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

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

Точные значения скорости света
метров в секунду	299 792 458
Приблизительные значения скорости света
километров в секунду	300 000
километров в час	1,08 млрд
миль в секунду	186 000
миль в час	671 млн

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.

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.

Показатель преломления среды n = c/v n — показатель преломления среды [-] с — скорость света [м/с] v — скорость света в заданной среде [м/с]

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

Среда	Скорость света, км/с	Показатель преломления среды
Вакуум	300 000	1
Воздух	299 704	1,003
Лед	228 782	1,31
Вода	225 341	1,33
Стекло	200 000	1,5
Сахар	192 300	1,56
Сероуглерод	184 000	1,63
Рубин	170 386	1,76
Алмаз	123 845	2,42

Параметры, связанные со скоростью света

Самые важные параметры — это длина волны и период.

Формула скорости света c = λ/T с — скорость света [м/с] λ — длина волны [м] T — период [с]

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:

примеры, истории измерения скорости света

История содержит множественные примеры того, как измеряли скорость света. Изначально, изучая лунные затмения, ученые сделали вывод, что свет перемещается на любые расстояния мгновенно, ведь разницы во времени между изменением положения Земли и Луны, тени от затмения люди того времени не замечали. Галилео Галилей засомневался в подобных выводах. Скорость света он хотел измерить в ходе специального опыта, когда вдали открывали и закрывали фонарь, а ученый фиксировал изменения. По причине большой скорости света, несовершенных приборов измерения, малого количества километров этот опыт был обречен на неудачу. Рассмотрим успешные примеры, как измеряли скорость света, начиная с 17 века.

Как впервые успешно измеряли скорость света

Ученый О. Ремер детально изучал скорость света, измерение которой стало его целью. В 1676 году он замерил промежутки времени между затмениями спутников Юпитера. Его значение уменьшалось по мере того, как становилось меньшим расстояние между этой планетой и Землей. По догадке О. Ремера это происходило по причине изменения расстояния между ними, ведь свету нужно было проходить меньшее количество километров. Расчеты О. Ремера показали, что скорость равна 214000 км/с. Этот результат далек от идеального, но в те времена точное расстояние до звезд или планеты еще не умели вычислять.

Дж. Брэдли оценивал скорость света, с помощью изучения изменения расположения звезд на ночном небе вследствие движения нашей планеты вокруг Солнца. Изучив абберацию, быстроту движения планеты вокруг светила, он получил значение, равное 301000 км/с.

Скорость света измеряли не только глядя в небо

В течение 1849 года А. Физо проводил опыты по измерению ее на Земле. Для этого Арман Физо использовал отражение луча от зеркала, которое находилось в восьми километрах от ученого. Вращающееся зубчатое колесо стояло перед источником светового луча, проходящего через зубцы. Темп вращения зубчатого колеса убыстряли, пока отражающейся луч не становился видным в последующем зазоре между зубцами. Измерение длилось год, в итоге ученый получил величину равную 298000 км/с.

Ученый Ж. Фуко усовершенствовал данную методику, применив вместо колеса вращающееся зеркало, это позволило узнать скорость точнее – 297878 км/с. Ученый мог видеть свет лишь, когда это зеркало делало один полный оборот за промежуток между отправкой и возвращением к нему луча.

В 19 веке скорость света измеряли с помощью электромагнетизма по значениям электрической и магнитной проницаемостей. В начале 20 века было получен результат, равный 299788 километра за одну секунду, на долгое время ставший наиболее точным.

Последующие ученые измеряли скорость с помощью коэффициента преломления его в воздухе, что не давало особых результатов.

Лишь спустя полвека Фрум с помощью микроволнового интерферометра и электрооптического затвора улучшил данный показатель до 299792,5 км/с.

70-80-е годы 20 века подарили миру лазер и цезиевые часы, позволившие получить более точные данные. До данных изобретений точность измерения расстояния (так называемый «эталон метра»), чем при определении скорости света. Теперь скорость света измеряли с точностью до одного километра в секунду. Сегодня это значение равняется 299792458 км/с, измеряли ее с помощью умножения длины волны на частоту лазерного излучения, определенных учеными из Национального института стандартов и технологий.

Оцените этот пост

приблизительное значение и где она используется

Скорость света в вакууме – показатель, который широко используется в физике и в свое время позволил совершить ряд открытий, а также объяснить природу множества явлений. Есть несколько важных моментов, которые надо изучить, чтобы разобраться в теме и понимать, как и при каких условиях был открыт этот показатель.

Что такое скорость света

Скорость распространения света в вакууме считают абсолютной величиной, отражающей быстроту распространения электромагнитных излучений. Она широко используется в физике и имеет обозначение в виде маленькой латинской буквы «с» (говорится «цэ»).

В вакууме скорость света используется для определения движения скорости разных частиц.

По мнению большинства исследователей и ученых скорость света в вакууме – это максимально возможная быстрота движения частиц и распространения различных типов излучения.

Что касается примеров явлений, они таковы:

1. Видимый свет, исходящий из любого источника.
2. Все виды электромагнитного излучения (например, рентгеновские лучи и радиоволны).
3. Гравитационные волны (тут мнения некоторых специалистов расходятся).

Многие виды частиц могут двигаться с околосветовой скоростью, но при этом не достигают ее.

Точное значение скорости света

Ученые много лет пытались определить, чему равна скорость света, но точные измерения провели в 70-х годах прошлого века. В итоге показатель составил 299 792 458 м/с при максимальном отклонении +/-1,2 м. На сегодня это неизменная физическая единица, так как расстояние в метр равно 1/299 792 458 секунды, именно столько времени нужно свету в вакууме, чтобы преодолеть 100 см.

Научная формула определения скорости света.

Чтобы упростить расчеты, показатель упрощается до 300 000 000 м/с (3×108 м/с). Он знаком всем по курсу физики в школе, именно там скорость измеряется в таком виде.

Фундаментальная роль скорости света в физике

Этот показатель является одним из основных независимо от того, какая система отсчета используется при исследовании. Он не зависит от движения источника волн, что тоже важно.

Инвариантность была принята в виде постулата Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Это произошло после того, как еще один ученый, Максвелл, не обнаружив доказательств существования светоносного эфира, выдвинул теорию об электромагнетизме.

Утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, превышающей световую на сегодня считается вполне обоснованным.

Кстати! Физики не отрицают, что некоторые из частиц могут двигаться со скоростью, превышающей рассматриваемый показатель. Но при этом они не могут быть использованы для передачи информации.

Исторические справки

Чтобы разобраться в особенностях темы и узнать, как были открыты те или иные явления, следует изучить опыты некоторых ученых. В 19 веке было сделано множество открытий, которые помогли ученым впоследствии, в основном они касались электрического тока и явлений магнитной и электромагнитной индукций.

Опыты Джеймса Максвелла

Исследования физика подтвердили взаимодействие частиц на расстоянии. Впоследствии это позволило Вильгельму Веберу разработать новую теорию электромагнетизма. Также Максвелл четко установил явление магнитного и электрического поля и определил, что они могут порождать друг друга, образуя электромагнитные волны. Именно этот ученый первым стал использовать обозначение «с», которое применяется физиками всего мира до сих пор.

Благодаря этому большинство исследователей уже тогда заговорили об электромагнитной природе света. Максвелл при исследовании скорости распространения электромагнитных возбуждений пришел к выводу, что этот показатель равен скорости света, в свое время его удивил этот факт.

Благодаря исследованиям Максвелла стало понятно, что свет, магнетизм и электричество – это не отдельные понятия. В совокупности эти факторы и определяют природу света, ведь это сочетание магнитного и электрического поля, которое распространяется в пространстве.

Схема распространения электромагнитной волны.

Майкельсон и его опыт по доказательству абсолютности скорости света

В начале прошлого века большинством ученых использовался принцип относительности Галилея, по которому считалось, что законы механики неизменны вне зависимости от того, какая система отсчета применяется. Но при этом согласно теории скорость распространения электромагнитных волн должна меняться при движении источника. Это шло вразрез как с постулатами Галилея, так и с теорией Максвелла, что и стало причиной начала исследований.

На тот момент большинство ученых склонялось к «теории эфира», по которой показатели не зависели от скорости движения его источника, главным определяющим фактором считались особенности среды.

Майкельсон обнаружил, что скорость света не зависит от направления измерения.

Так как Земля движется в космическом пространстве в определенном направлении, скорость света согласно закону сложения скоростей будет отличаться при измерении в разных направлениях. Но Майкельсон не обнаружил никакой разницы в распространении электромагнитных волн вне зависимости от того, в каком направлении производились измерения.

Теория эфира не могла объяснить наличие абсолютной величины, что еще лучше показало ее ошибочность.

