سرعت نور در محیط چقدر است. سرعت نور چگونه اندازه گیری شد و مقدار واقعی آن چقدر است؟

> سرعت نور

دریابید که کدام سرعت نوردر خلاء یک ثابت اساسی در فیزیک است. سرعت نور m / s، قانون، فرمول اندازه گیری را بخوانید.

سرعت نور در خلاءیکی از ثابت های اساسی در فیزیک است.

وظیفه یادگیری

• سرعت نور را با ضریب شکست محیط مقایسه کنید.

امتیاز کلیدی

• حداکثر شاخص ممکن برای سرعت نور، نور در خلاء (ثابت) است.
• C نماد سرعت نور در خلاء است. به 299792458 متر بر ثانیه می رسد.
• هنگامی که نور به یک محیط برخورد می کند، سرعت آن به دلیل شکست کاهش می یابد. با فرمول v = c/n محاسبه می شود.

مقررات

• سرعت ویژه نور: تطبیق اصل نسبیت و ثبات سرعت نور.
• ضریب شکست نسبت سرعت نور در هوا/خلاء به یک محیط دیگر است.

سرعت نور

سرعت نور به عنوان یک نقطه مقایسه عمل می کند تا چیزی را بسیار سریع تعریف کند. اما این چی هست؟

پرتو نور از زمین به ماه در فاصله زمانی لازم برای عبور یک پالس نور - 1.255 ثانیه در فاصله مداری متوسط ​​حرکت می کند.

پاسخ ساده است: ما در مورد سرعت فوتون و ذرات نور صحبت می کنیم. سرعت نور چقدر است؟ سرعت نور در خلاء به 299792458 متر بر ثانیه می رسد. این یک ثابت جهانی است که در زمینه های مختلف فیزیک قابل استفاده است.

معادله E = mc 2 را در نظر بگیرید (E انرژی و m جرم است). این معادل انرژی جرم است که از سرعت نور برای پیوند فضا و زمان استفاده می کند. در اینجا نه تنها می توان توضیحی برای انرژی یافت، بلکه موانع سرعت را نیز آشکار کرد.

سرعت موج نور در خلاء به طور فعال برای اهداف مختلف استفاده می شود. به عنوان مثال، در نظریه خاصنسبیت نشان می دهد که این حد سرعت طبیعی است. اما می دانیم که سرعت به محیط و شکست بستگی دارد:

v = c/n (v سرعت واقعی عبور نور از محیط، c سرعت نور در خلاء و n ضریب شکست است). ضریب شکست هوا 10003 و سرعت نور مرئی 90 کیلومتر بر ثانیه کمتر از c است.

ضریب لورنتس

اجسام به سرعت در حال حرکت ویژگی های خاصی را نشان می دهند که با موقعیت مکانیک کلاسیک در تضاد است. به عنوان مثال، تماس های طولانی و زمان در حال گسترش است. این اثرات معمولاً حداقل هستند، اما در چنین سرعت‌های بالایی بیشتر مشخص می‌شوند. ضریب لورنتس (γ) عاملی است که در آن انبساط زمان و انقباض طول رخ می دهد:

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

در سرعت های پایین، v 2 /c 2 به 0 نزدیک می شود، و γ تقریباً = 1 است. با این حال، هنگامی که سرعت به c نزدیک می شود، γ به سمت بی نهایت افزایش می یابد.

سرعت نور غیرعادی ترین اندازه گیری است که تا به امروز شناخته شده است. اولین کسی که سعی کرد پدیده انتشار نور را توضیح دهد آلبرت انیشتین بود. او بود که فرمول معروف را استنباط کرد E = mc² ، جایی که Eانرژی کل بدن است، مترجرم است و جسرعت نور در خلاء است.

این فرمول اولین بار در سال 1905 در Annalen der Physik منتشر شد. تقریباً در همان زمان، انیشتین نظریه‌ای را مطرح کرد که برای جسمی که با سرعت مطلق حرکت می‌کند چه اتفاقی می‌افتد. او بر اساس این واقعیت که سرعت نور یک مقدار ثابت است، به این نتیجه رسید که فضا و زمان باید تغییر کنند.

بنابراین، با سرعت نور، یک جسم به طور نامحدود کوچک می شود، جرم آن به طور نامحدود افزایش می یابد و زمان عملا متوقف می شود.

