Каква е скоростта на светлината в средата. Как е измерена скоростта на светлината и каква е реалната й стойност

> скоростта на светлината

Разберете кои скоростта на светлинатавъв вакуум е фундаментална константа във физиката. Прочетете каква е скоростта на светлината m / s, закона, формулата за измерване.

Скоростта на светлината във вакууме една от основните константи във физиката.

Учебна задача

Сравнете скоростта на светлината с индекса на пречупване на средата.

Ключови точки

Максималният възможен индикатор за скоростта на светлината е светлината във вакуум (постоянна).
C е символът за скоростта на светлината във вакуум. Достига 299 792 458 m/s.
Когато светлината удари среда, нейната скорост се забавя поради пречупване. Изчислява се по формулата v = c/n.

Условия

Специална скорост на светлината: съгласуване на принципа на относителността и постоянството на скоростта на светлината.
Коефициентът на пречупване е отношението на скоростта на светлината във въздух/вакуум към друга среда.

скоростта на светлината

Скоростта на светлината действа като точка за сравнение, за да се определи нещо като изключително бързо. Но какво е това?

Светлинният лъч се движи от Земята до Луната за интервала от време, необходим за преминаване на светлинен импулс - 1,255 s на средно орбитално разстояние

Отговорът е прост: говорим за скоростта на фотона и светлинните частици. Каква е скоростта на светлината? Скоростта на светлината във вакуум достига 299 792 458 m/s. Това е универсална константа, приложима в различни области на физиката.

Вземете уравнението E = mc 2 (E е енергия и m е маса). Това е еквивалент на маса-енергия, използвайки скоростта на светлината, за да свърже пространството и времето. Тук може да се намери не само обяснение за енергията, но и да се разкрият пречки пред скоростта.

Скоростта на светлинната вълна във вакуум се използва активно за различни цели. Например в специална теорияотносителността показва, че това е естествената граница на скоростта. Но знаем, че скоростта зависи от средата и пречупването:

v = c/n (v е действителната скорост на светлината, преминаваща през средата, c е скоростта на светлината във вакуум и n е индексът на пречупване). Коефициентът на пречупване на въздуха е 1,0003, а скоростта на видимата светлина е с 90 km/s по-ниска от c.

Коефициент на Лоренц

Бързо движещите се обекти показват определени характеристики, които противоречат на позицията на класическата механика. Например дългите контакти и времето се разширяват. Тези ефекти обикновено са минимални, но са по-изразени при такива високи скорости. Коефициентът на Лоренц (γ) е факторът, при който се случва разширение във времето и свиване на дължината:

γ \u003d (1 - v 2 / s 2) -1/2 γ = (1 - v 2 / s 2) -1/2 γ \u003d (1 - v 2 / s 2) -1/2.

При ниски скорости v 2 /c 2 се доближава до 0 и γ е приблизително = 1. Въпреки това, когато скоростта се доближава до c, γ нараства към безкрайност.

Скоростта на светлината е най-необичайното измерване, известно досега. Първият човек, който се опита да обясни явлението разпространение на светлината, беше Алберт Айнщайн. Именно той изведе добре познатата формула д = mc² , Където де общата енергия на тялото, ме масата и ° Се скоростта на светлината във вакуум.

Формулата е публикувана за първи път в Annalen der Physik през 1905 г. Приблизително по същото време Айнщайн представи теория за това какво би се случило с тяло, движещо се с абсолютна скорост. Въз основа на факта, че скоростта на светлината е постоянна величина, той стигна до извода, че пространството и времето трябва да се променят.

Така със скоростта на светлината един обект ще се свива безкрайно много, масата му ще се увеличава неограничено и времето практически ще спре.

През 1977 г. беше възможно да се изчисли скоростта на светлината, беше наречена цифра от 299 792 458 ± 1,2 метра в секунда. За по-груби изчисления винаги се приема стойност от 300 000 km/s. Именно от тази стойност се отблъскват всички други космически измервания. Така се появи понятието "светлинна година" и "парсек" (3,26 светлинни години).

Нито да се движите със скоростта на светлината, нито, освен това, да я преодолеете е невъзможно. Поне на този етапразвитие на човечеството. От друга страна, писателите на научна фантастика се опитват да разрешат този проблем на страниците на своите романи от около 100 години. Може би един ден фантазията ще се превърне в реалност, защото още през 19 век Жул Верн е предсказал появата на хеликоптер, самолет и електрически стол, а тогава това е било чиста фантазия!

