Скорость света в воздухе и в воде: Абсолютный показатель преломления воды 1,33. Какова скорость света в воде? Скорость света в воздухе с = 3 • 10^8 м/с.

Природа даёт подсказку, как двигаться быстрее скорости света / Хабр

Вряд ли кто-нибудь отказался бы попутешествовать по нашей галактике или хотя бы облететь солнечную систему. Но как покрыть такие расстояния за короткие промежутки времени? Начать придётся издалека, потому что ключ к этому, возможно, лежит где-то среди волн.

Волны на поверхности воды

Как известно, волны в разных средах бывают разные. Волны существуют, например, на поверхности воды. Мы можем видеть эти волны невооружённым глазом, иногда, но не всегда, можем видеть их источник, можем слышать плеск воды. Эти волны поперечные. Скорость этих волн настолько мала, что её может преодолеть, например, водоплавающая птица утка. Даже любой читатель, умеющий плавать, может сделать это в воде, а может двигаться с большей скоростью пешком на суше. След, оставляемый объектами на поверхности воды называется кильватерным следом. В научной среде не принято утверждать, что скорость кораблей, плывущих по поверхности воды, или скорость пешеходов ограничена скоростью поверхностных волн на воде. То есть научно не запрещается передвигаться быстрее волн на поверхности воды. Равно и природа никак не препятствует перемещаться быстрее, чем волны на поверхности воды.

Вот так утка и даже утята преодолевают скорость поверхностных волн:

А ещё ниже корабли преодолевают скорость поверхностных волн:

Волны в воздухе

Кроме того, волны существуют в воздушной среде, то есть в атмосфере. Эти волны мы уже не можем видеть, но иногда можем видеть их источник, например колеблющуюся струну. Мы можем слышать эти волны, а если говорить точнее, можем определять направление на источник, используя органы слуха. Такие волны уже не поперечные, а продольные и могут существовать не только в газах, но и в жидкостях и даже в твёрдых телах. След, оставляемый объектами, движущимися в атмосфере быстрее скорости звуковых волн называется конусом Маха, его сечение плоскостью напоминает поверхностную волну на воде, что может говорить об одной природе этих явлений. Надо сказать, что до появления реактивного движения в науке считалось, что преодолеть скорость звука невозможно. Но запрет, к счастью, был снят и произошло это относительно недавно. Если говорить на чистоту, то ещё раньше утверждалось, что аппарат тяжелее воздуха лететь не сможет. Всё это очень быстро забыли. И теперь в научной среде тоже не принято утверждать, что скорость пули или самолёта ограничена скоростью звуковых волн. Природа тоже не запрещает передвигаться быстрее звуковых волн в той среде, в которой эти волны существуют.

Вот, например, пуля преодолевает скорость звуковых волн:

Волны электромагнитные

И, наконец, самое интересное, волны бывают ещё и электромагнитными. Это такие же поперечные волны как и волны на поверхности воды, но они могут распространяться как звуковые волны в разных средах в разные стороны, а не только вдоль границ между ними. И так уж устроены наши органы зрения, что некоторые (далеко не все, и даже близко не все) из этих электромагнитных волн мы можем воспринимать невооружённым глазом, но тоже своеобразно. Мы не можем увидеть световую электромагнитную волну в процессе распространения так, как мы видим волны на поверхности воды. Но мы можем видеть источник электромагнитных волн, а если уж быть до конца точным, то мы можем определять направление с помощью органов зрения либо непосредственно на этот источник, либо на отражение источника в окружающих нас предметах. Наверняка все уже ждут ту самую подсказку, из заголовка. Так вот, в 1934 году Павел Алексеевич Черенков, будущий нобелевский лауреат обнаружил голубое свечение неизвестной природы. Выяснилось, что причина такого излучения — это превышение движущимися заряженными частицами скорости электромагнитных волн в среде. Даже есть примерная картинка как это происходит, но ничего нового мы на ней не увидим, ведь природа та же, значит и проявление будет уже известным.

Вот она! Та самая подсказка, которая находится перед нами без малого уже почти 100 лет. Если кто-то пропустил, то прошу обратить внимание, частицы с массой (установлено, что это электроны) двигаются быстрее электромагнитных волн в данной среде. А если электрон уже может это сделать в жидкости, то что ему помешает это сделать в вакууме, ну или хотя бы в космическом пространстве? Очевидно, природа не против, если что-то материальное, обладающее массой, движется в какой-либо среде со скоростью, превышающей скорость света в этой же среде. И природа красноречиво нам подсказывает это через нобелевских лауреатов (не дадут соврать П.А. Черенков, Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк, 1958 г.). Может быть стоит уже обратить внимание на эту подсказку. Ведь если мы не можем пока построить двигатель, то возможно это и есть как минимум один из вариантов его создания. Однако это явление в научной среде не пользуется популярностью, хотя казалось бы наука должна уделять больше внимания неудобным вопросам, ведь именно это её продвигает вперёд.

Хотелось бы закончить на оптимистической ноте. Но, к сожалению, от появления прототипа до рабочего варианта проходит очень много времени. От первых винтов Архимеда и Леонардо да Винчи… ну хорошо, пусть от появления винтовой модели Ломоносова (1754 г.) до использования винтового движения в самолетах братьев Райт (1903 г.) прошло почти 150 лет. От первого прототипа реактивного двигателя (пусть будет 1867 г.), до самолётов, использующих реактивное движение (1930 г.) прошло ещё 60 лет. Остаётся надеяться, что сейчас уже появился толковый инженер, со здоровым скептицизмом, а кроме скептицизма ему ещё понадобится упорство, целеустремлённость и ещё много-много чего. Если предположить, что в 1934 г. появился прототип, то прошло уже почти 100 лет и настала пора этому смекалистому инженеру превращать прототип в первую действительно рабочую машину, которая сможет если не преодолевать, то уверенно и быстро приближаться к скорости света. Очень боюсь, что многие будут инженера отговаривать, но надеюсь он никого не послушает и мы успеем застать появление первого околосветового двигателя.