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна

Молодой на тот момент ученый представил теорию, идущую вразрез с представлениями большинства исследователей. Согласно ей время и пространство обладают таким характеристиками, которые обеспечивают неизменность скорости света в вакууме независимо от выбранной системы отсчета. Это объясняло неудачные опыты Майкельсона, так как быстрота распространения света не зависит от движения его источника.

[tds_council]Косвенным подтверждением правильности теории Эйнштейна стала «относительность одновременности», ее суть показана на рисунке.[/tds_council]

Пример того, как местоположение человека влияет на его восприятие в отношении распространения света.

Как измеряли скорость света ранее

Попытки определить этот показатель предпринимались многими, но из-за низкого уровня развития науки сделать это ранее было проблематично. Так, ученые античности считали, что скорость света бесконечна, но позднее многие исследователи усомнились в этом постулате, что и привело к ряду попыток определить ее:

1. Галилей использовал фонарики. Чтобы рассчитать скорость распространения световых волн, он и его помощник находились на холмах, расстояние между которыми было определено точно. Затем один из участников открывал фонарь, второй должен был делать то же самое, как только увидел свет. Но такой метод не дал результатов из-за высокой скорости распространений волн и невозможности точно определить временной промежуток.
2. Олаф Ремер, астроном из Дании, при наблюдении за Юпитером заметил особенность. Когда Земля и Юпитер находились на противоположных точках орбит, затмение Ио (спутника Юпитера), запаздывало на 22 минуты в сравнении с самой планетой. Исходя из этого он сделал вывод, что быстрота распространения световых волн не бесконечна и имеет предел. По его расчетам показатель составил примерно 220 000 км в сек.

   Определение скорости света по Ремеру.

3. Примерно в тот же период английский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света, когда из-за движения Земли вокруг Солнца, а также из-за вращения вокруг своей оси, из-за чего положение звезд на небосклоне и расстояние до них постоянно изменяются. В силу этих особенностей звезды описывают эллипс в течение каждого года. На основании расчетов и наблюдений астроном рассчитал скорость, она составила 308 000 км в секунду.

   Аберрация света

4. Луи Физо был первым, кто решил определить точный показатель посредством лабораторного опыта. Он установил стекло с зеркальной поверхностью на расстоянии 8633 м от источника, но так как расстояние небольшое, сделать точные расчеты времени было невозможно. Тогда ученый поставил зубчатое колесо, которое зубцами периодически закрывало свет. Меняя скорость движения колеса Физо установил, при какой скорости свет не успевает проскочить между зубцами и вернуться обратно. По его расчетам скорость составила 315 тысяч километров в секунду.

   Опыт Луи Физо.

Измерение скорости света

Это можно делать несколькими способами. Подробно разбирать их не стоит, для каждого потребуется отдельный обзор. Поэтому проще всего разобраться в разновидностях:

1. Астрономические измерения. Тут чаще всего используют методы Ремера и Брэдли, так как они доказали свою эффективность и на показатели не влияют свойства воздуха, воды и другие особенности среды. В условиях космического вакуума точность измерений возрастает.
2. Резонанс полости или эффект полости – так называют явление низкочастотных стоячих магнитных волн, возникающих между поверхностью планеты и ионосферой. Используя специальные формулы и данные измерительного оборудования вычислить значение скорости движения частиц в воздушной среде несложно.
3. Интерферометрия – совокупность методов исследования, при которых складывается несколько типов волн. Это дает эффект интерференции, благодаря которому можно проводить многочисленные измерения как электромагнитных, так и звуковых колебаний.

С помощью специального оборудования можно проводить замеры, не используя специальные методики.

Возможна ли сверхсветовая скорость

Если исходить из теории относительности, превышение показателя физическими частицами нарушает принцип причинности. Из-за этого возможна передача сигналов из будущего в прошлое и наоборот. Но при этом теория не отрицает, что могут существовать частицы, которые двигаются быстрее, при этом они взаимодействуют с обычными веществами.

Этот тип частиц именуют тахионы. Чем быстрее они двигаются, тем меньше энергии несут.

Видео-урок: Опыт Физо. Измерение скорости света. Физика 11 класс.

Скорость света в вакууме – постоянная величина, на ней основываются многие явления в физике. Ее определение стало новой вехой в развитии науки, так как позволило объяснить многие процессы и упростило целый ряд расчетов.

Нейтрино движется быстрее скорости света! — ФПФЭ

В пятницу 23 сентября в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации OPERA, посвященная прямому измерению скорости движения нейтрино. Результаты звучат сенсационно: скорость нейтрино оказалась слегка — но статистически достоверно! — больше скорости света. Статья коллаборации содержит анализ разнообразных источников погрешностей и неопределенностей, однако реакция подавляющего большинства физиков остается очень скептической, прежде всего потому, что такой результат не согласуется с другими экспериментальными данными по свойствам нейтрино.

Рис. 1. Общий вид той части ЦЕРНа, где протонный пучок выводится из ускорителя SPS и порождает нейтринный пучок, летящий в направлении лаборатории Гран-Сассо. Изображение из обсуждаемой статьи

Подробности эксперимента

Идея эксперимента (см. OPERA experiment) очень проста. Нейтринный пучок рождается в ЦЕРНе, летит сквозь Землю в итальянскую лабораторию Гран-Сассо и проходит там сквозь специальный нейтринный детектор OPERA. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, но из-за того, что их поток из ЦЕРНа очень велик, некоторые нейтрино всё же сталкиваются с атомами внутри детектора. Там они порождают каскад заряженных частиц и тем самым оставляют в детекторе свой сигнал. Нейтрино в ЦЕРНе рождаются не непрерывно, а «всплесками», и если мы знаем момент рождения нейтрино и момент его поглощения в детекторе, а также расстояние между двумя лабораториями, мы можем вычислить скорость движения нейтрино.

Расстояние между источником и детектором по прямой составляет примерно 730 км и измерено оно с точностью 20 см (точное расстояние между реперными точками составляет 730 534,61 ± 0,20 метров). Правда, процесс, приводящий к рождению нейтрино, вовсе не локализован с такой точностью. В ЦЕРНе пучок протонов высокой энергии вылетает из ускорителя SPS, сбрасывается на графитовую мишень и порождает в ней вторичные частицы, в том числе мезоны. Они по-прежнему летят вперед с околосветовой скоростью и на лету распадаются на мюоны с испусканием нейтрино. Мюоны тоже распадаются и порождают дополнительные нейтрино. Затем все частицы, кроме нейтрино, поглощаются в толще вещества, а те беспрепятственно долетают до места детектирования. Общая схема этой части эксперимента приведена на рис. 1.

Весь каскад, приводящий к появлению нейтринного пучка, может растянуться на сотни метров. Однако поскольку все частицы в этом сгустке летят вперед с околосветовой скоростью, для времени детектирования нет практически никакой разницы, родилось нейтрино сразу или через километр пути (однако имеет большое значение, когда именно тот исходный протон, который привел к рождению данного нейтрино, вылетел из ускорителя). В результате рожденные нейтрино по большому счету просто повторяют профиль исходного протонного пучка. Поэтому ключевым параметром здесь является именно временной профиль пучка протонов, вылетающих из ускорителя, в особенности — точное положение его переднего и заднего фронтов, а этот профиль измеряется с хорошим временным разрешением (см. рис. 2).

Рис. 2. Типичный профиль интенсивности протонного пучка, вылетающего из ускорителя SPS. Справа показана наносекундная структура пучка. Время на этом графике «течет» слева направо. Изображение из обсуждаемой статьи

Каждый сеанс сброса протонного пучка на мишень (по-английски такой сеанс называется spill, «выплеск») длится примерно 10 микросекунд и приводит к рождению огромного числа нейтрино. Однако практически все они пролетают Землю (и детектор) насквозь без взаимодействия. В тех же редких случаях, когда детектор всё-таки регистрирует нейтрино, невозможно сказать, в какой именно момент в течение 10-микросекундного интервала оно было испущено. Анализ можно провести лишь статистически, то есть накопить много случаев детектирования нейтрино и построить их распределение по временам относительно момента начала отсчета для каждого сеанса. В детекторе за начало отсчета принимается тот момент времени, когда условный сигнал, движущийся со скоростью света и излученный ровно в момент переднего фронта протонного пучка, достигает детектора. Точное измерение этого момента стало возможно благодаря синхронизации часов в двух лабораториях с точностью в несколько наносекунд.