Още от ученическите години знаем, че скоростта на светлината, според законите на Айнщайн, е непреодолим максимум във Вселената. Светлината пътува от Слънцето до Земята за 8 минути, което е приблизително 150 000 000 км. Необходими са само 6 часа, за да се стигне до Нептун, но на космически кораби са нужни десетилетия, за да преодолеят такива разстояния. Но не всеки знае, че стойността на скоростта може да варира значително в зависимост от средата, в която преминава светлината.

Формула за скоростта на светлината

Познавайки скоростта на светлината във вакуум (c ≈ 3 * 10 8 m / s), можете да я определите в други среди, въз основа на техния индекс на пречупване n. Самата формула за скоростта на светлината наподобява законите на механиката от физиката или по-скоро дефиницията на разстоянието с помощта на времето и скоростта на обекта.

Например, нека вземем стъкло, което има индекс на пречупване 1,5. Според формулата за скоростта на светлината v = c \ n получаваме, че скоростта в тази среда е приблизително равна на 200 000 km / s. Ако вземем течност, като вода, тогава скоростта на разпространение на фотоните (частиците светлина) в нея е 226 000 km / s с индекс на пречупване 1,33.

Формулата за скоростта на светлината във въздуха

Въздухът също е среда. Следователно има т.нар. Ако във вакуум фотоните не срещат препятствия по пътя си, тогава в среда те прекарват известно време във възбуждане на атомни частици. Колкото по-плътна е средата, толкова повече време отнема точно това вълнение. Коефициентът на пречупване (n) във въздуха е 1,000292. И това не се отклонява много от границата от 299 792 458 m/s.

Американски учени успяха да намалят скоростта на светлината почти до нула. По-голямо от 1/299,792,458 сек. скоростта на светлината не може да преодолее. Работата е там, че светлината е същата електромагнитна вълна като рентгеновите лъчи, радиовълните или топлината. Единствената разлика е разликата между дължината на вълната и честотата.

Интересен факт е липсата на маса във фотона и това показва липсата на време за тази частица. Просто казано, за фотон, който се е родил преди няколко милиона или дори милиарди години, не е минала нито секунда от времето.

През пролетта на миналата година научни и научно-популярни списания по света съобщиха сензационни новини. Американски физици проведоха уникален експеримент: те успяха да намалят скоростта на светлината до 17 метра в секунда.

Всеки знае, че светлината се движи с огромна скорост - почти 300 хиляди километра в секунда. Точна стойностнеговата величина във вакуум = 299792458 m/s е фундаментална физическа константа. Според теорията на относителността това е максимумът възможна скоростпредаване на сигнал.

Във всяка прозрачна среда светлината се разпространява по-бавно. Неговата скорост v зависи от коефициента на пречупване на средата n: v = c/n. Коефициентът на пречупване на въздуха е 1,0003, на водата - 1,33, на различни видове стъкло - от 1,5 до 1,8. Един от най големи стойностииндексът на пречупване има диамант - 2,42. Така скоростта на светлината в обикновените вещества ще намалее не повече от 2,5 пъти.

В началото на 1999 г. група физици от института Роуланд научно изследванев Харвардския университет (Масачузетс, САЩ) и от Станфордския университет (Калифорния) изследва макроскопичните квантов ефект- така наречената самоиндуцирана прозрачност, преминаване на лазерни импулси през среда, която е непрозрачна при нормални условия. Тази среда бяха натриеви атоми в специално състояние, наречено кондензат на Бозе-Айнщайн. При облъчване с лазерен импулс той придобива оптични свойства, които намаляват груповата скорост на импулса с фактор 20 милиона в сравнение със скоростта във вакуум. Експериментаторите успяха да доведат скоростта на светлината до 17 m/s!

Преди да опишем същността на този уникален експеримент, нека си припомним значението на някои физични понятия.