در سال 1977 امکان محاسبه سرعت نور وجود داشت که رقمی معادل 1.2 ± 299792458 متر بر ثانیه نامگذاری شد. برای محاسبات خشن تر، همیشه مقدار 300000 کیلومتر بر ثانیه در نظر گرفته می شود. از این مقدار است که تمام اندازه گیری های کیهانی دیگر دفع می شوند. مفهوم "سال نوری" و "پارسک" (3.26 سال نوری) به این ترتیب ظاهر شد.

نه حرکت با سرعت نور و نه غلبه بر آن غیر ممکن است. حداقل در این مرحلهتوسعه بشریت از طرفی نویسندگان علمی تخیلی حدود 100 سال است که در صفحات رمان های خود سعی در حل این مشکل دارند. شاید یک روز فانتزی به واقعیت تبدیل شود، زیرا در قرن نوزدهم، ژول ورن ظهور یک هلیکوپتر، یک هواپیما و یک صندلی برقی را پیش بینی کرد، و سپس آن فانتزی محض بود!

از دوران مدرسه، ما می دانیم که سرعت نور، طبق قوانین انیشتین، حداکثر غیرقابل عبور در کیهان است. نور در 8 دقیقه از خورشید به زمین می رسد که تقریباً 150,000,000 کیلومتر است. تنها 6 ساعت طول می کشد تا به نپتون برسد، اما دهه ها طول می کشد تا فضاپیماها بر چنین فاصله هایی غلبه کنند. اما همه نمی دانند که مقدار سرعت بسته به محیطی که نور در آن عبور می کند می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد.

فرمول سرعت نور

با دانستن سرعت نور در خلاء (c ≈ 3 * 10 8 m / s)، می توانید آن را در رسانه های دیگر بر اساس ضریب شکست آنها n تعیین کنید. فرمول سرعت نور شبیه قوانین مکانیک از فیزیک است، یا بهتر است بگوییم، تعریف فاصله با استفاده از زمان و سرعت یک جسم.

به عنوان مثال، شیشه را در نظر بگیرید که ضریب شکست آن 1.5 است. با توجه به فرمول سرعت نور v = c \ n، دریافت می کنیم که سرعت در این محیط تقریباً برابر با 200000 کیلومتر بر ثانیه است. اگر مایعی مانند آب بگیریم، سرعت انتشار فوتون ها (ذرات نور) در آن 226000 کیلومتر بر ثانیه با ضریب شکست 1.33 است.

فرمول سرعت نور در هوا

هوا نیز یک واسطه است. در نتیجه، به اصطلاح اگر در خلاء فوتون ها در مسیر خود با موانعی مواجه نشوند، در یک محیط، مدتی را صرف تحریک ذرات اتمی می کنند. هر چه محیط متراکم تر باشد، زمان بیشتری برای این هیجان صرف می شود. ضریب شکست (n) در هوا 1.000292 است. و این مقدار زیادی از حد 299792458 متر بر ثانیه منحرف نمی شود.

دانشمندان آمریکایی موفق شده اند سرعت نور را تقریباً به صفر کاهش دهند. بزرگتر از 1/299,792,458 ثانیه. سرعت نور نمی تواند غلبه کند. مسئله این است که نور همان موج الکترومغناطیسی اشعه ایکس، امواج رادیویی یا گرما است. تنها تفاوت بین طول موج و فرکانس است.

یک واقعیت جالب عدم وجود جرم در فوتون است و این نشان دهنده عدم وجود زمان برای این ذره است. به زبان ساده، برای فوتونی که چندین میلیون یا حتی میلیاردها سال پیش متولد شده است، یک ثانیه زمان نگذشته است.

در بهار سال گذشته مجلات علمی و عامه پسند در سرتاسر جهان خبرهای هیجان انگیزی را منتشر کردند. فیزیکدانان آمریکایی آزمایش منحصر به فردی را انجام دادند: آنها توانستند سرعت نور را به 17 متر در ثانیه کاهش دهند.