Скорость света в вакууме перестала быть рекордом

03 Ноября 2005 14:1103 Ноя 2005 14:11

|

Поделиться

Показана возможность прохождения звука в среде со скоростью, на пять порядков превышающей обычную и существенно превосходящей скорость света в вакууме.

Сотрудник университета Миссисипи Джоэль Мобли (Joel Mobley) показал, что звуковые волны в воде могут двигаться со скоростью, существенно превышающей не просто скорость света в этой среде, но и скорость света в вакууме. Для этого в воду необходимо добавить большое количество пластиковых шариков-бусинок.

Согласно текущим физическим представлениям, распространение звуковых волн в дисперсной среде описывается двумя скоростями – групповой и фазовой. Последняя из них в воде составляет около 1,5 км/с.

Как сообщает PhysicsWeb, д-р Мобли показал, что групповая скорость высокочастотного ультразвукового импульса может быть увеличена сразу на пять порядков, если направлять ее сквозь камеру, содержащую 8 мл воды и 400 тыс. пластиковых микросфер в ней. Рост скорости на пять порядков означает, что групповая скорость может превысить скорость света в вакууме. Сферы диаметром около 0,1 мм займут около 5% объема наполненной водой камеры.

Рост скорости вызван дисперсией, вследствие которой различные длины волн движутся с различными фазовыми скоростями. При прохождении импульса сквозь среду с аномально высокой дисперсией, волны различной длины начинают двигаться с существенно различными скоростями. Это приводит к изменению формы импульса, в результате чего оказывается, что сам импульс звука в воде начинает двигаться быстрее, чем свет в вакууме. Правда, за все приходится платить – дисперсия очень сильно ослабляет сам импульс.

«Уже давно считалось, что достижение подобных скоростей звуковыми волнами возможно, – считает сам д-р Мобли. – Моя работа показала, что создать условия для этого можно в специфической, но очень простой среде, в отсутствие каких-либо экстремальных условий».

Д-р Мобли планирует поставить эксперименты, в которых удастся наблюдать движение звука со сверхсветовой скоростью на практике, в национальном центре физической акустики в Миссисипи. Основной проблемой в его постановке является увеличение отношения сигнал-шум до значений, при которых возможно детектирование самого импульса, крайне ослабленного дисперсией.

Постановка вопроса о возможности достижения скоростей, превышающих скорость света в вакууме, отражает современное положение дел в науке, где все больше фундаментальных представлений господствующих на сегодняшний день теорий подвергается коренному пересмотру. Так, результаты последних астрономических наблюдений вынудили ученых вновь поставить вопрос о том, что физические константы меняются со временем, а также заставили подвергнуть коренному пересмотру современную космологическую теорию. Помимо фундаментальной науки, исследования акустических процессов имеют огромное прикладное значение. Так, последние результаты группы Талейархана показали, что акустические волны в жидкости способны разогревать вещество в микропузырьках до столь высоких температур, что становится возможным осуществление реакции термоядерного синтеза.

Скорость света. Американские ученые и изобретатели

Скорость света

Только в XVII веке попытка измерить скорость света увенчалась успехом. Молодой датчанин Ремер заметил, что тень одной из лун Юпитера периодически появлялась на поверхности планеты на 16 минут 36 секунд раньше, чем при наблюдении в другое время года. Ремер решил, что причиной разницы во времени является то обстоятельство, что один раз в году Земля находится на кратчайшем расстоянии от Юпитера, а через шесть месяцев — в максимальном удалении. Ремер полагал, что разница в несколько минут равна времени, в течение которого свет пересекает земную орбиту. Разделив это расстояние на 16 минут 36 секунд, он получил 186 тысяч миль в секунду.

Только через сто семьдесят три года, в 1849 году, стало возможным измерение скорости света, проходящего между двумя точками на поверхности Земли. Выбрали расстояние в 10 миль. Французский ученый Физо поставил эксперимент, посылая импульсы света на удаленное зеркало и измеряя время, требующееся на возвращение луча. Свет разбивался на импульсы следующим образом. Луч проходил сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. При достаточно быстром вращении диска импульс света доходил до зеркала и возвращался обратно как раз за то же время, в течение которого диск поворачивался на небольшой угол — на ширину одного промежутка между выступами. На диске Физо было 720 выступов, и он делал ровно 25 оборотов в секунду. Зная расстояние от источника света до зеркала и обратно, Физо подсчитал скорость света и получил 194 тысячи миль в секунду.

Примерно через 20 лет, когда Майкельсон преподавал в Аннаполисе, проблема скорости света приобрела новое, чрезвычайно важное значение. Недавно сформулированная Максвеллом электромагнитная теория света утверждала, что скорость света должна быть меньше в воде, чем в воздухе. С другой стороны, из корпускулярной теории Ньютона следовало, что скорость света в воде больше, чем в воздухе. В 60-е и 70-е годы XIX века выяснение этого противоречия стало наиболее актуальным исследованием в физике. Науке необходим был способ точного измерения скорости света в любой среде.

Майкельсон говорил: «Тот факт, что скорость света непостижима для человеческого представления и, с другой стороны, существование принципиальной возможности ее измерения с чрезвычайной точностью, делают эту задачу одной из самых увлекательных проблем, когда-либо стоявших перед исследователем».

Знание скорости света было важно также для многих астрономических проблем навигации. Конгресс даже выделил средства известному американскому астроному Саймону Ньюкомбу для работы над этой проблемой. В 1877 году юный младший лейтенант Майкельсон неожиданно придумал метод измерения скорости света с помощью простейшего аппарата. Результаты его работы были опубликованы в журнале «Америкэн Джорнэл оф Сайенс» шесть месяцев спустя, в мае 1878 года.

