OPERA Collaboration (Adam T. et al.) (2011), «Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam», arΧiv:1109.4897  .
10. ↑ И.Иванов. Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино. Элементы.ру, 23 сентября 2011 года.
11. ↑ Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam.
12. ↑ Эйнштейн оказался прав.
13. ↑ Эксперимент OPERA окончательно «закрыл» сверхсветовые нейтрино.

Литература

Ссылки

Что такое скорость света, чему она равна и как её измеряют? Фото, видео

Автор Анималов В.С. На чтение 8 мин Опубликовано 08.11.2019 Обновлено 02.12.2020

О существовании такого понятия как «скорость света» многие знают еще с раннего детства. Большому количество людей известно, что свет движется очень быстро. Но не все знают подробно о явлении.

Многие обращали внимание на то, что во время грозы существует задержка между вспышкой молнии и звуком грома. Вспышка, как правило, доходит до нас быстрее. Это значит, что она имеет большую быстроту, чем звук. С чем это связано? Что такое скорость света и как её измеряют?

Что такое скорость света?

Давайте для начала разберемся, что такое скорость света. По-научному, это такая величина, которая показывает, насколько быстро перемещаются лучи в вакууме или в воздухе. Также нужно знать, что такое свет. Это излучение, которое воспринимается человеческим глазом. От условий окружения зависит быстрота, а также другие свойства, например, преломление.

Интересный факт: свету требуется 1,25 секунды, чтобы добраться от Земли до спутника — Луны.

Свет от Луны до Земли

Что такое скорость света своими словами?

Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой).

Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.

Чему равна скорость света?

При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.

Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.

Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.

Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.

Телескоп рефрактор – схема

В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.

Самое точное значение скорости света

Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.

Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.

Чему равна скорость света в вакууме?

Поскольку в вакууме на свет не влияют различные условия, то его скорость не меняется так, как на Земле. Скорость света в вакууме равна 299 792 километрам в секунду. Такой показатель является предельным. Считается, что ничто в мире не может двигаться быстрее, даже космические тела, которые движутся довольно быстро.

К примеру, истребитель, Боинг Х-43, который превышает скорость звука практически в 10 раз (более 11 тысяч км/ч), летит медленнее, чем луч. Последний движется более, чем на 96 тысяч километров в час быстрее.

Как измеряли скорость света?

Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.

Измерение скорости света

Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.

Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.

Через некоторое время большинство ученых заинтересовались этой величиной. В исследованиях принимали участие люди науки из разных стран. Однако до 70-х годов 20 века каких либо грандиозных открытий не было. С 1970-х, когда придумали лазеры и мазеры (квантовые генераторы), ученые провели исследования и получили точную скорость. Текущее значение актуально с 1983 года. Исправляли лишь небольшие погрешности.

Опыт Галилея

Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.

Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.

Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Как измеряли скорость света?

Опыт Рёмера и Брэдли

Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.

Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.

Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.

В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.

Опыт Физо

Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.

Опыт Физо

Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.

Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.

Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.

Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

§ 16 учебника К.

Ю Богданова для 11 класса

§
17. скорость света

Скорость света в вакууме,
приближённо равная 3·10⁸ м/с, является фундаментальной физической константой. Скорость
света в любом веществе всегда меньше скорости света в вакууме.  

Свет – это электромагнитные волны с длиной волны в диапазоне
между 380 и 760 нм, воспринимаемые человеческим
глазом. Раздел физики, изучающий свойства света и его взаимодействие с
веществом, называют оптикой.    

Впервые скорость света измерил датский астроном О. Рёмер в 1676 году. Регистрируя моменты времени, когда
спутник Юпитера Ио выходит из тени Юпитера, Рёмер и
его предшественники заметили отклонения от периодичности. При отдалении Земли
от Юпитера моменты выхода Ио из тени Юпитера задерживались, по сравнению с предсказанными, и максимальная задержка составляла 1320 с,
которая была необходима для распространения света через орбиту Земли (рис. 17а).
Во времена Рёмера диаметр орбиты Земли считался равным
примерно 292 000 000 км. Разделив это расстояние на 1320 секунд,
Рёмер получил, что скорость света равна 222 000 км/с.
Теперь известно, что максимальное запаздывание затмений Ио равно 996 с, а
диаметр орбиты Земли составляет 300 000 000 км. Если внести эти
поправки то, получается, что скорость света равна 300 000 км/с.

Скорость света в лабораторных условиях (без астрономических
наблюдений) впервые была измерена французским физиком А.И.Л. Физо в 1849 году с помощью установки, изображённой на рис.
17б. В этой установке луч света от источника 1 падал на полупроницаемое
зеркало 2 и отражался от него в сторону другого зеркала 3,
находящегося на расстоянии 8,66 км. Луч, отражённый от зеркала 3, снова
падал на полупроницаемое зеркало 2, проходил через него и попадал в глаз
наблюдателя, 5. Между зеркалами 2 и 3 размещалось зубчатое
колесо, 4, которое можно было вращать с заданной скоростью. При этом
зубцы вращающегося колеса разбивали луч света на последовательность коротких
вспышек – импульсов света.

В опытах Физо колесо вращали со всё возрастающей скоростью, и наступал такой момент,
когда световой импульс, пройдя через промежуток между его зубцами и отразившись
от зеркала 3, задерживался переместившимся за это время зубцом. В этом
случае наблюдатель ничего не видел. При дальнейшем ускорении вращения зубчатого
колеса свет снова появлялся, становился все ярче и, наконец, достигал
максимальной интенсивности. На зубчатом колесе в опытах Физо,
было 720 зубцов, а максимальной интенсивности свет достигал при 25 оборотах в
секунду. На основании этих данных Физо вычислил скорость
света, которая оказалась равной 312000 км/с.  

 Современные исследования
показали, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная,
равная 299 792 458 м/с. Скорость света обозначается буквой c –
первой буквой латинского слова celeritas, означающего
«быстрота». Как показали опыты, скорость света в вакууме не зависит ни от
скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя. Поэтому
за эталон метра
принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный
1/299792458 секунды. Знание точной величины скорости света
имеет большое практическое значение, например, для определения расстояний с
помощью радиолокации в геодезии и в системах слежения за искусственными
спутниками Земли и межпланетными космическими станциями.

Скорость света была измерена в различных прозрачных средах
(воздухе, воде и др.), и оказалась, что во всех веществах она меньше, чем в
вакууме. В природе со скоростью света распространяются не только собственно видимый
свет,
но и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.).

Вопросы для повторения:

·       
Кто
и как впервые измерил скорость света?

·       
Как
Физо измерил скорость света.

·       
Чему
приближённо равна скорость света?

·       
Как
соотносится скорость света в вакууме со скоростью света в остальных прозрачных
средах?

Рис. 17. (а) — схематическое изображение Юпитера (1)
и его спутника Ио (2), входящего и выходящего из тени (3), а
также Земли (4) при её вращении вокруг Солнца; (б) – установка Физо для измерения скорости света (1, источник света;
2, полупрозрачное зеркало; 3, зеркало; 4, зубчатое колесо;
5, глаз наблюдателя).

ЗАМЕДЛЕННЫЙ СВЕТ | Наука и жизнь

Понятие скорости распространения волны оказывается простым только в отсутствии дисперсии.

Лин Вестергард Хэу возле установки, на которой был проведен уникальный эксперимент.

‹

›

Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.

Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с — фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.

В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха — 1,0003, воды — 1,33, различных сортов стекла — от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз — 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект — так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!

Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.

Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости — фазовую и групповую. Фазовая скорость v_ф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны — бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления — тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.

Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.

Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но «красный» спортсмен бежит быстрее, чем «оранжевый», «оранжевый» — быстрее, чем «желтый», и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии — большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.

Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики — теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Все частицы — как заключенные в атоме, так и свободные — делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком — основном — энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания «атомного лазера» (см. «Наука и жизнь» № 10, 1997 г.).

Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики — оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10^-7 — 10^-8 с и в конденсированных средах — менее 10^-11 c. При этом возникает запаздывание импульса — его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.

Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние — на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).

После этого конденсат осветили «связующим пучком» линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков — в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз — до 43 микрометров.

Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет — возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.

Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.

Чему равна скорость света в вакууме

Эксперимент №1. Скорость света — расстояние, деленное на время.

Первым скорость света в вакууме измерил датский астроном Олаф Рёмер в 1767 году.

Если очень коротко, то согласно расчетам О. Ремера эта скорость равна диаметру земной орбиты, деленному на время запаздывания видимого затмения Ио — спутника Юпитера. Согласно расчетам Ремера время запаздывания составило 22 минуты или 1320 секунд. При диаметре Земной орбиты примерно 292 миллиона километров (согласно измерений другого астронома Д. Кассини от 1672 года) получаем скорость света по Ремеру:

с = 292000000/1320 = 221212 км/с (768.1)

А не 300000 км/с.

В учебниках пишут, что расчёт Ремера, выполненный в 1676 году, основан на современных ему неточных знаниях об орбитах планет и доступных ему способах изменения времени, потому и такая неточность.

Действительно, сейчас более точно определенный диаметр орбиты Земли примерно 298 миллионов километров. Погрешность 2%, это при том, что с каждым годом Земля становится все тяжелее (на 4 триллиона тонн в год), соответственно диаметр орбиты все больше, скорость вращения все меньше, поэтому погрешность измерений была явно меньше.

Тем не менее можно допустить, что Ремер действительно сильно ошибся, потому что радиус орбиты Земли значительно больше, чем считалось в XVIII веке.

Откуда Ремер взял диаметр орбиты Земли? Из расчетов Кассини, поэтому рассмотрим расчеты Кассини более подробно.

Кассини определил радиус орбиты Земли в результате наблюдения за Марсом из разных точек. По изменению угла наблюдения Марса при наблюдении из двух разных точек (Париж и Кайенна) Кассини определил расстояние от Земли до Марса — построил треугольник, у которого нижняя сторона — это кратчайшее расстояние между точками наблюдения — Парижем и Кайенной, а боковые стороны — это «лучи» наблюдения. Соответственно зная углы наклона «лучей» наблюдения можно определить высоту треугольника — расстояние от Земли до Марса, что и было сделано. Затем Кассини, воспользовавшись уравнениями Кеплера, вычислил радиус орбиты Земли.

Каким именно законом Кеплера воспользовался Кассини, я не знаю, предполагаю, что третьим, согласно которому квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. Т.е. зная периоды обращения Земли и Марса вокруг Солнца и расстояние между Марсом и Землей, можно определить значение радиуса вращения Земли вокруг Солнца, исходя из следующей формулы:

Т_М²/Т_З² = а_М³/а₃³ (768.1.2)

тогда если пренебречь небольшой эллипсоидностью орбит и рассматривать их как окружности, то:

687² /365.25² = 3.537 = (R₃ + ΔR)³/R₃³ (768.1.3)

Если рассматривать отношение радиуса орбиты Земли к расстоянию между Землей и Марсом как постоянную величину, то ΔR = nR₃ и решение кубического уравнения значительно упростится, после сокращения радиусов и тогда:

R³(1 + n)³/R³ = 3.537; 1 + n = 3.537^1/3 = 1.5237; n = 0.5237 (768.1.4)

Тогда при радиусе орбиты Земли 146 млн км, определенном по формулам Кеплера, средний радиус орбиты Марса (большая полуось) должен составлять примерно 146·1. 5237 = 222.4 млн км, а среднее расстояние между Землей и Марсом 222.4 — 146 = 76.4 млн км.

Пока все сходится, вот только соотношение радиусов — это относительная величина и она никак не позволяет определить значение одного из радиусов. Продолжим.

Кассини скорее всего никак не учитывал влияние коэффициента преломления между вакуумом и атмосферой (он и сейчас почти ничем не отличается от 1).

Если принять мою версию, то при k’_{вак/атм} = 0.75, это уже не треугольник, а достаточно хорошо ощутимый пятиугольник. Впрочем с учетом малой толщины атмосферы этот пятиугольник действительно можно рассматривать как треугольник, но при этом углы наклона боковых сторон должны определяться с учетом коэффициента преломления. При k»_{вак/атм} = 0.75 реальное расстояние до Марса в 1.24 раза больше (в данном случае определяется как соотношение косинусов углов при одном и том же расстоянии между городами, расчет здесь не привожу), а значит и радиус орбиты Земли в 1. 24 раза больше. Умножаем:

с = 223000·1.24 = 276600 км/с (768.1.5)

Но тогда придется признать невероятное — и сейчас радиус орбиты Земли, расстояния до Луны и других небесных тел больше, чем принято считать! И тогда много чего придется пересчитывать, лучше оставим все как есть и допустим, что Ремер ошибся при определении времени задержки.

Но в то, что астроном Ремер так сильно не дружил со временем, мне вообще поверить сложно. А то, что Ремер после этого вычислил времена наблюдаемых на Землей затмений на несколько месяцев вперед с точностью до одной секунды. Это так, ерунда, он очень сильно ошибся.

И ведь никто не запрещает даже сегодня проверить точность расчетов Ремера, как например это сделал Юрий Гужеля и на основе табличных значений затмений спутника Юпитера 1994-1995 годов определил среднюю скорость света в вакууме, выполнив 20 поверочных расчетов. Результат расчетов следующий:

Средняя скорость света в вакууме составляет 223500 км/с.

Достаточно близко к значению, полученному Ремером, и очень далеко от ныне принятого значения 300000 км/с. Так почему же сейчас принято считать, что скорость света в вакууме 300, а не 220 тысяч км/с?

Да потому, что во всех остальных опытах по определению скорости света в вакууме рассматривалось движение лучей света в условиях земной атмосферы!

При этом самыми точными являются косвенные методы определения скорости света. Свет рассматривается, как электромагнитная волна, соответственно скорость света равна длине волны, умноженной на частоту излучения. Какая именно волна рассматривается не имеет значения, это может быть и радиоволна и гамма-излучение, выбирай любую.

Еще раз: скорость света, достаточно точно и многократно измеренная в условиях земной атмосферы и составляющая около 300000 км/с, принимается примерно равной скорости света в вакууме.

На основании чего? На основании расчетов английского астронома Д. Брэдли. Ведь Брэдли в 1726 году зафиксировал годовую аберрацию γ-звезды в созвездии Дракона — отклонение расчетного угла наклона наблюдаемого луча от реального угла наклона; предположил, что аберрация зависит от линейной скорости движения Земли вокруг Солнца, при этом скорость света в его телескопе равна скорости света в вакууме, а коэффициент преломления между вакуумом и атмосферой Земли = 1. А значит, все доказано.

Т.е. астроном, оперирующий только углами — угловым расстоянием между Полярной Звездой и γ-звездой и углом отклонения — предположил, что на аберрацию влияет не изменение угла наблюдения звезды в течение года, не изменение угловых размеров наблюдаемых звезд из-за изменения расстояния между Землей и звездами, а только скорость движения Земли. А изменением угла наблюдения и изменением угловых размеров из-за изменения расстояния можно пренебречь. Где логика?

На мой взгляд, гораздо проще объяснить годовую аберрацию света звезд изменением угла наблюдения за звездами в течение года. При изменении угла наблюдения меняется угол преломления луча в атмосфере вне зависимости от скорости света в вакууме, в воздухе, и вне зависимости от скорости вращения Земли вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Т.е. при определении аберрации важен только один показатель — коэффициент преломления света между вакуумом и воздухом.

И значение этого коэффициента должно быть ощутимо больше или меньше, чем ныне принятое  k_(в/а) = 1.00027-1.0005.

Доказать, что это так, достаточно просто. Для этого даже не нужен мощный и точный телескоп и несколько лет наблюдений, достаточно фотоаппарата и Луны, восход которой мы можем наблюдать чуть ли не каждый день. И чуть ли не каждый день мы можем наблюдать мгновенную аберрацию Луны:

Фотография 768.1. Луна над маяком Тайрон-Бэй.

