Mikä on valon nopeus väliaineessa. Miten valon nopeus mitattiin ja mikä on sen todellinen arvo

> valon nopeus

Ota selvää mikä valonnopeus tyhjiössä on fysiikan perusvakio. Lue mikä on valon nopeus m/s, laki, mittakaava.

Valon nopeus tyhjiössä on yksi fysiikan perusvakioista.

Oppimistehtävä

• Vertaa valon nopeutta väliaineen taitekertoimeen.

Avainkohdat

• Suurin mahdollinen valonnopeuden osoitin on valo tyhjiössä (vakio).
• C on valon nopeuden symboli tyhjiössä. Saavuttaa 299 792 458 m/s.
• Kun valo osuu väliaineeseen, sen nopeus hidastuu taittumisen vuoksi. Laskettu kaavalla v = c/n.

Ehdot

• Erityinen valonnopeus: suhteellisuusperiaatteen ja valonnopeuden vakion yhteensovittaminen.
• Taitekerroin on valon nopeuden suhde ilmassa/tyhjiössä toiseen väliaineeseen.

valonnopeus

Valon nopeus toimii vertailukohtana määrittelemään jotain erittäin nopeaksi. Mutta mikä se on?

Valosäde liikkuu Maasta Kuuhun valopulssin kulumiseen vaaditussa aikavälissä - 1,255 s keskimääräisellä kiertoradalla

Vastaus on yksinkertainen: puhumme fotonin ja valohiukkasten nopeudesta. Mikä on valon nopeus? Valon nopeus tyhjiössä saavuttaa 299 792 458 m/s. Tämä on universaali vakio, jota voidaan soveltaa fysiikan eri aloilla.

Otetaan yhtälö E = mc 2 (E on energia ja m on massa). Se vastaa massaenergiaa, joka käyttää valonnopeutta tilan ja ajan yhdistämiseen. Täältä ei voi löytää vain selitystä energialle, vaan myös paljastaa nopeuden esteitä.

Valon aallon nopeutta tyhjiössä käytetään aktiivisesti eri tarkoituksiin. Esimerkiksi sisään erityinen teoria Suhteellisuusteoria osoittaa, että tämä on luonnollisen nopeuden raja. Mutta tiedämme, että nopeus riippuu väliaineesta ja taiteesta:

v = c/n (v on väliaineen läpi kulkevan valon todellinen nopeus, c on valon nopeus tyhjiössä ja n on taitekerroin). Ilman taitekerroin on 1,0003 ja näkyvän valon nopeus on 90 km/s hitaampi kuin c.

Lorentzin kerroin

Nopeasti liikkuvilla esineillä on tiettyjä ominaisuuksia, jotka ovat ristiriidassa klassisen mekaniikan kannan kanssa. Esimerkiksi pitkät kontaktit ja aika laajenevat. Nämä vaikutukset ovat yleensä minimaalisia, mutta ne ovat selvempiä näin suurilla nopeuksilla. Lorentzin kerroin (γ) on tekijä, jossa aikalaajeneminen ja pituuden supistuminen tapahtuvat:

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.

Pienillä nopeuksilla v 2 /c 2 lähestyy arvoa 0 ja γ on suunnilleen = 1. Kuitenkin kun nopeus lähestyy arvoa c, γ kasvaa kohti ääretöntä.

Valon nopeus on epätavallisin tähän mennessä tunnettu mitta. Ensimmäinen henkilö, joka yritti selittää valon etenemisen ilmiötä, oli Albert Einstein. Hän päätteli tunnetun kaavan E = mc² , missä E on kehon kokonaisenergia, m on massa ja c on valon nopeus tyhjiössä.

Kaava julkaistiin ensimmäisen kerran Annalen der Physik -lehdessä vuonna 1905. Samoihin aikoihin Einstein esitti teorian siitä, mitä tapahtuisi absoluuttisella nopeudella liikkuvalle keholle. Sen perusteella, että valon nopeus on vakioarvo, hän tuli siihen tulokseen, että tilan ja ajan on muututtava.

Siten valonnopeudella esine kutistuu loputtomasti, sen massa kasvaa loputtomasti ja aika käytännössä pysähtyy.

