Jak szybko światło przemieszcza się w próżni

Szybkość światła w próżni jest wskaźnikiem szeroko stosowanym w fizyce i kiedyś umożliwiła dokonanie szeregu odkryć, a także wyjaśnienie natury wielu zjawisk. Istnieje kilka ważnych punktów, które należy zbadać, aby zrozumieć temat i zrozumieć, w jaki sposób i w jakich warunkach ten wskaźnik został odkryty.

Jaka jest prędkość światła?

Prędkość propagacji światła w próżni uważana jest za wartość bezwzględną, odzwierciedlającą prędkość propagacji promieniowania elektromagnetycznego. Jest szeroko stosowany w fizyce i ma oznaczenie w postaci małej litery łacińskiej „s” (mówi „tse”).

W próżni prędkość światła jest wykorzystywana do określenia, jak szybko poruszają się różne cząstki.

Według większości badaczy i naukowców prędkość światła w próżni to maksymalna możliwa prędkość ruchu cząstek i propagacji różnych rodzajów promieniowania.

Jeśli chodzi o przykłady zjawisk, są to:

1. Widoczne światło z dowolnego źródło.
2. Wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego (takie jak promieniowanie rentgenowskie i fale radiowe).
3. Fale grawitacyjne (tutaj opinie niektórych ekspertów są różne).

Wiele rodzajów cząstek może podróżować z prędkością zbliżoną do prędkości światła, ale nigdy jej nie osiągają.

Dokładna wartość prędkości światła

Naukowcy od wielu lat próbują ustalić, jaka jest prędkość światła, ale dokładne pomiary zostały wykonane w latach 70. ubiegłego wieku. Ostatecznie wskaźnik wyniósł 299 792 458 m/s z maksymalnym odchyleniem +/-1,2 m. Dziś jest niezmienną jednostką fizyczną, ponieważ odległość w metrach wynosi 1/299 792 458 sekundy, czyli tyle czasu zajmuje światłu w próżni pokonanie 100 cm.

Naukowy wzór do wyznaczania prędkości światła.

Aby uprościć obliczenia, wskaźnik uproszczony do 300 000 000 m/s (3×108 m/s). Jest to znane każdemu na kursie fizyki w szkole, to tam mierzy się prędkość w tej formie.

Podstawowa rola prędkości światła w fizyce

Wskaźnik ten jest jednym z głównych, niezależnie od tego, jaki system odniesienia zostanie wykorzystany w badaniu. Nie zależy to od ruchu źródła fal, co również jest ważne.

Niezmienność postulował Albert Einstein w 1905 roku. Stało się to po tym, jak inny naukowiec, Maxwell, który nie znalazł dowodów na istnienie świecącego eteru, przedstawił teorię o elektromagnetyzmie.

Twierdzenie, że skutek przyczynowy nie może być przenoszony z prędkością przekraczającą prędkość światła, jest dziś uważane za całkiem rozsądne.

Tak poza tym! Fizycy nie zaprzeczają, że niektóre cząstki mogą poruszać się z prędkością przekraczającą rozważany wskaźnik. Nie mogą jednak służyć do przekazywania informacji.

odniesienia historyczne

Aby zrozumieć cechy tematu i dowiedzieć się, jak odkryto pewne zjawiska, należy przestudiować eksperymenty niektórych naukowców. W XIX wieku dokonano wielu odkryć, które później pomogły naukowcom, dotyczyły one głównie prądu elektrycznego oraz zjawisk indukcji magnetycznej i elektromagnetycznej.

Eksperymenty Jamesa Maxwella

Badania fizyka potwierdziły oddziaływanie cząstek na odległość. Pozwoliło to następnie Wilhelmowi Weberowi opracować nową teorię elektromagnetyzmu. Maxwell jasno ustalił również zjawisko pól magnetycznych i elektrycznych i ustalił, że mogą się one generować nawzajem, tworząc fale elektromagnetyczne. To właśnie ten naukowiec jako pierwszy zaczął używać oznaczenia „s”, które jest nadal używane przez fizyków na całym świecie.