Рисунок 768.1. Размеры Луны.

На рисунке 768.1 боковой радиус Луны и радиус наложенной окружности — 3.365 см, верхний радиус — 3. 29 см, нижний радиус — 3.15 см. Угол между горизонталью и центром диска Луны — угол наблюдения — примерно 3.5°. Если уменьшение нижнего радиуса можно попробовать объяснить тем, что Луна не полная, то объяснить уменьшение верхнего радиуса можно только разным углом преломления лучей из-за разницы углов наблюдения.

Кстати, если принять угловой размер Луны 0.7° (почему не 0.525° объясняется отдельно), то при боковом диаметре Луны 6.73 см разница между боковым и верхним радиусом составляет 3.365 — 3.29 = 0.075 см, угловой размер разницы 0.075·0.7/6.73 = 0.0078° или 28.1″ (при угле наблюдения 3.5°). Брэдли насчитал 20.45″ скорее всего при угле наблюдения 13.5°. И при чем тут отношение скорости вращения Земли вокруг Солнца к скорости света в телескопе?

У меня нет ответа, скорее всего просто так совпало, да и определение размеров Луны сделано с большой погрешностью, до 0.005 см, но все равно скорости тут явно ни причем.

Тем не менее рассмотрим расчеты Д. Брэдли более подробно.

Эксперимент №2. Скорость света — изменение угла наблюдения. 

В 1726 году Д. Брэдли определил скорость света по аберрации света звезд. Без учета преломления света в воздушной среде и принимая скорость света в вакууме равной (или почти равной) скорости света. Во всяком случае это следует из всех описаний его эксперимента, какие мне удалось найти. Скорость света по Брэдли (примерно):

с = v/tga = 30.235/0.0000991 = 305095 км/с (768.2)

где v = 29.77 км/с — линейная скорость вращения Земли по орбите вокруг Солнца + 0.465 км/с — скорость вращения Земли вокруг своей орбиты, а = 0.00568° — разница между ожидаемым (расчетным) и реальным углами наблюдения звезды из созвездия Дракона. За год наблюдения звезда описала условный круг с угловым радиусом 20.45″ или 0.00568°. Я не буду рисовать прямоугольный треугольник, у которого верхний катет — это расстояние Δу = vΔt, а боковой катет — это длина телескопа L, а — угол между боковым катетом и гипотенузой (причем гипотенуза — это все тот же телескоп, только длина его немного больше, чем L и соответственно скорость света в телескопе немного больше скорости света, почему смолчал Эйнштейн, я даже и не знаю). В сети таких рисунков достаточно.

А вот выяснить, под каким углом велись наблюдения было бы интересно. Созвездие Дракона расположено вокруг Полярной Звезды. Положение Полярной Звезды в небе, а значит и угол наблюдения звезды являются постоянными. Для Гринвичской обсерватории в Лондоне угол наблюдения должен составлять 51.48°. Созвездие Дракона в течение года вращается вокруг Полярной Звезды. γ-звезда, за которой наблюдал Брэдли, имеет расстояние 38° от Полярной Звезды (определял по карте звездного неба).

Тогда изменение угла наблюдения за год составляет от 51.5 — 38 = 13.5° в самой нижней точке, где влияние коэффициента преломления максимально, до 51.5 + 38 = 89.5°, т.е. практически в зените, где влияние коэффициента преломления минимально. Впрочем, я не астроном и мог чего-нибудь в градусах напутать. Тем не менее.

Логично предположить, что Бредли зафиксировал отклонение луча звезды при самом малом угле наблюдения 13.5°, да и размеры Луны нам на это как бы намекают.

Но нет! Есть аберрация звезд, а никакой аберрации Луны нет, есть иллюзия Луны и несколько десятков теорий, пытающихся объяснить лунную иллюзию в рамках принятой теории преломления света, когда коэффициент преломления между вакуумом и воздухом 1.00027-1.0005 и этот же коэффициент показывает уменьшение скорости света в воздухе по сравнению с вакуумом. Пока безуспешно.

Кстати, проверить правильность выводов, сделанных Брэдли, можно и сейчас. Достаточно выбрать звезду, имеющую больший угловой размер по отношению к Полярной Звезде (около 45-50° в зависимости от расположения обсерватории), и фиксировать отклонение угла в течение года. Рискну предположить, что фиксируемая аберрация при этом будет еще больше, даже не смотря на то, что за прошедшие 300 лет скорость вращения Земли несколько уменьшилась.

Я — не астроном, обсерватории у меня нет, но даже если бы я был астрономом и зафиксировал большую аберрацию, мне бы все равно никто не поверил. Все, тема закрыта, поезд ушел. Ну а мы продолжим.

Эксперимент №3. Метод вращающегося диска с прорезями

В 1849 году француз Арман Физо измерил скорость света с помощью вращающегося диска с прорезями. Идея была в принципе неплохая. Если я правильно понимаю, то луч света от естественного источника — Солнца направлялся в прорезь вращающегося диска, проходил расстояние L = 8.633 км в одну сторону от Сюррена до Парижа, отражался от зеркала и проходил еще раз расстояние 8.633 км. В диске — прорези между зубцами  в количестве N штук и столько же зубцов. Если диск поворачивался на ширину одного зубца (одной прорези), то свет заслонялся зубцом от наблюдателя. Наступало затмение 1-го порядка. При увеличении частоты вращения v в 2 раза, свет проходил через следующую прорезь и был виден наблюдателю. При увеличении частоты (скорости вращения диска) в 3 раза наступало затмение 2-го порядка. Впрочем, можно не увеличивать скорость вращения, а увеличивать количество прорезей.

Рисунок 768. 2. Установка Физо.

Таким образом скорость света можно определить по формуле:

с = 2L2Nv = 4LNv = 315015 км/с (768.3.1)

Именно такой результат получил Физо в результате своих экспериментов.

Можно ли верить результатам такого расчета? Можно, если бы речь шла о том, когда свет виден в прорези. Но как правило речь идет о наблюдении именно затмений различного порядка, например до 32-го, как это делал Перротен, используя диск огромного диаметра. Но если речь идет о затмениях, то формула определения скорости света при затмении 1-го порядка должна выглядеть так:

с = 2LNv (768.3.2)

т.е. диск должен повернуться на ширину одного зубца, не двух! А общая формула для затмений:

с/k_n = 2LNv (768.3.3)

где k₁ = 1 (затмение первого порядка), k₂ = 3 (затмение второго порядка), k₃ = 5 (затмение 3-го порядка) и так далее.

И тут у меня вопрос: почему так? На одном из ресурсов дается следующее разъяснение: «Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно t=2L/c окажется равным времени поворота зубчатого колеса на половину прорези t₂=T/(2N)=1/(2Nv).» 

Я конечно не очень большой специалист по математике и оптике, поэтому не могу себе представить, как, повернувшись на половину прорези, зубец может полностью занять место прорези при том, что ширина зубцов и прорезей одинаковые?

Кроме того автор, пытаясь хоть как-то объяснить формулу Физо, допустил еще и математическую ошибку. Время поворота на половину ширины прорези будет равно 0.5Nv, а не 2Nv. Впрочем другие авторы еще меньше заморачиваются, пишут, что Физо наблюдал именно просветления, а не затмения, приводят неправильный ряд значений k, а в итоге них частота вращения диска в 2 раза больше — 25. 2 оборота в секунду при все тех же 720 зубцах на диске.

Я конечно же далек от мысли, что такую элементарную ошибку за 200 лет никто не заметил, а если и заметил, то не счел нужным сказать свои пару слов по этому поводу. Тем не менее, факт остается фактом: нигде не указывается, что Физо наблюдал затмение именно первого порядка и зачем вообще потребовались наблюдения за затмениями более высоких порядков, если самым главным при определении скорости света есть первое затмение.

