سرعت انتشار نور در خلاء به این بستگی دارد. آیا سرعت فوق نور ممکن است؟

موضوع چگونگی اندازه گیری و همچنین میزان سرعت نور از زمان های بسیار قدیم دانشمندان را مورد توجه قرار داده است. این یک موضوع بسیار جذاب است که از زمان های بسیار قدیم موضوع بحث علمی بوده است. اعتقاد بر این است که چنین سرعتی محدود، دست نیافتنی و ثابت است. دست نیافتنی و ثابت است، مانند بی نهایت. در عین حال متناهی است. معلوم می شود که یک پازل فیزیکی و ریاضی جالب است. یک گزینه برای حل این مشکل وجود دارد. از این گذشته ، سرعت نور هنوز اندازه گیری می شد.

در دوران باستان متفکران بر این باور بودند سرعت نور- این یک مقدار بی نهایت است. اولین برآورد این شاخص در سال 1676 ارائه شد. اولاف رومر. طبق محاسبات او سرعت نور تقریباً 220 هزار کیلومتر بر ثانیه بود. کاملاً نبود ارزش دقیق، اما نزدیک به واقعی.

پایان پذیری و تخمین سرعت نور نیم قرن بعد تایید شد.

در آینده، دانشمند فیزومی توان سرعت نور را از زمانی که پرتو برای طی مسافت دقیق طی کرد، تعیین کرد.

او آزمایشی انجام داد (شکل را ببینید)، که طی آن یک پرتو نور از منبع S خارج شد، توسط آینه 3 منعکس شد، توسط دیسک دندانه دار 2 قطع شد و از پایه (8 کیلومتر) گذشت. سپس توسط آینه 1 منعکس شد و به دیسک برگشت. نور به شکاف بین دندان‌ها می‌افتد و می‌توان آن را از طریق چشمی 4 مشاهده کرد. مدت زمانی که طول می‌کشید پرتو از طریق پایه حرکت کند بسته به سرعت چرخش دیسک تعیین می‌شد. مقدار به دست آمده توسط Fizeau: c = 313300 km/s بود.

سرعت انتشار پرتو در هر محیط خاص کمتر از این سرعت در خلاء است. علاوه بر این، برای مواد مختلف این شاخص طول می کشد معانی مختلف. بعد از چند سال فوکودیسک را با یک آینه با چرخش سریع جایگزین کرد. پیروان این دانشمندان بارها از روش ها و طرح های تحقیقاتی آنها استفاده کردند.

لنزها اساس ابزارهای نوری هستند. آیا می دانید چگونه محاسبه می شود؟ با خواندن یکی از مقالات ما می توانید متوجه شوید.

می توانید اطلاعاتی در مورد نحوه تنظیم یک دید نوری متشکل از چنین لنزهایی پیدا کنید. مطالب ما را بخوانید و هیچ سوالی در مورد موضوع نخواهید داشت.

سرعت نور در خلاء چقدر است؟

دقیق ترین اندازه گیری سرعت نور رقم 1,079,252,848.8 کیلومتر در ساعت یا 299,792,458 متر بر ثانیه. این رقم فقط برای شرایط ایجاد شده در خلاء معتبر است.

اما برای حل مشکلات معمولا از نشانگر استفاده می شود 300,000,000 متر بر ثانیه. در خلاء، سرعت نور بر حسب واحد پلانک 1 است. بنابراین، انرژی نور در 1 واحد زمان پلانک 1 واحد طول پلانک را طی می کند. اگر خلاء ایجاد شود در شرایط طبیعی، سپس اشعه ایکس، امواج نور در طیف مرئی و امواج گرانشی می توانند با این سرعت حرکت کنند.

در بین دانشمندان عقیده روشنی وجود دارد که ذرات با جرم می توانند سرعتی به حداکثر سرعت نور داشته باشند. اما آنها قادر به دستیابی و فراتر از شاخص نیستند. بالاترین سرعت، نزدیک به سرعت نور، در طول مطالعه پرتوهای کیهانی و در طول شتاب ذرات خاص در شتاب دهنده ها ثبت شد.

سرعت نور در هر محیطی به ضریب شکست این محیط بستگی دارد.