Рис. 3. Распределение моментов регистрации нейтрино относительно условного начала отсчета. По горизонтальной оси показано время в наносекундах, по вертикальной — количество нейтринных событий с такой задержкой по времени. Красная линия показывает гипотетический «опорный» сигнал. Изображение из обсуждаемой статьи

На рис. 3 показан пример такого распределения. Черные точки — это реальные нейтринные данные, зарегистрированные детектором и просуммированные по большому числу сеансов. Красная кривая показывает условный «опорный» сигнал, который двигался бы со скоростью света. Видно, что данные начинаются примерно на 1048,5 нс раньше опорного сигнала. Это, впрочем, еще не означает, что нейтрино действительно на микросекунду опережает свет, а является лишь поводом для того, чтобы тщательно перемерить все длины кабелей, скорости срабатывания аппаратуры, времена задержки электроники и так далее. Эта перепроверка была выполнена, и оказалось, что она смещает «опорный» момент на 988 нс. Таким образом, получается, что нейтринный сигнал действительно обгоняет опорный, но лишь примерно на 60 наносекунд. В пересчете на скорость нейтрино это отвечает превышению скорости света примерно на 0,0025%.

Погрешность этого измерения была оценена авторами анализа в 10 наносекунд, что включает в себя и статистическую, и систематическую погрешности. Таким образом, авторы утверждают, что они «видят» сверхсветовое движение нейтрино на уровне статистической достоверности в шесть стандартных отклонений.

Отличие результатов от ожиданий на шесть стандартных отклонений уже достаточно велико и называется в физике элементарных частиц громким словом «открытие». Однако надо правильно понимать это число: оно лишь означает, что вероятность статистической флуктуации в данных очень мала, но не говорит о том, насколько надежна методика обработки данных и насколько хорошо физики учли все инструментальные погрешности. В конце концов, в физике элементарных частиц имеется немало примеров, когда необычные сигналы с исключительно большой статистической достоверностью не подтверждались другими экспериментами.

Чему противоречат сверхсветовые нейтрино?

Вопреки широко распространенному мнению, специальная теория относительности не запрещает само по себе существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Однако для таких частиц (их обобщенно называют «тахионы») скорость света тоже является пределом, но только снизу — они не могут двигаться медленнее нее. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.

Гораздо более серьезные проблемы начинаются в квантовой теории поля. Эта теория приходит на смену квантовой механике, когда речь идет про квантовые частицы с большими энергиями. В этой теории частицы — это не точки, а, условно говоря, сгустки материального поля, и рассматривать их отдельно от поля нельзя. Оказывается, что тахионы понижают энергию поля, а значит, делают вакуум нестабильным. Пустоте тогда выгоднее спонтанно рассыпаться на огромное число этих частиц, и потому рассматривать движение одного тахиона в обычном пустом пространстве просто бессмысленно. Можно сказать, что тахион — это не частица, а нестабильность вакуума.

В случае тахионов-фермионов ситуация несколько сложнее, но и там тоже возникают сравнимые трудности, мешающие созданию самосогласованной тахионной квантовой теории поля, включающей обычную теорию относительности.

Впрочем, это тоже не последнее слово в теории. Так же, как экспериментаторы измеряют всё, что поддается измерению, теоретики тоже проверяют все возможные гипотетические модели, которые не противоречат имеющимся данным. В частности, существуют теории, в которых допускается небольшое, не замеченное пока отклонение от постулатов теории относительности — например, скорость света сама по себе может быть переменной величиной. Прямой экспериментальной поддержки у таких теорий пока нет, но они пока и не закрыты.

Под этой краткой зарисовкой теоретических возможностей можно подвести такой итог: несмотря на то что в некоторых теоретических моделях движение со сверхсветовой скоростью возможно, они остаются исключительно гипотетическими конструкциями. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные описываются стандартными теориями без сверхсветового движения. Поэтому если бы оно достоверно подтвердилось хоть для каких-нибудь частиц, квантовую теорию поля пришлось бы кардинально переделывать.

Стоит ли считать результат OPERA в этом смысле «первой ласточкой»? Пока нет. Пожалуй, самым главным поводом для скепсиса остается тот факт, что результат OPERA не согласуется с другими экспериментальными данными по нейтрино.

Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.

Тут, конечно, можно сказать, что нейтрино, рождающиеся при вспышках сверхновых, и нейтрино из ЦЕРНа сильно различаются по энергии (несколько десятков МэВ в сверхновых и 10–40 ГэВ в описываемом эксперименте), а скорость нейтрино меняется в зависимости от энергии. Но это изменение в данном случае работает в «неправильную» сторону: ведь чем выше энергия тахионов, тем ближе их скорость должна быть к скорости света. Конечно, и тут можно придумать какую-то модификацию тахионной теории, в которой эта зависимость была бы совсем другой, но в таком случае придется уже обсуждать «дважды-гипотетическую» модель.

Далее, из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. Если результат OPERA воспринимать как проявление сверхсветового движения нейтрино, то тогда величина квадрата массы хотя бы одного нейтрино будет порядка –(100 МэВ)² (отрицательный квадрат массы — это и есть математическое проявление того, что частица считается тахионом). Тогда придется признать, что все сорта нейтрино — тахионы и обладают примерно такой массой. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.

Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.

Что дальше?

Во всех больших коллаборациях в физике элементарных частиц нормальной практикой является ситуация, когда каждый конкретный анализ выполняется небольшой группой участников, и лишь затем результаты выносятся на общее обсуждение. В данном случае, по-видимому, этот этап был слишком кратким, в результате чего далеко не все участники коллаборации согласились подставить свою подпись под статьей (полный список насчитывает 216 участников эксперимента, а у препринта имеется лишь 174 автора). Поэтому в ближайшее время, по всей видимости, внутри коллаборации будет проведено множество дополнительных проверок, и только после этого статья будет послана в печать.

Конечно, сейчас можно ожидать и поток теоретических статей с разнообразными экзотическими объяснениями этого результата. Однако пока заявленный результат не будет надежно перепроверен, считать его полноправным открытием нельзя.

Источник

Как измеряют скорость света?

В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.

Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.

Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки. Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.

Эксперимент Физо

Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.

Результаты Физо

Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.

Эксперимент Фуко

В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.

Финальный аккорд в измерениях скорости света.

Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.

 

(PDF) Расчет точного значения скорости распространения фотонов

Расчет точного значения скорости распространения

электромагнитных волн

Фролов Александр Владимирович

г. Тула, Россия

В работе 1996 года «Методика расчета резонансных параметров пространства-

времени», мной было показано, что для фундаментальных элементов мироздания

(частиц, молекулы ДНК и планеты) их размеры, при вычислении в обратных

метрах, то есть, как волновые числа, являются целыми числами, что и

соответствует их физическому смыслу – число волн. Волновое число показывает

количество волн в резонаторе, измеряется в «обратных метрах», как и кривизна

резонатора, величина обратная радиусу. Это условие резонанса, при котором

существуют частицы материи и другие элементы природы, как процессы в

эфирной среде.

Отметим, что данная методика работоспособна при использовании метрической

системы, и напомним, что понятие «метр» введено Французской Академией Наук,

как часть реального размера нашей планеты. Эта единица измерения не является

математической абстракцией, она связывает расчеты с реальными

размерами планеты. Планета, в свою очередь, является глобальным резонатором

эфирных процессов, и ее параметры не случайны. Все натуральные частицы

материи существуют в устойчивой форме, как резонансные процессы в эфире.

Практический смысл данной методики еще предстоит показать в будущем, для

расчетов резонансных параметров преобразования элементов материи. В

предлагаемой статье дается расчет величины скорости света, которая является, по

мнению автора, целым числом. Причина, по которой скорость света в вакууме

должна быть целым числом, состоит в предположении о механизме

распространения электромагнитного возмущения в пространстве. Скорость имеет

смысл количества единиц пространства (метров или кратных величин),

проходимых фронтом волны в единицу времени.

О времени, измеряемом в секундах, следует отметить, что эти интервалы не

являются абстракцией, а отражают реальный природный цикл – вращение

планеты. В сутках, как принято считать сейчас, 24 часа, то есть 1440 минут или

86400 секунд.

Полагая, что натуральное строение пространства и времени дискретное,

мы получаем вывод о том, что скорость света также должна выражаться

целым числом. Докажем это расчетами:

Обычный расчет комптоновской длины волны протона производят по формуле F.1

L=h/mc F.1

Подставляя значение массы протона и постоянной Планка, получаем

известное значение L=132141… единиц пространства (с большой точностью). Это

целое число, оно давно известно, но мало кто задумался о том, что целочисленной

значение параметров протона показывает фрактальную структуру мироздания.

Дело в том, что этот факт имеет место только при расчетах в системе СИ, и при

десятеричном исчислении. Почему система СИ дает такой результат? Потому что

Как быстро движется свет? | Скорость света

Скорость света в вакууме составляет 186 282 мили в секунду (299 792 километра в секунду), и теоретически ничто не может двигаться быстрее света. В милях в час скорость света очень большая: около 670 616 629 миль в час. Если бы вы могли путешествовать со скоростью света, вы могли бы обойти Землю 7,5 раз за одну секунду.