В то лето тесть Майкельсона дал ему 2 тысячи долларов на усовершенствование аппарата. Путь луча был увеличен более чем в 30 раз и доведен до 700 метров, смещение изображения равнялось 13,3 сантиметра вместо двух. Максвелл предсказывал, что скорость света должна равняться 300 тысячам километров в секунду. Результат Майкельсона составлял 299 895 ±30 километров в секунду. Он подтвердил предположение Максвелла с точностью до одной десятитысячной.

В течение всей своей жизни Майкельсон постоянно возвращался к этому измерению, пытаясь бесчисленными способами еще более уточнить результат. В 1926 году, когда ему было семьдесят четыре года, он применил систему, в которой луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио, то есть на 22 мили и обратно. Вращающееся зеркало было изготовлено с чрезвычайной точностью, и оно приводилось в движение специально разработанным методом. Майкельсон подтвердил результат своих предыдущих измерений.

Два года спустя, в 1928 году, в возрасте семидесяти шести лет, Майкельсон получил средства для измерения скорости света в вакууме. Деньги на это ему дали обсерватория Маунт-Вильсон, Чикагский университет, фонд Рокфеллера и корпорация Карнеги. Ассистентами Майкельсона были Ф. Г. Пиз и Ф. Пирсон. Сотрудники Береговой геодезической службы Соединенных Штатов разметили и вымерили расстояния для громадного прибора на ранчо Эрвин. Вакуум предполагалось создать в трубе из гофрированного стального проката длиной почти в милю. Труба имела 3 фута в диаметре и доставлялась на место опыта 60-футовыми секциями.

Посредством многократного отражения свет должен был проходить расстояние в 8 миль, вымеренное с точностью до одной миллионной. Во всей системе создавалось разрежение, равное одной полуторатысячной части земной атмосферы. Выкачивание воздуха продолжалось 48 часов. Все время то одна, то другая часть выходила из строя, вакуум нарушался, и приходилось снова начинать долгий процесс откачки.

Если первый прибор в Аннаполисе стоил 10 долларов, то эта система обошлась в 50 тысяч долларов. Это был самый грандиозный проект Майкельсона. В то время как шла работа, здоровье его начало сдавать. Пирсон произвел непосредственные измерения под руководством умирающего.

В 1930 году были произведены сотни наблюдений. Всего было поставлено почти 3 тысячи опытов. Скорость света в вакууме оказалась равной в среднем 299774 километрам в секунду. Научная статья, написанная Майкельсоном перед смертью, называлась точно так же, как и его первая работа, напечатанная в 1878 году в Аннаполисе — «О методе измерения скорости света».

Насколько быстро свет движется в воде по сравнению с воздухом? Рефракционный эксперимент | Научный проект

В этом проекте вы будете использовать лазер для измерения рефракции в различных средах. Laser — это аббревиатура от «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что, говоря простым языком, означает, что вы излучаете лучи света по прямой линии.

Как по-разному свет преломляется при прохождении через разные среды?

• Листы бумаги
• Карандаш
• Цветной маркер
• Линейка
• Транспортир
• Калькулятор
• Прямоугольный прозрачный материал толщиной не менее дюйма.Вот некоторые примеры:
  • Стекло
  • Оргстекло
  • Пластик
  • Желатин
  • Стеклянная тарелка с водой
  • Прозрачная пластиковая тарелка с водой
• Лазерная указка или лазерная ручка

1. Сложите чистый лист бумаги пополам.
2. Поместите один из тестовых материалов на сложенный лист бумаги так, чтобы центральная линия объекта находилась на сгибе.
3. Обведите карандашом контур объекта на бумаге.
4. Цветным маркером нарисуйте небольшую точку на краю листа. Туда вы наведете лазер. Эта точка должна быть на той же стороне, что и сгиб, на расстоянии не менее 1,5 дюймов от сгиба. Почему нужно отмечать место, куда будет нацелен лазер?
5. Положите лазер на стол или столешницу и отрегулируйте луч так, чтобы он попадал на страницу в цветной точке, которую вы сделали, и попадал на объект в средней линии сгиба.

6. Выключите свет, если так лучше видно лазерный луч.
7. Отметьте карандашом путь лазерного луча внутрь и из объекта с помощью нескольких точек.
8. С помощью транспортира измерьте угол падения и угол преломления. Запишите данные и обязательно включите любые наблюдения. Угол падения (θ ₁ ) — это угловое расстояние от точки отсчета (в данном случае изгиба центральной линии), на котором лазерный луч приближается и падает на объект.В данном случае среда — воздух. Угол преломления (θ ₂ ) — это угловое расстояние от точки отсчета (в данном случае складки центральной линии), на которой свет проходит через новую среду:

9. Используя закон Снеллиуса, вычислите скорость света в воздухе и в исследуемом материале. Закон Снеллиуса:

10. Повторите процедуру с разными материалами и сравните результаты.

Свет будет иметь максимальную скорость, когда движется по воздуху. Свет будет иметь самую низкую скорость, когда он проходит через желатин.

Свет замедляется при прохождении через различные прозрачные материалы. Чем больше он замедляется, тем больше изгибается при ударе о средний , сделанный из этого материала. Закон Снеллиуса показывает взаимосвязь между углами падения и преломления и скоростями фазы задействованных материалов. Для этого эксперимента ваш лазерный луч прошел через воздушную фазу, прежде чем попасть в фазу любого твердого вещества, которое вы выбрали.Закон Снеллиуса гласит, что отношение синуса падения к углам преломления, θ , равно отношению фазовых скоростей v .