А если Физо действительно ошибся и никто этого не заметил, то скорость света в воздухе вообще в 2 раза меньше и составляет:

c_атм = 157707 км/с (768.3.4)

Читаем описание опыта Физо с того же сайта: «В опытах Физо зубчатое колесо имело 720 зубцов. Первое исчезновение сета наблюдалось, когда колесо совершало 12,67 оборота в секунду.» Подставляем данные в формулу (768.3.2), получаем c = 157707 км/с. Как я уже говорил, один из авторов, чтобы выйти из этого щекотливого положения, просто увеличил в 2 раза частоту вращения. Делов-то!

Скорее всего это конечно же не так. А для того, чтобы получить результат 315015 км/с и потребовались наблюдения затмений высшего порядка.

И еще одно слабое место схем эксперимента, которые приводятся для наглядности: на этих схемах лучи движутся навстречу друг другу по одним и тем же траекториям, но это никак не влияет на скорость света и непонятно, зачем тогда нужна вторая линза возле зеркала.

Тут нужно отдать должное гению Физо. Собрав лучи в фокус на зеркале с помощью второй линзы, Физо добился максимального рассеяния плотности световых потоков. Падающие и отражающиеся лучи образовывали фокусное пятно и благодаря этому их траектории не накладывались, а смещались, максимальное смещение было у самых крайних лучей за счет большего угла преломления. А заодно Физо перевернул картинку, т.е верхние лучи пошли почти по пути нижних и наоборот, но на общий результат это никак не влияло. А на интерпретацию результатов, полученных при опытах с движением света в движущейся жидкости, повлияло. Физо получил не те результаты, которые ожидал.

Ну а мы продолжим разбор экспериментов.

Эксперимент №4. Метод вращающегося зеркала

В 1850, а затем и в 1862 году Жан Леон Фуко провел серию экспериментов по определению скорости света в воздухе лаборатории. Идея тоже очень хорошая и на первый взгляд даже лучше, чем эксперимент Физо, потому что фиксируется вполне конкретное расстояние S₁S₁‘, прямо зависящее от скорости света, но как и в эксперименте Физо, есть небольшие проблемы. Сначала описание опыта:

Рисунок 768.3. Установка Фуко.

Рисунок 768.4. Скриншот описания опыта Фуко.

Тут в принципе все нормально за исключением нескольких деталей:

1. Лучи, параллельные после коллиматорной линзы L, должны отражаться от зеркала R под одинаковым углом. Но везде показаны лучи, отраженные от зеркала под разными углами и собирающиеся в фокус в точке С, на вогнутом зеркале. Как такое может быть?

Для того, чтобы отразить лучи так, чтобы они вернулись в те же точки, от которых были отражены и чтобы можно было утверждать, что отраженные лучи составляют углы 2Δφ с падающими, нужно использовать плоское зеркало С, перпендикулярное падающим лучам. Но это тоже плохой вариант, поэтому что траектории лучей будут накладываться, точнее почти накладываться из-за различных погрешностей, в частности когда плоское зеркало С не перпендикулярно зеркалу R.

Что происходит, когда параллельные лучи отражаются от вогнутого зеркала? Правильно! Они отражаются под разными углами! И при этом траектории лучей не будут накладываться.

Таким образом Фуко использовал вогнутое зеркало С достаточно большого размера, чтобы увеличить количество отраженных лучей при разных углах наклона зеркала R и для уменьшения средней плотности светового потока. При использовании плоского зеркала С ему бы потребовался очень мощный лазер, а не солнечный зайчик, чтобы хоть что-то увидеть при отражении только при определенном угле наклона зеркал друг к другу.

Но почему Фуко не учел это в своих формулах? И почему на это опять же никто не обратил внимание?.. Загадка.

Попробуем разобраться, что же происходит на самом деле. Радиус вогнутого зеркала нигде не указывается, но по логике он должен быть равен расстоянию между поверхностью вогнутого зеркала и центром вращения зеркала R, т.е. r = L = 20 м.

Ширина зеркала R и ширина светового потока также нигде не указывается, но это не имеет принципиального значения. По геометрии выходит, что угол между двумя радиусами одной окружности всегда равен углу между касательными, проведенными в точках соединения радиусов с окружностью. А в данном случае касательные — это и есть плоскости отражения.

Таким образом для центрального луча ничего не поменяется, его угол отклонения от нормали будет равен нулю после отражения от зеркала С, а вот для всех остальных лучей поменяются углы падения и углы отражения. В итоге изображение на зеркале R перевернется (как у Физо), крайние лучи поменяются местами, а после этого лучи отразятся под изменнеными углами и изображение начнет увеличиваться!

А дальше все зависит от множества факторов,  в частности таких как расстояние между коллиматорной линзой и зеркалом R, фокусное расстояние линзы L. Попробую это проиллюстрировать:

Рисунок 768.5. Статический разбор схемы эксперимента Фуко.

1а) Лучи света от источника S после преломления линзой L становятся параллельными, попадают на неподвижное зеркало R и отражаются на зеркало С, все под одинаковым углом. На рисунке также показан фокус линзы.

б) Лучи света, пришедшие параллельно до зеркала С, отражаются от зеркала под разными углами, при этом картинка переворачивается. Для центрального луча, угол падения и отражения не меняется.

в) Крайние лучи света, поменявшись местами приходят в те же точки, но под другими углами. После отражения картинка увеличивается и даже если попадает в линзу L, то все равно крайние лучи из-за дополнительного угла преломления не попадают в фокус. Для них фокус вообще может оказаться бесконечно далеко.

1г) В фокус попадают только лучи, которые до преломлений были примерно в 2 раза ближе к центральному лучу. Чем больше фокус линзы, тем ближе эти лучи к центральному. При этом фактический фокус линзы сместится из-за дополнительного угла преломления лучей, пришедших в те же точки, откуда выходили максимально удаленные от центрального лучи. Фактический фокус получается почти в 2 раза больше расчетного (в 1.86 раза при определении графическим методом.

2а) и 2г) Рассматривается влияние уменьшения фокуса линзы. При увеличении угла преломления для крайних лучей в 2 раза соотношение между между фактическим и расчетным радиусом составляет 1.71 раза. 

Это означает, что расчеты выполненные по указанной формуле, завышают значение скорости света как минимум в 1.7-1.9 раз. При учете угла наклона лучей к номали коллиматорной линзы эта разница еще больше увеличится.

На первый взгляд может показаться, что наоборот, из-за увеличения фокусного расстояния скорость света должна еще увеличиться, как следует из формулы. Вот только источник света и светоуловитель устанавливались на расстоянии расчетного фокуса от линзы, а значит в фокус попадали лучи, имевшие угол преломления примерно в 1. 7-1.9 раз меньше, чем следует из формулы. Таким образом более точное значение скорости света в воздухе по Фуко должно составлять:

с_атм = 157000-175000 км/с (768.4)

Примерно столько же получил бы и Физо, если бы использовал правильную формулу.

Экперимент №4а. Определение скорости света в воде тем же методом

Фуко с помощью этой же установки пытался определить скорость света в воде. Он сократил расстояние между зеркалами до 4 м и поместил между зеркалами сосуд с водой. Частота оборотов зеркала также была увеличена, хотя куда уж больше?

В итоге Фуко вычислил, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе. Во сколько раз была разница и каковы непосредственно результаты определения скорости света в воде, мне найти не удалось. Тем не менее теперь вы и сами можете достаточно легко ответить на вопрос:

— Где Фуко ошибся?

— Правильно! Фуко предполагал, что лучи света между зеркалами двигаются параллельно друг другу, поэтому коэффициент преломления можно не учитывать.

Между тем коэффициент преломления между воздухом и водой k_{атм/вод} = 1.333 как минимум уменьшил угол отклонения лучей после отражения от зеркала С в 1.333 раза, в итоге больше лучей попало в фокус линзы и фактический фокус линзы стал ближе к расчетному.

На этом наиболее широко известные попытки определить скорость света в вакууме от естественного источника света — Солнца — закончились.