Ранние ученые, неспособные воспринимать движение света, думали, что он должен перемещаться мгновенно. Однако со временем измерения движения этих волнообразных частиц становились все более точными.Благодаря работе Альберта Эйнштейна и других мы теперь понимаем скорость света как теоретический предел: считается, что скорость света — константа, называемая «с», недостижима для чего-либо, обладающего массой, по причинам, объясненным ниже. Это не мешает писателям-фантастам и даже некоторым очень серьезным ученым придумывать альтернативные теории, которые позволили бы совершать ужасно быстрые путешествия по Вселенной.

Скорость света: история теории

Первое известное рассуждение о скорости света принадлежит древнегреческому философу Аристотелю, который написал свое несогласие с другим греческим ученым, Эмпедоклом.Эмпедокл утверждал, что, поскольку свет движется, ему нужно время, чтобы путешествовать. Аристотель, считавший, что свет распространяется мгновенно, не соглашался.

В 1667 году итальянский астроном Галилео Галилей стоял на холмах менее чем в миле друг от друга с двумя людьми, каждый из которых держал экранированный фонарь. Один раскрыл свой фонарь; когда второй увидел вспышку, он тоже открыл свою. Наблюдая, сколько времени требуется, чтобы свет увидел первый держатель фонаря (и вычитая время реакции), он подумал, что сможет вычислить скорость света.К сожалению, экспериментальное расстояние Галилея менее мили было слишком маленьким, чтобы увидеть разницу, поэтому он смог определить только то, что свет распространяется как минимум в 10 раз быстрее звука.

В 1670-х годах датский астроном Оле Ремер использовал затмения луны Юпитера Ио в качестве хронометра скорости света, когда он сделал первое реальное измерение скорости. В течение нескольких месяцев, пока Ио проходил за гигантской газовой планетой, Ремер обнаружил, что затмения произошли позже, чем предполагали расчеты, хотя в течение нескольких месяцев они приблизились к предсказаниям.Он определил, что свету нужно время, чтобы добраться от Ио до Земли. Затмения больше всего отставали, когда Юпитер и Земля находились дальше всего друг от друга, и были по графику, поскольку они были ближе.

По данным НАСА, «это дало Ремеру убедительное доказательство того, что свет распространяется в космосе с определенной скоростью».

Он пришел к выводу, что свету требуется от 10 до 11 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли, что является завышенной оценкой, поскольку на самом деле это занимает восемь минут 19 секунд. Но, наконец, у ученых появилась цифра, с которой можно было поработать — его расчет показал скорость 125 000 миль в секунду (200 000 км / с).

В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли основывал свои вычисления на изменении видимого положения звезд из-за того, что Земля совершает обход вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км / с) с точностью до 1 процента.

Две попытки в середине 1800-х вернули проблему на Землю. Французский физик Ипполит Физо направил луч света на быстро вращающееся зубчатое колесо с зеркалом, установленным на расстоянии 5 миль, чтобы отразить его обратно к источнику.Варьируя скорость колеса, Физо мог рассчитать, сколько времени потребовалось свету, чтобы выйти из отверстия, к соседнему зеркалу и обратно через зазор. Другой французский физик Леон Фуко использовал вращающееся зеркало, а не колесо. Каждый из двух независимых методов соответствовал скорости света, измеренной сегодня, примерно на 1000 миль в секунду.

Прусский Альберт Михельсон, выросший в Соединенных Штатах, попытался воспроизвести метод Фуко в 1879 году, но использовал большее расстояние, а также высококачественные зеркала и линзы.Его результат 186 355 миль в секунду (299 910 км / с) был принят как самое точное измерение скорости света за 40 лет, когда Майкельсон повторно измерил его.

Интересное примечание к эксперименту Майкельсона заключалось в том, что он пытался обнаружить среду, через которую проходит свет, называемую светоносным эфиром. Вместо этого его эксперимент показал, что эфира не существует.

«Эксперимент — и работа Майкельсона — были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное невыявление чего-либо», — написал астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes. Начинается с ура.«Сам эксперимент, возможно, закончился полным провалом, но то, что мы извлекли из него, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!»

Эйнштейн и специальная теория относительности

В 1905 году Альберт Эйнштейн написал свою первую статью по специальной теории относительности. В нем он установил, что свет распространяется с одинаковой скоростью независимо от того, как быстро движется наблюдатель. Даже при самых точных измерениях скорость света для наблюдателя, неподвижно стоящего на поверхности Земли, остается такой же, как и для человека, движущегося в сверхзвуковой струе над ее поверхностью.Точно так же, даже несмотря на то, что Земля вращается вокруг Солнца, которое само движется вокруг Млечного Пути, галактики, путешествующей в космосе, измеренная скорость света, исходящего от нашего Солнца, будет одинаковой, независимо от того, находится ли человек внутри или за пределами галактики. вычислите это. Эйнштейн подсчитал, что скорость света не зависит от времени и места.

Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее. По словам астрофизика Пола Саттера, Вселенная расширяется со скоростью примерно 68 километров в секунду на мегапарсек, где мегапарсек равен 3.26 миллионов световых лет (подробнее об этом позже). Таким образом, кажется, что галактика на расстоянии 1 мегапарсека удаляется от Млечного Пути со скоростью 68 км / с, а галактика на расстоянии двух мегапарсеков удаляется со скоростью 136 км / с и так далее.

«В какой-то момент на каком-то непристойном расстоянии скорость переваливает за чашу весов и превышает скорость света, все из-за естественного, регулярного расширения пространства», — писал Саттер.

Далее он объяснил, что, в то время как специальная теория относительности обеспечивает абсолютный предел скорости, общая теория относительности допускает более широкие расстояния.

«Галактика на дальнем краю Вселенной? Это область общей теории относительности, а общая теория относительности говорит: кого это волнует! Эта галактика может иметь любую скорость, какую только пожелает, пока она находится очень далеко, а не рядом. к твоему лицу », — написал он.

«Специальная теория относительности не заботится о скорости — сверхсветовой или иной — далекой галактики. И вам тоже».

Что такое световой год?

Расстояние, которое свет проходит за год, называется световым годом.Световой год — это мера времени и расстояния. Это не так сложно понять, как кажется. Подумайте об этом так: свет проходит от Луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что Луна находится на расстоянии примерно 1 световой секунды. Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому солнце находится на расстоянии около 8 световых минут. Свету ближайшей звездной системы, Альфы Центавра, требуется примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому считается, что эта звездная система находится на расстоянии 4,3 световых года от нас.

«Чтобы получить представление о размере светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), расположите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7.5 (соответствующее расстояние — одна световая секунда), затем поместите 31,6 миллиона аналогичных линий встык, — пишет исследовательский центр NASA Glenn Research на своем веб-сайте. — В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль! »

Звезд и другие объекты за пределами нашей Солнечной системы находятся от нескольких световых лет до нескольких миллиардов световых лет от нас. Таким образом, когда астрономы изучают объекты, которые находятся на расстоянии светового года или более, они видят его существующим в то время, когда свет оставили его, а не так, как если бы они стояли сегодня у его поверхности.В этом смысле все, что мы видим в далекой вселенной, буквально является историей.

Этот принцип позволяет астрономам увидеть, как выглядела Вселенная после Большого взрыва, который произошел около 13,8 миллиарда лет назад. Изучая объекты, которые находятся, скажем, на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, мы видим их такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад, относительно вскоре после возникновения Вселенной, а не такими, какими они выглядят сегодня.

Действительно ли скорость света постоянна?

Свет распространяется волнами и, как и звук, может замедляться в зависимости от того, через что он проходит.Ничто не может превзойти свет в вакууме. Однако, если область содержит какое-либо вещество, даже пыль, свет может искривляться при контакте с частицами, что приводит к снижению скорости.

Свет, движущийся через атмосферу Земли, движется почти так же быстро, как свет в вакууме, в то время как свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое. Тем не менее, он проезжает через жемчужину со скоростью более 277 миллионов миль в час (почти 124 000 км / с) — скорость не для насмешек.

Можем ли мы путешествовать быстрее света?

Научная фантастика любит рассуждать об этом, потому что «скорость деформации», как широко известно, путешествие со скоростью, превышающей скорость света, позволила бы нам перемещаться между звездами во временных рамках, которые иначе были бы невозможны.И хотя это не было доказано, практическая возможность путешествовать со скоростью быстрее света делает эту идею довольно надуманной.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, когда объект движется быстрее, его масса увеличивается, а длина сокращается. Со скоростью света такой объект имеет бесконечную массу, а его длина равна 0 — это невозможно. Таким образом, согласно теории, ни один объект не может достичь скорости света.