Другой вариант закона Снеллиуса включает показатель преломления , n . Заявленный ранее закон Снеллиуса обратен отношению показателей преломления.

Показатель преломления — это безразмерное число или число без каких-либо единиц. Безразмерные числа используются для сравнения двух разных объектов по одним и тем же параметрам. Показатель преломления описывает, как свет проходит через среду.

Где c — это скорость света в вакууме (2,99 x 10 ⁸ м / с), а v — это скорость света в измеряемой среде в м / с.

Попробуйте добавить соль или сахар в воду в емкости и повторите эксперимент. Что случается? Отличается ли скорость при растворении твердых тел в жидкости? Вы также можете попробовать измерить другие прозрачные жидкости, такие как чистая сода или жидкое мыло.Вы также можете попробовать использовать объекты разной формы, например призмы, чтобы увидеть, как по-разному преломляется свет.

Заявление об ограничении ответственности и меры предосторожности

Education.com предоставляет идеи проекта Science Fair для информационных целей.
только для целей. Education.com не дает никаких гарантий или заверений
относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за
любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких
Информация. Получая доступ к идеям проектов Science Fair, вы отказываетесь от
отказаться от любых претензий к Education.com, которые возникают в связи с этим. Кроме того, ваш
доступ к веб-сайту Education.com и идеям проектов Science Fair покрывается
Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, которые включают ограничения
об ответственности Education.com.

Настоящим дается предупреждение, что не все идеи проекта подходят для всех
индивидуально или при любых обстоятельствах. Реализация идеи любого научного проекта
должны проводиться только в соответствующих условиях и с соответствующими родительскими
или другой надзор.Прочтите и соблюдайте правила техники безопасности всех
Материалы, используемые в проекте, являются исключительной ответственностью каждого человека. За
Для получения дополнительной информации обратитесь к справочнику по научной безопасности вашего штата.

Учебник по микроскопии молекулярных выражений: физика света и цвета

Интерактивные учебные пособия

Скорость света в прозрачных материалах

Когда свет, движущийся в вакууме, попадает в новую прозрачную среду, такую ​​как воздух, вода или стекло, скорость уменьшается пропорционально показателю преломления нового материала. Это интерактивное руководство исследует снижение скорости света как функцию показателя преломления в обычных веществах.

Учебное пособие инициализируется световой волной, движущейся по воздуху (моделируется прозрачным блоком) со скоростью 186 226,52 миль в секунду. Для работы с учебником используйте ползунок Refractive Index of Material , чтобы изменить состав и показатель преломления блока в диапазоне от 1,0 до 3,91. При перемещении ползунка вправо показатель преломления увеличивается, а затем скорость света уменьшается.Показатели преломления и названия, соответствующие распространенным материалам, отображаются над ручкой ползунка. Кроме того, скорость света через материал с показателем преломления, установленным ползунком, вычисляется и отображается под блоком.

Свет, движущийся 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 1), хотя частота остается неизменной. Свет распространяется со скоростью примерно 300 000 километров в секунду в вакууме с показателем преломления 1.0, но он замедляется до 225 000 километров в секунду в воде (показатель преломления = 1,3; см. Рисунок 1) и до 200 000 километров в секунду в стекле (показатель преломления 1,5). В алмазе с относительно 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 и внутри Млечного Пути, расстояние между звездами измеряется не в километрах, а в световых годах, расстояние, которое свет прошел бы 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 оценивается примерно в 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 первопроходцы 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 появились 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, несущие 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.

Соавторы

Мэтью Дж. Парри-Хилл и Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Восток Пол Дирак Др., Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

НАЗАД НА СКОРОСТЬ СВЕТА

НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1998-2021, автор —
Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды.
Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей.

Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.

Этот веб-сайт поддерживается командой

Graphics & Web Programming Team
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Последнее изменение: понедельник, 10 сентября 2018 г., 08:04

Счетчик доступа с 14 августа 2002 г .: 232726

Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов,

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

Изучение изменения скорости света при прохождении через стекло

Все мы знаем, что свет изгибается, когда проходит через стекло, воду или другой прозрачный материал.Так работают микроскоп, маяк и очки. И вы, возможно, даже знаете, что свет изгибается, потому что он проходит через стекло или воду медленнее, чем через воздух. Но почему свет замедляется и как он снова ускоряется, когда выходит с другой стороны? Там нет ничего, что могло бы подтолкнуть его.

Что ж, если вы думаете, что свет — это волна, это легко объяснить. Электромагнитные волны просто проходят через стекло медленнее, чем через воздух. Таким образом, гребни волн расположены ближе друг к другу, но свет по-прежнему колеблется такое же количество раз в секунду.Он остается того же цвета. Когда волна снова ударяется в воздух, ее цвет все еще не меняется, а гребни расширяются, и она возвращается к скорости света.

Упрощенное объяснение состоит в том, что энергия волны определяется ее частотой или цветом, которые не меняются. Так что для ускорения на другой стороне не требуется ускорение. Но подождите, скажете вы. Я думал, что свет движется с одинаковой скоростью в каждой системе отсчета. Вы до сих пор не объяснили, как это может замедлиться.

Что ж, теперь давайте подумаем о свете как о частице.Когда свет проходит сквозь стекло, он ударяется и наталкивается на всевозможные молекулы и электроны. Итак, когда он путешествует, он движется со скоростью света. Но он занят взаимодействием и рассыпанием множества вещей по пути, и он не обязательно выбирает кратчайший путь через стекло.

Это похоже на попытку президента США пересечь комнату. Если комната пуста, он может перейти прямо через нее. Но если в комнате полно людей, каждый из которых хочет пожать президенту руку, даже если он ходит от человека к человеку на полной президентской скорости, то по пути его будут тормозить.Однако как только он достигает дальнего конца комнаты, он может возобновить свой шаг. Полный вперед, господин президент.