Подведем итог:

1. Ремер, единственный, кто определял скорость света в вакууме прямым методом и при этом наиболее простым. При его методе влияние таких факторов, как замедление или ускорение света в атмосфере, отклонение лучей света из-за преломления, пренебрежимо мало (если предположить, что после выхода из атмосферы скорость света восстанавливается). Поэтому его результат я считаю наиболее точным, если не считать очень вероятную ошибку при определении расстояния между Марсом и Землей.

Но и это еще не все, потому что:

1. Скорость света в вакууме может быть не постоянной величиной.

Ремер, как впрочем и все остальные физики после него, предполагал, что скорость света в вакууме — это постоянная величина, поэтому расстояние от Солнца до спутника Ио и расстояние от Ио до Земли можно не учитывать. А рассматривать только разницу этих расстояний.

А между тем на свет, движущийся в вакууме действуют силы гравитационного взаимодействия. Они относительно слабые, тем не менее они есть, а значит даже вакуум имеет силу сопротивления движению. А там, где есть противодействующая сила, там есть отрицательное ускорение. Значит свет в процессе движения в вакууме должен замедляться. Как минимум луч света постепенно преломляется, пролетая достаточно близко к массивным телам.

Таким образом, если знать значение отрицательного ускорения, то более правильно выполнять расчет учитывая полный путь света от Солнца до Ио и от Ио до Земли. Скорее всего отрицательное ускорение если и есть, то очень незначительное и при расчетах влиянием этого ускорения действительно можно пренебречь. Тем не менее помнить об этом следует.

2. Ремер наблюдал лучи, отраженные от поверхности Ио.

Любое тело при столкновении с другим телом теряет часть кинетической энергии. Если масса тела при этом не уменьшается, то уменьшается скорость. Кроме того, на поверхности Ио постоянно действуют вулканы, а значит есть газовая атмосфера с высоким содержанием серы. Солнечные лучи, перед тем как отразиться от поверхности, и после отражения должны преодолеть дополнительное сопротивление газовой среды. А значит скорость еще уменьшится.

Например, возможное изменение скорости света при переходе в атмосферу 1.42 и тогда скорость лучей, летящих от Солнца к спутнику Юпитера, равна 223000·1.42 = 316660 км/с. И если допустить, что при выходе из атмосферы скорость света не восстанавливается или почти восстанавливается, но при отражении и от атмосферы и от поверхности свет теряет до 30% энергии, а значит и скорости, что и зафиксировал Ремер, то в итоге все выше перечисленные исследователи скорости света, не смотря на возможные допущенные ошибки, оказались правы, хотя они тоже экспериментировали с отраженным светом (у Физо свет отражался 2 раза, у Фуко — 4 раза), а потому коэффициент отскока тоже следовало бы учесть.

Возможно и в этом случае потери скорости света, который мы в итоге видим, пренебрежимо малы и их тоже можно не учитывать. Но как знать, как знать?..

Я полагаю, что скорость света в вакууме скорее всего 276000 км/с (или даже меньше, если я напутал с коэффициентом преломления), а не например 316660 км/с? Ну еще и потому, что энергия фотона Е = mc², а не Е = mc²/2. Это можно попробовать объяснить тем, что квадрат скорости 223000 км/с в 2.016 раз меньше квадрата скорости 316000 км/с.

Впрочем, нам тут, на Земле, в уютной теплой атмосфере, по большому счету безразлично, какая там скорость света в вакууме — 100 тысяч или 500 тысяч. Эйнштейн сказал — 300 тысяч км/с и больше быть никак не может, ну и пусть будет 300 тыщ, чем бы дитя не тешилось.

Кто определил скорость света?

В древние времена многие ученые считали, что скорость света бесконечна и он может мгновенно перемещаться на любое расстояние. Итальянский физик Галилео Галилей был одним из первых, кто попытался измерить скорость света. В начале 17 века он разработал эксперимент, в котором два человека с закрытыми фонарями стояли на известном расстоянии друг от друга. Один человек открыл свой фонарь, и как только другой увидел свет, он открыл свой собственный фонарь.Галилей попытался записать время между сигналами фонаря, но безуспешно, потому что расстояние было слишком маленьким, а свет просто перемещался слишком быстро, чтобы его можно было измерить таким образом.

Примерно в 1676 году датский астроном Оле Ремер стал первым человеком, доказавшим, что свет движется с конечной скоростью. Он изучил спутники Юпитера и отметил, что их затмения произошли раньше, чем предсказывалось, когда Земля была ближе к Юпитеру, и произошли позже, когда Земля была дальше от Юпитера. Ремер рассуждал, что это результат движения света с конечной скоростью; чтобы добраться до Земли, потребовалось больше времени, когда Юпитер находился на большем расстоянии.

В последующие века ряд других ученых работали над определением скорости света и, используя улучшенные методы, производили все более точные вычисления. Французскому физику Ипполиту Физо приписывают проведение первых неастрономических измерений в 1849 году с использованием метода, который включал передачу света через вращающееся зубчатое колесо, а затем его отражение обратно с помощью зеркала, расположенного на значительном расстоянии. Один из первых точных расчетов скорости света был произведен в 1920-х годах американским физиком Альбертом Майкельсоном, который проводил свои исследования в горах Южной Калифорнии с помощью восьмистороннего вращающегося зеркала.В 1983 году международная комиссия по мерам и весам установила скорость света в вакууме в соответствии с расчетами, которые мы используем сегодня: 299 792 458 метров в секунду (186 282 миль в секунду) — скорость, которая могла бы совершить 7,5 оборота экватора за одну секунду.

Что такое скорость света?

С древних времен философы и ученые пытались понять свет. Помимо попыток определить его основные свойства (то есть из чего он состоит — частицы или волны и т. Д. ), Они также пытались провести конечные измерения того, насколько быстро он движется.С конца 17 века ученые занимались именно этим, и с возрастающей точностью.

Таким образом они получили лучшее понимание механики света и той важной роли, которую он играет в физике, астрономии и космологии. Проще говоря, свет движется с невероятной скоростью и является самым быстрым движущимся объектом во Вселенной. Его скорость считается постоянной и непреодолимой преградой и используется как средство измерения расстояния. Но как быстро он движется?

Скорость света (

c ):

Свет движется с постоянной скоростью 1 079 252848.8 (1,07 миллиарда) км в час. Получается 299 792 458 м / с, или около 670 616 629 миль в час (миль в час). Чтобы представить это в перспективе, если бы вы могли путешествовать со скоростью света, вы могли бы облететь земной шар примерно семь с половиной раз за одну секунду. Между тем, человеку, летящему со средней скоростью около 800 км / ч (500 миль в час), потребуется более 50 часов, чтобы облететь планету только один раз.

Иллюстрация, показывающая расстояние, на которое свет проходит между Землей и Солнцем.Предоставлено: LucasVB / Public Domain

Чтобы представить это в астрономической перспективе, среднее расстояние от Земли до Луны составляет 384 398,25 км (238 854 мили). Таким образом, свет проходит это расстояние примерно за секунду. Между тем, среднее расстояние от Солнца до Земли составляет ~ 149 597 886 км (92 955 817 миль), что означает, что свету требуется всего около 8 минут, чтобы совершить это путешествие.

Тогда неудивительно, почему скорость света — это показатель, используемый для определения астрономических расстояний.Когда мы говорим, что такая звезда, как Проксима Центавра, находится от нас на расстоянии 4,25 световых лет, мы говорим, что для того, чтобы добраться туда с постоянной скоростью 1,07 миллиарда км в час (670 616 629 миль в час), потребуется около 4 лет и 3 месяцев. Но как мы пришли к этому весьма специфическому измерению «скорости света»?

История обучения:

До 17 века ученые не были уверены, распространяется ли свет с конечной скоростью или мгновенно. Со времен древних греков до средневековых исламских ученых и ученых раннего Нового времени дискуссии продолжались.Первое количественное измерение было проведено только после работы датского астронома Оле Рёмера (1644-1710).