Это не мешает теоретикам предлагать творческие и конкурирующие теории.Некоторые говорят, что идея варп-скорости вполне возможна, и, возможно, в будущих поколениях люди будут прыгать между звездами так же, как мы путешествуем между городами в наши дни. Одно из предложений могло бы включать космический корабль, который мог бы складывать вокруг себя пространственно-временной пузырь, чтобы превысить скорость света. Теоретически звучит здорово.

«Если бы капитан Кирк был вынужден двигаться со скоростью наших самых быстрых ракет, ему потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы добраться до следующей звездной системы», — сказал Сет Шостак, астроном из Поиска внеземного разума (SETI). ) Институт в Маунтин-Вью, Калифорния.в интервью 2010 года сайту LiveScience, дочернему сайту Space.com. «Итак, научная фантастика давно постулировала способ преодолеть скорость светового барьера, чтобы история могла развиваться немного быстрее».

Дополнительные ресурсы

Следуйте за Нолой Тейлор Редд на @NolaTRedd, Facebook или Google+. Следуйте за нами в @Spacedotcom, Facebook или Google+.

физических констант — Почему скорость света в вакууме не имеет неопределенности?

определение секунды не будет иметь неопределенности, если оно связано с переходом атома Cs,

Определение единицы СИ « секунда, » не относится к какому-то конкретному образцу атомов Cs и, в частности, не к переходам между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния просто любого данного образца атомов цезия 133;
, но это относится к идеализации: атом цезия в состоянии покоя при температуре 0 K и без каких-либо возмущений .

Поскольку эта идеализация однозначно определена, так что для данных образцов 133 атомов цезия ее можно однозначно измерить по тому, насколько они отличаются от идеализации, единица СИ « секунда, » не имеет неопределенности.

Но почему у скорости света нет неопределенности?

Это связано с нашим определением (как измерить) « скорость »;
и, в первую очередь, из-за нашего определения (как измерить) «расстояние » между участниками («концами»), которые были и оставались в состоянии покоя друг относительно друга, и (следовательно, также) из-за нашего определения (как измерить) является ли данная пара участников « в состоянии покоя » друг для друга или нет.

В частности, в рамках (специальной) теории относительности и, следовательно, современной физики в целом, мы определяем расстояние между двумя подходящими участниками (то есть, которые были и оставались в состоянии покоя по отношению друг к другу), скажем, $ A $ и $ B $ через длительность эхо-запроса между ними, то есть продолжительность каждого участника от индикации сигнала до индикации приема соответствующего отражения от другого участника. (Согласно определению того, как измерить взаимный отдых, эти длительности взаимного пинга, испытание за испытанием, равны и постоянны.)

Расстояние между $ A $ и $ B $ относительно друг друга тогда выражается как $$ \ ell [~ A, B ~] = \ ell [~ B, A ~]: = \ frac {c} {2 } ~ \ tau A [~ \ text {signal}, \ circledR B \ circledR \ text {signal} ~] = \ frac {c} {2} ~ \ tau B [~ \ text {signal}, \ circledR A \ circleledR \ text {signal} ~], $$

, где «$ c $» является (просто) отличительным символом (для различения длительностей эхо-запросов между подходящей парой участников от других длительностей), который (очевидно) не равен нулю; и множитель $ \ frac {1} {2} $ включен по соглашению.

Далее, используя определение «средняя скорость поездки от $ A $ до $ B $» как соотношение между «расстоянием между началом и финишем» и «продолжительностью пройденного маршрута»,
(средний) сигнал фронтальная скорость сигнала, которым обмениваются $ A $ и $ B $, оценивается как отношение между $ \ ell [~ A, B ~] $ и половиной длительности пинга между $ A $ и $ B $; явно поэтому:

$$ \ ell [~ A, B ~] ~ / ~ \ frac {\ tau A [~ \ text {signal}, \ circledR B \ circledR \ text {signal} ~]} {2} = $$ $$ \ frac {c} {2} ~ \ tau A [~ \ text {signal}, \ circledR B \ circledR \ text {signal} ~] ~ / ~ \ frac {\ tau A [~ \ text {signal}, \ circleledR B \ circledR \ text {signal} ~]} {2} = c.

$

Таким образом, символ «$ c $», который был формально введен в определение расстояния, (впоследствии) идентифицируется как значение (средней) скорости фронта сигнала (или в просторечии: «скорость света в вакууме»).

Разве скорость света не измеряется физически?

Нет: реально измерять нечего; результатом обязательно будет «$ c $», как показано выше; прямо и без всякой неопределенности. (Следовательно, «$ c $» также представляет собой «очевидную, естественную единицу скорости».Но, конечно, значения скорости не зависят от какого-либо конкретного выбора единиц, в которых они выражены.)

Что можно и нужно измерить, испытание за испытанием, так это прежде всего: были ли два конкретных рассматриваемых «конца» и оставались ли они действительно неподвижными по отношению друг к другу (или количественно определить, насколько это не так).

Специальная теория относительности — Происхождение значения скорости света в вакууме

Конкретное значение $ c $ зависит от длины метра и одной секунды.Например, если бы метры были длиннее, скорость света была бы меньшим числом, хотя свет все равно был бы таким же быстрым. С этой точки зрения физические измерения — это отношения. В данном случае это отношение скорости света к довольно произвольной скорости — один метр в секунду.

Один метр в секунду — это примерно скорость ходьбы. Итак, ваш вопрос можно интерпретировать так: «Почему скорость света в триста миллионов раз превышает скорость ходьбы?»

Этот вопрос очень антропоцентрический.Это вопрос о том, насколько мы велики (сколько атомов в нашем теле), какую силу могут проявлять наши мышцы (энергия, участвующая в химических реакциях), и насколько сильны наши кости и связки (прочность материалов).

Поскольку мы хотели бы придерживаться физики, будет более проницательным взглянуть на скорость света как на отношение чего-то еще. Мы должны искать какую-то другую скорость, установленную природой, а не скорость человека, и сравнивать с ней скорость света.2 / \ hbar c \ приблизительно \ frac {1} {140} $. Это называется постоянной тонкой структуры. Это очень полезно знать, потому что это число, которое описывает врожденную силу электромагнитной силы.

Ваш первоначальный вопрос звучит так: «Почему постоянная тонкой структуры равна $ \ frac {1} {140} $?» Или «Почему скорость света составляет $ 140 $ при измерении в фундаментальных единицах из квантовой механики и электромагнетизма?» Я не думаю, что на этот вопрос есть ответ, по крайней мере, пока.Физическая «теория всего» могла бы надеяться вывести постоянную тонкой структуры из какой-то более базовой идеи, но это еще не достигнуто, и неизвестно, будет ли это когда-нибудь.

Общая теория относительности — Измерялась ли когда-нибудь скорость света в вакууме?

Согласно: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background, CMB (космический микроволновый фон) «представляет собой слабое космическое фоновое излучение , заполняющее все пространство »

Также https: // en.wikipedia.org/wiki/Vacuum#Outer_space говорит: «: вакуум не идеален , даже в межзвездном пространстве, где все еще есть несколько атомов водорода на кубический метр»

И https://physics.stackexchange.com/tags/vacuum/info: «Это довольно теоретическое требование никогда не достигается на практике , потому что даже если пространство не содержит атомов / электронов / нуклонов, оно содержит много фотонов и нейтрино.Но мы по-прежнему называем его вакуумом, как приближение теоретического вакуума .«

Затем на https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light у нас есть: « Скорость света в вакууме , обычно обозначаемая c, является универсальной физической константой, важной во многих областях физики. Ее точное значение составляет 299 792 458 метров в секунду (приблизительно 300 000 км / с (186 000 миль / с)). Это точно, потому что в соответствии с международным соглашением метр определяется как длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 секунды »

Учитывая, что, по крайней мере, согласно Википедии, на практике вакуума не существует, и он заполнен излучением, можно ли на самом деле измерить скорость света в вакууме ? Кроме того, наблюдал ли кто-нибудь даже свет в вакууме ?

Если нет, то в каких типах пылесосов измеряли свет? Есть какие-нибудь записи об этом?

Кроме того, если настоящего вакуума, кажется, даже не существует и он заполнен радиацией (CMB), можем ли мы действительно предположить, что свету не нужна среда для распространения? Разве он не будет эффективно распространяться через все, что заполняет пространство? Сможем ли мы когда-нибудь заметить разницу?

физических констант — О неопределенности / ошибке скорости света?

При первом знакомстве с определением метра как базовой единицы СИ можно озадачиться и посчитать это странным, но все же в этом безумии есть метод.

Нынешнее определение измерителя возникло потому, что частоту можно измерить более точно и с гораздо большей точностью, чем длину волны.

