Скоростта на разпространение на светлината във вакуум зависи от. Възможна ли е свръхсветлинна скорост?

Темата за това как да се измерва, както и каква е скоростта на светлината, интересува учените още от древността. Това е много увлекателна тема, която от незапомнени времена е обект на научни спорове. Смята се, че такава скорост е крайна, недостижима и постоянна. Тя е непостижима и постоянна, като безкрайността. Въпреки това е краен. Получава се интересен физически и математически пъзел. Има едно решение на този проблем. В крайна сметка скоростта на светлината все пак успя да бъде измерена.

В древни времена мислителите са вярвали в това скоростта на светлинатае безкрайно количество. Първата оценка на този показател е дадена през 1676 г. Олаф Ремер. Според неговите изчисления скоростта на светлината е била приблизително 220 000 km/s. Не беше съвсем точна стойност, но близо до истината.

Крайността и оценката на скоростта на светлината бяха потвърдени след половин век.

В бъдеще ученият физоБеше възможно да се определи скоростта на светлината от времето, необходимо на лъча да измине точното разстояние.

Той постави експеримент (виж фигурата), по време на който лъч светлина се отклони от източника S, отразен от огледало 3, прекъснат от зъбен диск 2 и премина през основата (8 km). След това се отразява от огледало 1 и се връща на диска. Светлината попада в пролуката между зъбите и може да се наблюдава през окуляр 4. Времето, необходимо на лъча да премине през основата, се определя в зависимост от скоростта на въртене на диска. Стойността, получена от Fizeau, е: c = 313 300 km/s.

Скоростта на разпространение на лъч във всяка конкретна среда е по-малка от тази скорост във вакуум. В допълнение, за различни вещества, този индикатор отнема различни значения. След няколко години Фукозамени диска с бързо въртящо се огледало. Последователите на тези учени многократно са използвали техните методи и изследователски схеми.

Лещите са в основата на оптичните устройства. Знаете ли как се изчислява? Можете да разберете, като прочетете една от нашите статии.

И можете да намерите информация за това как да настроите оптичен мерник, състоящ се от такива лещи. Прочетете нашия материал и няма да имате въпроси по темата.

Каква е скоростта на светлината във вакуум?

Най-точното измерване на скоростта на светлината е 1 079 252 848,8 километра в час, или 299 792 458 m/s. Тази цифра е валидна само за условия, създадени във вакуум.

Но за решаване на проблеми обикновено се използва индикаторът 300 000 000 m/s. Във вакуум скоростта на светлината в Планкови единици е 1. Така енергията на светлината изминава 1 Планкова единица дължина за 1 Планкова единица време. Ако се създаде вакуум в природни условия, тогава рентгеновите лъчи, светлинните вълни от видимия спектър и гравитационните вълни могат да се движат с такава скорост.

Съществува недвусмислено мнение на учените, че частиците, които имат маса, могат да постигнат скорост, която е възможно най-близка до скоростта на светлината. Но не успяват да достигнат и надхвърлят показателя. Най-високата скорост, близка до скоростта на светлината, е регистрирана при изследването на космическите лъчи и при ускоряването на определени частици в ускорители.

Стойността на скоростта на светлината във всяка среда зависи от индекса на пречупване на тази среда.

Този индикатор може да е различен за различните честоти. Точното измерване на количеството е важно за изчисляването на други физически параметри. Например, за определяне на разстоянието по време на преминаване на светлинни или радиосигнали в оптична локация, радар, светлинен диапазон и други области.

Съвременните учени използват различни методи за определяне на скоростта на светлината. Някои експерти използват астрономически методи, както и методи за измерване, използващи експериментални техники. Често се използва подобрен метод на Fizeau. В този случай зъбното колело се заменя със светлинен модулатор, който отслабва или прекъсва светлинния лъч. Приемникът тук е фотоелектричен умножител или фотоклетка. Източникът на светлина може да бъде лазер, което помага да се намали грешката при измерване. Определяне на скоростта на светлинатавремевата база може да бъде предадена чрез директни или косвени методи, които също ви позволяват да получите точни резултати.

Какви формули се използват за изчисляване на скоростта на светлината

1. Скоростта на светлината във вакуум е абсолютна стойност. Физиците го обозначават с буквата "с". Това е фундаментална и постоянна величина, която не зависи от избора на отчетната система и характеризира времето и пространството като цяло. Учените предполагат, че тази скорост е пределната скорост на частиците.

   Формула за скоростта на светлинатавъв вакуум:

   c = 3 * 10^8 = 299792458 m/s

   тук c е скоростта на светлината във вакуум.