همه می دانند که نور با سرعت فوق العاده ای حرکت می کند - تقریباً 300 هزار کیلومتر در ثانیه. ارزش دقیققدر آن در خلاء = 299792458 m/s یک ثابت فیزیکی اساسی است. طبق نظریه نسبیت، این حداکثر است سرعت ممکنانتقال سیگنال

در هر محیط شفاف، نور آهسته تر حرکت می کند. سرعت v بستگی به ضریب شکست محیط n دارد: v = c/n. ضریب شکست هوا 1.0003، آب - 1.33، انواع شیشه - از 1.5 تا 1.8 است. یکی از مهمترین ارزش های بزرگضریب شکست دارای الماس است - 2.42. بنابراین، سرعت نور در مواد معمولی بیش از 2.5 برابر کاهش نمی یابد.

در اوایل سال 1999، گروهی از فیزیکدانان مؤسسه رولند تحقیق علمیدر دانشگاه هاروارد (ماساچوست، ایالات متحده آمریکا) و از دانشگاه استنفورد (کالیفرنیا) ماکروسکوپی را بررسی کردند اثر کوانتومی- به اصطلاح شفافیت خود القا شده، عبور پالس های لیزر از محیطی که در شرایط عادی مات است. این محیط اتم های سدیم در حالت خاصی به نام میعان بوز-اینشتین بود. هنگامی که با یک پالس لیزر تابش می شود، خواص نوری به دست می آورد که سرعت گروهی پالس را در مقایسه با سرعت در خلاء 20 میلیون کاهش می دهد. آزمایشگران توانستند سرعت نور را به 17 متر بر ثانیه برسانند!

قبل از توصیف ماهیت این آزمایش منحصر به فرد، اجازه دهید معنای برخی از مفاهیم فیزیکی را یادآوری کنیم.

سرعت گروه هنگامی که نور در یک محیط منتشر می شود، دو سرعت از هم متمایز می شود - فاز و گروه. سرعت فاز vph حرکت فاز یک موج تک رنگ ایده آل - یک سینوسی بی نهایت با یک فرکانس را مشخص می کند و جهت انتشار نور را تعیین می کند. سرعت فاز در محیط مطابق با ضریب شکست فاز - همان است که مقادیر آن برای مواد مختلف اندازه گیری می شود. ضریب شکست فاز و در نتیجه سرعت فاز به طول موج بستگی دارد. این وابستگی پراکندگی نامیده می شود. به ویژه منجر به تجزیه نور سفیدی می شود که از یک منشور به یک طیف می گذرد.

اما یک موج نور واقعی شامل مجموعه ای از امواج با فرکانس های مختلف است که در یک بازه طیفی معین گروه بندی شده اند. چنین مجموعه ای گروهی از امواج، بسته موجی یا پالس نور نامیده می شود. این امواج به دلیل پراکندگی در محیطی با سرعت های فاز متفاوت منتشر می شوند. در این حالت، نبض کشیده می شود و شکل آن تغییر می کند. بنابراین، برای توصیف حرکت یک ضربه، گروهی از امواج به عنوان یک کل، مفهوم سرعت گروهی معرفی می شود. تنها در مورد یک طیف باریک و در یک محیط با پراکندگی ضعیف، زمانی که تفاوت در سرعت فاز اجزای جداگانه کم باشد، منطقی است. برای درک بهتر وضعیت، می توانیم یک قیاس بصری ترسیم کنیم.

تصور کنید که هفت ورزشکار در خط استارت صف می کشند و پیراهن های رنگارنگ بر اساس رنگ های طیف: قرمز، نارنجی، زرد و غیره پوشیده اند. با علامت تپانچه شروع، همزمان شروع به دویدن می کنند. ، اما ورزشکار "قرمز" سریعتر از "نارنجی" می دود. "نارنجی" سریعتر از "زرد" و غیره است، به طوری که آنها به صورت زنجیره ای کشیده می شوند که به طور مداوم طول آنها افزایش می یابد. و حالا تصور کنید که ما از بالا به آنها از ارتفاعی نگاه می کنیم که نمی توانیم تک تک دوندگان را تشخیص دهیم، اما فقط یک نقطه رنگارنگ را می بینیم. آیا می توان در مورد سرعت حرکت این نقطه به طور کلی صحبت کرد؟ ممکن است، اما فقط در صورتی که خیلی تار نباشد، زمانی که تفاوت در سرعت دوندگان با رنگ های مختلف کم باشد. در غیر این صورت، نقطه ممکن است در تمام طول مسیر کشیده شود و سؤال از سرعت آن معنای خود را از دست خواهد داد. این مربوط به پراکندگی قوی - گسترش زیادی از سرعت است. اگر دونده‌ها لباس‌هایی با رنگ تقریباً یکسان بپوشند که فقط در سایه‌ها (مثلاً از قرمز تیره تا قرمز روشن) متفاوت است، این با طیف باریک مطابقت دارد. سپس سرعت دوندگان تفاوت چندانی نخواهد داشت، گروه در حین حرکت کاملا فشرده باقی می ماند و می توان آن را با مقدار مشخصی از سرعت مشخص کرد که به آن سرعت گروهی می گویند.

