Скорость света в чем измеряется: Как измеряют скорость света?

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.

Определение скорости свет — О’Пять пО физике!

Существуют различные методы измерения скорости света,
в том числе астрономические и с использованием различной экспериментальной
техники. Точность измерения величины С постоянно увеличивается. В
таблице дан неполный перечень экспериментальных работ по определению скорости
света.

Первое
удачное измерение скорость света относится к 1676 г.

На рисунках
представлены репродукция рисунка самого Рёмера,
а также схематическая трактовка.

Астрономический метод Рёмера основывается на измерении
скорости света по наблюдениям с Земли затмений спутников Юпитера. Юпитер
имеет несколько спутников, которые либо видны с Земли вблизи Юпитера, либо

скрываются в его тени. Астрономические наблюдения над спутниками Юпитера
показывают, что средний промежуток времени между двумя последовательными
затмениями какого-нибудь определенного спутника Юпитера зависит от того, на
каком расстоянии друг от друга находятся Земля и Юпитер во время наблюдений. На
рисунке: Метод Ремера. С — солнце, Ю — юпитер, З – земля.

Пусть в определенный момент времени Земля З1 и Юпитер
Ю1 находятся в противоположении, и в этот момент времени один из спутников
Юпитера, наблюдаемый с Земли, исчезает в тени Юпитера (спутник на рисунке не
показан). Тогда, если обозначить через R и r радиусы орбит Юпитера и Земли и
через c – скорость света в системе координат, связанной с Солнцем С, на Земле
уход спутника в тень Юпитера будет зарегистрирован на (R-r)/с секунд позже, чем
он совершается во временной системе отчета, связанной с Юпитером.

По истечении 0,545 года Земля З2 и Юпитер Ю2 находятся
в соединении. Если в это время происходит n-е затмение того же спутника Юпитера,
то на Земле оно будет зарегистрировано с опозданием на (R+r)/с секунд. Поэтому,
если период обращения спутника вокруг Юпитера t, то промежуток времени T1,
протекающий между первым и n-м затмениями, наблюдавшимися с Земли, равен

По истечении еще 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут
вновь находиться в противостоянии. За это время совершилось (n-1) оборотов
спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда
Земля и Юпитер занимали положения З2 и Ю2, а последнее – когда они занимали
положение З3 и Ю3. Первое затмение наблюдалось на Земле с запозданием (R+r)/с,
а последнее с запозданием (R-r)/c по отношению к моментам ухода спутника в тень
планеты Юпитера. Следовательно, в этом случае имеем

Рёмер измерил промежутки времени Т1 и Т2 и нашел, что
Т1-Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что
Т1-Т2=4r/с, поэтому с=4r/1980 м/с. Принимая r, среднее расстояние от Земли
до Солнца, равным 1500000000 км, находим для скорости света значение 3,01*10⁶
м/с_.

Этот
результат был первым измерением скорости света.

 В 1725 г. Джеймс
Брэдли обнаружил, что звезда Дракона, находящаяся в зените (т.е.
непосредственно над головой), совершает кажущееся движение с периодом в один
год по почти круговой орбите с диаметром равным 40,5 дуговой секунды. Для
звезд, видимых в других местах небесного свода, Брэдли также наблюдал подобное
кажущееся движение — в общем случае эллиптическое.

Явление, наблюдавшееся Брэдли, называется аберрацией.
Оно не имеет ничего общего с собственным движением звезды. Причина аберрации
заключается в том, что величина скорости света конечна, а наблюдение ведется с
Земли, движущейся по орбите с некоторой скоростью v.

Угол раствора конуса, под которым с Земли видна
кажущаяся траектория звезды, определяется выражением: tgα=ν/c

Зная угол α
и скорость движения Земли по орбите v, можно определить скорость света c.

У него
получилось значение скорости света равной 308000 км/с.

 В 1849 г. впервые
определение скорости света выполнил вы лабораторных условиях А. Физо. Его метод назывался методом
зубчатого колеса. Характерной особенностью его метода является автоматическая
регистрация моментов пуска и возвращения сигнала, осуществляемая путем
регулярного прерывания светового потока (зубчатое колесо).

На рис представлена схема опыта по определению
скорости света методом зубчатого колеса.

Свет от источника проходил через прерыватель (зубья
вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому
колесу. Зная расстояние между колесом и зеркалом, число зубьев колеса, скорость
вращения, можно вычислить скорость света.

Зная
расстояние D, число зубьев z, угловую скорость вращения (число оборотов в
секунду) v, можно определить скорость света.  У него получилось она равной
313000 км/с.

В течение всей своей жизни американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931)
совершенствовал методику измерения скорости света. Создавая все более сложные
установки, он пытался получить результаты с минимальной погрешностью. В
1924–1927 годах Майкельсон разработал схему опыта, в котором луч света
посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио (расстояние порядка 35 км).
В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало,
изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально
разработанным высокоскоростным ротором, делающим до 528 оборотов в секунду.

Изменяя частоту вращения ротора, наблюдатель добивался
возникновения в окуляре устойчивого изображения источника света. Знание
расстояния между установками и частоты вращения зеркала позволяли вычислить
скорость света.

Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было
проведено пять независимых серий наблюдений, повышалась точность измерения
расстояния и частоты вращения ротора. Средний результат измерений составил
299 798 км в секунду.

Результаты же всех измерений Майкельсона можно
записать как c = (299796 ± 4) км/с.

На верхнем
рисунке изображена схема опыта Майкельсона. На нижнем рисунке представлена упрощенная
схема опыта. Пользователь может изменять частоту вращения восьмиугольной
призмы, наблюдая за движением светового импульса и добиваясь его попадания в
окуляр наблюдателя.

Частоту можно изменять от 0 до 1100 оборотов в секунду
с шагом 2 с^–1. Чтобы легче было выставлять частоту в эксперименте,
сделана ручка грубого регулятора частоты вращения, более точные настройки можно
выставлять с помощью дополнительных клавиш справа от окна частоты. Оптимальный
результат достигается при 528 и 1056 оборотах в секунду. При 0 оборотов
рисуется статичный луч света от источника до наблюдателя.

Пример расчета скорости света для эксперимента, при
котором появление света наблюдатель фиксирует при частоте вращения зеркала 528 с^–1.

Здесь ν и T
– частота и период вращения восьмигранной призмы, τ₁ – время, за
которое световой пучок успевает пройти расстояние L от одной установки до
другой и вернутся обратно, оно же – время поворота одной грани зеркала.

По материалам www.school-collection.edu.ru

Студент показал, как измерить скорость света шоколадом в СВЧ-печи

Студент-астрофизик рассказал, как поставить небольшой эксперимент и измерить скорость света прямо у себя на кухне, и пользователи твиттера в восторге, ведь для этого нужны только шоколадка и микроволновка. Но многие совсем запутались в числах и жалуются на непосильные средним умам (на самом деле нет) расчёты.