Как притормозить свет до упора

В вакууме свет всегда движется с постоянной скоростью 299 792 458 метров в секунду. Ничто не может двигаться быстрее этой постоянной c, , как обозначено физиками. Эти два постулата являются основными строительными блоками современной физики и были впервые объявлены более ста лет назад Альбертом Эйнштейном.

Да, да ничто не может двигаться быстрее света, но…

Когда свет проходит через среду, отличную от вакуума, он замедляется. Например, когда свет распространяется через воду или воздух, он будет делать это с меньшей скоростью. Это связано с тем, что свет рассеивается на молекулах, из которых состоят различные материалы. Сами фотоны не замедляются. Но их прохождение через среду включает поглощение электронами и переизлучение. Для некоторых материалов, таких как вода, свет замедляется сильнее, чем электроны.Таким образом, электрон в воде может двигаться быстрее света в воде . Но ничто не может двигаться быстрее, чем c .

Изображение: Flickr

В некоторых случаях слабый свет может вызывать очень интересные физические явления. Вы, наверное, слышали о звуковом буме. «Обычный» дозвуковой самолет будет плавно отклонять воздух вокруг своих крыльев. Сверхзвуковой самолет — тот, который летит быстрее звука (более 340 м / с) — на самом деле будет двигаться намного быстрее, чем воздух, который он перемещает.Результатом является внезапное изменение давления или ударная волна, которая распространяется от самолета по конусу со скоростью звука.

Доктор Манхэттен

Доктор Манхэттен. Изображение: Comic Vine

Фазовая скорость света в среде с показателем преломления n составляет v _light = c / n . Вода имеет показатель преломления около 1,3, поэтому скорость света в воде значительно меньше скорости света в вакууме. Не только электрон может двигаться быстрее света через другую среду — также и другие частицы.Если заряженная частица движется в среде быстрее света, возникает слабое излучение. В воде, например, заряженная частица возбуждает молекулы воды, которые затем возвращаются в свое нормальное состояние, испуская фотоны синего света. Свет распространяется по конусу вперед от области, где произошло взаимодействие, аналогично звуковому удару.

Этот эффект, известный как излучение Черенкова, наблюдал в виде слабого голубого свечения Павел Черенков в 1934 году, когда его попросили изучить эффекты радиоактивности в жидкостях.Люди, работающие с ядерными реакторами, часто видят это характерное голубое свечение. В популярной культуре могущественный доктор Манхэттен из классического графического романа Лэна Мура «Хранители» всегда окружен голубым сиянием.

Это обсуждение вызывает вопрос: насколько мы можем замедлить свет?

Тупик

GIF: giphy.com

Хотя на самом деле мы никогда не сможем увеличить или уменьшить скорость света, которая всегда постоянна, ученым удалось управлять временем, которое требуется свету для прохождения через различные среды.При комнатной температуре атомы невероятно быстрые и ведут себя как бильярдные шары, отскакивая друг от друга при взаимодействии. По мере того, как вы понижаете температуру (помните, что температура отражает движение атомов), атомы и молекулы движутся медленнее. В конце концов, как только вы достигнете примерно 0,000001 градуса выше абсолютного нуля, атомы станут настолько плотно упакованы, что ведут себя как один суператом, действуя в унисон. Это область квантовой механики, подготовленная ко многим странностям.

На самом деле это отдельное состояние вещества, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна, которое не похоже на повседневные наблюдаемые состояния, такие как жидкость, газ, твердое тело или плазма. Короче говоря, БЭК была впервые предсказана в 1920-х годах Альбертом Эйнштейном и индийским физиком Сатьендрой Бозе, и только в самом конце 1995 года ученые смогли создать необходимые условия для возникновения этого экстремального состояния материи.

В 1999 году Лене Вестергаард Хау, профессор Гарвардского университета, направила лазерный луч через облако почти неподвижных атомов натрия длиной всего 1/125 дюйма. Во-первых, первый луч, известный как связующий луч, падает на облако, делая его прозрачным.Это происходит с чрезвычайно высокой скоростью изменения показателя преломления.

Рефракция — это изгиб волны, когда она входит в среду, где ее скорость отличается. Преломление света при переходе от быстрой среды к медленной изгибает луч света по нормали к границе между двумя средами. Величина изгиба зависит от показателей преломления двух сред и количественно описывается законом Снеллиуса », источник: Hyperphysics .

Второй лазерный луч, пробный импульс, проходит через это теперь прозрачное облако газа, показатель преломления которого в сто триллионов раз выше, чем у стекла в оптическом волокне. Именно в этих условиях свет полз со скоростью 38 миль в час. Лошади быстрее.

Плавающий свет

Не останавливаясь на достигнутом, профессор Хау довела конверт до конечной точки: остановив свет на своем пути. Чтобы полностью остановить свет, ученые использовали аналогичный, но гораздо более мощный эффект.Исследователи охладили газ из магнитно захваченных атомов натрия до нескольких миллионных долей абсолютного нуля (-273 ° C). Экспериментальная установка выглядела очень похожей на первую попытку, только на этот раз, если команда выключила лазер связи, пока зондирующий лазер все еще светил на облако, тогда зондирующий импульс останавливался. Если затем включить связующий луч, зондирующий импульс останется нетронутым, как если бы он ждал возобновления своего путешествия. Удивительный! Эти результаты были воспроизведены в том же 2001 году доктором Рональдом Уолсвортом из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже.

«Исследователи построили то, что они назвали ипподромом — установили двойной курс для запуска фотонов и обнаружения, когда они попадают в детектор на расстоянии метра. Фотоны от обеих групп были запущены одновременно, но фотоны без формы опережают фотоны с измененной формой до финиша примерно на 0,001 процента », — сообщает Phys.org.