آمار بوز-انیشتین این یکی از انواع به اصطلاح آمار کوانتومی است - نظریه ای که وضعیت سیستم های حاوی تعداد بسیار زیادی ذرات را توصیف می کند که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند.

همه ذرات - هر دو محصور در اتم و آزاد - به دو دسته تقسیم می شوند. برای یکی از آنها، اصل طرد پائولی معتبر است که طبق آن در هر سطح انرژی بیش از یک ذره وجود ندارد. ذرات این طبقه فرمیون نامیده می شوند (اینها الکترون، پروتون و نوترون هستند؛ همان طبقه شامل ذراتی است که از تعداد فرد فرمیون تشکیل شده است) و قانون توزیع آنها را آمار فرمی دیراک می نامند. ذرات دسته دیگر بوزون نامیده می شوند و از اصل پائولی پیروی نمی کنند: تعداد نامحدودی از بوزون ها می توانند در یک سطح انرژی جمع شوند. در این مورد از آمار بوز-انیشتین صحبت می شود. بوزون ها شامل فوتون ها، برخی از ذرات بنیادی کوتاه مدت (مثلاً پی مزون ها) و همچنین اتم هایی هستند که از تعداد زوج فرمیون تشکیل شده اند. در خیلی دمای پایینبوزون ها در پایین ترین سطح انرژی جمع آوری می شوند. سپس گفته می شود که تراکم بوز-انیشتین رخ می دهد. اتم های میعان خواص فردی خود را از دست می دهند و چندین میلیون از آنها به طور کلی شروع به رفتار می کنند، توابع موج آنها ادغام می شوند و رفتار با یک معادله توصیف می شود. این باعث می شود که بگوییم اتم های میعان مانند فوتون های تابش لیزر منسجم شده اند. محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده از این خاصیت میعانات بوز-اینشتین برای ایجاد یک "لیزر اتمی" استفاده کرده اند (به "علم و زندگی" شماره 10، 1997 مراجعه کنید).

شفافیت خودساخته این یکی از اثرات اپتیک غیرخطی است - اپتیک میدان های نوری قدرتمند. این شامل این واقعیت است که یک پالس نوری بسیار کوتاه و قدرتمند بدون تضعیف از محیطی عبور می کند که تابش مداوم یا پالس های طولانی را جذب می کند: یک محیط مات برای آن شفاف می شود. شفافیت خود القا شده در گازهای کمیاب با مدت زمان پالس 10-7 - 10-8 ثانیه و در محیط های متراکم - کمتر از 10-11 ثانیه مشاهده می شود. در این مورد، تاخیر در پالس وجود دارد - سرعت گروه آن به شدت کاهش می یابد. این اثر برای اولین بار توسط مک کال و هان در سال 1967 بر روی یاقوت در دمای 4 کلوین نشان داده شد. در سال 1970، تاخیرهایی در بخار روبیدیم مربوط به سرعت پالسی سه مرتبه بزرگی (1000 برابر) کمتر از سرعت نور به دست آمد. خلاء

بیایید اکنون به آزمایش منحصر به فرد 1999. این کار توسط لن وسترگارد هاو، زکری داتون، سایروس بروسی (موسسه رولند) و استیو هریس (دانشگاه استنفورد) انجام شد. آنها یک ابر متراکم از اتم های سدیم را سرد کردند که توسط یک میدان مغناطیسی نگه داشته شدند تا زمانی که به حالت پایه - به سطحی با کمترین انرژی- تبدیل شدند. در این مورد، تنها آن اتم هایی جدا شدند که در آن گشتاور دوقطبی مغناطیسی بر خلاف جهت جهت داده شده بود. میدان مغناطیسی. سپس محققان ابر را تا کمتر از 435 نانوکلوین (نانوکلوین، یعنی 0.000000435 K، تقریبا تا صفر مطلق) خنک کردند.