Начинающий канадский астрофизик David Berardo опубликовал в своём твиттере способ измерить скорость света не выходя из дома. Для этого, по словам студента, понадобится только обычная микроволновая печь, плитка шоколада и простейшие расчёты.

David Berardo

Вы можете измерить скорость света дома, используя только микроволновую печь и плитку шоколада!

Чтобы эксперимент получился, нужно убрать вращающееся блюдо (это важно), положить шоколадку в микроволновку и выключить печь, как только плитка начнёт плавиться.

David Berardo

Если вы уберёте вращающийся поднос, стоячая волна (физическое понятие; явление интерференции волн, распространяющихся в противоположных направлениях, при котором перенос энергии ослаблен или отсутствует; стоячие волны образуются и в микроволновой печи — прим. MediaLeaks) нагреет определённые участки шоколада; а расстояние между ними — это половина длины волны. Если измерить это расстояние и умножить длину волны на её частоту, то можно рассчитать скорость света (с точностью до 98%).

Большинство бытовых СВЧ-печей работает на частоте 2450 МГц, то есть 2 450 000 000 колебаний в секунду. Эту цифру можно даже увидеть на задней стенке печи.

Затем это число нужно умножить на длину волны (6 см × 2 = 12 см). В итоге получается 2,95 × 10⁸ м/с. Актуальная же скорость света в вакууме равняется 3 × 10⁸ м/с. Измерение и впрямь вышло довольно точным.

Это также объясняет, почему еда в СВЧ-печи нагревается не очень равномерно.

David Berardo

Кстати, именно поэтому микроволновые печи нагревают еду неравномерно — возникают горячие и холодные точки!

Некоторые пользователи испытали чувство, сравнимое с тем, которое возникает после просмотра очередного фильма Кристофера Нолана, — им срочно понадобились дополнительные разъяснения.

漆黒の魔王

Мне нужен кто-то очень терпеливый, чтобы объяснить, что только что произошло.

Hannah

Не надо так делать с нами в середине пандемии.

Комментаторы заметили также, что этот фокус работает не всегда, хотя это не делает его менее впечатляющим.

Kiran Purohit

Это точно работает! Но в некоторых выдвижных микроволновых печах опыт не получается. Их конструкция лучше распределяет тепло, что портит эту элегантную демонстрацию. Мы обнаружили это на собственном опыте, когда учитель пытался показать опыт коллегам на семинаре. ЛОЛ.

Но эту науку всё же не сравнить с той химией, которая творится между Брэдом Питтом и Дженифер Энистон. По крайней мере, так решили фанаты, когда увидели читку сценария комедии «Беспечные времена в „Риджмонт Хай“». По их мнению, любовь между экс-супругами жива до сих пор.

Но не всё во Вселенной подчиняется законам физики, как, например, эта тиктокерша, которая вытащила глаз и вставила его обратно. Теперь люди верят: трансформеры существуют.

Современный метод измерения скорости света

В 1972 г. значение скорости света было определено на основе независимых измерений длины волны и частоты света. В качестве источника был выбран, по ряду причин, гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение с длиной волны 3,39 мкм. Длина волны этого излучения измерялась с помощью интерферометрического сравнения с эталоном длины, т.е. с длиной волны оранжевого излучения криптона. Методами нелинейной оптики (генерация излучения с суммарными и разностными гармониками) частоту лазерного излучения удалось сравнить с эталоном времени. Таким образом было получено значение скорости света с=ln, превосходящее по точности все ранее известные значения более чем на два порядка:

с=299 792 456,2 ± 1,1 м/с.

Сопоставим лучшие данные полученные разными методами:

Метод вращающегося зеркала	с=299 796 ± 4 км/с (Майкельсон, 1926 г.)
Метод прерываний (усовершенствованный)	с=299 793,1 ±0,25 км/с (Бергштранд, 1950 г.)
Радиогеодезия	с=299 792 ± 2,4 км/с (Аклаксон, 1949 г.)
Полый резонатор	с=299 792,5 км/с (Эссен, 1950 г. )
Микроволновая интерферометрия	с=299 792,2 ± 0,2 км/с (Фрум, 1958 г.)
Измерение частоты и длины волны	с=299 792, 4562 ± 0,0011 км/с (Ивенсон, 1972 г.)

Это сопоставление показывает превосходное согласие, оправдывающее ту точность измерения, на которую указывают авторы. Прекрасное совпадение скорости световых волн и скорости радиоволн вновь подтверждает справедливость электромагнитной теории света, напоминая, что первым аргументом Максвелла в пользу этой теории было тогда ещё грубо установленное равенство скорости света и электродинамической постоянной, определяющей скорость распространения электромагнитных волн.

А. М. Бонч-Бруевич (1956 г.), применив для определения скорости света современные уточнённые методы, сравнил скорости света, идущего от правого и левого краёв Солнца, т.е. от источников, один из которых приближается, а другой отдаляется от нас со скоростью 2,3 км/с. Опыты с достаточной степенью точности показали, что различие в скорости света, по баллистической гипотезе, не имеют место.

Астрономические методы измерения скорости света

Астрономические методы измерения скорости света  [c.196]

Другой астрономический метод определения скорости света основан на явлении аберрации света (см. 8.2), которое было открыто английским астрономом Брэдли в 1725—1728 гг. Это явление заключается в кажущемся смещении положений звезд, вызываемом движением Земли по орбите. Звезды, расположенные в направлении нормали к плоскости орбиты Земли, описывают в течение года на небесной сфере окружности с угловым диаметром около 41″. В соответствии с теорией этот угловой диаметр равен 2и/с, что позволяет определить с. Наиболее точные измерения аберрации дают = 2,999-10 м/с.  [c.127]

П Опишите основные астрономические и лабораторные методы измерения скорости света.  [c.136]

В 7 рассматривались методы измерения скорости света при помощи линеек и часов. Существуют также астрономические методы определения скорости света, в которых измеряется время распространения светового сигнала оттуда — сюда . Таков метод Рёмера, опирающийся на видимое нарушение периодичности затмений спут-  [c.241]