این نشانگر ممکن است برای فرکانس های مختلف متفاوت باشد. اندازه گیری دقیق کمیت برای محاسبه سایر پارامترهای فیزیکی مهم است. به عنوان مثال، برای تعیین فاصله در هنگام عبور سیگنال های نوری یا رادیویی در محدوده نوری، رادار، محدوده نور و سایر مناطق.

دانشمندان مدرن از روش های مختلفی برای تعیین سرعت نور استفاده می کنند. برخی از کارشناسان از روش های نجومی و همچنین روش های اندازه گیری با استفاده از فناوری تجربی استفاده می کنند. روش بهبود یافته فیزو اغلب استفاده می شود. در این حالت چرخ دنده با یک مدولاتور نور جایگزین می شود که پرتو نور را ضعیف یا قطع می کند. گیرنده در اینجا یک ضرب کننده فوتوالکتریک یا فتوسل است. منبع نور می تواند لیزر باشد که به کاهش خطای اندازه گیری کمک می کند. تعیین سرعت نوربا توجه به زمان عبور از پایه، می توان آن را با استفاده از روش های مستقیم یا غیر مستقیم انجام داد که به فرد امکان می دهد تا نتایج دقیق را نیز به دست آورد.

برای محاسبه سرعت نور از چه فرمول هایی استفاده می شود؟

سرعت انتشار نور در خلاء یک مقدار مطلق است. فیزیکدانان آن را با حرف "c" نشان می دهند. این یک مقدار اساسی و ثابت است که به انتخاب سیستم گزارش دهی بستگی ندارد و زمان و مکان را به طور کلی مشخص می کند. دانشمندان فرض می کنند که این سرعت حداکثر سرعت حرکت ذرات است.
فرمول سرعت نوردر خلاء:

s = 3 * 10^8 = 299792458 متر بر ثانیه

در اینجا c نشانگر سرعت نور در خلاء است.
دانشمندان این را ثابت کرده اند سرعت نور در هواتقریباً با سرعت نور در خلاء منطبق است. با استفاده از فرمول قابل محاسبه است:

مدت‌ها قبل از اینکه دانشمندان سرعت نور را اندازه‌گیری کنند، باید سخت تلاش می‌کردند تا مفهوم «نور» را تعریف کنند. ارسطو یکی از اولین کسانی بود که به این موضوع فکر کرد و نور را نوعی ماده متحرک می دانست که در فضا پخش می شود. همکار و پیرو روم باستان او لوکرتیوس کاروس بر ساختار اتمی نور اصرار داشت.

در قرن هفدهم، دو نظریه اصلی در مورد ماهیت نور شکل گرفت - جسمی و موجی. نیوتن یکی از طرفداران اولین بود. به نظر او همه منابع نوری ذرات ریز ساطع می کنند. در طول "پرواز" آنها خطوط درخشان - پرتوهایی را تشکیل می دهند. حریف او، دانشمند هلندی کریستیان هویگنس، اصرار داشت که نور نوعی حرکت موجی است.

در نتیجه اختلافات چند صد ساله، دانشمندان به اتفاق نظر رسیده اند: هر دو نظریه حق حیات دارند و نور طیفی از امواج الکترومغناطیسی است که با چشم قابل مشاهده است.

کمی تاریخ سرعت نور چگونه اندازه گیری شد؟

اکثر دانشمندان باستانی متقاعد شده بودند که سرعت نور بی نهایت است. با این حال، نتایج تحقیقات گالیله و هوک به ماهیت شدید آن اجازه داد، که به وضوح در قرن هفدهم توسط ستاره شناس و ریاضیدان برجسته دانمارکی اولاف رومر تأیید شد.

او اولین اندازه گیری های خود را با مشاهده کسوف Io، ماهواره مشتری، در زمانی انجام داد که مشتری و زمین در دو طرف مخالف نسبت به خورشید قرار داشتند. رومر ثبت کرد که با دور شدن زمین از مشتری با فاصله ای برابر با قطر مدار زمین، زمان تاخیر تغییر کرد. حداکثر مقدار 22 دقیقه بود. در نتیجه محاسبات، سرعت 220000 کیلومتر بر ثانیه را دریافت کرد.

