매질에서 빛의 속도는 얼마입니까? 빛의 속도는 어떻게 측정되었으며 실제 값은 얼마입니까?

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어느 것을 알아보세요 빛의 속도진공에서는 물리학의 기본 상수입니다. 빛의 속도 m / s, 법칙, 측정 공식이 무엇인지 읽어보십시오.

진공에서의 빛의 속도물리학의 기본 상수 중 하나입니다.

학습 과제

빛의 속도와 매질의 굴절률을 비교해 보세요.

키 포인트

광속의 가능한 최대 지표는 진공에서의 빛(일정)입니다.
C는 진공에서의 빛의 속도를 나타내는 기호이다. 299,792,458m/s에 도달합니다.
빛이 매질에 닿으면 굴절로 인해 속도가 느려집니다. 공식 v = c/n으로 계산됩니다.

자귀

빛의 특수 속도: 상대성 원리와 빛 속도 불변성의 조화.
굴절률은 공기/진공에서 빛의 속도와 다른 매체의 비율입니다.

빛의 속도

빛의 속도는 어떤 것을 극도로 빠르다고 정의하는 비교점 역할을 합니다. 하지만 그것은 무엇입니까?

광선은 평균 궤도 거리에서 1.255초인 광 펄스 통과에 필요한 시간 간격으로 지구에서 달로 이동합니다.

대답은 간단합니다. 우리는 광자와 빛 입자의 속도에 대해 이야기하고 있습니다. 빛의 속도는 얼마입니까? 진공에서의 빛의 속도는 299,792,458m/s에 이릅니다. 이는 다양한 물리학 분야에 적용할 수 있는 보편적인 상수이다.

E = mc 2 방정식을 사용합니다(E는 에너지이고 m은 질량). 빛의 속도를 이용해 공간과 시간을 연결하는 것은 질량에너지와 같다. 여기에서 에너지에 대한 설명을 찾을 수 있을 뿐만 아니라 속도에 대한 장애물도 드러낼 수 있습니다.

진공 속에서 빛의 파동의 속도는 다양한 목적으로 활발히 활용되고 있다. 예를 들어, 특수이론상대성이론은 이것이 자연적인 속도 한계임을 나타냅니다. 그러나 우리는 속도가 매질과 굴절에 따라 다르다는 것을 알고 있습니다.

v = c/n(v는 매질을 통과하는 빛의 실제 속도, c는 진공에서의 빛의 속도, n은 굴절률). 공기의 굴절률은 1.0003이고, 가시광선의 속도는 c보다 90km/s 느립니다.

로렌츠 계수

빠르게 움직이는 물체는 고전 역학의 입장과 충돌하는 특정 특성을 보여줍니다. 예를 들어 긴 접촉과 시간이 늘어나고 있습니다. 이러한 효과는 일반적으로 미미하지만 고속에서는 더욱 두드러집니다. 로렌츠 계수(γ)는 시간 확장과 길이 수축이 발생하는 요소입니다.

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.

저속에서 v 2 /c 2 는 0에 가까워지고 γ는 대략 = 1입니다. 그러나 속도가 c에 가까워지면 γ는 무한대로 증가합니다.

빛의 속도는 현재까지 알려진 가장 특이한 측정이다. 빛의 전파 현상을 처음으로 설명하려고 시도한 사람은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이었습니다. 잘 알려진 공식을 추론한 사람은 바로 그 사람이었습니다. 이자형 = MC² , 어디 이자형신체의 총에너지이다. 중질량이고, 씨진공에서의 빛의 속도이다.

이 공식은 1905년 Annalen der Physik에 처음 발표되었습니다. 같은 시기에 아인슈타인은 절대 속도로 움직이는 물체에 어떤 일이 일어날지에 대한 이론을 제시했습니다. 그는 빛의 속도가 일정한 값이라는 사실에 기초하여 공간과 시간이 변해야 한다는 결론에 도달했습니다.

따라서 빛의 속도로 물체는 무한히 줄어들고 질량은 무한정 증가하며 시간은 사실상 멈춥니다.