Задача определения скорости света принадлежит к числу важнейших проблем оптики и физики вообще. Решение этой задачи имело огромное принципиальное и практическое значение. Установление того, что скорость распространения света конечна, и измерение этой скорости сделали более конкретными и ясными трудности, стоящие перед различными оптическими теориями. Первые методы определения скорости света, опиравшиеся на астрономические наблюдения, способствовали со своей стороны ясному пониманию чисто астрономических вопросов о затмениях отдаленных светил и о годичном параллаксе звезд. Точные лабораторные методы определения скорости света, выработанные впоследствии, используются при геодезической съемке. Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование принципа Допплера в оптике сделали возможным решение задачи о лучевых скоростях светил или движущихся светящихся масс (протуберанцы, каналовые лучи) и привели к весьма широким астрономическим обобщениям. Сравнительное измерение скорости света в вакууме и различных средах послужило в свое время в качестве ехрег1теп1ит сгис1з для выбора между волновой и корпускулярной теориями света, а впоследствии привело к понятию групповой скорости, имеющему большое значение и в современной квантовой физике. Сравнение скорости распространения света с константой с максвелловской теории, обозначающей, с одной стороны, отношение между электромагнитными и электростатическими единицами заряда, а с другой — скорость распространения электромагнитного поля, сыграло важнейшую роль при обосновании электромагнитной теории света. Наконец, вопрос о влиянии движения системы на скорость распространения света и вся обширная совокупность связанных с ним экспериментальных и теоретических проблем привели к формулировке эйнштейновского принципа относительности — одного из самых значительных обобщений  [c. 417]

Заметим в заключение, что теория относительности вообще была бы невозможна, если бы не был установлен фундаментальный факт конечности скорости распространения света. Изучение методов и результатов измерения скорости света представляет громадный, не только исторический интерес. В частности, уточнение численного значения этой постоянной необходимо для точных измерений астрономических расстояний методами радиолокации. Это в свою очередь необходимо для целей космонавтики. Однако мы не будем касаться этих вопросов. Ограничимся замечанием, что в 1972 г. скорость света была определена на основе независимых измерений длины волны X и частоты света V. Источником света служил гелий-неоновый лазер, генерировавший излучение с длиной волны 3,39 мкм. Длина волны измерялась интерферометрически сравнением ее с эталоном длины, т. е. с длиной волны в вакууме оранжевой линии изотопа криптона-86. Ошибка таких измерений 10 нм. Частота лазерного излучения измерялась путем сравнения ее с атомным стандартом частоты, т. е. с частотой перехода между двумя сверхтонкими квантовыми уровнями атома цезия-133 в нулевом магнитном поле. При этом использовались методы нелинейной оптики — генерация излучений с суммарной и разностной частотами. В итоге  [c.631]

Скорость света определяется аналогично скорости распространения волны любой природы (1У.З.З.Г). Методы измерения скорости разделяются на астрономические и лабораторные, Один из астрономических методов, метод Рёмера, основан на наблюдении промежутков времени Т  [c.364]

Первая оценка скорости света в вакууме была проведена еще в конце XVn в. и базировалась на астрономических наблюдениях. Было замечено, что промежуток времени между затмениями ближайшего спутника Юпитера уменьшается при сближении с Землей и увеличивается при их расхождении. Анализируя эти наблюдения, Ремер предположил, что свет распространяется с конечной скоростью, равной 3,1см/с. Эта смелая идея находилась в противоречии с господствующими тогда взглядами школы Декарта, согласно которым свет должен распространяться мгновенно. В XIX в. усилиями Физо, Фуко и других физиков, развивавших волновую теорию света, были проведены тщательные измерения этой константы. При этом использовались различные лабораторные устройства. В частности, применялся метод вращающегося зеркала, который был в начале XX в. усовершенствован Майкельсоном, определившим скорость света с высокой точностью. Мы не будем подробно рассматривать эти тонкие и остроумные исследования. Укажем лишь, что во всех таких опытах фактически измеряется время, необходимое для прохождения импульсом света вполне определенного пути. Таким образом, в результате эксперимента измеряется скорость светового импульса, точнее, скорость некоторой его части. Например, можно вести измерения по переднему или заднему фронту сигнала, исследовать область максимальной энергии импульса и т. д.  [c.45]

Рассмотрим пример определения массы планеты на основании данных сопровождения зонда в окрестности точки встречи с планетой. Масса планеты измеряется в единицах массы Солнца. Однако измерения дальности или интегрируемого допплерова сдвига частоты выражаются через скорость света с в единицах длины и времени (в астрономических единицах и секундах соответственно). До тех пор, пока получаемая информация связана с той областью, где планета в основном определяет движение зонда, почти невозможно отделить влияние точности знания массы от влияния точности знания скорости света. Следовательно, если масса будет входить наравне со скоростью света с а. е.1сек) в решение, полученное классическим методом наименьших квадратов, то матрица A WA будет слабо определенной. Даже в том случае, когда располагаемая точность вычислений позволит обратить эту матрицу, полученные поправки к значениям массы и скорости света окажутся настолько сильно коррелированными, что решение будет практически бесполезным. Однако величина с известна достаточно точно из результатов радиолокации планет и других экспериментов вне области встречи зонда с планетой ).  [c.113]

ОО всех опытах по измерению скоро- сти света, основанных на прерывании (модуляции) света, измеряется именно групповая скорость. Это относится и к астрономическим методам Ремера и Брэдли, хотя здесь свет распространяется в вакууме, где нет дисперсии и групповая скорость совпадает с фазовой. В опытах Майкельсона с водой и сероуглеродом измерялась групповая скорость, но для воды в видимой области значение Av A k настолько мало, что практически u=v, поэтому и получается с/и с/ь=п. В сероуглероде ХАь/АХ дает заметный вклад и игрупповой скорости, выражаемой формулой Рэлея.  [c.132]

Скорость света

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Список вопросов теста

Вопрос 1

Скорость света в вакууме является

Варианты ответов

• постоянной величиной
• переменной величиной

Вопрос 2

Приближенное значение скорости света равно

Варианты ответов

• 300000 км/с
• 300000 м/с
• 30000000 м/с
• 1000 км/с

Вопрос 3

Кто из ученых первым попытался измерить скорость света?

Варианты ответов

• Галилео Галилей
• Пьер Ферма
• Аристотель
• Исаак Ньютон

Вопрос 4

Какой ученый для определения скорости света использовал спутник Юпитера Ио?

Варианты ответов

• Олаф Рёмер
• Галилео Галилей
• Исаак Ньютон
• Генрих Герц

Вопрос 5

Кто из ученых предлагал рассматривать свет как поток частиц?

Варианты ответов

• Исаак Ньютон
• Христиан Гюйгенс
• Олаф Рёмер
• Рене Декарт

Вопрос 6

Кто из ученых является основоположником волновой теории света?

Варианты ответов

• Исаак Ньютон
• Христиан Гюйгенс
• Олаф Рёмер
• Иоган Кеплер

Вопрос 7

Кто из ученых сказал: «Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью, не зависящей от движения излучающего тела»?

Варианты ответов

• Исаак Ньютон
• Альберт Эйнштейн
• Нильс Бор
• Альберт Майкельсон

Вопрос 8

Линия, указывающая направление распространения света называется

Варианты ответов

• световым лучом
• световым пучком
• светом
• световой волной

Вопрос 9

Основное положение геометрической оптики состоит в том, что

Варианты ответов

• световой луч в однородной среде распространяется прямолинейно
• световой луч в однородной среде распространяется по всевозможным направлениям
• световой луч в однородной среде распространяется криволинейно
• светового луча не существует

Вопрос 10

С 1983 года за эталон в 1 метр принято (-а)

Варианты ответов

Ученые смогли разогнать фотоны до скорости выше скорости света

Ученым удалось провести отдельные фотоны через прозрачную пластину с кажущейся сверхсветовой скоростью.