50 سال بعد در سال 1728، به لطف کشف انحراف، اخترشناس انگلیسی جی. بردلی این رقم را به 308000 کیلومتر در ثانیه "تصحیح" کرد. بعدها سرعت نور توسط اخترفیزیکدانان فرانسوی فرانسوا آرگو و لئون فوکو اندازه گیری شد و خروجی 298000 کیلومتر بر ثانیه به دست آمد. یک تکنیک اندازه گیری دقیق تر توسط خالق تداخل سنج، فیزیکدان مشهور آمریکایی آلبرت مایکلسون پیشنهاد شد.

آزمایش مایکلسون برای تعیین سرعت نور

این آزمایش ها از سال 1924 تا 1927 به طول انجامید و شامل 5 سری مشاهدات بود. ماهیت آزمایش به شرح زیر بود. یک منبع نور، یک آینه و یک منشور هشت ضلعی دوار در کوه ویلسون در مجاورت لس آنجلس نصب شد و یک آینه بازتابنده 35 کیلومتر بعد در کوه سن آنتونیو نصب شد. ابتدا نور از طریق یک لنز و یک شکاف به منشوری که با یک روتور پرسرعت می چرخد (با سرعت 528 rps) برخورد می کند.

شرکت کنندگان در آزمایش ها می توانستند سرعت چرخش را طوری تنظیم کنند که تصویر منبع نور به وضوح در چشمی قابل مشاهده باشد. از آنجایی که فاصله بین رئوس و فرکانس چرخش مشخص بود، مایکلسون سرعت نور را 299796 کیلومتر بر ثانیه تعیین کرد.

دانشمندان سرانجام در نیمه دوم قرن بیستم، زمانی که میزرها و لیزرها ساخته شدند، در مورد سرعت نور تصمیم گرفتند که با بالاترین ثبات فرکانس تابش مشخص می شود. در آغاز دهه 70، خطا در اندازه گیری ها به 1 کیلومتر در ثانیه کاهش یافت. در نتیجه، بر اساس توصیه پانزدهم کنفرانس عمومی اوزان و اندازه ها، که در سال 1975 برگزار شد، تصمیم گرفته شد که سرعت نور در خلاء اکنون برابر با 299792.458 کیلومتر بر ثانیه باشد.

آیا سرعت نور برای ما قابل دستیابی است؟

بدیهی است که کاوش در اقصی نقاط جهان بدون سفینه های فضایی که با سرعت بسیار زیاد پرواز می کنند غیرقابل تصور است. ترجیحا با سرعت نور. اما آیا این امکان پذیر است؟

سرعت مانع نور یکی از پیامدهای نظریه نسبیت است. همانطور که می دانید افزایش سرعت مستلزم افزایش انرژی است. سرعت نور به انرژی بی نهایت نیاز دارد.

افسوس، قوانین فیزیک به طور قاطع مخالف این است. با سرعت سفینه فضاییبا سرعت 300000 کیلومتر بر ثانیه، ذراتی که به سمت او پرواز می کنند، به عنوان مثال، اتم های هیدروژن، به منبع مرگبار تشعشعات قدرتمندی معادل 10000 سیورت در ثانیه تبدیل می شوند. این تقریباً مانند قرار گرفتن در برخورد دهنده بزرگ هادرونی است.

به گفته دانشمندان دانشگاه جان هاپکینز، هیچ حفاظت کافی در طبیعت در برابر چنین تشعشعات هیولایی کیهانی وجود ندارد. تخریب کشتی با فرسایش ناشی از اثرات غبار بین ستاره ای کامل خواهد شد.

یکی دیگر از مشکلات سرعت نور اتساع زمان است. پیری بسیار طولانی تر خواهد شد. میدان بینایی نیز تحریف می شود، در نتیجه مسیر کشتی مانند داخل یک تونل می گذرد، که در انتهای آن خدمه فلاش درخشانی را مشاهده خواهند کرد. در پشت کشتی تاریکی مطلق وجود خواهد داشت.

بنابراین در آینده ای نزدیک، بشر باید "اشتهای" سرعت خود را به 10٪ سرعت نور محدود کند. این بدان معناست که پرواز به نزدیکترین ستاره به زمین، پروکسیما قنطورس (4.22 سال نوری) حدود 40 سال طول خواهد کشید.