1977년에는 빛의 속도를 계산하는 것이 가능해 초당 299,792,458±1.2미터라는 수치가 명명됐다. 보다 대략적인 계산을 위해 항상 300,000km/s의 값을 사용합니다. 다른 모든 우주 측정이 격퇴되는 것은 바로 이 값입니다. 이것이 "광년"과 "파섹"(3.26광년)의 개념이 나타난 방식입니다.

빛의 속도로 움직이는 것도, 게다가 그것을 극복하는 것도 불가능하다. 적어도 이 단계인류의 발전. 반면 공상과학 작가들은 약 100년 동안 소설 페이지에서 이 문제를 해결하려고 노력해 왔습니다. 아마도 언젠가는 환상이 현실이 될 것입니다. 19세기에 Jules Verne이 헬리콥터, 비행기, 전기 의자의 출현을 예측했지만 그것은 순전히 환상이었기 때문입니다!

학창 시절부터 우리는 아인슈타인의 법칙에 따르면 빛의 속도가 우주에서 극복할 수 없는 최대 속도라는 것을 알고 있습니다. 빛은 태양에서 지구까지 8분 만에 이동하는데, 그 거리는 약 1억 5천만km입니다. 해왕성에 도달하는 데는 6시간밖에 걸리지 않지만 우주선이 그러한 거리를 극복하는 데는 수십 년이 걸립니다. 그러나 빛이 통과하는 매체에 따라 속도 값이 크게 달라질 수 있다는 것을 모든 사람이 아는 것은 아닙니다.

빛의 속도 공식

진공에서 빛의 속도(c ≒ 3 * 10 8 m/s)를 알면 굴절률 n을 기준으로 다른 매체에서 빛의 속도를 결정할 수 있습니다. 빛의 속도에 대한 공식은 물리학의 역학 법칙, 또는 오히려 시간과 물체의 속도를 사용한 거리의 정의와 유사합니다.

예를 들어, 굴절률이 1.5인 유리를 생각해 보겠습니다. 빛의 속도 v = c \ n에 대한 공식에 따르면, 이 매체의 속도는 대략 200,000km / s와 같습니다. 물과 같은 액체를 취하면 그 안에 있는 광자(빛의 입자)의 전파 속도는 226,000km/s이고 굴절률은 1.33입니다.

공기 중 빛의 속도 공식

공기도 매체이다. 결과적으로 소위 진공 상태의 광자가 도중에 장애물을 만나지 않으면 매체에서 원자 입자를 여기하는 데 시간을 보냅니다. 환경이 밀도가 높을수록 이러한 흥분에 더 많은 시간이 걸립니다. 공기 중 굴절률(n)은 1.000292입니다. 그리고 이는 299,792,458m/s의 한계에서 크게 벗어나지 않습니다.

미국 과학자들은 빛의 속도를 거의 0으로 늦추는 데 성공했습니다. 1/299,792,458초보다 큼. 빛의 속도는 극복할 수 없다. 문제는 빛이 엑스레이, 전파 또는 열과 동일한 전자기파라는 것입니다. 유일한 차이점은 파장과 주파수의 차이입니다.

흥미로운 사실은 광자에 질량이 없다는 것이며 이는 이 입자에 시간이 없다는 것을 나타냅니다. 간단히 말해서, 수백만 년, 심지어 수십억 년 전에 태어난 광자에게는 단 1초의 시간도 지나지 않았습니다.

지난해 봄, 전 세계 과학잡지와 대중과학잡지에서는 깜짝 놀랄 만한 소식을 보도했다. 미국 물리학자들은 독특한 실험을 수행했습니다. 그들은 빛의 속도를 초당 17미터로 낮추는 데 성공했습니다.

빛이 초당 거의 30만 킬로미터라는 엄청난 속도로 이동한다는 것은 누구나 알고 있습니다. 정확한 값진공에서의 크기 = 299792458 m/s는 기본 물리 상수입니다. 상대성 이론에 따르면 이것은 최대이다. 가능한 속도신호 전송.