Возможность превышения скорости света ― универсальной константы в рамках существующей физической модели ― будоражит умы не только писателей-фантастов, но и ученых. Так, например, существуют гипотезы, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Также обсуждался так называемый парадокс Хартмана ― сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Однако эти опыты, как показал их детальный анализ, принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества.

Однако неудачи предшественников не останавливают ученых. Группа американских физиков сообщила, что им удалось разогнать фотоны ― элементарные частицы нулевой массы, которые можно назвать «частицами света», до скорости, при наблюдении кажущейся больше скорости света. Это исследование опубликовано в Optics Express.

Фотоны пропустили через «стопку» слоев материалов различной природы. Этот экспериментальный опыт подтверждает теоретические предсказания квантовых физиков: время пути света через сложный многослойный материал не зависит от толщины слоев, как это происходит в случае простых материалов, например стекла. Это время определяется порядком расположения слоев из разного материала. Это первое опубликованное экспериментальное исследование такой зависимости для отдельных фотонов.

Строго говоря, свет способен достичь своей максимальной скорости лишь в вакууме ― собственно, константа 299 792 458 м/с и представляет собой именно скорость света в вакууме.

В прозрачных средах скорость света падает: отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде представляет собой показатель преломления среды, причем эта величина больше единицы. Это верно для сред типа стекла или воды, а также для более сложных сред ― например, многослойных диэлектриков. Они обладают изолирующими свойствами и могут использоваться для создания высокоотражающих материалов ― оптических покрытий, зеркал и оптических волокон.

В ходе работы по изучению скорости света физики разработали опытный материал, состоящий из тонких диэлектрических слоев. Всего таких слоев было 30, каждый толщиной около 80 нм ― это в четыре раза меньше длины волны света, проходящего через материал. Слои не были одинаковыми: половина имела высокий (Н) показатель преломления, а половина ― низкий (L), причем такие слои чередовались. Такой механизм менял направление света и степень его отражения в разной степени. Каждый фотон, попадавший на границу слоев H и L, таким образом, с некоторой долей вероятности отражался либо проходил сквозь материал к следующему слою.

close

100%

Когда свет падает на такую тридцатислойную чередующуюся «стопку», вероятность фотонов пройти сквозь все слои весьма мала ― лишь небольшая часть частиц проникает через препятствие. На это частицам требуется 12,84 фс (фемтосекунд, 10^―15 с). Однако при добавлении в самом конце дополнительного слоя с низким показателем преломления время пути фотонов резко и непропорционально возрастало до 16,36 фс ― на 3,52 фс! Если принять время пути зависимым только от толщины слоя и показателя преломления, время пути через один дополнительный слой должно составлять всего 0,58 фс. При добавлении одного слоя с высоким показателем преломления, напротив, время пути резко сокращается ― до 5,34 фс.

Получается, что отдельные фотоны проходят сквозь пластину толщиной 2,5 микрона со скоростью, кажущейся сверхсветовой.

Ученые считают, что это явление объясняется с позиций корпускулярно-волновой природы света (свет представляет собой и волну, и поток частиц ― фотонов ― одновременно). В проведенном эксперименте свет и начинает, и заканчивает свой путь как частица ― фотон. Однако, когда один из этих фотонов пересекает границу между слоями материала, на каждой поверхности он создает волну. Эти волны взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционную картину (интенсивности волн перераспределяются, создавая картину из четких максимумов и минимумов подобно тому, как при встречных волнах в океане образуется приливной сулой ― взброс воды). При определенном расположении H- и L-слоев интерференция волн вызывает эффект «раннего прибытия» части фотонов. При этом другие фотоны, напротив, прибывают заметно позже «обычного» из-за возникновения интерференционных минимумов на картине.

В сущности же, превышения скорости света не происходит, наблюдаемая скорость является некоторой иллюзией.

Для правильного детектирования скорости нужно регистрировать все фотоны, проходящие через слои, а не только «ранних пташек». В таком случае усреднение даст обычную скорость света.

Есть простой (и вкусный) способ измерить скорость света в домашних условиях | Умные новости

Первое успешное измерение скорости света было проведено в 1676 году. Датский астроном Оле Рёмер пытался измерить орбиту Ио, третьего по величине спутника Юпитера, наблюдая за тем, сколько времени требуется для обращения вокруг планеты. Наблюдая за Ио в течение многих лет, Рёмер сделал удивительное открытие, сообщает Американский музей естественной истории:

Интервал времени между последовательными затмениями постоянно сокращался по мере того, как Земля на своей орбите приближалась к Юпитеру, и постоянно увеличивался по мере того, как Земля удалялась от Юпитера. Эти различия накапливались. Основываясь на своих данных, Ремер подсчитал, что, когда Земля будет ближе всего к Юпитеру …, затмения Ио будут происходить примерно на одиннадцать минут раньше, чем предсказывалось на основе среднего орбитального периода за многие годы. А 6,5 месяцев спустя, когда Земля была дальше всего от Юпитера… затмения происходили примерно на одиннадцать минут позже, чем предсказывалось.

Ремер знал, что истинный период обращения Ио не может иметь ничего общего с относительным положением Земли и Юпитера.В блестящем озарении он понял, что разница во времени должна быть связана с конечной скоростью света.

До Рёмера ученые не были уверены, имеет ли свет ограниченную скорость или его спидометр навсегда застрял на «бесконечности».

Несколько сотен лет спустя методы измерения скорости света стали поразительно более точными и, в некоторых случаях, более сложными. Но на видео выше сотрудники научного центра в Бристоле демонстрируют относительно простой способ расчета скорости света, который не требует многолетнего наблюдения в окуляр телескопа. На самом деле в их подходе не используется ничего, кроме простого кухонного оборудования и шоколада.

В видео ведущие Росс Экстон и Нерис Шах используют лишь микроволновую печь и плитку шоколада, чтобы показать, как рассчитать скорость света. Из видео не совсем ясно, как измерение расплавленных кусочков плитки шоколада связано со скоростью света. Но если разбить его еще немного, просто нужно взглянуть на некоторые единицы измерения, используемые в их измерениях.

Герц — это физический аналог «циклов в секунду».«Микроволновая печь, использованная в видео, излучала световые волны с частотой 2 450 000 000 Гц, или столько же циклов в секунду. Переход от пика к пику в волне — в данном случае расстояние между первым и третьим расплавленным кусочком шоколада — составляет один цикл. Экстон и Шах измерили это расстояние как 0,12 метра, или 0,12 метра за цикл. Умножение чего-то, измеренного в «метрах в цикле», на что-то в «циклах в секунду», даст измерение в «метрах в секунду». Это скорость волны — скорость света.