از دوران مدرسه ما می دانستیم که سرعت نور، طبق قوانین انیشتین، حداکثر غیرقابل عبور در جهان است. نور فاصله خورشید تا زمین را در 8 دقیقه طی می کند که تقریباً 150000000 کیلومتر است. رسیدن به نپتون تنها 6 ساعت طول می کشد، اما فضاپیماها چندین دهه طول می کشد تا چنین مسافت هایی را طی کنند. اما همه نمی دانند که مقدار سرعت بسته به محیطی که نور از آن عبور می کند می تواند به طور قابل توجهی نوسان کند.

فرمول سرعت نور

با دانستن سرعت نور در خلاء (c ≈ 3*10 8 m/s)، می‌توانیم آن را در محیط‌های دیگر بر اساس ضریب شکست n تعیین کنیم. فرمول سرعت نور به خودی خود شبیه قوانین مکانیک از فیزیک، یا به طور دقیق تر، تعیین فاصله با استفاده از زمان و سرعت یک جسم است.

به عنوان مثال شیشه ای را می گیریم که ضریب شکست آن 1.5 است. با استفاده از فرمول سرعت نور v = c \ n متوجه می شویم که سرعت در این محیط تقریباً 200000 کیلومتر بر ثانیه است. اگر مایعی مانند آب را بگیریم، سرعت انتشار فوتون ها (ذرات نور) در آن برابر با 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 فوتون‌ها در مسیر خود با موانعی مواجه نشوند، در این محیط زمانی را صرف ذرات اتمی هیجان‌انگیز می‌کنند. هر چه محیط متراکم تر باشد، زمان بیشتری طول می کشد تا این هیجان رخ دهد. 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. بیش از 1/299,792,458 ثانیه. نور نمی تواند بر سرعت 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 این است که فوتون جرم ندارد 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.

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 قاب مرجع اینرسی.
طبق تعریف، دقیقاً همینطور است 299,792,458 متر بر ثانیه (مقدار تقریبی 300 هزار کیلومتر بر ثانیه).
مطابق با نظریه خاصنسبیت است حداکثر سرعت برای انتشار هر گونه فعل و انفعالات فیزیکی که انرژی و اطلاعات را منتقل می کند.

سرعت نور چگونه تعیین شد؟

برای اولین بار سرعت نور در تعیین شد 1676 O. K. Roemerبا تغییر در فواصل زمانی بین کسوف های ماهواره های مشتری.

در سال 1728 توسط J. Bradley نصب شد، بر اساس مشاهدات او از انحرافات نور ستارگان.

در سال 1849 A. I. L. Fizeauاولین کسی بود که سرعت نور را بر حسب زمانی که نور برای طی کردن یک مسافت کاملاً مشخص (پایه) طول می‌کشد اندازه‌گیری کرد. از آنجایی که ضریب شکست هوا بسیار کمی با 1 متفاوت است، اندازه گیری های زمینی مقدار بسیار نزدیک به c 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، به ناظر نمی رسید و نوری که به شکاف بین دندان ها می افتاد از طریق چشمی E قابل مشاهده بود. بر اساس سرعت های شناخته شده چرخش دیسک، مدت زمانی که نور طول کشید تا سفر از طریق پایگاه مشخص شد. Fizeau مقدار c = 313300 km/s را بدست آورد.

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

انسان همیشه به ماهیت نور علاقه داشته است، به گواه اسطوره ها، افسانه ها، اختلافات فلسفی و مشاهدات علمی که به دست ما رسیده است. نور همیشه دلیلی برای بحث در میان فیلسوفان باستان بوده است و تلاش برای مطالعه آن در زمان ظهور هندسه اقلیدسی - 300 سال قبل از میلاد - انجام شد. حتی در آن زمان نیز در مورد صاف بودن انتشار نور، برابری زوایای تابش و انعکاس، پدیده شکست نور و دلایل پیدایش رنگین کمان صحبت شد. ارسطو معتقد بود که سرعت نور بی نهایت زیاد است، به این معنی که از نظر منطقی، نور قابل بحث نیست. یک مورد معمولی زمانی که عمق یک مشکل جلوتر از دوران درک پاسخ است.