Vuonna 1977 oli mahdollista laskea valon nopeus, luku 299 792 458 ± 1,2 metriä sekunnissa. Karkeammissa laskelmissa arvoksi otetaan aina 300 000 km/s. Tästä arvosta kaikki muut kosmiset mittaukset hylätään. Näin ilmaantui käsite "valovuosi" ja "parsec" (3,26 valovuotta).

Ei ole mahdotonta liikkua valon nopeudella, eikä myöskään ylittää sitä. Ainakin päällä tämä vaihe ihmiskunnan kehitystä. Toisaalta tieteiskirjailijat ovat yrittäneet ratkaista tätä ongelmaa romaanien sivuilla noin 100 vuoden ajan. Ehkä jonain päivänä fantasiasta tulee totta, sillä jo 1800-luvulla Jules Verne ennusti helikopterin, lentokoneen ja sähkötuolin ilmestymistä, ja sitten se oli puhdasta fantasiaa!

Kouluajoista lähtien tiedämme, että valon nopeus Einsteinin lakien mukaan on ylitsepääsemätön maksimi universumissa. Valo kulkee Auringosta Maahan 8 minuutissa, mikä on noin 150 000 000 km. Kestää vain 6 tuntia päästä Neptunukseen, mutta kestää vuosikymmeniä ennen kuin avaruusalukset ylittävät tällaiset etäisyydet. Mutta kaikki eivät tiedä, että nopeuden arvo voi vaihdella merkittävästi riippuen väliaineesta, jossa valo kulkee.

Valonnopeuden kaava

Kun tiedät valon nopeuden tyhjiössä (c ≈ 3 * 10 8 m / s), voit määrittää sen muissa väliaineissa niiden taitekertoimen n perusteella. Valonnopeuden kaava muistuttaa fysiikan mekaniikan lakeja tai pikemminkin etäisyyden määritelmää ajan ja esineen nopeuden avulla.

Otetaan esimerkiksi lasi, jonka taitekerroin on 1,5. Valon nopeuden kaavan v = c \ n mukaan saamme, että nopeus tässä väliaineessa on suunnilleen 200 000 km / s. Jos otamme nesteen, kuten veden, fotonien (valohiukkasten) etenemisnopeus siinä on 226 000 km / s taitekertoimella 1,33.

Valon nopeuden kaava ilmassa

Ilma on myös väliaine. Näin ollen sillä on ns. Jos tyhjiössä fotonit eivät kohtaa esteitä matkallaan, niin väliaineessa ne viettävät jonkin aikaa atomihiukkasten virittämiseen. Mitä tiheämpi ympäristö, sitä enemmän tähän jännitykseen kuluu aikaa. Taitekerroin (n) ilmassa on 1,000292. Ja tämä ei juurikaan poikkea rajasta 299 792 458 m/s.

Amerikkalaiset tutkijat ovat onnistuneet hidastamaan valon nopeuden lähes nollaan. Yli 1/299 792 458 s. valon nopeutta ei voi voittaa. Asia on, että valo on sama sähkömagneettinen aalto kuin röntgensäteet, radioaallot tai lämpö. Ainoa ero on aallonpituuden ja taajuuden välinen ero.

Mielenkiintoinen tosiasia on massan puuttuminen fotonissa, ja tämä osoittaa, että tälle hiukkaselle ei ole aikaa. Yksinkertaisesti sanottuna fotonille, joka syntyi useita miljoonia tai jopa miljardeja vuosia sitten, ei ole kulunut sekuntiakaan.

Viime vuoden keväällä tieteelliset ja populaaritieteelliset lehdet ympäri maailmaa kertoivat sensaatiomaisista uutisista. Amerikkalaiset fyysikot suorittivat ainutlaatuisen kokeen: he onnistuivat laskemaan valon nopeuden 17 metriin sekunnissa.

Kaikki tietävät, että valo kulkee valtavalla nopeudella - lähes 300 tuhatta kilometriä sekunnissa. Tarkka arvo sen suuruus tyhjiössä = 299792458 m/s on fysikaalinen perusvakio. Suhteellisuusteorian mukaan tämä on maksimi mahdollista nopeutta signaalin siirto.