Хитрость, благодаря которой подход команды из Бристоля работает, заключается в том, что в современную эпоху мы уже знаем несколько важных вещей о свете: его скорость конечна и что эта скорость в значительной степени постоянна. У нас также есть преимущество в том, что физики уже выяснили взаимосвязь между длиной волны, частотой и скоростью.

Когда Оле Рёмер посмотрел на Юпитер и впервые вычислил скорость света, он получил 214 000 000 метров в секунду. «Это измерение, учитывая его древность, метод измерения и неопределенность 17-го века в том, как далеко Юпитер находился от Земли, удивительно близко к современному значению [299 792 458] метров в секунду», — говорит Дэйв Корнрайх для Корнелла.

Используя микроволновую печь и плитку шоколада, Экстон и Шах получили 294 000 000 метров в секунду — неплохо для небольшой кулинарной науки.

Классные находки

Физика

Рекомендуемые видео

Как впервые была измерена скорость света

Скорость света в вакууме составляет « ровно 299 792 458 метров в секунду ». Причина, по которой сегодня мы можем дать ей точную цифру, заключается в том, что скорость света в вакууме является универсальной константой, которая была измерена с помощью лазеров; а когда в эксперименте участвуют лазеры, трудно спорить с результатами. Что же касается того, почему оно несколько бросается в глаза как целое число, то это не случайно — длина метра определяется с помощью этой константы: «длина пути, пройденного светом в вакууме за промежуток времени 1/299 792 458 секунды». ».

Еще несколько сотен лет назад считалось или, по крайней мере, предполагалось, что скорость света бесконечна, тогда как на самом деле она просто очень, очень, очень высока — для справки, скорость света лишь немного медленнее, чем самая быстрая вещь в известной вселенной — время отклика девочки-подростка, если бы Джастин Бибер сказал в Твиттере: «Первой, кто ответит на этот твит, будет моя новая девушка.»

Первым известным человеком, задавшим вопрос о том, что «скорость света бесконечна», был философ Эмпедокл, живший в V веке до нашей эры. Менее века спустя Аристотель не согласился с Эмпедоклом, и спор продолжался более 2000 лет спустя.

Одним из первых видных деятелей, который провел реальный эксперимент по проверке скорости света, был голландский ученый Исаак Бекман в 1629 году. понял, что в отсутствие лазеров в основе любого хорошего научного эксперимента всегда должны быть какие-то взрывы; таким образом, его эксперимент включал детонацию пороха.

Бекман разместил зеркала на разном расстоянии от места взрыва и спросил наблюдателей, видят ли они какую-либо разницу в том, когда вспышка света, отраженная от каждого зеркала, достигает их глаз. Как вы, наверное, догадались, эксперимент был «безрезультатным» .

Похожий, более известный эксперимент, не связанный со взрывами, возможно, был проведен или, по крайней мере, предложен Галилео Галилеем менее десяти лет спустя, в 1638 году. Галилей, как и Бекман, также подозревал, что скорость света не бесконечна, и сделал передавая ссылки на эксперимент с фонарями в некоторых своих работах. Его эксперимент (если он вообще когда-либо проводил его) заключался в том, чтобы разместить два фонаря на расстоянии мили друг от друга и попытаться увидеть, есть ли какое-либо заметное отставание между ними; результаты были неубедительны. Единственное, что мог предположить Галилей, это то, что если свет не бесконечен, то он быстр и что эксперименты в таком маленьком масштабе обречены на провал.

Только когда датский астроном Оле Рёмер вступил в бой, измерения скорости света стали серьезными. В эксперименте, в котором мигающие фонари Галилея на холме выглядели как проект научной ярмарки в начальной школе, Рёмер определил, что в отсутствие лазеров и взрывов эксперимент всегда должен включать космическое пространство.Таким образом, он основывал свои наблюдения на движении самих планет, объявив о своих новаторских результатах 22 августа 1676 года. Земля двигалась к Юпитеру или удалялась от него). Заинтересовавшись этим, Рёмер начал тщательно записывать время, когда I0 (луна, за которой он наблюдал), появится в поле зрения и как оно коррелирует с ожидаемым временем. Через некоторое время Ремер заметил, что по мере того, как Земля вращается вокруг Солнца и, в свою очередь, удаляется от Юпитера, время появления Ио будет отставать от ожидаемого времени, записанного в его заметках. Рёмер (правильно) предположил, что это произошло потому, что свет, отраженный от Ио, не распространяется мгновенно.

К сожалению, точные расчеты, которые он использовал, были утеряны во время пожара в Копенгагене в 1728 году, но у нас есть довольно хороший отчет о вещах из новостей, освещающих его открытие, и от других ученых того времени, которые использовали числа Ремера в своей работе.Суть его заключалась в том, что, используя ряд умных вычислений, включающих диаметр орбит Земли и Юпитера, Рёмер смог сделать вывод, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли вокруг Солнца. Позже Христиан Гюйгенс преобразовал это в более распространенные числа, показав, что, по оценке Рёмера, скорость света составляет около 220 000 километров в секунду. Эта цифра немного отличается (примерно на 27%) от цифры, указанной в первом абзаце, но мы вернемся к этому через мгновение.

Когда коллеги Ремера почти повсеместно выразили сомнение в его теории об Ио, Ремер спокойно ответил им, что затмение Ио 9 ноября 1676 года будет на 10 минут позже. Когда пришло время, сомневающиеся стояли ошеломленные, поскольку движение всего небесного тела подтвердило его вывод.

Коллеги Ремера были правы, когда были поражены его оценкой, так как даже сегодня его оценка скорости света считается удивительно точной, учитывая, что она была сделана за 300 лет до появления обоих лазеров, Интернета и Конана О. «Волосы Брайена.Ладно, это было 80 000 километров в секунду слишком медленно, но, учитывая состояние науки и техники в то время, это удивительно впечатляет, особенно учитывая, что для начала он просто отрабатывал интуицию.

Что еще более удивительно, так это то, что причина слишком медленной оценки Рёмера, как полагают, связана не столько с какой-либо ошибкой с его стороны, сколько с тем фактом, что общепринятые диаметры орбит Земли и Юпитера были выключено, когда Рёмер делал свои расчеты. То есть да, Рёмер был неправ только потому, что других человека не были так хороши в науке, как он. На самом деле, если вы вставите правильные числа орбиты в то, что считается его первоначальными расчетами из отчетов до того, как его документы были уничтожены в вышеупомянутом пожаре, его оценка почти точна.