групова скорост. При разпространение на светлината в среда се различават две скорости - фазова и групова. Фазовата скорост vph характеризира движението на фазата на идеална монохроматична вълна - безкрайна синусоида със строго една честота и определя посоката на разпространение на светлината. Фазовата скорост в средата съответства на фазовия индекс на пречупване - същият, чиито стойности се измерват за различни вещества. Фазовият индекс на пречупване, а оттам и фазовата скорост, зависи от дължината на вълната. Тази зависимост се нарича дисперсия; това води по-специално до разлагане на бялата светлина, преминаваща през призма, в спектър.

Но истинската светлинна вълна се състои от набор от вълни с различни честоти, групирани в определен спектрален интервал. Такъв набор се нарича група от вълни, вълнов пакет или светлинен импулс. Тези вълни се разпространяват в среда с различни фазови скорости поради дисперсия. В този случай пулсът се разтяга и формата му се променя. Следователно, за да се опише движението на импулс, група от вълни като цяло, се въвежда понятието групова скорост. То има смисъл само при тесен спектър и в среда със слаба дисперсия, когато разликата във фазовите скорости на отделните компоненти е малка. За да разберем по-добре ситуацията, можем да направим визуална аналогия.

Представете си, че седем спортисти се подреждат на стартовата линия, облечени в многоцветни тениски според цветовете на спектъра: червено, оранжево, жълто и т.н. При сигнала на стартовия пистолет те започват да бягат едновременно , но "червеният" спортист бяга по-бързо от "оранжевия". , "оранжевият" е по-бърз от "жълтия" и т.н., така че те са опънати във верига, чиято дължина непрекъснато се увеличава. А сега си представете, че ги гледаме отгоре от такава височина, че не можем да различим отделни бегачи, а виждаме само пъстро петно. Може ли да се говори за скоростта на движение на това петно като цяло? Възможно е, но само ако не е много размазано, когато разликата в скоростите на разноцветните бегачи е малка. В противен случай петното може да се простира по цялата дължина на пистата и въпросът за неговата скорост ще загуби смисъл. Това съответства на силна дисперсия - голямо разпространение на скоростите. Ако бегачите са облечени в фланелки от почти същия цвят, различаващи се само в нюанси (да речем, от тъмно червено до светло червено), това ще съответства на случая на тесен спектър. Тогава скоростите на бегачите няма да се различават много, групата ще остане доста компактна по време на движение и може да се характеризира с точно определена стойност на скоростта, която се нарича групова скорост.

Статистика на Бозе-Айнщайн. Това е един от видовете така наречена квантова статистика - теория, която описва състоянието на системи, съдържащи много голям брой частици, които се подчиняват на законите на квантовата механика.

Всички частици - както затворени в атом, така и свободни - се разделят на два класа. За един от тях е валиден принципът на изключване на Паули, според който на всяко енергийно ниво не може да има повече от една частица. Частиците от този клас се наричат фермиони (това са електрони, протони и неутрони; същият клас включва частици, състоящи се от нечетен брой фермиони), а законът за тяхното разпределение се нарича статистика на Ферми-Дирак. Частици от друг клас се наричат бозони и не се подчиняват на принципа на Паули: неограничен брой бозони могат да се натрупат на едно енергийно ниво. В този случай се говори за статистика на Бозе-Айнщайн. Бозоните включват фотони, някои краткотрайни елементарни частици (например пи-мезони), както и атоми, състоящи се от четен брой фермиони. При много ниски температурибозоните се събират на най-ниското - основно - енергийно ниво; Тогава се казва, че възниква кондензация на Бозе-Айнщайн. Атомите на кондензата губят индивидуалните си свойства и няколко милиона от тях започват да се държат като едно цяло, техните вълнови функции се сливат и поведението се описва с едно уравнение. Това позволява да се каже, че атомите на кондензата са станали кохерентни, като фотоните в лазерното лъчение. Изследователи от Националния институт за стандарти и технологии на САЩ са използвали това свойство на Бозе-Айнщайн кондензата, за да създадат "атомен лазер" (виж "Наука и живот" № 10, 1997 г.).