Скорость света является фундаментальной константой и в прошлом была предметом интенсивных исследований в попытке определить точное значение в терминах длины волны (базовая единица СИ — метр) и частоты (непосредственно связанной с базовой единицей СИ — секунда). ).

Ограничивающим фактором с точки зрения точности измерения скорости света оказалось измерение длины, когда оно основывалось на измерении длин волн, связанных с длиной волны света от источника Криптон-86.{-1}) $ как определенное ( точное ) значение скорости света, а затем использовать его для определения измерителя с точки зрения этой точной скорости света и времени, которые могут быть найдены из измерений частоты.
Изменение определения не означало, что приборы для измерения расстояний необходимо откалибровать, а, скорее, означало, что в будущем расстояния можно будет измерять более точно.
Определенное значение скорости света не имело математического обоснования, оно было основано на экспериментальных значениях.

Важность работы в области точного измерения частоты была признана присуждением Нобелевской премии по физике в 2005 году Рою Глауберу, Джону Холлу и Теодору Хэншу, и было бы интересно прочитать пресс-релиз и более подробную информацию, представленную в Нобелевская лекция Теодора Хэнша.

Статья в Википедии «Метр» является информативной, как и гораздо более старая статья Эвенсона и Петрсена «Измерения частоты лазеров, скорость света и измеритель», которая дает представление о метрологии до 1983 года и правильно постулирует, что произошло с определением метра в последний раздел под названием 6.6. Возможный новый стандарт длины .

The Physics of Light and Color — Speed ​​of Light

Где-то в космическом пространстве, в миллиардах световых лет от Земли, первоначальный свет, связанный с Большим взрывом Вселенной, освещает новую землю, продолжая двигаться наружу. В отличие от другой формы электромагнитного излучения, происходящего на Земле, радиоволны из первого прямого эфира The Lucy Show транслируют премьер где-то в глубоком космосе, хотя и значительно уменьшены по амплитуде.

Основная концепция, лежащая в основе обоих событий, включает скорость света (и все другие формы электромагнитного излучения), которую ученые тщательно изучили, и теперь выражается в виде постоянной величины, обозначаемой в уравнениях символом c . Не совсем константа, а максимальная скорость в вакууме, скорость света, составляющая почти 300 000 километров в секунду, может быть изменена путем изменения среды или с помощью квантовой интерференции.

Свет, распространяющийся в однородном веществе или среде, распространяется по прямой линии с относительно постоянной скоростью, если только он не преломляется, не отражается, не дифрагирует или не возмущается каким-либо другим образом.Этот общепризнанный научный факт не является продуктом атомной эры или даже эпохи Возрождения, а был первоначально продвинут древнегреческим ученым Евклидом где-то около 350 г. до н.э. в его знаменательном трактате Optica . Однако интенсивность света (и другого электромагнитного излучения) обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел дважды заданное расстояние, интенсивность падает в четыре раза.

Когда свет, проходящий через воздух, попадает в другую среду, такую ​​как стекло или вода, скорость и длина волны света уменьшаются (см. Рисунок 2), хотя частота остается неизменной.Свет распространяется со скоростью примерно 300000 километров в секунду в вакууме, который имеет показатель преломления 1,0, но он замедляется до 225000 километров в секунду в воде (показатель преломления 1,3; см. Рисунок 2) и 200000 километров в секунду в стекле (преломление). индекс 1,5). В алмазе с довольно высоким показателем преломления 2,4 скорость света снижается до относительного ползания (125 000 километров в секунду), что примерно на 60 процентов меньше его максимальной скорости в вакууме.

Из-за огромных путешествий, которые свет проходит в космическом пространстве между галактиками (см. Рисунок 1) и внутри Млечного Пути, расстояние между звездами измеряется не в километрах, а в световых годах, расстояние, которое свет пройдет за год. .Световой год равен 9,5 триллиона километров или примерно 5,9 триллиона миль. Расстояние от Земли до следующей ближайшей звезды за пределами нашего Солнца, Proxima Centauri , составляет примерно 4,24 световых года. Для сравнения: диаметр галактики Млечный Путь составляет около 150 000 световых лет, а расстояние до галактики Андромеды составляет примерно 2,21 миллиона световых лет. Это означает, что свет, покидающий галактику Андромеды 2,21 миллиона лет назад, как раз достигает Земли, если только он не был задержан отражением небесных тел или преломлением обломков.

Когда астрономы смотрят в ночное небо, они наблюдают смесь реального времени, недавнего прошлого и древней истории. Например, в период, когда пионеры вавилоняне, арабские астрологи и греческие астрономы описывали звездные созвездия, Скорпион ( Скорпион для астрологов) все еще имел хлыст скорпиона. Хвостовая звезда и другие звезды в этом созвездии появлялись в небе как новые звезды между 500 и 1000 годами до нашей эры, но сегодня они не видны.Хотя некоторые из звезд, которые наблюдаются в ночном небе Земли, уже давно погибли, световые волны, которые несут их изображения, все еще достигают человеческих глаз и телескопов. Фактически, свет от их разрушения (и тьма их отсутствия) еще не пересек огромные расстояния глубокого космоса из-за недостаточного времени.

Эмпедокл из Акрагаса, живший около 450 г. до н.э., был одним из первых известных философов, которые предположили, что свет распространяется с конечной скоростью.Спустя почти тысячелетие, примерно в 525 году нашей эры, римский ученый и математик Аниций Боэций попытался задокументировать скорость света, но, будучи обвиненным в измене и колдовстве, был обезглавлен за свои научные усилия. С самого первого применения китайцами черного пороха для фейерверков и сигналов человек задавался вопросом о скорости света. Поскольку вспышка света и цвета предшествовали взрывному звуку на несколько секунд, не требовалось серьезных расчетов, чтобы понять, что скорость света явно превышает скорость звука.

Скорость света в прозрачных материалах

Узнайте, как скорость света уменьшается пропорционально показателю преломления материала, когда свет попадает в новую прозрачную среду, такую ​​как воздух, вода или стекло.

Китайские секреты взрывчатых веществ проникли на Запад в середине XIII века, и вместе с ними возникли вопросы о скорости света. До этого периода другие исследователи, должно быть, рассматривали вспышку молнии, за которой позже последовал удар грома, типичный для грозы, но не предлагали правдоподобных научных объяснений природы задержки.Арабский ученый Альхазен был первым серьезным ученым-оптиком, который предположил (около 1000 г. н.э.), что свет имеет конечную скорость, а к 1250 г. британский пионер оптики Роджер Бэкон написал, что скорость света конечна, хотя и очень велика. Тем не менее, широко распространенное мнение большинства ученых того периода заключалось в том, что скорость света бесконечна и не может быть измерена.

В 1572 году знаменитый датский астроном Тихо Браге первым описал сверхновую, которая произошла в созвездии Кассиопеи .Наблюдая за тем, как в небе внезапно появляется «новая звезда», которая медленно усиливается в яркости, а затем исчезает из поля зрения в течение 18 месяцев, астроном был озадачен, но заинтригован. Эти новые небесные видения заставили Браге и его современников подвергнуть сомнению широко распространенное представление о совершенной и неизменной вселенной, имеющей бесконечную скорость света. Трудно было отвергнуть веру в то, что свет имеет бесконечную скорость, хотя некоторые ученые начали сомневаться в скорости света в шестнадцатом веке.Еще в 1604 году немецкий физик Иоганн Кеплер предположил, что скорость света мгновенная. В своих опубликованных заметках он добавил, что космический вакуум не замедляет скорость света, в определенной степени затрудняя поиски его современниками эфира, который якобы заполнял пространство и нес свет.

Вскоре после изобретения и некоторых относительно грубых усовершенствований телескопа датский астроном Оле Ремер (в 1676 году) стал первым ученым, сделавшим строгую попытку оценить скорость света.Изучая спутник Юпитера Ио и его частые затмения, Ремер смог предсказать периодичность периода затмений для Луны (рис. 3). Однако через несколько месяцев он заметил, что его прогнозы постепенно становились менее точными по мере увеличения временных интервалов, достигая максимальной ошибки около 22 минут (довольно большое расхождение, учитывая, как далеко свет проходит за этот промежуток времени). Затем, как ни странно, его прогнозы снова стали более точными через несколько месяцев, и цикл повторился.Работая в Парижской обсерватории, Ремер вскоре понял, что наблюдаемые различия были вызваны вариациями расстояния между Землей и Юпитером из-за орбитальных путей планет. Когда Юпитер удалялся от Земли, свету приходилось перемещаться на большее расстояние, и ему требовалось дополнительное время, чтобы достичь Земли. Применяя относительно неточные расчеты расстояний между Землей и Юпитером, доступные в тот период, Ремер смог оценить скорость света примерно в 137 000 миль (или 220 000 километров) в секунду.Рисунок 3 иллюстрирует репродукцию оригинальных рисунков Ремера, описывающих его методологию, использованную для определения скорости света.