2. Учените са го доказали скоростта на светлината във въздухапочти е равна на скоростта на светлината във вакуум. Може да се изчисли по формулата:

Много преди учените да измерят скоростта на светлината, те трябваше да работят усилено, за да дефинират самата концепция за „светлина“. Един от първите, които се замислиха за това, беше Аристотел, който смяташе светлината за вид подвижна субстанция, която се разпространява в пространството. Неговият древноримски колега и последовател Лукреций Кар настоява за атомната структура на светлината.

До 17 век се формират две основни теории за природата на светлината - корпускулярна и вълнова. Нютон принадлежи към привържениците на първия. Според него всички източници на светлина излъчват най-малките частици. В процеса на "полет" те образуват светещи линии - лъчи. Неговият опонент, холандският учен Кристиан Хюйгенс, настоя, че светлината е форма на вълново движение.

В резултат на вековни спорове учените стигнаха до консенсус: и двете теории имат право на живот, а светлината е спектърът от електромагнитни вълни, видими за окото.

Малко история. Как се измерва скоростта на светлината?

Повечето учени от древността са били убедени, че скоростта на светлината е безкрайна. Резултатите от изследванията на Галилей и Хук обаче допускат границата му, което е ясно потвърдено през 17 век от изключителния датски астроном и математик Олаф Ромер.

Той прави първите си измервания, като наблюдава затъмненията на Йо, спътник на Юпитер, във време, когато Юпитер и Земята са разположени от противоположните страни на Слънцето. Рьомер записа, че докато Земята се отдалечава от Юпитер на разстояние, равно на диаметъра на земната орбита, времето на забавяне се променя. Максималната стойност беше 22 минути. В резултат на изчисленията той получи скорост от 220 000 км / сек.

Петдесет години по-късно, през 1728 г., благодарение на откритието на аберацията, английският астроном Дж. Брадли "усъвършенства" тази цифра до 308 000 km / s. По-късно скоростта на светлината е измерена от френските астрофизици Франсоа Арго и Леон Фуко, като са получили 298 000 km / s на „изхода“. Още по-точна техника за измерване беше предложена от създателя на интерферометъра, известният американски физик Алберт Майкелсън.

Опитът на Майкелсън за определяне на скоростта на светлината

Експериментите продължават от 1924 до 1927 г. и се състоят от 5 серии наблюдения. Същността на експеримента беше следната. Източник на светлина, огледало и въртяща се осмоъгълна призма са инсталирани на връх Уилсън близо до Лос Анджелис, а отразяващо огледало 35 км по-късно на връх Сан Антонио. Първо, светлина през леща и процеп падна върху призма, въртяща се с помощта на високоскоростен ротор (със скорост 528 об / мин).

Участниците в експериментите можеха да регулират скоростта на въртене, така че изображението на източника на светлина да се вижда ясно в окуляра. Тъй като разстоянието между върховете и честотата на въртене бяха известни, Майкелсън определи скоростта на светлината - 299796 km / s.

Учените окончателно определиха скоростта на светлината през втората половина на 20 век, когато бяха създадени мазери и лазери, които се отличават с най-висока стабилност на честотата на излъчване. До началото на 70-те години на миналия век грешката в измерването е спаднала до 1 км/сек. В резултат на това, по препоръка на XV Генерална конференция по мерки и теглилки, проведена през 1975 г., беше решено да се счита, че скоростта на светлината във вакуум отсега нататък е равна на 299 792,458 км/сек.

Можем ли да достигнем скоростта на светлината?

Очевидно е, че развитието на далечните краища на Вселената е немислимо без космически кораби, летящи с голяма скорост. За предпочитане със скоростта на светлината. Но дали е възможно?

Бариерата на скоростта на светлината е едно от следствията на теорията на относителността. Както знаете, увеличаването на скоростта изисква увеличаване на енергията. Скоростта на светлината би изисквала практически безкрайна енергия.

Уви, законите на физиката са категорично против това. На скорост космически корабпри 300 000 km / s, частиците, летящи към него, например водородни атоми, се превръщат в смъртоносен източник на мощна радиация, равна на 10 000 Sieverts / s. Това е почти същото като да си вътре в Големия адронен колайдер.

Според учени от университета Джон Хопкинс, докато в природата няма адекватна защита срещу такова чудовищно космическо излъчване. Ерозията от въздействието на междузвездния прах ще завърши унищожаването на кораба.