حدود 900 سال پیش، ابن سینا پیشنهاد کرد که هر چقدر هم که سرعت نور زیاد باشد، باز هم مقدار محدودی دارد. نه تنها او این نظر را داشت، بلکه هیچکس نتوانست آن را به طور تجربی ثابت کند. گالیله نابغه آزمایشی را برای درک مکانیکی مسئله پیشنهاد کرد: دو نفر که چند کیلومتر از هم فاصله دارند با باز کردن دریچه یک فانوس سیگنال می دهند. به محض اینکه شرکت‌کننده دوم نور فانوس اول را دید، شاتر خود را باز می‌کند و شرکت‌کننده اول زمان دریافت سیگنال نور پاسخ را ثبت می‌کند. سپس فاصله بیشتر می شود و همه چیز تکرار می شود. انتظار می رفت افزایش تاخیر ثبت شود و بر این اساس سرعت نور محاسبه شود. این آزمایش هیچ نتیجه ای نداشت، زیرا "همه چیز ناگهانی نبود، بلکه بسیار سریع بود."

اولین کسی که سرعت نور را در خلاء اندازه گیری کرد، ستاره شناس اول رومر در سال 1676 بود - او از کشف گالیله استفاده کرد: او در سال 1609 چهار مورد را کشف کرد که در طی شش ماه، اختلاف زمانی بین دو ماه گرفتگی 1320 ثانیه بود. رومر با استفاده از اطلاعات نجومی زمان خود، مقداری برای سرعت نور برابر با 222000 کیلومتر بر ثانیه به دست آورد. چیزی که شگفت‌انگیز بود این بود که خود روش اندازه‌گیری بسیار دقیق است - با استفاده از داده‌های شناخته شده در حال حاضر در مورد قطر مشتری و زمان تأخیر تاریک شدن ماهواره، سرعت نور را در خلاء، در سطح می‌دهد. معانی مدرنبا روش های دیگر به دست می آید.

در ابتدا، تنها یک شکایت در مورد آزمایش های رومر وجود داشت - لازم بود اندازه گیری ها با استفاده از وسایل زمینی انجام شود. تقریباً 200 سال گذشت و لوئیس فیزو تأسیساتی مبتکرانه ساخت که در آن پرتوی نور از یک آینه در فاصله بیش از 8 کیلومتری منعکس شده و به عقب باز می گردد. نکته ظریف این بود که از حفره های چرخ دنده در طول جاده به این سو و آن سو می گذشت و اگر سرعت چرخش چرخ افزایش می یافت، لحظه ای فرا می رسید که دیگر نور قابل مشاهده نبود. بقیه مسائل مربوط به تکنیک است. نتیجه اندازه گیری 312000 کیلومتر در ثانیه است. اکنون می بینیم که فیزو حتی به حقیقت نزدیک تر بود.

گام بعدی در اندازه گیری سرعت نور توسط فوکو انجام شد که چرخ دنده را جایگزین کرد و این امر باعث شد تا ابعاد نصب کاهش یابد و دقت اندازه گیری به 288000 کیلومتر بر ثانیه برسد. آزمایشی که فوکو انجام داد، که در آن سرعت نور در یک محیط را تعیین کرد، کم اهمیت نبود. برای این کار لوله ای با آب بین آینه های تاسیسات قرار داده شد. در این آزمایش مشخص شد که سرعت نور با انتشار در یک محیط بسته به ضریب شکست کاهش می یابد.

در نیمه دوم قرن نوزدهم، زمان مایکلسون فرا رسید که 40 سال از زندگی خود را به اندازه گیری در زمینه نور اختصاص داد. اوج کار او نصبی بود که در آن او سرعت نور را در خلاء با استفاده از یک لوله فلزی تخلیه شده به طول بیش از یک و نیم کیلومتر اندازه گیری کرد. یکی دیگر از دستاوردهای اساسی مایکلسون اثبات این واقعیت بود که برای هر طول موج سرعت نور در خلاء یکسان است و به عنوان یک استاندارد مدرن 299792458+/- 1.2 متر بر ثانیه است. چنین اندازه گیری هایی بر اساس مقادیر به روز شده متر مرجع انجام شد که تعریف آن از سال 1983 به عنوان یک استاندارد بین المللی تایید شده است.

ارسطو حکیم اشتباه می کرد، اما تقریبا 2000 سال طول کشید تا آن را ثابت کرد.