Таким образом, несмотря на то, что он был технически неправ, и даже несмотря на то, что Джеймс Брэдли придумал более точное число в 1729 году, Рёмер войдет в историю как человек, который первым доказал, что скорость света не бесконечна, и вычислил достаточно точное число. приблизительное представление о точной скорости, наблюдая за движением точки, вращающейся вокруг гигантского газового шара, расположенного на расстоянии около 780 миллионов километров.17 мегатонн тротила. Для справки, крупнейший ядерный взрыв, когда-либо взорванный (Царь-бомба Советского Союза), произвел «всего» 50 мегатонн энергии в тротиловом эквиваленте. Таким образом, потребуется около 12 657 000 000 000 000 ядерных бомб, взорванных в нужном месте, чтобы помешать Земле вращаться вокруг Солнца.

Изображение: Shutterstock / STILLFX

Карл Смоллвуд пишет для очень популярного сайта интересных фактов TodayIFoundком . Чтобы подписаться на информационный бюллетень «Ежедневные знания» Today I Found Out, нажмите здесь или нажмите «Нравится» на Facebook здесь .

Этот пост был перепечатан с разрешения TodayIFoundOut.com .

Как определяли и измеряли скорость звука и скорость света?

Крис Оутс, физик из отдела времени и частоты Национального института стандартов и технологий (NIST), объясняет.

Несмотря на различия между светом и звуком, в большинстве измерений соответствующих скоростей использовались одни и те же два основных метода. Первый метод основан на простом измерении времени, которое требуется световому или звуковому импульсу для прохождения известного расстояния; Разделив расстояние на время в пути, вы получите скорость. Второй метод использует волновую природу, общую для этих явлений: измеряя как частоту (f), так и длину волны () распространяющейся волны, можно вывести скорость волны из простого волнового соотношения, скорость = f × .(Частота волны — это количество гребней, проходящих в секунду, тогда как длина волны — это расстояние между гребнями). Хотя эти два явления имеют общие подходы к измерению, фундаментальные различия между светом и звуком привели к очень разным экспериментальным реализациям, а также к разным историческим разработкам в определении их скоростей.

В своей простейшей форме звук можно представить как продольную волну, состоящую из сжатий и растяжений среды вдоль направления распространения.Поскольку звуку для распространения требуется среда, скорость звуковой волны определяется свойствами самой среды (такими как плотность, жесткость и температура). Таким образом, эти параметры должны быть включены в любые сообщаемые измерения. На самом деле можно перевернуть такие измерения и реально использовать их для определения термодинамических свойств среды (например, отношения удельных теплоемкостей).

Первый известный теоретический трактат о звуке был представлен сэром Исааком Ньютоном в его Principia, , в котором было предсказано значение скорости звука в воздухе, отличающееся примерно на 16 процентов от принятого в настоящее время значения.Ранние экспериментальные значения были основаны на измерениях времени, которое требуется звуку пушечных выстрелов, чтобы покрыть заданное расстояние, и были лучше, чем 1 процент от принятого в настоящее время значения 331,5 м/с при 0 градусов по Цельсию. Даниэль Колладон и Шарль-Франсуа Штурм впервые провели аналогичные измерения в воде Женевского озера в 1826 году. Они обнаружили значение всего на 0,2 процента ниже принятого в настоящее время значения ~1440 м/с при 8 градусах Цельсия. среды на больших расстояниях, поэтому большинство последующих определений было выполнено в лаборатории, где можно было лучше контролировать параметры окружающей среды и исследовать большее разнообразие газов и жидкостей.В этих экспериментах часто используются трубки с газом или жидкостью (или стержни из твердого материала) точно откалиброванной длины. Затем можно вывести скорость звука из измерения времени, которое требуется звуковому импульсу для прохождения по трубе. В качестве альтернативы (и обычно более точно) можно возбудить резонансные частоты трубы (во многом как у флейты), вызывая вибрацию на одном конце с помощью громкоговорителя, камертона или другого типа преобразователя. Поскольку соответствующие резонансные длины волн имеют простую зависимость от длины трубы, можно определить скорость звука по волновому соотношению и внести поправки на геометрию трубы для сравнения со скоростями в свободном пространстве.

Волновая природа света сильно отличается от природы звука. В своей простейшей форме электромагнитная волна (например, световая, радио или микроволновая) является поперечной и состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей, перпендикулярных направлению распространения. Более того, хотя среда, через которую проходит свет, влияет на его скорость (уменьшая ее на показатель преломления материала), свет также может проходить через вакуум, что обеспечивает уникальный контекст для определения его скорости.На самом деле, скорость света в вакууме с является фундаментальным строительным блоком теории относительности Эйнштейна, потому что она устанавливает верхний предел скоростей во Вселенной. В результате он появляется в широком диапазоне физических формул, возможно, самой известной из которых является E=mc ² . Таким образом, скорость света можно измерить различными способами, но из-за ее чрезвычайно высокого значения (~ 300 000 км / с или 186 000 миль / с) ее изначально было значительно труднее измерить, чем скорость звука. Ранние попытки, такие как пара наблюдателей Галилея, сидящих на противоположных холмах и мигающих фонарями взад и вперед, не имели технологии, необходимой для точного измерения времени прохождения всего в несколько микросекунд.Примечательно, что астрономические наблюдения в 18 веке привели к определению скорости света с погрешностью всего в 1 процент. Однако для более качественных измерений требовались лабораторные условия. Луи Физо и Леон Фуко смогли выполнить обновленные версии эксперимента Галилея за счет использования оригинальных комбинаций вращающихся зеркал (наряду с улучшенной технологией измерения) и провели серию прекрасных измерений скорости света. С дальнейшими улучшениями Альберт А.Майкельсон выполнил измерения с точностью почти до одной десятитысячной.

Метрология скорости света резко изменилась с определением, сделанным здесь, в NIST в 1972 году. Это измерение было основано на гелий-неоновом лазере, частота которого фиксировалась петлей обратной связи, чтобы соответствовать частоте, соответствующей расщеплению между двумя квантованными энергиями. уровней молекулы метана. И частота, и длина волны этого высокостабильного лазера были точно измерены, что привело к 100-кратному снижению неопределенности значения скорости света.Это измерение и последующие измерения, основанные на других атомных/молекулярных стандартах, были ограничены не методом измерения, а неопределенностью определения самого измерителя. Поскольку было ясно, что будущие измерения будут аналогичным образом ограничены, 17-я Конференция Gnrale des Poids et Mesures (Генеральная конференция по мерам и весам) в 1983 году решила переопределить метр с точки зрения скорости света. Таким образом, скорость света стала константой (определяемой как 299 792 458 м/с), и ее больше никогда не измеряли.В результате определение метра напрямую связано (через соотношение c=f×) с определением частоты, которая на сегодняшний день является наиболее точно измеряемой физической величиной (в настоящее время лучшие цезиевые атомные фонтанные часы имеют относительную погрешность частоты около 1×10 ^-15 ).