Missä tahansa läpinäkyvässä väliaineessa valo kulkee hitaammin. Sen nopeus v riippuu väliaineen n taitekertoimesta: v = c/n. Ilman taitekerroin on 1,0003, veden - 1,33, erityyppisten lasien - 1,5 - 1,8. Yksi kaikista suuria arvoja taitekertoimella on timantti - 2,42. Siten valon nopeus tavallisissa aineissa laskee enintään 2,5 kertaa.

Vuoden 1999 alussa ryhmä fyysikoita Rowland Institutesta tieteellinen tutkimus Harvardin yliopistossa (Massachusetts, USA) ja Stanfordin yliopistossa (Kalifornia) tutkivat makroskooppista kvanttiefekti- ns. itsestään aiheutettu läpinäkyvyys, joka kuljettaa laserpulsseja väliaineen läpi, joka on läpinäkymätön normaaleissa olosuhteissa. Tämä väliaine oli natriumatomeja erityisessä tilassa, jota kutsutaan Bose-Einstein-kondensaatiksi. Laserpulssilla säteilytettynä se saa optisia ominaisuuksia, jotka vähentävät pulssin ryhmänopeutta 20 miljoonalla kertoimella tyhjiön nopeuteen verrattuna. Kokeilijat onnistuivat nostamaan valon nopeuden jopa 17 m/s!

Ennen kuin kuvailemme tämän ainutlaatuisen kokeen olemusta, muistakaamme joidenkin fyysisten käsitteiden merkitys.

ryhmän nopeus. Kun valo etenee väliaineessa, erotetaan kaksi nopeutta - vaihe ja ryhmä. Vaihenopeus vph luonnehtii ihanteellisen monokromaattisen aallon - tiukasti yhden taajuuden äärettömän siniaallon - vaiheen liikettä ja määrittää valon etenemissuunnan. Vaihenopeus väliaineessa vastaa vaiheen taitekerrointa - samaa, jonka arvot mitataan eri aineille. Taitekerroin ja siten vaihenopeus riippuu aallonpituudesta. Tätä riippuvuutta kutsutaan dispersioksi; se johtaa erityisesti prisman läpi kulkevan valkoisen valon hajoamiseen spektriksi.

Mutta todellinen valoaalto koostuu joukosta eritaajuisia aaltoja, jotka on ryhmitelty tiettyyn spektriväliin. Tällaista joukkoa kutsutaan aaltoryhmäksi, aaltopaketiksi tai valopulssiksi. Nämä aallot etenevät väliaineessa eri vaihenopeuksilla dispersion vuoksi. Tässä tapauksessa pulssi venytetään ja sen muoto muuttuu. Siksi impulssin, aaltoryhmän kokonaisuuden, liikkeen kuvaamiseksi otetaan käyttöön ryhmän nopeuden käsite. Se on järkevää vain kapealla spektrillä ja heikon dispersion väliaineessa, kun yksittäisten komponenttien vaihenopeuksien ero on pieni. Ymmärtääksemme tilannetta paremmin, voimme vetää visuaalisen analogian.

Kuvittele, että seitsemän urheilijaa asettui jonoon lähtöviivalle, pukeutuneena monivärisiin T-paitoihin spektrin värien mukaan: punainen, oranssi, keltainen jne. Lähtöpistoolin signaalista he alkavat juosta samaan aikaan. , mutta "punainen" urheilija juoksee nopeammin kuin "oranssi". , "oranssi" - nopeammin kuin "keltainen" jne., joten ne venyvät ketjuksi, jonka pituus kasvaa jatkuvasti. Ja nyt kuvittele, että katsomme niitä ylhäältä sellaiselta korkeudelta, että emme voi erottaa yksittäisiä juoksijoita, mutta näemme vain kirjavan täplän. Onko mahdollista puhua tämän pisteen liikkeen nopeudesta kokonaisuutena? Se on mahdollista, mutta vain jos se ei ole kovin epäselvä, kun eriväristen juoksijoiden nopeuksien ero on pieni. Muuten paikka voi venyä koko radan pituudelta ja kysymys sen nopeudesta menettää merkityksensä. Tämä vastaa voimakasta dispersiota - suurta nopeuksien leviämistä. Jos juoksijat ovat pukeutuneet melkein samanvärisiin neuleisiin, jotka eroavat vain sävyissä (esimerkiksi tummanpunaisesta vaaleanpunaiseen), tämä vastaa kapea-alaista tilannetta. Silloin juoksijoiden nopeudet eivät juuri eroa, ryhmä pysyy liikkeen aikana melko kompaktina ja sitä voidaan luonnehtia hyvin määritellyllä nopeuden arvolla, jota kutsutaan ryhmänopeudeksi.