Друг проблем със скоростта на светлината е забавянето на времето. В същото време стареенето ще стане много по-дълго. Зрителното поле също ще бъде изкривено, в резултат на което траекторията на кораба ще премине като в тунел, в края на който екипажът ще види блестяща светкавица. Зад кораба ще остане абсолютен мрак.

Така че в близко бъдеще човечеството ще трябва да ограничи високоскоростните си „апетити“ до 10% от скоростта на светлината. Това означава, че летенето до най-близката до Земята звезда - Проксима Кентавър (4,22 светлинни години) ще отнеме около 40 години.

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.

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 специална теорияотносителност, 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.

Човекът винаги се е интересувал от природата на светлината, както се вижда от митове, легенди, философски спорове и научни наблюдения, достигнали до нас. Светлината винаги е била повод за дискусии на древните философи, а опити за нейното изследване са правени още по времето на възникването на евклидовата геометрия - 300 години пр.н.е. Още тогава се е знаело за праволинейността на разпространението на светлината, за равенството на ъглите на падане и отражение, за явлението пречупване на светлината, обсъждали са причините за дъгата. Аристотел смята, че скоростта на светлината е безкрайно голяма и следователно, логично разсъждавайки, светлината не подлежи на обсъждане. Типичен случай, когато проблемът е пред ерата на разбирането на отговора в неговата дълбочина.

Преди около 900 години Авицена предположи, че колкото и голяма да е скоростта на светлината, тя все още има крайна стойност. Това мнение беше не само той, но никой не успя да го докаже експериментално. Гениалният Галилео Галилей предложи експеримент за механично разбиране на проблема: двама души, стоящи на разстояние няколко километра един от друг, дават сигнали, като отварят капака на фенера. Веднага щом вторият участник види светлината от първата лампа, той отваря затвора си и първият участник фиксира времето за получаване на светлинния сигнал за отговор. След това разстоянието се увеличава и всичко се повтаря. Очакваше се да се коригира увеличението на забавянето и на тази база да се извърши изчисляване на скоростта на светлината. Експериментът завърши с нищо, защото „всичко не беше внезапно, а изключително бързо“.

Първият, който измерва скоростта на светлината във вакуум през 1676 г., е астрономът Оле Ремер - той се възползва от откритието на Галилей: открива през 1609 г. четири, при които времевата разлика между две спътникови затъмнения е 1320 секунди за половин година. Използвайки астрономическата информация от своето време, Ремер получава стойността на скоростта на светлината, равна на 222 000 км в секунда. Оказа се удивително, че самият метод на измерване е невероятно точен - използвайки вече известните данни за диаметъра на Юпитер и времето на забавяне на затъмнението на спътника дава скоростта на светлината във вакуум, на ниво съвременни значенияполучени по други методи.

Първоначално имаше само една претенция към експериментите на Ромер - беше необходимо да се извършат измервания със земни средства. Изминаха почти 200 години и Луи Физо построи гениална инсталация, в която лъч светлина се отразява от огледало на разстояние повече от 8 км и се връща обратно. Тънкостта беше, че той минаваше по пътя напред-назад през кухините на зъбното колело и ако скоростта на въртене на колелото се увеличи, тогава ще дойде моментът, когато светлината вече няма да се вижда. Останалото е въпрос на техника. Резултатът от измерването е 312 000 км в секунда. Сега виждаме, че Физо е бил още по-близо до истината.

Следващата стъпка в измерването на скоростта на светлината е направена от Фуко, който заменя зъбното колело.Това позволява да се намалят размерите на инсталацията и да се увеличи точността на измерване до 288 000 км в секунда. Не по-малко важен е експериментът на Фуко, в който той определя скоростта на светлината в среда. За целта между огледалата на инсталацията е поставена тръба с вода. В този експеримент е установено намаляване на скоростта на светлината при нейното разпространение в среда в зависимост от коефициента на пречупване.

През втората половина на 19 век идва времето на Майкелсон, който посвещава 40 години от живота си на измервания в областта на светлината. Кулминацията на работата му беше инсталацията, на която той измерва скоростта на светлината във вакуум, използвайки вакуумна метална тръба, дълга повече от километър и половина. Другото фундаментално постижение на Майкелсън е доказателството, че за всяка дължина на вълната скоростта на светлината във вакуум е една и съща и като съвременен стандарт е 299792458+/- 1,2 m/s. Такива измервания са извършени въз основа на актуализирани стойности на референтния измервателен уред, чиято дефиниция е одобрена от 1983 г. като международен стандарт.

Мъдрият Аристотел греши, но отне почти 2000 години, за да го докаже.