Самопредизвикана прозрачност. Това е един от ефектите на нелинейната оптика - оптиката на мощните светлинни полета. Състои се във факта, че много кратък и мощен светлинен импулс преминава без затихване през среда, която абсорбира непрекъснато лъчение или дълги импулси: непрозрачна среда става прозрачна за нея. Самоиндуцирана прозрачност се наблюдава в разредени газове с продължителност на импулса от порядъка на 10-7 - 10-8 s и в кондензирани среди - по-малко от 10-11 s. В този случай има забавяне на импулса - груповата му скорост е силно намалена. Този ефект е демонстриран за първи път от McCall и Khan през 1967 г. върху рубин при температура от 4 K. През 1970 г. са получени забавяния в рубидиеви пари, съответстващи на импулсни скорости с три порядъка (1000 пъти) по-ниски от скоростта на светлината в вакуум.

Нека сега да се обърнем към уникален експеримент 1999 г. Извършено е от Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Rowland Institute) и Steve Harris (Stanford University). Те охладиха плътен облак от натриеви атоми, задържани от магнитно поле, докато преминат в основно състояние - до нивото с най-ниска енергия. В този случай са изолирани само тези атоми, в които магнитният диполен момент е насочен обратно на посоката магнитно поле. След това изследователите охладиха облака до по-малко от 435 nK (нанокелвини, т.е. 0,000000435 K, почти до абсолютна нула).

След това кондензатът се осветява със "свързващ лъч" от линейно поляризирана лазерна светлина с честота, съответстваща на енергията на слабото му възбуждане. Атомите преминаха на по-високо енергийно ниво и спряха да поглъщат светлина. В резултат на това кондензатът стана прозрачен за последващото лазерно лъчение. И тук се появиха много странни и необичайни ефекти. Измерванията показват, че при определени условия импулс, преминаващ през кондензат на Бозе-Айнщайн, изпитва забавяне, съответстващо на забавяне на светлината с повече от седем порядъка - 20 милиона пъти. Скоростта на светлинния импулс се забави до 17 m/s, а дължината му намаля няколко пъти - до 43 микрометра.

Изследователите смятат, че избягвайки лазерното нагряване на кондензата, те ще могат да забавят светлината още повече - може би до скорост от няколко сантиметра в секунда.

Система с такива необичайни характеристики ще позволи да се изследват квантовите оптични свойства на материята, както и да се създадат различни устройства за квантови компютри на бъдещето, да речем, еднофотонни превключватели.

Скоростта на светлината във вакуум- абсолютната стойност на скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вакуум. Във физиката се обозначава с латинската буква ° С.
Скоростта на светлината във вакуум е фундаментална константа, независимо от избора на инерциална отправна система.
По дефиниция е точно така 299 792 458 m / s (приблизителна стойност от 300 хиляди km / s).
Според специалната теория на относителността е максималната скорост за разпространение на всякакви физически взаимодействия, които предават енергия и информация.

Как се определя скоростта на светлината?

Скоростта на светлината е определена за първи път през 1676 О. К. Рьомерчрез промяна на интервалите от време между затъмненията на спътниците на Юпитер.

През 1728 г. е инсталиран от Дж. Брадли, въз основа на неговите наблюдения върху аберацията на звездната светлина.

През 1849 г. A. I. L. Fizeauтой беше първият, който измери скоростта на светлината според времето, необходимо на светлината да измине точно известно разстояние (база); тъй като индексът на пречупване на въздуха се различава много малко от 1, наземните измервания дават стойност, много близка до s.
В експеримента на Физо светлинен лъч от източник S, отразен от полупрозрачно огледало N, периодично се прекъсва от въртящ се назъбен диск W, преминава през основата MN (около 8 km) и, отразен от огледалото M, се връща в диск. Когато светлината удари зъба, светлината не достигна до наблюдателя и светлината, която попадна в пролуката между зъбите, можеше да се наблюдава през окуляра Е. Времето на преминаване на светлината през основата беше определено от известния диск скорости на въртене. Fizeau получава стойността c = 313 300 km/s.

През 1862 г. Ж. Б. Л. Фукореализира идеята на D. Arago, изразена през 1838 г., използвайки бързо въртящо се (512 rpm) огледало вместо зъбен диск. Отразявайки се от огледалото, светлинният лъч беше насочен към основата и след връщане отново падна върху същото огледало, което имаше време да се завърти под определен малък ъгъл. С основа от само 20 m, Фуко установява, че скоростта на светлината е 29800080 ± 500 km/s.Схемите и основните идеи на експериментите на Физо и Фуко бяха многократно използвани в следващите работи за определяне на s.