Кто первым измерил скорость света? (Средний)

Кто открыл скорость света? Когда это было обнаружено? Как он был рассчитан или получен?

Ученые пытались изучить скорость света со времен древних греков.Большинство древнегреческих астрономов, среди прочего, считали, что скорость света практически бесконечна. Однако у них не было возможности проверить это обоснованное предположение. Тем не менее, как правило, считалось само собой разумеющимся, что скорость света бесконечна до астронома Галилея в начале 1600-х годов. Галилей якобы пытался количественно определить скорость света, используя далекие фонари со ставнями, которые помощник открывал в определенное время. Галилей пытался записать, сколько времени потребовалось свету, чтобы добраться до него через поле, на котором проводился эксперимент.Его единственный вывод заключался в том, что скорость света слишком велика, чтобы ее можно было измерить в этом эксперименте. (На самом деле, с учетом того, что мы теперь знаем о скорости света, мы можем сказать, что если бы Галилей и его помощник находились на расстоянии около мили друг от друга, свету потребовалось бы всего около пяти микросекунд — пятимиллионных долей секунды — чтобы добраться от Галилея до своему помощнику. Это было слишком мало, чтобы его можно было измерить с помощью технологий того времени.)

Первое точное измерение скорости света было проведено в 1676 году человеком по имени Оле Ремер (Рёмер).Ремер наблюдал за спутником Юпитера Ио, самым внутренним из галилеевых спутников. С точки зрения наблюдателя на Земле, Ио внезапно исчезает, когда входит в тень Юпитера, и внезапно появляется снова, когда выходит из тени Юпитера (обратно в солнечный свет). Ремера интересовало предсказание времени, когда можно будет наблюдать, как Ио выходит из тени Юпитера. Его целью было использовать эти наблюдения для более точного определения периода обращения Ио; он был , а не , который изначально пытался определить скорость света.

Ремер заметил , что время, прошедшее между затмениями Ио, становилось короче по мере того, как Земля приближалась к Юпитеру, и увеличивалось по мере того, как Земля и Юпитер удалялись друг от друга. Он понял, что расхождения между наблюдаемым и рассчитанным временем появления Ио можно объяснить конечной скоростью света. Поскольку Земля удалялась от Юпитера в ходе наблюдений Ремера, отраженному свету от Ио потребовалось бы немного больше времени, чтобы достичь Земли, и это повлияло бы на точное время, когда Ио наблюдалось, как он выходит из тени Юпитера.

Основываясь на этих наблюдениях, Ремер подсчитал, что свету потребуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр земной орбиты. Сочетание этого значения с более ранними измерениями большой полуоси Земли (радиуса орбиты) (описанными здесь и здесь) дает скорость света около 210 000 километров в секунду. Это примерно на 30% ниже современного значения скорости света, но, учитывая его древность, метод измерения и неопределенность 17 века в точных размерах планетарных орбит, это значение удивительно близко к современному значению 299 792.458 километров в секунду.

Вот несколько страниц с дополнительной информацией о вычислениях Ремера, включая некоторые иллюстрации наблюдательной геометрии:

Последний раз эта страница обновлялась Шоном Маршаллом 17 января 2016 г.

Этот месяц в истории физики : Физо публикует результаты эксперимента со скоростью света

Скорость света — одна из наиболее устоявшихся величин в физике, измеренная настолько точно, что метр теперь определяется в ее терминах.Но до XVII века большинство ученых, включая таких гигантов, как Иоганн Кеплер и Рене Декарт, считали скорость света бесконечной, способной мгновенно преодолевать любые расстояния. Галилео Галилей был одним из первых, кто поставил под сомнение это предположение и попытался экспериментально измерить скорость света.

По современным меркам методы Галилея были крайне грубыми. Он расположился на вершине одного холма, а его помощник — на вершине дальнего холма, каждый из которых был вооружен лампой, которую можно было накрывать и открывать по желанию.Галилей открывал свою лампу, и его помощник делал то же самое, как только видел свет от лампы Галилея. Зная расстояние между двумя лампами, Галилей мог измерить, сколько времени прошло между двумя вспышками, чтобы рассчитать скорость света. Неудивительно, что его вывод был довольно расплывчатым и неубедительным: «Если не мгновенно, то необычайно быстро». Но он пришел к выводу, что свет распространяется как минимум в десять раз быстрее звука.

Первое серьезное измерение скорости света произошло в 1676 году, когда датский астроном Оле Ремер наблюдал за спутниками Юпитера и заметил, что их затмения, по-видимому, происходят в разное время, в зависимости от взаимного положения Юпитера по отношению к Земле, поздно, когда Земля была далеко, и рано, когда Земля была ближе к Юпитеру.Он правильно сделал вывод, что этот эффект возник не из-за фактического смещения лунных орбит, а из-за того, что свет от этих лун проходил большее расстояние, когда Земля была дальше. Ему было известно принятое в то время значение диаметра земной орбиты, и из этого он сделал вывод, что скорость света составляет 240 000 километров в секунду.

Измерение Ремера все еще отличалось от фактического значения, но оно обеспечило полезную основу для будущих экспериментов. В 1728 году английский физик по имени Джеймс Брэдли добавил свои собственные открытия к накапливающимся знаниям, используя звездную аберрацию для расчета скорости света в вакууме: в его случае 301 000 километров в секунду.Измерения стали лучше. Однако прошло еще 100 лет, прежде чем французский ученый по имени Арман-Ипполит-Луи Физо придумал, как измерить скорость света с помощью земного эксперимента.

Родившийся в Париже в 1819 году, Физо был сыном физика и профессора медицины, который после своей смерти оставил Физо значительное состояние. Свободный преследовать свои интересы, не беспокоясь о заработке на жизнь, Физо сосредоточился на научных исследованиях, первоначально намереваясь стать врачом, как его отец, но в конечном итоге решил изучать астрономию с Франсуа Араго в Парижской обсерватории, где он, несомненно, узнал о предыдущих попытках. измерять скорость света с помощью астрономических явлений.

Однако его научные интересы были весьма разнообразны. Например, в 1839 году он увлекся дагерротипной фотографией — тогда еще совсем новой — и объединился с коллегой-французским ученым Жаном-Бернаром-Леоном Фуко, чтобы адаптировать этот процесс к астрономии. На это ушло 10 лет, но в конце концов в 1845 году двое мужчин сделали первые подробные фотографии поверхности Солнца.

Его работа с Фуко вдохновила Физо на попытку собственного измерения скорости света. Он построил аппарат, в котором зубчатое колесо и зеркало были размещены на расстоянии восьми километров друг от друга, а затем посылал между ними импульсы света.Он вращал зубчатое колесо и наблюдал, как быстро луч света проходит между зубцами колеса и зеркалом вдали, замечая, что, если он вращал колесо очень быстро, отражение от зеркала затемнялось, потому что свет падал на одну из винтики.