투명한 매질에서는 빛이 더 느리게 이동합니다. 속도 v는 매질 n의 굴절률에 따라 달라집니다. v = c/n. 공기의 굴절률은 1.0003, 물 - 1.33, 다양한 유형의 유리 - 1.5에서 1.8입니다. 가장 많은 것 중 하나 큰 값굴절률에는 다이아몬드가 있습니다 - 2.42. 따라서 일반 물질의 빛 속도는 2.5배 이하로 감소합니다.

1999년 초, Rowland Institute의 물리학자 그룹이 과학적 연구하버드 대학(미국 매사추세츠)과 스탠포드 대학(캘리포니아)에서 거시적인 연구를 진행했습니다. 양자 효과- 정상적인 조건에서 불투명한 매체를 통해 레이저 펄스를 통과시키는 소위 자체 유도 투명도입니다. 이 매체는 보스-아인슈타인 축합물이라고 불리는 특별한 상태의 나트륨 원자였습니다. 레이저 펄스를 조사하면 진공에서의 속도에 비해 펄스의 군속도를 2천만분의 1로 감소시키는 광학 특성을 얻습니다. 실험자들은 빛의 속도를 17m/s까지 높이는 데 성공했습니다!

이 독특한 실험의 본질을 설명하기 전에 몇 가지 물리적 개념의 의미를 떠올려 보겠습니다.

그룹 속도. 빛이 매질에서 전파되면 위상과 군이라는 두 가지 속도가 구별됩니다. 위상 속도 vph는 이상적인 단색파(단일 주파수의 무한 정현파)의 위상 이동을 특징으로 하며 빛 전파 방향을 결정합니다. 매질의 위상 속도는 위상 굴절률에 해당하며, 그 값은 다양한 물질에 대해 측정됩니다. 굴절의 위상 지수, 즉 위상 속도는 파장에 따라 달라집니다. 이러한 의존성을 분산이라고 합니다. 특히 프리즘을 통과하는 백색광이 스펙트럼으로 분해됩니다.

그러나 실제 광파는 특정 스펙트럼 간격으로 그룹화된 서로 다른 주파수의 파동 세트로 구성됩니다. 이러한 세트를 파동군, 파동 패킷 또는 광 펄스라고 합니다. 이러한 파동은 분산으로 인해 서로 다른 위상 속도를 갖는 매질에서 전파됩니다. 이 경우 펄스가 늘어나고 모양이 변경됩니다. 따라서 파동군 전체인 충격량의 움직임을 설명하기 위해 군속도라는 개념이 도입됩니다. 이는 개별 구성 요소의 위상 속도 차이가 작을 때 좁은 스펙트럼과 분산이 약한 매체의 경우에만 의미가 있습니다. 상황을 더 잘 이해하기 위해 시각적인 비유를 그릴 수 있습니다.

빨간색, 주황색, 노란색 등 스펙트럼 색상에 따라 다양한 색상의 티셔츠를 입고 출발선에 줄을 선 7명의 선수를 상상해 보세요. 출발 신호에 맞춰 동시에 달리기 시작합니다. , 그러나 "빨간색" 선수는 "주황색" 선수보다 더 빨리 달리고, "주황색"은 "노란색"보다 빠르므로 길이가 계속해서 늘어나는 사슬로 늘어납니다. 이제 우리가 개별 주자를 구별할 수 없을 정도로 높은 높이에서 그들을 바라보고 있지만 잡다한 점만 보인다고 상상해 보십시오. 이 지점 전체의 이동 속도에 대해 이야기하는 것이 가능합니까? 가능하지만 매우 흐릿하지 않고 다양한 색상의 주자들의 속도 차이가 작은 경우에만 가능합니다. 그렇지 않으면 지점이 트랙 전체 길이에 걸쳐 늘어날 수 있으며 속도 문제는 의미를 잃게 됩니다. 이는 강한 분산, 즉 속도의 큰 확산에 해당합니다. 주자가 거의 동일한 색상의 저지를 입고 음영 만 다른 경우 (예 : 진한 빨간색에서 연한 빨간색까지) 이는 좁은 스펙트럼의 경우에 해당합니다. 그러면 주자의 속도는 크게 다르지 않을 것이며 그룹은 이동 중에 매우 컴팩트하게 유지되며 그룹 속도라고 하는 잘 정의된 속도 값을 특징으로 할 수 있습니다.