В 1676 году Рёмер заметил, что периоды внутреннего спутника Юпитера Ио оказались короче, когда Земля приближалась к Юпитеру, чем когда она удалялась от него. Из этого он пришел к выводу, что свет движется с конечной скоростью, и подсчитал, что для пересечения диаметра орбиты Земли требуется около 22 минут.

Профессор Альберт Эйнштейн читает 11-ю лекцию Джозайи Уилларда Гиббса в Технологическом институте Карнеги 7 декабря.28 декабря 1934 года, где он изложил свою теорию того, что материя и энергия — это одно и то же в разных формах. Предоставлено: AP Photo

Христиан Гюйгенс использовал эту оценку и объединил ее с оценкой диаметра орбиты Земли, чтобы получить оценку 220 000 км / с. Исаак Ньютон также говорил о расчетах Рёмера в своей основополагающей работе Opticks (1706). Приняв поправку к расстоянию между Землей и Солнцем, он подсчитал, что свету потребуется семь или восемь минут, чтобы перейти от одного к другому.В обоих случаях они были с относительно небольшим отрывом.

Более поздние измерения, выполненные французскими физиками Ипполитом Физо (1819–1896) и Леоном Фуко (1819–1868), уточнили эти измерения и дали значение 315000 км / с (192 625 миль / с). А ко второй половине 19 века ученые осознали связь между светом и электромагнетизмом.

Это было выполнено физиками, измеряющими электромагнитные и электростатические заряды, которые затем обнаружили, что численное значение очень близко к скорости света (измеренной Физо).Основываясь на своей собственной работе, которая показала, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве, немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер предположил, что свет является электромагнитной волной.

Следующий великий прорыв произошел в начале 20-го века / В своей статье 1905 года, озаглавленной « О электродинамике движущихся тел», Альберт Эйнштейн утверждал, что скорость света в вакууме, измеренная неускоряющимся наблюдателем, равна одинаково во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или наблюдателя.

Лазер, светящий через стакан с водой, показывает, сколько изменений скорости (в милях в час) он претерпевает, когда переходит от воздуха к стеклу, к воде и обратно. Предоставлено: Боб Кинг

Используя этот принцип и принцип относительности Галилея в качестве основы, Эйнштейн вывел специальную теорию относительности, в которой скорость света в вакууме ( c ) была фундаментальной константой. До этого ученые пришли к общему мнению, что пространство заполнено «светоносным эфиром», который отвечает за его распространение — т.е.е. этот свет, проходящий через движущуюся среду, будет увлекаться ею.

Это, в свою очередь, означало, что измеренная скорость света будет простой суммой его скорости с по среды плюс скорость от этой среды. Однако теория Эйнштейна фактически сделала бесполезной концепцию неподвижного эфира и произвела революцию в представлениях о пространстве и времени.

Он не только продвинул идею о том, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета, но также представил идею о том, что большие изменения происходят, когда вещи движутся со скоростью, близкой к скорости света. К ним относятся пространственно-временная структура движущегося тела, которое, кажется, замедляется и сжимается в направлении движения при измерении в системе координат наблюдателя (то есть замедление времени, когда время замедляется по мере приближения скорости света).

Его наблюдения также согласовали уравнения Максвелла для электричества и магнетизма с законами механики, упростили математические вычисления, отказавшись от посторонних объяснений, используемых другими учеными, и согласились с непосредственно наблюдаемой скоростью света.

Во второй половине 20-го века все более точные измерения с использованием лазерных инферометров и методов объемного резонанса позволят еще больше уточнить оценки скорости света. К 1972 году группа из Национального бюро стандартов США в Боулдере, штат Колорадо, использовала технику лазерного инферометра, чтобы получить признанное в настоящее время значение 299 792 458 м / с.

Роль в современной астрофизике:

Теория Эйнштейна о том, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и инерциальной системы отсчета наблюдателя, с тех пор постоянно подтверждается многими экспериментами.Он также устанавливает верхний предел скорости, с которой все безмассовые частицы и волны (включая свет) могут перемещаться в вакууме.

Одним из следствий этого является то, что космологи теперь рассматривают пространство и время как единую единую структуру, известную как пространство-время, в которой скорость света может использоваться для определения значений для обоих (например, «световые годы», «световые минуты», и «световые секунды»). Измерение скорости света также стало важным фактором при определении скорости космического расширения.

Начиная с 1920-х годов с наблюдений Леметра и Хаббла, ученые и астрономы осознали, что Вселенная расширяется с точки своего происхождения. Хаббл также заметил, что чем дальше галактика, тем быстрее она движется. В том, что сейчас называется параметром Хаббла, скорость, с которой расширяется Вселенная, составляет 68 км / с на мегапарсек.

Это явление, предположительно означающее, что некоторые галактики действительно могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света, может накладывать ограничения на то, что наблюдается в нашей Вселенной.По сути, галактики, движущиеся быстрее скорости света, пересекли бы «космологический горизонт событий», где они больше не видны нам.

Кроме того, к 1990-м годам измерения красного смещения далеких галактик показали, что расширение Вселенной ускоряется в течение последних нескольких миллиардов лет. Это привело к появлению теорий, подобных «Темной энергии», где невидимая сила управляет расширением самого пространства, а не движущимися сквозь него объектами (таким образом, не накладывая ограничений на скорость света или нарушая теорию относительности).

Наряду с специальной и общей теорией относительности, современное значение скорости света в вакууме стало основой космологии, квантовой физики и Стандартной модели физики элементарных частиц. Он остается постоянным, когда говорят о верхнем пределе, при котором могут перемещаться безмассовые частицы, и остается недостижимым барьером для частиц, обладающих массой.

Возможно, когда-нибудь мы найдем способ превзойти скорость света. Хотя у нас нет практических представлений о том, как это может произойти, разумные деньги, похоже, тратятся на технологии, которые позволят нам обойти законы пространства-времени, создавая пузыри деформации (иначе говоря.Варп-Драйв Алькубьерре) или прокладывать через него туннели (также известные как червоточины).

До этого времени нам просто нужно будет довольствоваться Вселенной, которую мы можем видеть, и придерживаться исследования той ее части, которая доступна обычными методами.

Мы написали много статей о скорости света для «Вселенной сегодня». Вот какова скорость света ?, «Как галактики удаляются быстрее света?»

Вот отличный калькулятор, который позволяет вам пересчитывать множество различных единиц скорости света, и вот калькулятор относительности на тот случай, если вы хотите путешествовать со скоростью, близкой к скорости света.

Astronomy Cast также имеет эпизод, в котором рассматриваются вопросы о скорости света — Вопросы-шоу: Относительность, Относительность и многое другое.

Источники:

Как это:

Нравится Загрузка …

Профиль Оле Ремера: Первый, кто измерил скорость света

В 1676 году датский астроном Оле Ремер (1644–1710) стал первым человеком, измерившим скорость света.

Ремер измерил скорость света по времени затмений спутника Юпитера Ио. На этом рисунке S — это Солнце, E1 — это Земля, когда она находится ближе всего к Юпитеру (J1), а E2 — это Земля примерно через шесть месяцев, на противоположной стороне Солнца от Юпитера (J2).Когда Земля находится в точке E2, свет от системы Юпитера должен пройти дополнительное расстояние, представленное диаметром орбиты Земли. Это вызывает задержку времени затмений. Ремер измерил задержку и, зная приблизительно диаметр земной орбиты, сделал первую хорошую оценку скорости света. Иллюстрация Дайаны Клайн.

До этого времени ученые полагали, что скорость света либо слишком велика, чтобы ее измерить, либо бесконечна.Доминирующая точка зрения, энергично аргументированная французским философом Декартом, одобряла бесконечную скорость.