С тех пор были установлены различные вехи. В 2013 году команда из Дармштадтского университета Германии полностью остановила свет внутри кристаллической структуры и держала его в таком состоянии в течение целой минуты.Они также использовали ловушку для хранения и извлечения изображения, состоящего из трех полос. «Мы показали, что вы можете запечатлеть сложную информацию на своем световом луче», — сказал ведущий исследователь Джордж Хайнце. В 2015 году исследователи из Университета Глазго нашли способ замедлить скорость света, не проходя через среду. По сути, они косвенно изменяли его скорость, пропуская свет через специальную маску — фильтр, который преобразовывал луч в гауссов или бесселевский луч.

Предполагается, что после прохождения через среду, например стекло, воду или любой другой материал, из которого можно сделать фильтр, скорость возвращается к своей нормальной постоянной. Эксперимент показал, что свет может двигаться медленнее, чем c , изменяя его форму. Это на 0,001% медленнее, чем должно было быть. Не так впечатляюще, как включение света, но все же увлекательно. Может быть, свет более податлив, чем думали раньше физики.

Конечно, у этих «уловок» есть практическое применение. Сюда входят приложения для квантовых вычислений и квантовой связи. Тем не менее, заниматься такой новаторской наукой просто ради этого звучит для меня так же здорово.

Оптическая плотность и скорость света

Преломление — это искривление пути световой волны при переходе от одного материала к другому. Рефракция возникает на границе и вызвана изменением скорости световой волны при пересечении границы.Тенденция луча света изгибаться в том или ином направлении зависит от того, ускоряется или замедляется световая волна при пересечении границы. Поскольку основное внимание в нашем исследовании будет уделяться направлению изгиба, важно понять факторы, которые влияют на скорость, с которой световая волна переносится через среду.

Распространение света через среду

Механизм, с помощью которого световая волна переносится через среду, происходит таким же образом, как и любая другая волна, — посредством межчастичного взаимодействия.В Разделе 10 учебного курса по физике подробно обсуждался механизм межчастичного взаимодействия, с помощью которого механическая волна переносит энергию. В Разделе 12 Учебного пособия по физике кратко обсуждался механизм переноса энергии электромагнитной волной. Здесь мы рассмотрим этот метод более подробно.

Электромагнитная волна (то есть световая волна) создается колеблющимся электрическим зарядом. Когда волна движется через вакуум пустого пространства, она движется со скоростью c (3 x 10 ⁸ м / с).Это значение скорости света в вакууме. Когда волна падает на частицу материи, энергия поглощается и приводит электроны в атомах в колебательное движение. Если частота электромагнитной волны не соответствует резонансной частоте колебаний электрона, то энергия переизлучается в виде электромагнитной волны. Эта новая электромагнитная волна имеет ту же частоту, что и исходная волна, и она также будет распространяться со скоростью c через пустое пространство между атомами.Вновь испущенная световая волна продолжает двигаться через межатомное пространство, пока не столкнется с соседней частицей. Эта новая частица поглощает энергию и приводит электроны ее атомов в колебательное движение. И еще раз, если нет совпадения между частотой электромагнитной волны и резонансной частотой электрона, энергия переизлучается в форме новой электромагнитной волны. Цикл поглощения и переизлучения продолжается, поскольку энергия переносится от частицы к частице через объем среды.Каждый фотон (пучок электромагнитной энергии) движется между межатомной пустотой со скоростью c ; однако временная задержка, связанная с процессом поглощения и повторного испускания атомами материала, снижает чистую скорость переноса от одного конца среды к другому. Следовательно, чистая скорость электромагнитной волны в любой среде несколько меньше ее скорости в вакууме — c (3 x 10 ⁸ м / с).

Оптическая плотность и показатель преломления

Как и любая волна, скорость световой волны зависит от свойств среды.В случае электромагнитной волны скорость волны зависит от оптической плотности этого материала. Оптическая плотность среды — это не то же самое, что ее физическая плотность. Физическая плотность материала относится к соотношению масса / объем. Оптическая плотность материала связана с вялой тенденцией атомов материала поддерживать поглощенную энергию электромагнитной волны в форме колеблющихся электронов перед ее повторным излучением в виде нового электромагнитного возмущения.Чем оптически плотнее материал, тем медленнее волна будет проходить через материал.

Одним из индикаторов оптической плотности материала является показатель преломления , значение материала. Значения индекса преломления (обозначенные символом n ) представляют собой числовые значения индекса, которые выражаются относительно скорости света в вакууме. Показатель преломления материала — это число, которое указывает, во сколько раз световая волна будет в этом материале медленнее, чем в вакууме.Вакууму присвоено значение n 1,0000. Значения n для других материалов находятся из следующего уравнения:

В таблице ниже приведены значения показателя преломления для различных сред. Материалы, перечисленные в верхней части таблицы, — это те, через которые свет проходит быстрее всего; это наименее оптически плотные материалы. Материалы, перечисленные в нижней части таблицы, — это те, через которые свет распространяется медленнее всего; это самые оптически плотные материалы.Таким образом, по мере увеличения показателя преломления оптическая плотность увеличивается, а скорость света в этом материале уменьшается.

Материал	Показатель преломления
Вакуум	1,0000	<- самая низкая оптическая плотность
Воздуха	1. 0003
Лед	1,31
Воды	1,333
Этиловый спирт	1,36
Оргстекло	1.51
Корона Стекло	1,52
Легкое кремневое стекло	1,58
Плотное кремневое стекло	1,66
Циркон	1.923
Алмаз	2,417
Рутил	2,907
Фосфид галлия	3,50	<- самая высокая оптическая плотность

Посмотри!

Используйте виджет Index of Refraction , чтобы найти индекс преломления данного материала. Введите название материала и нажмите кнопку Submit , чтобы узнать его показатель преломления.