Dzięki temu większość badaczy już wtedy zaczęła mówić o elektromagnetycznej naturze światła. Maxwell, badając prędkość propagacji wzbudzeń elektromagnetycznych, doszedł do wniosku, że ten wskaźnik jest równy prędkości światła, kiedyś był tym faktem zaskoczony.

Dzięki badaniom Maxwella stało się jasne, że światło, magnetyzm i elektryczność nie są odrębnymi pojęciami. Razem te czynniki decydują o charakterze światła, ponieważ jest to połączenie pola magnetycznego i elektrycznego, które rozchodzi się w przestrzeni.

Schemat propagacji fali elektromagnetycznej.

Michelson i jego doświadczenie w udowodnieniu absolutności prędkości światła

Na początku ubiegłego wieku większość naukowców korzystała z zasady względności Galileusza, zgodnie z którą uważano, że prawa mechaniki pozostają niezmienione, niezależnie od tego, który układ odniesienia jest używany. Ale jednocześnie, zgodnie z teorią, prędkość propagacji fal elektromagnetycznych powinna się zmieniać, gdy porusza się źródło. Było to sprzeczne zarówno z postulatami Galileusza, jak i teorii Maxwella, co było powodem rozpoczęcia badań.

W tym czasie większość naukowców skłaniała się do „teorii eteru”, zgodnie z którą wskaźniki nie zależały od szybkości jego źródła, głównym czynnikiem determinującym były cechy środowiska.

Michelson odkrył, że prędkość światła nie zależy od kierunku pomiaru.

Ponieważ Ziemia porusza się w przestrzeni kosmicznej w określonym kierunku, prędkość światła, zgodnie z prawem dodawania prędkości, będzie się różnić przy pomiarze w różnych kierunkach. Ale Michelson nie znalazł żadnej różnicy w propagacji fal elektromagnetycznych, niezależnie od kierunku, w którym dokonano pomiarów.

Teoria eteru nie mogła wyjaśnić obecności wartości absolutnej, co jeszcze lepiej pokazało jej błędność.

Specjalna teoria względności Alberta Einsteina

Młody naukowiec w tym czasie przedstawił teorię, która jest sprzeczna z ideami większości badaczy. Według niej czas i przestrzeń mają takie cechy, które zapewniają niezmienność prędkości światła w próżni, niezależnie od wybranego układu odniesienia. To wyjaśniało nieudane eksperymenty Michelsona, ponieważ prędkość propagacji światła nie zależy od ruchu jego źródła.

[tds_council]Pośrednim potwierdzeniem poprawności teorii Einsteina była „względność jednoczesności”, jej istotę pokazuje rysunek.[/tds_council]

Przykład tego, jak lokalizacja osoby wpływa na jej postrzeganie propagacji światła.

Jak wcześniej mierzono prędkość światła?

Próby określenia tego wskaźnika podejmowało wiele osób, ale ze względu na niski poziom rozwoju nauki wcześniej było to problematyczne. Tak więc naukowcy starożytności wierzyli, że prędkość światła jest nieskończona, ale później wielu badaczy wątpiło w ten postulat, co doprowadziło do szeregu prób jego ustalenia:

1. Galileo używał latarek. Aby obliczyć prędkość propagacji fal świetlnych, on i jego asystent byli na wzgórzach, między którymi dokładnie określono odległość. Wtedy jeden z uczestników otworzył latarnię, drugi musiał zrobić to samo, gdy tylko zobaczył światło. Ale ta metoda nie dała wyników ze względu na dużą prędkość propagacji fali i niemożność dokładnego określenia przedziału czasu.
2. Olaf Roemer, astronom z Danii, zauważył cechę podczas obserwacji Jowisza. Kiedy Ziemia i Jowisz znajdowały się w przeciwnych punktach swoich orbit, zaćmienie Io (księżyca Jowisza) było opóźnione o 22 minuty w porównaniu z samą planetą. Na tej podstawie doszedł do wniosku, że prędkość propagacji fal świetlnych nie jest nieskończona i ma granicę. Według jego obliczeń liczba ta wynosiła około 220 000 km na sekundę.
   Wyznaczanie prędkości światła według Roemera.
3. Mniej więcej w tym samym okresie angielski astronom James Bradley odkrył zjawisko aberracji światła, kiedy to w wyniku ruchu Ziemi wokół Słońca, a także w wyniku obrotu wokół własnej osi, dzięki któremu pozycja gwiazd na niebie a dystans do nich ciągle się zmienia.Dzięki tym cechom gwiazdy każdego roku opisują elipsę. Na podstawie obliczeń i obserwacji astronom obliczył prędkość, która wynosiła 308 000 km na sekundę.
   aberracja światła
4. Louis Fizeau był pierwszym, który zdecydował się określić dokładny wskaźnik poprzez eksperyment laboratoryjny. Zainstalował szkło z lustrzaną powierzchnią w odległości 8633 m od źródła, ale ponieważ odległość jest niewielka, niemożliwe było wykonanie dokładnych obliczeń czasu. Następnie naukowiec ustawił koło zębate, które okresowo zasłaniało światło zębami. Zmieniając prędkość koła, Fizeau ustalił, z jaką prędkością światło nie zdąży prześlizgnąć się między zębami i wrócić z powrotem. Według jego obliczeń prędkość wynosiła 315 tysięcy kilometrów na sekundę.
   Doświadczenie Louisa Fizeau.

Pomiar prędkości światła

Można to zrobić na kilka sposobów. Nie warto ich szczegółowo analizować, każdy będzie wymagał osobnego przeglądu. Dlatego najłatwiej jest zrozumieć odmiany:

1. Pomiary astronomiczne. Tutaj najczęściej stosuje się metody Roemera i Bradleya, ponieważ udowodniły swoją skuteczność, a właściwości powietrza, wody i innych cech środowiska nie wpływają na wydajność. W warunkach próżni kosmicznej dokładność pomiaru wzrasta.
2. rezonans wnęki lub efekt wnęki - tak nazywa się zjawisko stojących fal magnetycznych o niskiej częstotliwości, które powstają między powierzchnią planety a jonosferą. Korzystając ze specjalnych wzorów i danych z aparatury pomiarowej, nietrudno obliczyć wartość prędkości cząstek w powietrzu.
3. Interferometria - zestaw metod badawczych, w których powstaje kilka rodzajów fal.Skutkuje to efektem interferencji, który umożliwia wykonywanie licznych pomiarów drgań zarówno elektromagnetycznych, jak i akustycznych.

Przy pomocy specjalnego sprzętu pomiary można wykonywać bez użycia specjalnych technik.

Czy możliwa jest prędkość superluminalna?

W oparciu o teorię względności nadmiar wskaźnika przez cząstki fizyczne narusza zasadę przyczynowości. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie sygnałów z przyszłości do przeszłości i odwrotnie. Ale jednocześnie teoria nie zaprzecza, że ​​mogą istnieć cząstki, które poruszają się szybciej, gdy wchodzą w interakcje ze zwykłymi substancjami.

Ten rodzaj cząstek nazywa się tachionami. Im szybciej się poruszają, tym mniej energii niosą.

Lekcja wideo: Eksperyment Fizeau. Pomiar prędkości światła. Fizyka klasa 11.

Prędkość światła w próżni jest wartością stałą, na której opiera się wiele zjawisk w fizyce. Jej zdefiniowanie stało się nowym kamieniem milowym w rozwoju nauki, ponieważ umożliwiło wyjaśnienie wielu procesów i uprościło szereg obliczeń.