پس از آن، میعانات با یک "پرتو اتصال" از نور لیزر قطبی خطی با فرکانس مربوط به انرژی تحریک ضعیف آن روشن شد. اتم ها به سطح انرژی بالاتری رفتند و جذب نور را متوقف کردند. در نتیجه، میعانات نسبت به تابش لیزر زیر شفاف شد. و در اینجا اثرات بسیار عجیب و غیر معمول ظاهر شد. اندازه‌گیری‌ها نشان داده‌اند که تحت شرایط خاصی، پالسی که از یک میعانات بوز-انیشتین می‌گذرد، تاخیری را تجربه می‌کند که مربوط به کاهش سرعت نور با بیش از هفت مرتبه بزرگی - 20 میلیون بار است. سرعت پالس نور به 17 متر بر ثانیه کاهش یافت و طول آن چندین بار کاهش یافت - تا 43 میکرومتر.

محققان بر این باورند که با اجتناب از گرمایش لیزری میعانات، می‌توانند سرعت نور را حتی تا چند سانتی‌متر در ثانیه کاهش دهند.

سیستمی با چنین ویژگی های غیرعادی امکان مطالعه خواص نوری کوانتومی ماده و همچنین ایجاد دستگاه های مختلف برای رایانه های کوانتومی آینده، مثلاً سوئیچ های تک فوتونی را فراهم می کند.

سرعت نور در خلاء- مقدار مطلق سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خلاء. در فیزیک با حرف لاتین نشان داده می شود ج.
سرعت نور در خلاء یک ثابت اساسی است، مستقل از انتخاب چارچوب اینرسی مرجع.
طبق تعریف، دقیقاً همینطور است 299 792 458 متر بر ثانیه (مقدار تقریبی 300 هزار کیلومتر بر ثانیه).
بر اساس نظریه نسبیت خاص، است حداکثر سرعت برای انتشار هر گونه فعل و انفعالات فیزیکی که انرژی و اطلاعات را منتقل می کند.

سرعت نور چگونه تعیین می شود؟

سرعت نور ابتدا در تعیین شد 1676 O. K. Romerبا تغییر فواصل زمانی بین کسوف های ماهواره های مشتری.

در سال 1728 توسط J. Bradley نصب شد، بر اساس مشاهدات او از انحراف نور ستاره ای.

در سال 1849 A. I. L. Fizeauاو اولین کسی بود که سرعت نور را بر حسب زمانی که نور برای طی مسافت مشخص (پایه) لازم است اندازه گرفت. از آنجایی که ضریب شکست هوا بسیار کمی با 1 متفاوت است، اندازه گیری های زمینی مقدار بسیار نزدیک به s را نشان می دهند.
در آزمایش فیزو، یک پرتو نور از منبع S، که توسط یک آینه نیمه شفاف N منعکس شده بود، به طور دوره ای توسط یک دیسک دندانه دار چرخان W قطع می شد، از پایه MN (حدود 8 کیلومتر) عبور می کرد و از آینه M منعکس می شد و به آینه M باز می گشت. دیسک هنگامی که نور به دندان برخورد کرد، نور به ناظر نمی رسید و نوری که به شکاف بین دندان ها می افتاد از طریق چشمی E قابل مشاهده بود. زمان عبور نور از پایه از روی دیسک شناخته شده تعیین می شد. سرعت چرخش فیزو مقدار c = 313300 کیلومتر بر ثانیه را به دست آورد.

در سال 1862 J. B. L. Foucaultایده D. Arago را که در سال 1838 بیان کرد، با استفاده از یک آینه با چرخش سریع (512 دور در دقیقه) به جای دیسک دندانه دار، محقق کرد. با انعکاس از آینه، پرتو نور به سمت پایه هدایت شد و پس از بازگشت، دوباره روی همان آینه افتاد، که فرصت داشت از یک زاویه کوچک بچرخد. با پایه تنها 20 متر، فوکو دریافت که سرعت نور 500 ± 29800080 کیلومتر بر ثانیه است.طرح ها و ایده های اساسی آزمایش های فیزو و فوکو بارها در کارهای بعدی برای تعیین s مورد استفاده قرار گرفت.