Физо предположил, что количество времени, которое требуется колесу, чтобы пройти ширину одной шестерни, эквивалентно тому, сколько времени требуется лучу света, чтобы добраться до зеркала и обратно. Зная, как быстро вращается зубчатое колесо, и ширину одного зубца, а также расстояние до зеркала, Физо смог рассчитать скорость света, получив значение 313 300 километров в секунду.Это все еще примерно на 5% больше, чем нужно.

Фуко немного усовершенствовал аппарат Физо, заменив зубчатое колесо вращающимся зеркалом, поэтому теперь он известен как аппарат Физо-Фуко. Свет отражался под разными углами при вращении зеркала. Поскольку и скорость вращения, и расстояние до зеркала были хорошо установлены, можно было измерить разницу между углом света на входе в прибор и на выходе из установки и вычислить по нему скорость света.В 1862 году Фуко пришел к выводу, что скорость света равна 299 796 километров в секунду.

Вклад Физо в науку не ограничивается измерением скорости света. Последующие эксперименты, в которых он измерял, как свет проходит через текущую жидкость, привели к удивительному открытию: скорость света не меняется, как ожидалось, когда среда, через которую он проходит, находится в движении. Ученые уже установили, что свет распространяется с разной скоростью в разных средах, но до экспериментов Физо они считали, что если среда движется, скорость света можно получить, просто прибавив скорость среды к скорости света. Его результаты подразумевали другую формулу, которая позже будет объяснена Альбертом Эйнштейном, когда последний разрабатывал свою специальную теорию относительности.

Последующие методы измерения скорости света, видным практиком которых был Альберт Майкельсон, основывались на интерференции волн. Эти методы стали более точными с появлением лазерной технологии, и сегодня, более чем через 350 лет после эксперимента Галилея на вершине холма, значение скорости света определяется как 299 792,458 километров в секунду, согласно декларации 1983 года 17-го Всеобщего конгресса по весам и весам. Измеряет, тем самым превращая метр в производную величину.Потребовалось всего около 163 отдельных экспериментов с участием более 100 ученых, что свидетельствует о совместном характере научного предприятия.

История физики

Этот месяц в истории физики
Новости APS Архивы

Инициатива по историческим местам
Места и подробности исторических физических событий

Измерение скорости света в композитных материалах

Свет замедляется в разных средах в зависимости от показателя преломления среды. Ученые разработали метод измерения скорости света при его прохождении через композитный материал, который имеет множество различных показателей преломления. Кредит: Викисклад.

(PhysOrg.com) — Хотя скорость света постоянна в вакууме, свет немного замедляется при прохождении через другие материалы. Хотя относительно легко измерить скорость света в средах, изготовленных из одного материала, гораздо сложнее отследить скорость света в композитных материалах.Теперь новая методика позволяет определять скорость света в композитных материалах путем изменения светового давления.

Санли Фаез и его коллеги из Института атомной и молекулярной физики FOM в Нидерландах представили новый метод в следующем выпуске Physical Review Letters .

Когда свет попадает в вещество, такое как стекло, его скорость уменьшается в зависимости от того, как он попадает на атомы в материале. В свою очередь, это определяет показатель преломления материала, который представляет собой соотношение между скоростью света в вакууме и скоростью света в среде. Композитные материалы, состоящие из многих веществ, имеют разные показатели преломления. Это приводит к сильному рассеянию света, что затрудняет измерение общего показателя преломления материала.

В новом методе исследователи используют камеру давления для изменения показателя преломления композитного материала. Пропустив лазерный луч через фильтр, находящийся в барокамере, исследователи создали пятнистую интерференционную картину.Изменяя давление, исследователи могли затем изменить рисунок. Затем они сравнили, как картина меняется в зависимости от давления, что позволило им рассчитать изменение показателя преломления и скорости света.

Понимание того, как свет взаимодействует с композитными материалами, может привести к нескольким приложениям. Этот метод может быть полезен в биосенсорных устройствах, поскольку многие биологические материалы, такие как кости и ткани, являются композитными материалами. Он также может найти применение при тестировании фармацевтических таблеток путем измерения неоднородностей в интерференционных картинах.

Дополнительная информация: Физ. Преподобный Летт. 101, 120601 (2008) DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.120601

через: Новости науки

© 2009 PhysOrg.com

Исследователи используют метаматериалы, чтобы изменить путь света, скорость

Цитата :
Измерение скорости света в композитных материалах (2 августа 2009 г.)
получено 16 января 2022 г.
с https://физ. org/news/2009-08-composite-materials.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Измерьте скорость света с помощью шоколада

Помните знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc ² ? ‘с’
обозначает скорость света.Вам не нужно модное оборудование, чтобы
измерить это. Все, что вам нужно, это микроволновая печь, линейка, плитка шоколада
и калькулятор.

Как:

1. Достаньте проигрыватель из микроволновой печи. Тебе нужен шоколад
   оставаться неподвижным, пока вы нагреваете его.
2. Положите перевернутую тарелку на то, что вращает
   проигрыватель (есть ли у него название? Сейчас я использую
   «вращатель»).
3. Положите шоколад на середину тарелки.
4. Нагревайте шоколад, пока он не начнет таять за два-три часа.
   места. Это должно занять около 20 секунд.
5. Осторожно достать шоколад из микроволновки! Это будет
   горячий. Измерьте расстояние между оплавленными пятнами.
6. Если ваша микроволновая печь стандартной модели, она будет иметь частоту
   2,45 гигагерца. Это означает, что микроволны движутся вверх и вниз.
   2,45 миллиарда раз в секунду. Проверьте в инструкции к вашей микроволновой печи, если
   вы не уверены в частоте.
7. Умножьте расстояние между точками на плитке шоколада на
   два. Умножьте это на 2 450 000 000 (2,45 гигагерца, выраженные как
   герц).

Расстояние между двумя пятнами расплавленного шоколада x 2 x
2450000000 = г

Какой ответ вы получите для z? Скорость света
299 792 458 метров в секунду .

Помните, если вы измеряли расстояние между оплавленными пятнами
в сантиметрах, z будет в сантиметрах на
второй.Чтобы получить ответ в метрах в секунду, разделите
z на 100.

Был ли ваш ответ близок к скорости света?

Что происходит?

Микроволны — это разновидность электромагнитного излучения, как и
легкие волны. Микроволны тоже распространяются со скоростью света. если ты
измерьте, как быстро они путешествуют, вы должны получить результат, близкий
до скорости света.

Длина волны

Когда вы измеряете расстояние между двумя расплавленными точками, вы можете
определите длину волны микроволн.

Измерение расстояния между расплавленными пятнами дало вам половину
длина волны. Вам нужно умножить расстояние на два, чтобы получить целое
длина волны.

Расстояние между двумя расплавленными
пятна составляют половину длины волны

Частота

Теперь вы знаете длину волны, вам нужно знать частоту волны.