Bose-Einsteinin tilastot. Tämä on yksi niin sanotun kvanttitilaston tyypeistä - teoria, joka kuvaa sellaisten järjestelmien tilaa, jotka sisältävät erittäin suuren määrän kvanttimekaniikan lakeja noudattavia hiukkasia.

Kaikki hiukkaset - sekä atomin sisällä olevat että vapaat - on jaettu kahteen luokkaan. Yhdelle niistä pätee Paulin poissulkemisperiaate, jonka mukaan kullakin energiatasolla ei voi olla enempää kuin yksi hiukkanen. Tämän luokan hiukkasia kutsutaan fermioneiksi (näitä ovat elektronit, protonit ja neutronit; samaan luokkaan kuuluvat hiukkaset, jotka koostuvat parittomasta määrästä fermioneja), ja niiden jakautumislakia kutsutaan Fermi-Dirac-tilastoksi. Toisen luokan hiukkasia kutsutaan bosoneiksi, eivätkä ne noudata Paulin periaatetta: yhdelle energiatasolle voi kertyä rajaton määrä bosoneja. Tässä tapauksessa puhutaan Bose-Einsteinin tilastoista. Bosoneihin kuuluu fotoneja, joitain lyhytikäisiä alkuainehiukkasia (esimerkiksi pi-mesoneja) sekä atomeja, jotka koostuvat parillisesta määrästä fermioneja. Hyvin matalat lämpötilat bosonit kerätään alimmalla - perusenergiatasolla; Sitten sanotaan Bose-Einsteinin kondensaatiota tapahtuvan. Kondensaatin atomit menettävät yksilölliset ominaisuutensa ja useat miljoonat niistä alkavat käyttäytyä kokonaisuutena, niiden aaltofunktiot sulautuvat yhteen ja käyttäytymistä kuvataan yhdellä yhtälöllä. Näin voidaan sanoa, että kondensaatin atomeista on tullut koherentteja, kuten lasersäteilyn fotoneja. US National Institute of Standards and Technology -instituutin tutkijat ovat käyttäneet tätä Bose-Einstein-kondensaatin ominaisuutta luodakseen "atomilaserin" (katso "Science and Life" nro 10, 1997).

Itse aiheutettu läpinäkyvyys. Tämä on yksi epälineaarisen optiikan - voimakkaiden valokenttien optiikka - vaikutuksista. Se koostuu siitä, että erittäin lyhyt ja voimakas valopulssi kulkee vaimentamatta jatkuvaa säteilyä tai pitkiä pulsseja absorboivan väliaineen läpi: läpinäkymätön väliaine tulee sille läpinäkyväksi. Itse aiheutettua läpinäkyvyyttä havaitaan harvinaisissa kaasuissa, joiden pulssin kesto on luokkaa 10-7 - 10-8 s, ja kondensoituneessa väliaineessa - alle 10-11 s. Tässä tapauksessa pulssin viive tapahtuu - sen ryhmänopeus pienenee huomattavasti. McCall ja Hahn osoittivat tämän vaikutuksen ensimmäisen kerran vuonna 1967 rubiinilla 4 K:n lämpötilassa. Vuonna 1970 rubidiumhöyryssä saatiin viiveitä, jotka vastaavat kolme suuruusluokkaa (1000 kertaa) pienempiä pulssinopeuksia kuin valon nopeus vuonna 1970. tyhjiö.

Käännytään nyt asiaan ainutlaatuinen kokeilu 1999. Sen suorittivat Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Rowland Institute) ja Steve Harris (Stanfordin yliopisto). Ne jäähdyttivät magneettikentän pitämää tiheää natriumatomipilveä, kunnes ne siirtyivät perustilaan - tasolle, jolla oli alhaisin energia. Tässä tapauksessa eristettiin vain ne atomit, joissa magneettinen dipolimomentti oli suunnattu vastakkaiseen suuntaan magneettikenttä. Sitten tutkijat jäähdyttivät pilven alle 435 nK:iin (nanokelvinit eli 0,000000435 K, lähes absoluuttiseen nollaan).