Показатель преломления позволяет измерить относительную скорость световой волны в конкретной среде. Знание таких относительных скоростей позволяет студенту-физику предсказать, в какую сторону изгибается луч света при переходе из одной среды в другую. В следующей части Урока 1 подробно будут рассмотрены правила направления изгиба.

Хотим предложить…

Зачем просто читать об этом и когда можно с этим взаимодействовать? Взаимодействие — это именно то, что вы делаете, когда используете одну из интерактивных функций The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного модуля Refraction или интерактивного модуля по принципу наименьшего времени. Вы можете найти их в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Эти интерактивные материалы предоставляют учащемуся интерактивную среду для изучения преломления и / или отражения света на границе между двумя материалами.

Невозможно измерить скорость света в одном направлении

Специальная теория относительности — одна из наиболее подтвержденных теорий, которые когда-либо изобретало человечество. Он играет центральную роль во всем, от космических путешествий и GPS до нашей электросети. Центральным в теории относительности является тот факт, что скорость света в вакууме является абсолютной константой.Проблема в том, что этот факт никогда не был доказан.

Когда Эйнштейн предложил теорию относительности, он должен был объяснить, почему свет всегда имеет одинаковую скорость. В конце 1800-х считалось, что, поскольку свет распространяется как волна, он должен переноситься каким-то невидимым материалом, известным как светоносный эфир. Причина заключалась в том, что для волн требуется среда, например звук в воздухе или водные волны в воде. Но если эфир существует, то наблюдаемая скорость света должна изменяться по мере того, как Земля движется через эфир. Но измерения по наблюдению дрейфа эфира оказались нулевыми. Скорость света оказалась постоянной.

Эйнштейн обнаружил, что проблема заключалась в предположении, что пространство и время абсолютны, а скорость света может изменяться. Если вместо этого вы предположите, что скорость света абсолютна, то на пространство и время должно влиять относительное движение. Это радикальная идея, но ее подтверждают все измерения постоянной скорости света.

Как измерить скорость света туда и обратно. Предоставлено: пользователь Википедии Кришнаведала

. Но несколько физиков отметили, что, хотя теория относительности предполагает , скорость света в вакууме является универсальной константой, она также показывает, что скорость никогда не может быть измерена.В частности, теория относительности запрещает вам измерять время, необходимое свету, чтобы пройти из точки A в точку B. Чтобы измерить скорость света в одном направлении, вам понадобятся синхронизированные секундомеры на каждом конце, но относительное движение влияет на скорость вашего движения. часы относительно скорости света. Вы не можете синхронизировать их, не зная скорости света, которую невозможно узнать без измерения. Что вы можете сделать, так это использовать один секундомер для измерения времени пути туда и обратно от точки A до точки B и обратно до точки A, и это то, что делает каждое измерение скорости света.

Поскольку все измерения скорости света в оба конца дают постоянный результат, вы можете подумать, что можете просто разделить время на два и назвать это днем. Именно это и сделал Эйнштейн. Он принял , время туда и обратно было одинаковым. Наши эксперименты согласуются с этим предположением, но они также согласны с идеей о том, что скорость света, приближающегося к нам, в десять раз выше, чем его скорость, уходящая от нас. Свет не обязательно должен иметь постоянную скорость во всех направлениях, он просто должен иметь постоянную «среднюю» скорость движения туда и обратно.Относительность сохраняется, если скорость света анизотропна.

Вселенная Милна с анизотропным светом выглядела бы однородной. Предоставлено: пользователь Википедии BenRG

. Если скорость света зависит от направления его движения, мы увидим Вселенную по-другому. Когда мы смотрим на далекие галактики, мы смотрим назад во времени, потому что свету нужно время, чтобы добраться до нас. Если бы далекий свет быстро достигал нас в каком-то направлении, мы бы увидели, что Вселенная в этом направлении стареет и расширяется. Чем быстрее свет достигнет нас, тем меньше мы увидим «назад во времени».Поскольку мы наблюдаем однородный космос во всех направлениях, это, несомненно, показывает, что скорость света постоянна.

Что ж, не совсем так, как показывает новое исследование. Оказывается, если скорость света меняется в зависимости от направления, то же самое происходит с сокращением длины и замедлением времени. Команда рассмотрела влияние анизотропного света на простую релятивистскую модель, известную как вселенная Милна. По сути, это игрушечная вселенная, похожая по структуре на наблюдаемую, но без материи и энергии.Они обнаружили, что анизотропия света вызывает анизотропные эффекты относительности при замедлении времени и космическом расширении. Эти эффекты нейтрализовали бы наблюдаемые аспекты переменной скорости света. Другими словами, даже если бы Вселенная была анизотропной из-за различной скорости света, она все равно казалась бы однородной.

Таким образом, кажется, что простая космология также не может доказать предположение Эйнштейна о скорости света. Иногда самые основные идеи в науке труднее всего доказать.

Ссылка: Льюис, Герайнт Ф. и Люк А. Барнс. «Односторонняя скорость света и Вселенная Милна». arXiv препринт arXiv: 2012.12037 (2020).

Как это:

Нравится Загрузка …

Теперь вы это видите … Тестирование преломления света

Ключевые концепции
Свет
Преломление
Отражение
Показатель преломления

Введение
Если налить воду в прозрачный стакан, какого он цвета? Понятно, правда? Но что произойдет, если вы попытаетесь посмотреть сквозь него, чтобы увидеть мир по ту сторону стекла? Он выглядит немного искаженным, может быть, немного более расплывчатым и неровным. Если вода прозрачная, почему мы не можем ее ясно видеть? Ответ связан с тем, как свет проходит через воду, стекло и другие прозрачные материалы. Подобно тому, как вы пытаетесь бегать в бассейне, когда свет пытается пройти через воду или стекло, он замедляется. Когда свет замедляется, он либо отражается от материала, либо изгибается при прохождении сквозь него. Мы можем видеть эти изменения в свете, который указывает нам на наличие чего-то. В этом упражнении вы будете играть со светом, чтобы нормальные объекты появлялись и исчезали!