보스-아인슈타인 통계. 이것은 양자 역학의 법칙을 따르는 매우 많은 수의 입자를 포함하는 시스템의 상태를 설명하는 이론인 소위 양자 통계의 유형 중 하나입니다.

모든 입자(원자로 둘러싸인 입자와 자유 입자 모두)는 두 가지 클래스로 나뉩니다. 그 중 하나의 경우 Pauli 배제 원리가 유효하며 이에 따르면 각 에너지 수준에는 입자가 두 개 이상 있을 수 없습니다. 이 클래스의 입자를 페르미온 (전자, 양성자 및 중성자입니다. 동일한 클래스에는 홀수 개의 페르미온으로 구성된 입자가 포함됨)이라고하며 분포 법칙을 Fermi-Dirac 통계라고합니다. 다른 클래스의 입자를 보존이라고 하며 파울리 원리를 따르지 않습니다. 즉, 하나의 에너지 수준에서 무제한의 보존이 축적될 수 있습니다. 이 경우에는 Bose-Einstein 통계를 사용합니다. 보존에는 광자, 수명이 짧은 일부 기본 입자(예: 파이 중간자) 및 짝수 개의 페르미온으로 구성된 원자가 포함됩니다. 매우 저온보존은 가장 낮은 기본 에너지 수준에서 수집됩니다. 그러면 보스-아인슈타인 응축이 일어난다고 합니다. 응축수의 원자는 개별 특성을 잃고 수백만 개가 전체적으로 동작하기 시작하고 파동 함수가 병합되며 동작은 하나의 방정식으로 설명됩니다. 이는 응축수의 원자가 마치 레이저 방사선의 광자처럼 응집성을 갖게 되었다고 말할 수 있게 해줍니다. 미국 국립 표준 기술 연구소(National Institute of Standards and Technology)의 연구원들은 보스-아인슈타인 응축물의 이러한 특성을 사용하여 "원자 레이저"를 만들었습니다("Science and Life" No. 10, 1997 참조).

자기 유도 투명성. 이것은 비선형 광학의 효과 중 하나, 즉 강력한 라이트 필드의 광학입니다. 매우 짧고 강력한 광 펄스가 연속 방사선이나 긴 펄스를 흡수하는 매체를 통해 감쇠 없이 통과한다는 사실로 구성됩니다. 불투명한 매체는 투명해집니다. 자체 유도 투명도는 펄스 지속 시간이 10-7 - 10-8초 정도인 희박 가스와 10-11초 미만의 응축된 매체에서 관찰됩니다. 이 경우 펄스가 지연되어 그룹 속도가 크게 감소합니다. 이 효과는 1967년 McCall과 Khan에 의해 4K 온도의 루비에 대해 처음으로 입증되었습니다. 1970년에 빛의 속도보다 3배(1000배) 낮은 펄스 속도에 해당하는 루비듐 증기에서 지연이 얻어졌습니다. 진공.

이제 다음으로 넘어가겠습니다. 독특한 실험 1999. 이 연구는 Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi(Rowland Institute) 및 Steve Harris(스탠포드 대학교)가 수행했습니다. 그들은 자기장에 의해 유지되는 조밀한 나트륨 원자 구름을 바닥 상태로 전환될 때까지, 즉 에너지가 가장 낮은 수준으로 냉각했습니다. 이 경우 자기 쌍극자 모멘트가 자기 쌍극자 모멘트 방향과 반대 방향으로 향하는 원자만 분리되었습니다. 자기장. 그런 다음 연구원들은 구름을 435nK(나노켈빈, 즉 0.000000435K, 거의 절대 영도) 미만으로 냉각했습니다.