Ремер, работавший в Парижской обсерватории, не искал скорость света, когда нашел ее. Вместо этого он собирал обширные наблюдения за орбитой Ио, ближайшего из четырех больших спутников Юпитера, открытых Галилеем в 1610 году. Измеряя время затмений Ио Юпитером, Ремер надеялся определить более точное значение орбитального периода спутника. . Такие наблюдения имели практическое значение в семнадцатом веке.Сам Галилей предположил, что таблицы орбитального движения спутников Юпитера могут служить своего рода «часами» в небе. Навигаторы и картографы в любой точке мира могут использовать эти часы для считывания абсолютного времени (стандартное время в месте с известной долготой, например, в Парижской обсерватории). Затем, определив местное солнечное время, они могли рассчитать свою долготу по разнице во времени. Этот метод определения долготы в конечном итоге оказался непрактичным, и от него отказались после разработки точных морских часов.Но данные затмения на Ио неожиданно решили другую важную научную проблему — скорость света.

Сейчас известно, что орбитальный период Ио составляет 1,769 земных суток. Спутник затмевается Юпитером один раз на каждой орбите, если смотреть с Земли. Рассчитывая эти затмения на протяжении многих лет, Ремер заметил кое-что необычное. Временной интервал между последовательными затмениями постоянно становился короче по мере того, как Земля по своей орбите приближалась к Юпитеру, и постоянно становился длиннее, когда Земля удалялась от Юпитера.Эти различия накапливались. Исходя из своих данных, Ремер подсчитал, что, когда Земля находится ближе всего к Юпитеру (в точке E1), затмения Ио произойдут примерно на одиннадцать минут раньше, чем предсказывалось на основе среднего орбитального периода за многие годы. А 6,5 месяцев спустя, когда Земля была дальше всего от Юпитера (в точке E2), затмения произойдут примерно на одиннадцать минут позже, чем предполагалось.

Ремер знал, что истинный период обращения Ио не может иметь ничего общего с относительным положением Земли и Юпитера.В блестящем понимании он понял, что разница во времени должна быть связана с конечной скоростью света. То есть свет от системы Юпитера должен пройти дальше, чтобы достичь Земли, когда две планеты находятся на противоположных сторонах Солнца, чем когда они находятся ближе друг к другу. Ремер подсчитал, что свету требуется двадцать две минуты, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Тогда скорость света можно было бы определить, разделив диаметр земной орбиты на разницу во времени.

Голландский ученый Христиан Гюйгенс, первым выполнивший арифметические вычисления, нашел значение скорости света, эквивалентное 131 000 миль в секунду.Правильное значение — 186 000 миль в секунду. Разница была вызвана ошибками в оценке Ремера максимальной временной задержки (правильное значение — 16,7, а не 22 минуты), а также неточным знанием диаметра орбиты Земли. Однако более важным, чем точный ответ, было то, что данные Ремера дали первую количественную оценку скорости света, и она была правильной.

Ремер вернулся в Данию в 1681 году, где сделал выдающуюся карьеру как в науке, так и в правительстве.Он разработал и построил самые точные астрономические инструменты своего времени и провел обширные наблюдения. Позже он был мэром и префектом полиции Копенгагена, а в конечном итоге — главой Государственного совета. Сегодня Ремера помнят, конечно, не за его высокий политический пост, а за то, что он был первым человеком, измерившим скорость света.

15.30: Скорость света

Скорость света по определению равна точно 2,997 924 58 x 10 ⁸ мс ⁻¹ и одинакова для всех наблюдателей.

Это, казалось бы, простое предложение требует нескольких комментариев.

Во-первых: обратите внимание, что я использовал слово «скорость». Некоторые авторы используют слово «скорость», как если бы оно было просто более впечатляющим и научно звучащим синонимом слова «скорость». Я верю, что все читатели этих заметок знают разницу и будут использовать слово «скорость», когда они имеют в виду «скорость», и слово «скорость», когда они означают «скорость» — безусловно, не безосновательное требование. Сказать, что «скорость» света одинакова для всех наблюдателей, означает, что направление движения света одинаково для всех наблюдателей.Несомненно, это вовсе не то, что намеревается передать писатель, использующий слово «скорость» — это буквальный (и, конечно, весьма ошибочный) смысл утверждения.

Секунда: Как мы можем определить скорость света, чтобы иметь точное значение ? Несомненно, скорость света — это то, что мы находим, и мы не вправе определять ее значение. Но на самом деле нам разрешено это делать , и вкратце объяснение таково.

На протяжении истории измеритель определялся по-разному. Когда-то это была определенная часть окружности Земли. Позже это было расстояние между двумя царапинами на бруске платино-иридиевого сплава, хранящемся в Париже. Еще позже это было определенное количество длин волн определенной линии в спектре ртути, кадмия, аргона или криптона. При современном уровне развития технологий гораздо легче измерить и воспроизвести точные эталоны частоты и , чем измерить и воспроизвести эталоны длины.Из-за этого текущая единица времени SI (Système International) — это секунда в системе СИ, которая основана на частоте определенного перехода в спектре цезия, и отсюда счетчик составляет , определяемый как как расстояние, пройденное на свет в вакууме за определенную долю секунды в системе СИ, при этом скорости света приписывается точное значение, указанное выше.

Подробное обсуждение точных определений единиц времени, расстояния и скорости является частью предмета метрологии .Это важная и интересная тема, но она имеет лишь незначительное отношение к теме относительности, и, следовательно, указав точное значение скорости света, мы оставляем здесь дальнейшее обсуждение метрологии.

Третий: Как может скорость света быть одинаковой относительно у всех наблюдателей ? Это утверждение является абсолютно центральным для специальной теории относительности, и его можно рассматривать как ее фундаментальный и наиболее важный принцип. Мы обсудим это далее в оставшейся части главы.

Вот почему скорость света равна скорости света

Скорость света в вакууме составляет 299 792 458 метров в секунду, цифра, к которой ученые наконец пришли в 1975 году, — но зачем останавливаться на этой цифре? А какое это имеет значение?

Ответы на эти вопросы отправят нас в удивительное путешествие через пространство, время, физику и измерения, и история еще не совсем рассказана. Современные исследования впервые за столетия ставят под сомнение скорость света.

Но для начала немного истории: в начале 17 века все считали, что у света нет скорости, что он просто появляется мгновенно, присутствует он или нет.

В 1600-х годах эта идея подверглась серьезным испытаниям. Во-первых, голландский ученый Исаак Бекман в 1629 году установил серию зеркал вокруг взрывов пороха, чтобы увидеть, заметили ли наблюдатели какую-либо разницу в том, когда появляются вспышки света.

К несчастью для Бекмана и прогресса науки, результаты были неубедительными, но затем в 1676 году датский астроном Оле Ремер заметил странные изменения времени затмений одной из лун Юпитера в течение года.

Может ли это быть из-за того, что свету требовалось больше времени, чтобы отойти от Юпитера, когда Земля находилась дальше? Рёмер так думал, и его грубые расчеты показали, что скорость света составляет около 220 000 километров в секунду — неплохая оценка, особенно с учетом того, что данные о размерах планет, которые он мог бы получить, не были такими уж точными.

Дальнейшие эксперименты с лучами света на нашей планете приблизили ученых к правильному числу, а затем в середине 1800-х годов физик Джеймс Клерк Максвелл представил свои уравнения Максвелла — способы измерения электрических и магнитных полей в вакууме.

Уравнения Максвелла фиксировали электрические и магнитные свойства пустого пространства, и, отметив, что скорость безмассовой волны электромагнитного излучения очень близка к предполагаемой скорости света, Максвелл предположил, что они могут точно совпадать.

Оказывается, Максвелл был прав, и мы впервые смогли измерить скорость света на основе других констант во Вселенной.

В то же время работа Максвелла убедительно свидетельствует о том, что свет сам по себе является электромагнитной волной, и после того, как эта идея была подтверждена, Альберт Эйнштейн в 1905 году подхватил ее как часть своей специальной теории относительности.

Сегодня скорость света, или c , как ее обычно называют, считается краеугольным камнем специальной теории относительности — в отличие от пространства и времени, скорость света постоянна, независимо от наблюдателя.