Фон
Когда свет, распространяющийся по воздуху, попадает в воду, часть света отражается от воды.Остальной свет проходит через воду, но при попадании в воду он изгибается (или преломляется). То же самое происходит, когда свет попадает в стекло или любой другой прозрачный материал. Часть света отражается от объекта, тогда как остальной свет проходит сквозь него и преломляется.

Все материалы имеют так называемый показатель преломления, который связан с тем, насколько быстро свет может проходить через материал. Когда свет проходит через воздух и попадает в другой прозрачный материал (например, стекло), он меняет скорость, и свет отражается и преломляется стеклом.Это приводит к тому, что мы видим стекло, потому что оно отражает и преломляет свет иначе, чем воздух вокруг него. Изменение света позволяет нам отличать один объект от другого. Однако, если прозрачный объект окружен другим материалом с таким же показателем преломления, свет не изменит скорость при входе в объект. В результате вы не сможете увидеть объект.

В этом упражнении вы увидите, как показатель преломления различных материалов помогает нам видеть (или не видеть!) Объекты, когда свет проходит через них!

Материалы

• Две прозрачные стеклянные банки, высокие миски или стаканы вместимостью не менее восьми унций (Совет: стекло Pyrex особенно хорошо подходит для этой деятельности.)
• Растительное масло, примерно 14 унций или достаточно, чтобы наполовину наполнить один из стаканов (Совет: избегайте использования «легкого» растительного масла для этого упражнения. )
• Стеклянная пипетка (также подойдет пластиковая пипетка или прозрачная пластиковая трубочка для питья. Если вы используете трубочку для питья вместо пипетки, каждый раз, когда вы опускаете соломинку, держите палец сверху, чтобы избежать попадания жидкости в трубочку. сказать вам, когда отпустить палец.)
• Прочие предметы из прозрачного стекла, такие как мрамор, бусы, увеличительное стекло или стеклянные мешалки (необязательно)

Подготовка

• Наполните одну банку растительным маслом до половины.
• Наполните половину другой емкости водой.
• Перед началом занятия убедитесь, что ваша пипетка чистая.
• Установите плоскую рабочую поверхность, которую можно очистить, если на нее прольется вода или масло.

Процедура

• Возьмите пипетку (или соломинку) и, не сжимая ее, опустите в емкость с водой. (На этом этапе не набирайте воду пипеткой или соломинкой. ) Что вы заметили в пипетке? Вы все еще видите это? Насколько ясно?
• Удерживая пипетку в воде, надавите на верхнюю часть, чтобы набрать воду.Если вы используете соломинку, отпустите палец сверху, чтобы погруженная соломинка наполнилась водой. Изменилось ли что-нибудь в пипетке после того, как она наполнилась водой? Становится ли пипетка легче или труднее видеть, когда она наполнена водой?
• Выньте пипетку из воды и отожмите всю лишнюю жидкость.
• Погрузите пипетку в масло, не сдавливая его. На этом первом этапе убедитесь, что масло не всасывается. Что вы заметили в пипетке? Вы все еще можете это видеть? Было ли легче увидеть пипетку, когда она была в воде?
• Сожмите пипетку, чтобы она наполнилась маслом. (При использовании соломинки уберите палец с верха, чтобы погруженная соломинка наполнилась маслом.) Что произошло? Вы все еще видите пипетку? Сейчас его увидеть легче или труднее, чем когда он был пуст?
• Снимите пипетку с масла в банке и отожмите излишки масла.
• Медленно и осторожно вылейте масло из банки в банку с водой. Если вы сделаете это очень осторожно, масло ляжет прямо на воду! (Ничего страшного, если они смешаются, они разделятся, когда вы перестанете лить.)
• Дайте маслу и воде отстояться и разделиться (около одной-двух минут). Что вы заметили в масле? В нем есть пузыри? Если есть пузыри, внимательно наблюдайте за ними и посмотрите, поднимаются ли они или опускаются. Если они тонут, это на самом деле пузырьки воды, застрявшие внутри масла!
• Наполните пипетку (или соломинку) маслом из банки, а затем медленно погрузите ее через слой масла так, чтобы пипетка была видна как в слое воды внизу, так и в слое масла. Посмотрите на капельницу в слое воды, затем в слое масла. Чем отличается пипетка в этих двух слоях? Легче увидеть капельницу в масле или в воде?
• Когда нижний кончик пипетки находится в слое воды, сожмите пипетку, чтобы вытеснить масло внутри, и дайте ей наполниться водой. Снова обратите внимание на капельницу масла в водном и масляном слоях. На этот раз легче увидеть капельницу в масле или в воде?
• Extra: Попробуйте повторить это упражнение, используя стеклянные предметы, такие как мрамор, бусы, очки или линзы.(Убедитесь, что у вас есть разрешение опробовать любой предмет, прежде чем использовать его.) Обратите внимание, какие предметы труднее всего увидеть, когда вы держите их в масле, а не в воде. Как вы думаете, почему?

Наблюдения и результаты
Стала ли пипетка невидимой (или, по крайней мере, труднее видеть), когда она была наполнена маслом и погружена в масло? Это то, что ожидается. Также, возможно, было трудно увидеть, когда он находился в воде (и был полон воды).

Пипетка «исчезает» из-за того, как мы видим свет, когда он встречается со стеклом. Когда свет попадает на стеклянный объект, часть света отражается (или отражается) от стекла. Остальной свет продолжает проходить через стеклянный объект, но свет изгибается (или преломляется), когда движется от воздуха к стеклу.