그 후, 응축수는 약한 여기 에너지에 해당하는 주파수를 갖는 선형 편광 레이저 광의 "결합 빔"으로 조명되었습니다. 원자는 더 높은 에너지 수준으로 이동하고 빛 흡수를 중단했습니다. 그 결과, 응축수는 다음 레이저 방사선에 투명해졌습니다. 그리고 여기에 매우 이상하고 특이한 효과가 나타났습니다. 측정 결과에 따르면 특정 조건에서 보스-아인슈타인 응축물을 통과하는 펄스는 빛의 속도가 7배 이상(2천만 번) 느려지는 데 따른 지연이 발생하는 것으로 나타났습니다. 광 펄스의 속도는 17m/s로 느려졌고, 길이는 최대 43마이크로미터까지 여러 배 감소했습니다.

연구자들은 응축수의 레이저 가열을 피함으로써 빛을 훨씬 더 느리게 할 수 있을 것이라고 믿습니다. 아마도 초당 수 센티미터의 속도로 말이죠.

이러한 특이한 특성을 가진 시스템을 사용하면 물질의 양자 광학적 특성을 연구할 수 있을 뿐만 아니라 단일 광자 스위치와 같은 미래의 양자 컴퓨터를 위한 다양한 장치를 만드는 것도 가능해집니다.

진공에서의 빛의 속도-진공에서 전자기파 전파 속도의 절대 값. 물리학에서는 라틴 문자로 표시됩니다. 씨.
진공에서 빛의 속도는 기본 상수이다. 관성 기준계 선택과 무관.
정의에 의하면 그것은 바로 299,792,458m/s(대략 30만km/s).
특수 상대성 이론에 따르면, 에너지와 정보를 전달하는 물리적 상호작용의 전파에 대한 최대 속도.

빛의 속도는 어떻게 결정됩니까?

빛의 속도는 19세기에 처음으로 결정되었다. 1676 O. K. 뢰머목성 위성의 일식 사이의 시간 간격을 변경함으로써.

1728년 J. 브래들리에 의해 설치되었습니다., 항성광의 수차에 대한 그의 관찰을 바탕으로.

1849년 A. I. L. 피조그는 빛이 정확하게 알려진 거리(베이스)를 이동하는 데 걸리는 시간까지 빛의 속도를 측정한 최초의 사람이었습니다. 공기의 굴절률은 1과 거의 다르지 않기 때문에 지상 기반 측정은 s에 매우 가까운 값을 제공합니다.
Fizeau의 실험에서 광원 S에서 나온 광선은 반투명 거울 N에 의해 반사되어 회전하는 톱니 디스크 W에 의해 주기적으로 차단되고 베이스 MN(약 8km)을 통과한 다음 거울 M에서 반사되어 다시 원반으로 돌아옵니다. 디스크. 빛이 치아에 닿았을 때 빛은 관찰자에게 도달하지 않았고, 치아 사이의 틈새로 떨어진 빛은 접안렌즈 E를 통해 관찰될 수 있었습니다. 빛이 베이스를 통과하는 시간은 알려진 디스크로부터 결정되었습니다. 회전 속도. Fizeau는 c = 313,300km/s 값을 얻었습니다.

1862년 J. B. L. 푸코톱니형 디스크 대신 빠르게 회전하는(512rpm) 거울을 사용하여 1838년에 표현된 D. Arago의 아이디어를 실현했습니다. 거울에서 반사된 빛의 광선은 베이스를 향하고 돌아오자마자 동일한 거울에 다시 떨어지며 특정 작은 각도를 회전할 시간이 있었습니다. 푸코는 밑면이 20m에 불과한 경우 속도가 다음과 같다는 것을 발견했습니다. 빛의 속도는 29800080 ± 500km/s입니다. Fizeau와 Foucault의 실험 계획과 기본 아이디어는 s를 결정하기 위해 후속 작업에서 반복적으로 사용되었습니다.