Более того, эта константа лежит в основе большей части того, что мы понимаем о Вселенной. Он соответствует скорости гравитационной волны, и да, это тот же самый c , который находится в знаменитом уравнении E = mc ² .

Однако Максвелл и Эйнштейн не только знают, что такое скорость света.Ученые измерили его, отражая лазеры от объектов и наблюдая за тем, как гравитация действует на планеты, и все эти эксперименты дали одну и ту же цифру.

Однако история на этом не заканчивается, благодаря квантовой теории, той области физики, которая намекает, что Вселенная может быть не такой постоянной, как мы думаем.

Квантовая теория поля утверждает, что вакуум никогда не бывает пустым: он заполнен элементарными частицами, которые быстро появляются и исчезают. Согласно гипотезе, эти частицы создают на своем пути электромагнитную рябь и потенциально могут вызывать изменения скорости света.

Исследования этих идей продолжаются, и мы пока не знаем наверняка, так или иначе. На данный момент скорость света остается такой же, как и на протяжении веков, постоянной и фиксированной … но наблюдайте за этим пространством.

Как определялась скорость света и кто ее нашел и когда? Насколько близка оценка в 186 000 м / с к «реальной» скорости света?

Спросил: Чак Бейкер

Ответ

Хотя Галилей был первым известным человеком, который попытался определить скорость света, ему это не удалось.Его эксперименты проводились на земных расстояниях, и доступные ему методы измерения времени были слишком грубыми, чтобы сделать успешное определение, учитывая такие расстояния и очень большую скорость света.

Датский астроном Олаус Ремер в 1676 году первым успешно измерил скорость света. Его метод был основан на наблюдениях затмений лун Юпитера (Юпитером).

Ремер заметил, что наблюдаемый интервал времени между последовательными затмениями данной луны был примерно на семь минут больше, когда наблюдения проводились, когда Земля на своей орбите удалялась от Юпитера, чем когда она двигалась к Юпитеру.Он рассудил, что, когда Земля удалялась от Юпитера, наблюдаемое время между затмениями увеличивалось по сравнению с истинным значением (примерно на 3,5 минуты) из-за дополнительного расстояния, которое свет от каждого последующего затмения должен был пройти, чтобы достичь Земли. И наоборот, когда Земля двигалась к Юпитеру, наблюдаемый интервал между затмениями уменьшился (примерно на 3,5 минуты) из-за уменьшения расстояния, которое свет должен был пройти каждое из них.

последовательное затмение.

Если бы Земля не двигалась, свет от последовательных затмений должен был бы пройти такое же расстояние до Земли, чтобы можно было наблюдать истинный интервал между затмениями. Однако, когда Земля удалялась от Юпитера, свет должен был пройти большее расстояние, чтобы достичь Земли после каждого последующего затмения, и, наоборот, меньшее расстояние, когда Земля двигалась к Юпитеру. Поскольку скорость Земли на ее орбите была известна, можно было вычислить расстояние, на которое Земля прошла между затмениями. Затем была оценена скорость света, чтобы учесть семиминутное общее изменение наблюдаемого интервала между последовательными затмениями.

По оценке Ремера, скорость света составляла 140 000 миль / сек, что очень хорошо с учетом используемого метода.

Для дальнейшего обсуждения способов измерения скорости света см .:

«Путеводитель Азимова по науке», Айзек Азимов, Basic Books, Inc., (1972), стр. 342-347.

Краткое изложение предложенного Ремером метода см .:

«Справочник по физике», изд. W. F. Magie, Harvard Univ. Press, (1963), стр. 335-337.

Ответил: Уоррен Дэвис, доктор философии, президент Davis Associates, Inc. , Ньютон, Массачусетс, США

Со времен Ремера разные ученые предпринимали множество попыток более точно измерить скорость света.Вот краткое изложение их имен и полученных ими ценностей:

902 53 299 793. 1 (0.3)

Ссылка: ‘Введение в современную оптику, Грант Р. Фаулз, Dover Publications, NYC, 1989, p6

Ответил: Добавлю, что

скорость света, наконец, была , определена как 299 792 458 м / с,

точно. Это сделано, поскольку мы считаем c истинной константой

природа. Итак, теперь определение счетчика напрямую

в зависимости от определения

Скорость света

На протяжении многих лет история оптики неразрывно связана с поисками определения скорости распространения света в различных средах.Первоначально считалось, что свет распространяется с бесконечной скоростью. Еще в одиннадцатом веке считалось, что свет действительно движется с конечной скоростью, но слишком быстро, чтобы его можно было измерить обычными методами. В 1675 году датский астроном Олаф Ремер (1644-1710) сделал первое научное определение скорости света на основе наблюдений за затмениями самой внутренней луны Юпитера. Ремер отметил значительную разницу во времени этих затмений в зависимости от относительного положения Солнца, Земли и Юпитера во время проведения наблюдений.По сути, когда Земля находилась ближе всего к Юпитеру, затмения происходили на несколько минут раньше предсказанного времени, а когда Земля находилась дальше всего от Юпитера, это затмение происходило на несколько минут позже, чем было предсказано. Хотя нет никаких свидетельств того, что Ремер действительно сделал окончательный расчет, его данные привели бы к выводу, что свет распространяется со скоростью 200 000 км / с. Современники Ремера изменили его выводы, включая более точные данные об орбитальном радиусе Земли, и пришли бы к значению, близкому к 300 000 км / с.

Примерно 50 лет спустя, в 1728 году, известный британский астроном Джеймс Брэдли (1693-1762) провел астрономические наблюдения совершенно иного типа, на основании которых он смог вычислить скорость света. Этот эксперимент включал наблюдение звезды с помощью телескопа с осью, перпендикулярной плоскости вращения Земли. Было обнаружено, что для компенсации скорости падающего света ось телескопа должна быть наклонена на небольшой угол в направлении движения Земли.Величина необходимого наклона телескопа позволила Брэдли вычислить скорость света, которая, как он обнаружил, составила 301 000 км / с.

Первое наземное измерение скорости света было зарегистрировано французским ученым Арманом Физо (1819-1896) в 1849 году. Эксперимент Физо проиллюстрирован на рис. 2.3. Источник света фокусировался через светоделитель на плоскость изображения, где располагалось вращающееся зубчатое колесо. Свет, проходящий между зубьями этого колеса, затем проецировался в зеркало на расстоянии около 8 км, где он собирался и затем отражался обратно в исходную точку.Затем скорость вращения колеса увеличивалась до тех пор, пока возвращающийся свет не блокировался зубом на колесе, непосредственно примыкающим к пространству, через которое он прошел. Используя эти данные, Физо смог вычислить скорость света. Ограниченный точностью своих измерений, Физо рассчитал, что скорость света составляет 315 000 км / с. Позже эксперимент Физо был изменен французским физиком Жаном Леоном Фуко (1819-1868), который заменил зубчатое колесо вращающимся зеркалом. С помощью этой новой схемы Фуко определил, что скорость света составляет 298 000 км / с, что намного ближе к сегодняшнему принятому значению.Фуко также смог вставить трубку, наполненную водой, между вращающимся зеркалом и дальним зеркалом и окончательно определить, что скорость света уменьшалась, когда он двигался через воду, а не через воздух. Этот вывод во многом опровергнул корпускулярную теорию, согласно которой скорость света в воде была бы больше, чем в воздухе. Многие усовершенствовали метод Фуко, а наиболее точные измерения были выполнены Альбертом А. Михельсоном (1852-1931).Средний результат большого количества измерений, выполненных Майкельсоном, составил 299 774 км / с. В последние годы для определения скорости света были применены многие аспекты современных технологий, в результате чего принято текущее значение 299 793 км / с. Наконец, интересно отметить, что электромагнитная теория позволяет предсказать скорость электромагнитных волн в свободном пространстве, получив в результате значение 299 979 км / с, что находится в пределах 0,1% от наиболее точных измеренных значений.