Sen jälkeen kondensaatti valaistiin lineaarisesti polarisoidun laservalon "sidossäteellä", jonka taajuus vastasi sen heikon virityksen energiaa. Atomit siirtyivät korkeammalle energiatasolle ja lakkasivat absorboimasta valoa. Tämän seurauksena kondensaatti muuttui läpinäkyväksi seuraavalle lasersäteilylle. Ja täällä ilmestyi hyvin outoja ja epätavallisia vaikutuksia. Mittaukset ovat osoittaneet, että tietyissä olosuhteissa Bose-Einstein-kondensaatin läpi kulkeva pulssi kokee viiveen, joka vastaa valon hidastumista yli seitsemän suuruusluokkaa - 20 miljoonaa kertaa. Valopulssin nopeus hidastui 17 m/s:iin ja sen pituus pieneni useita kertoja - jopa 43 mikrometriin.

Tutkijat uskovat, että välttämällä kondensaatin laserkuumennusta he pystyvät hidastamaan valoa entisestään - ehkä useiden senttimetrien sekunnissa nopeuteen.

Tällaisilla epätavallisilla ominaisuuksilla varustettu järjestelmä mahdollistaa aineen kvanttioptisten ominaisuuksien tutkimisen sekä tulevaisuuden kvanttitietokoneiden erilaisten laitteiden, esimerkiksi yksifotonikytkimien, luomisen.

Valon nopeus tyhjiössä- sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeuden itseisarvo tyhjiössä. Fysiikassa sitä merkitään latinalaisella kirjaimella c.
Valon nopeus tyhjiössä on perusvakio, riippumaton inertiaalisen viitekehyksen valinnasta.
Määritelmän mukaan se on täsmälleen 299 792 458 m/s (arvioitu arvo 300 tuhatta km/s).
Erityisen suhteellisuusteorian mukaan on energiaa ja tietoa välittävien fyysisten vuorovaikutusten enimmäisnopeus.

Miten valon nopeus määritetään?

Valon nopeus määritettiin ensimmäisen kerran vuonna 1676 O. K. Römer muuttamalla Jupiterin satelliittien pimennysten välisiä aikavälejä.

Vuonna 1728 sen asensi J. Bradley, joka perustuu hänen havaintoihinsa tähtien valon poikkeavuudesta.

Vuonna 1849 A. I. L. Fizeau hän oli ensimmäinen, joka mittasi valon nopeuden ajan perusteella, joka kuluu valolta kulkeakseen tarkasti tunnetun matkan (kanta); koska ilman taitekerroin poikkeaa hyvin vähän arvosta 1, maapohjaiset mittaukset antavat arvon, joka on hyvin lähellä s.
Fizeaun kokeessa valonsäde lähteestä S, heijastuu puoliläpinäkyvästä peilistä N, katkaisi ajoittain pyörivän hammaskiekon W, ohitti kannan MN (noin 8 km) ja heijastuu peilistä M palasi peiliin. levy. Kun valo osui hampaan, valo ei päässyt tarkkailijaan ja hampaiden väliseen rakoon pudonnut valo oli havaittavissa okulaarin E kautta. Valon kulkuaika pohjan läpi määritettiin tunnetusta kiekosta. pyörimisnopeudet. Fizeau sai arvon c = 313 300 km/s.

Vuonna 1862 J. B. L. Foucault toteutti D. Aragon vuonna 1838 ilmaiseman idean käyttämällä nopeasti pyörivää (512 rpm) peiliä hammastetun kiekon sijaan. Peilistä heijastuen valonsäde suuntautui alustaan ​​ja palattuaan putosi jälleen samaan peiliin, joka ehti kääntyä tietyn pienen kulman läpi. Vain 20 metrin pohjalla Foucault havaitsi, että nopeus valon nopeus on 29800080 ± 500 km/s. Fizeaun ja Foucault'n kokeiden kaavioita ja perusideoita käytettiin toistuvasti myöhemmissä töissä määrittämään s.