Работа Ремера всколыхнула научное сообщество, и многие исследователи начали пересматривать свои предположения о бесконечной скорости света. Сэр Исаак Ньютон, например, написал в своем знаменательном трактате 1687 года Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Математические принципы естественной философии): «Так как теперь очевидно из явлений спутников Юпитера, подтвержденных наблюдениями различных астрономов этот свет распространяется последовательно, и ему требуется около семи или восьми минут, чтобы пройти от Солнца до Земли », что на самом деле является очень точной оценкой правильной скорости света.Уважаемое мнение и широкая репутация Ньютона сыграли важную роль в запуске научной революции и помогли начать новые исследования ученых, которые теперь признали скорость света конечной.

Следующим в очереди, кто дал полезную оценку скорости света, был британский физик Джеймс Брэдли. В 1728 году, через год после смерти Ньютона, Брэдли оценил скорость света в вакууме примерно в 301 000 километров в секунду, используя звездные аберрации. Эти явления проявляются в явном изменении положения звезд из-за движения Земли вокруг Солнца.Степень звездной аберрации можно определить по отношению орбитальной скорости Земли к скорости света. Измеряя угол звездной аберрации и применяя эти данные к орбитальной скорости Земли, Брэдли смог прийти к удивительно точной оценке.

В 1834 году сэр Чарльз Уитстон, изобретатель калейдоскопа и пионер в науке о звуке, попытался измерить скорость электричества. Уитстон изобрел устройство, в котором использовались вращающиеся зеркала и емкостный разряд через лейденскую банку, чтобы генерировать и синхронизировать движение искр по почти восьми милям провода.К сожалению, его расчеты (и, возможно, его приборы) были ошибочными до такой степени, что Уитстон оценил скорость электричества в 288 000 миль в секунду, ошибка, которая заставила его поверить в то, что электричество движется быстрее света. Позднее исследования Уитстона были расширены французским ученым Домиником Франсуа Жаном Араго. Хотя ему не удалось завершить свою работу до того, как в 1850 году у него ухудшилось зрение, Араго правильно предположил, что в воде свет распространяется медленнее, чем в воздухе.

Тем временем во Франции конкурирующие ученые Арман Физо и Жан-Бернар-Леон Фуко независимо друг от друга попытались измерить скорость света, не полагаясь на небесные явления, воспользовавшись открытиями Араго и расширив конструкцию инструмента с вращающимся зеркалом Уитстона. В 1849 году Физо сконструировал устройство, которое направило луч света через зубчатое колесо (вместо вращающегося зеркала), а затем на неподвижное зеркало, расположенное на расстоянии 5,5 миль. Вращая колесо с большой скоростью, он смог направить луч через промежуток между двумя зубьями на обратном пути и поймать отраженные лучи в соседнем промежутке на обратном пути.Вооружившись скоростью вращения колес и расстоянием, пройденным импульсным светом, Физо смог вычислить скорость света. Он также обнаружил, что в воздухе свет распространяется быстрее, чем в воде (подтверждая гипотезу Араго), и этот факт позже подтвердил его соотечественник Фуко путем экспериментов.

Фуко использовал быстро вращающееся зеркало, приводимое в движение турбиной сжатого воздуха, для измерения скорости света. В его устройстве (см. Рис. 4) узкий луч света проходит через апертуру, а затем через стеклянное окно (действующее также как светоделитель) с мелкой градуированной шкалой, прежде чем попасть на быстро вращающееся зеркало.Свет, отраженный от вращающегося зеркала, направляется через батарею стационарных зеркал по зигзагообразной схеме, предназначенной для увеличения длины пути инструмента примерно до 20 метров без соответствующего увеличения размера. За то время, которое потребовалось свету, чтобы отразиться через серию зеркал и вернуться к вращающемуся зеркалу, произошло небольшое изменение положения зеркала. Затем свет, отраженный от смещенного положения вращающегося зеркала, следует по новому пути обратно к источнику и попадает в микроскоп, установленный на приборе.Крошечный сдвиг света можно было увидеть в микроскоп и зарегистрировать. Путем анализа данных, собранных в ходе его эксперимента, Фуко смог вычислить скорость света как 298 000 километров в секунду (примерно 185 000 миль в секунду).

Световой путь в устройстве Фуко был достаточно коротким, чтобы его можно было использовать при измерении скорости света в среде, отличной от воздуха. Он обнаружил, что скорость света в воде или стекле составляет лишь около двух третей от скорости света в воздухе, и он также пришел к выводу, что скорость света через данную среду обратно пропорциональна показателю преломления.Этот замечательный результат согласуется с предсказаниями о поведении света, полученными сотнями лет назад из волновой теории распространения света.

Следуя примеру Фуко, американский физик польского происхождения по имени Альберт А. Михельсон попытался повысить точность метода и успешно измерил скорость света в 1878 году с помощью более совершенной версии прибора вдоль облицовки стены высотой 2000 футов. берега реки Северн в Англии. Вкладывая средства в высококачественные линзы и зеркала для фокусировки и отражения луча света по гораздо более длинному пути, чем тот, который использовал Фуко, Майкельсон рассчитал конечный результат 186 355 миль в секунду (299 909 километров в секунду), допуская возможную ошибку около 30 миль в секунду.Из-за возросшей сложности его экспериментальной схемы точность измерений Майкельсона была более чем в 20 раз выше, чем у Фуко.

В конце 1800-х годов большинство ученых все еще считало, что свет распространяется в космосе с использованием носителя, называемого эфиром . Майкельсон объединился с ученым Эдвардом Морли в 1887 году, чтобы разработать экспериментальный метод обнаружения эфира путем наблюдения относительных изменений скорости света, когда Земля завершила свой оборот вокруг Солнца.Для достижения этой цели они разработали интерферометр, который разделяет луч света и перенаправляет отдельные лучи двумя разными путями, каждый длиной более 10 метров, используя сложную матрицу зеркал. Майкельсон и Морли рассудили, что если Земля движется через эфирную среду, луч, отражающийся взад и вперед перпендикулярно потоку эфира, должен проходить дальше, чем луч, отражающийся параллельно эфиру. Результатом будет задержка в одном из световых лучей, которую можно было бы обнаружить, когда лучи были рекомбинированы посредством интерференции.

Экспериментальная установка, построенная Майкельсоном и Морли, была массивной (см. Рис. 5). Установленный на медленно вращающейся каменной плите площадью более пяти квадратных футов и толщиной 14 дюймов, инструмент был дополнительно защищен находящейся под ним лужей ртути, которая действовала как амортизатор без трения, устраняя вибрации Земли. После того, как плита была приведена в движение, достигнув максимальной скорости 10 оборотов в час, потребовалось несколько часов, чтобы снова остановиться. Свет, проходящий через светоделитель и отраженный системой зеркал, исследовался с помощью микроскопа на предмет интерференционных полос, но они никогда не наблюдались.Однако Майкельсон использовал свой интерферометр, чтобы точно определить скорость света на уровне 186 320 миль в секунду (299 853 километра в секунду), значение, которое оставалось стандартом в течение следующих 25 лет. Неспособность обнаружить изменение скорости света с помощью эксперимента Майкельсона-Морли положила начало прекращению спора об эфире, который был окончательно положен теориями Альберта Эйнштейна в начале двадцатого века.

В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою Специальную теорию относительности , а в 1915 году — Общую теорию относительности .Первая теория относилась к движению объектов с постоянной скоростью относительно друг друга, а вторая фокусировалась на ускорении и его связи с гравитацией. Поскольку они оспаривали многие давние гипотезы, такие как закон движения Исаака Ньютона, теории Эйнштейна были революционной силой в физике. Идея относительности воплощает идею о том, что скорость объекта может быть определена только относительно положения наблюдателя. Например, человек, идущий внутри авиалайнера, кажется, движется со скоростью около одной мили в час в системе отсчета самолета (который сам движется со скоростью 600 миль в час).Однако наблюдателю на земле кажется, что человек движется со скоростью 601 миля в час.

Эйнштейн в своих расчетах предположил, что скорость света, движущегося между двумя системами отсчета, остается одинаковой для наблюдателей в обоих местах. Поскольку наблюдатель в одном кадре использует свет для определения положения и скорости объектов в другом кадре, это меняет способ, которым наблюдатель может соотносить положение и скорость объектов. Эйнштейн использовал эту концепцию, чтобы вывести несколько важных формул, описывающих, как объекты в одной системе отсчета выглядят, если смотреть с другой, которая движется равномерно относительно первой.Его результаты привели к некоторым необычным выводам, хотя эффекты становятся заметными только тогда, когда относительная скорость объекта приближается к скорости света. Таким образом, основные выводы из фундаментальных теорий Эйнштейна и его часто упоминаемого уравнения относительности:

E = mc ²

можно резюмировать следующим образом:

• Длина объекта уменьшается относительно наблюдателя, поскольку скорость этого объекта увеличивается.

• Когда система отсчета перемещается, временные интервалы становятся короче.Другими словами, космический путешественник, движущийся со скоростью света или близкой к ней, мог покинуть Землю на многие годы и вернуться, пережив промежуток времени всего в несколько месяцев.

• Масса движущегося объекта увеличивается с увеличением его скорости, и по мере приближения скорости к скорости света масса приближается к бесконечности. По этой причине широко распространено мнение, что путешествие со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, потому что для ускорения бесконечной массы потребуется бесконечное количество энергии.

Хотя теория Эйнштейна повлияла на весь мир физики, она имела особенно важные последствия для тех ученых, которые изучали свет. Теория объяснила, почему эксперимент Майкельсона-Морли не дал ожидаемых результатов, препятствуя дальнейшим серьезным научным исследованиям природы эфира как среды-носителя. Он также продемонстрировал, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме, и что эта скорость является постоянной и неизменной величиной.Между тем, ученые-экспериментаторы продолжали применять все более сложные инструменты, чтобы установить правильное значение скорости света и уменьшить ошибку в ее измерении.

Измерение скорости света

9030i 9030i Крытые фонари

ç 9020 9020 9030 9030 9030

9020 Aramex 9020

299,788 9020 Электрические измерения

Дата	Исследователь	Метод	Оценка Километры / секунда
333.5
1676	Оле Ремер	Луны Юпитера	220 000
1726 Джеймс Джеймс
1834	Чарльз Уитстоун	Вращающееся зеркало	402,336
1838	1849	Armand Fizeau	Вращающееся колесо	315,000
1862	Leon Foucault 30
1868	Джеймс Клерк Максвелл	Теоретические расчеты	284,000
1875		9020 Red
1879	Альберт Майкельсон	Вращающееся зеркало	299,910
1888 Heudt
1889	Эдвард Беннетт Роза	Электрические измерения	300,000
1890s	Spectros 207	301,800
1907	Эдвард Беннетт Роза и Ноа Дорси	Электротехнические измерения
299,795
1926	Альберт Майкельсон	Вращающееся зеркало (интерферометр)	299,798 0	Затвор ячейки Керра	299,778
1932–1935	Майкельсона и Пиза			1947	Louis Essen	Полостной резонатор	299,792
1949	Carl I.Aslakson	Shoran Radar	299 792,4
1951	Кит Дэви Фрум						Эвенсон	Laser	299 792,457
1978	Питер Вудс и коллеги	Laser	9020.4588

Таблица 1

В конце девятнадцатого века достижения в области радио- и микроволновых технологий предоставили новые подходы к измерению скорости света. В 1888 году, более чем через 200 лет после первых наблюдений за небесными телами Ремера, немецкий физик Генрих Рудольф Герц измерил скорость радиоволн. Герц получил значение около 300 000 километров в секунду, подтвердив теорию Джеймса Клерка Максвелла о том, что радиоволны и свет являются формами электромагнитного излучения.Дополнительные доказательства были собраны в 1940-х и 1950-х годах, когда британские физики Кейт Дэви Фрум и Луи Эссен использовали радио и микроволны, соответственно, для более точного измерения скорости электромагнитного излучения.

Максвеллу также приписывают определение скорости света и других форм электромагнитного излучения не путем измерения, а путем математического вывода. Во время своих попыток найти связь между электричеством и магнетизмом Максвелл предположил, что изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, обратное следствие закона Фарадея.Он предположил, что электромагнитные волны состоят из комбинированных колеблющихся электрических и магнитных волн, и рассчитал скорость этих волн в пространстве как:

Скорость (V) = 1 / (ε • µ) ^1/2

где ε, — диэлектрическая проницаемость , и µ, — проницаемость , свободного пространства, две константы, которые можно измерить с относительно высокой степенью точности. В результате получается значение, которое близко приближается к измеренной скорости света.

В 1891 году, продолжая свои исследования скорости света и астрономии, Майкельсон создал крупномасштабный интерферометр с помощью рефракционного телескопа в обсерватории Лик в Калифорнии. Его наблюдения были основаны на задержке во времени прихода света при просмотре далеких объектов, таких как звезды, которые можно количественно проанализировать, чтобы измерить как размер небесных тел, так и скорость света. Почти 30 лет спустя Майкельсон перенес свои эксперименты в обсерваторию Маунт-Вильсон и применил те же методы к 100-дюймовому телескопу, крупнейшему в то время в мире.

Включив восьмиугольное вращающееся зеркало в свой экспериментальный проект, Майкельсон получил значение скорости света 299 845 километров в секунду. Хотя Майкельсон умер до завершения своих экспериментов, его коллега в Mount Wilson, Фрэнсис Г. Пиз, продолжал использовать новаторскую технику для проведения исследований в 1930-е годы. Используя модифицированный интерферометр, Пиз провел множество измерений в течение нескольких лет и, наконец, определил, что правильное значение скорости света составляет 299 774 километра в секунду, что является самым близким измерением, достигнутым на тот момент.Несколько лет спустя, в 1941 году, научное сообщество установило стандарт скорости света. Это значение, 299 773 километра в секунду, было основано на компиляции самых точных измерений того периода. На рисунке 6 представлено графическое представление измерений скорости света за последние 200 лет.

К концу 1960-х годов лазеры стали стабильным исследовательским инструментом с четко определенными частотами и длинами волн. Быстро стало очевидно, что одновременное измерение частоты и длины волны даст очень точное значение скорости света, подобное экспериментальному подходу, проведенному Китом Дэви Фрумом с использованием микроволн в 1958 году.Несколько исследовательских групп в США и других странах измерили частоту 633-нанометровой линии от гелий-неонового лазера, стабилизированного йодом, и получили очень точные результаты. В 1972 году Национальный институт стандартов и технологий применил лазерную технологию для измерения скорости на уровне 299 792 458 метров в секунду (186 282 мили в секунду), что в конечном итоге привело к переопределению измерителя благодаря очень точной оценке скорости света.

Начиная с прорывных усилий Ремера 1676 года, скорость света была измерена по крайней мере 163 раза с использованием широкого спектра различных методов более чем 100 исследователями (см. Таблицу 1 для компиляции методов, исследователей и дат).По мере совершенствования научных методов и устройств пределы ошибок оценок сужались, хотя скорость света существенно не изменилась со времени расчетов Ремера семнадцатого века. Наконец, в 1983 году, более чем через 300 лет после первой серьезной попытки измерения, скорость света была определена Семнадцатым Всеобщим конгрессом по мерам и весам как 299 792,458 километров в секунду. Таким образом, измеритель определяется как расстояние, которое свет проходит за интервал времени 1/299 792 458 секунд.Однако в целом (даже во многих научных расчетах) скорость света округляется до 300 000 километров (или 186 000 миль) в секунду. Получение стандартного значения скорости света было важно для создания международной системы единиц, которая позволила бы ученым со всего мира сравнивать свои данные и расчеты.

Существует умеренное противоречие по поводу того, существуют ли доказательства того, что скорость света замедлялась со времен Большого взрыва, когда он мог двигаться значительно быстрее, как предполагают некоторые исследователи.Хотя представленные и опровергнутые аргументы увековечивают эту дискуссию, большинство ученых по-прежнему утверждают, что скорость света постоянна. Физики отмечают, что фактическая скорость света, измеренная Ремером и его последователями, существенно не изменилась, а скорее указывают на ряд усовершенствований в научном оборудовании, связанных с повышением точности измерений, используемых для определения скорости света. Сегодня расстояние между Юпитером и Землей известно с высокой степенью точности, как и диаметр Солнечной системы и орбитальные траектории планет.Когда исследователи применяют эти данные для доработки расчетов, сделанных за последние несколько столетий, они получают значения скорости света, сопоставимые с теми, которые были получены с помощью более современных и сложных приборов.

Соавторы

Кеннет Р. Спринг — научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Томас Дж. Феллерс , Лоуренс Д. Цукерман и Майкл В. Дэвидсон — Национальное сильное магнитное поле Лаборатория, 1800 г. Ист. Поль Дирак., Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

Вот почему скорость света — это скорость 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.

Для начала, немного истории: в начале 17 века, общее мнение заключалось в том, 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, голландским ученым Исааком Бекманом в 1629 году, который 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 Рёмер 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 если учесть, что данные о размерах планет, которые он имел, 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 фиксируют 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. Это соответствует скорости гравитационной волны, и да, это тот же самый c , который находится в знаменитом уравнении E = mc ² .