Muhitda yorug'lik tezligi qanday? Yorug'lik tezligi qanday o'lchandi va uning haqiqiy qiymati qanday?

> Yorug'lik tezligi

Qaysi birini aniqlang yorug'lik tezligi vakuumda fizikada asosiy konstanta hisoblanadi. Yorug'likning tarqalish tezligi m/s nima ekanligini, qonunni, o'lchov formulasini o'qing.

Vakuumdagi yorug'lik tezligi- fizikadagi asosiy konstantalardan biri.

O'quv maqsadi

Yorug'lik tezligini muhitning sindirish ko'rsatkichi bilan solishtiring.

Asosiy fikrlar

Yorug'lik tezligining maksimal mumkin bo'lgan ko'rsatkichi vakuumdagi yorug'likdir (o'zgarmagan).
C - vakuumdagi yorug'lik tezligining belgisi. 299 792 458 m/s ga etadi.
Yorug'lik muhitga kirganda, uning tezligi sinishi tufayli sekinlashadi. v = c/n formulasi yordamida hisoblangan.

Shartlar

Yorug'likning maxsus tezligi: nisbiylik printsipi va yorug'lik tezligining doimiyligini muvofiqlashtirish.
Sinishi indeksi - havodagi / vakuumdagi yorug'lik tezligining boshqa muhitga nisbati.

Yorug'lik tezligi

Yorug'lik tezligi biror narsani juda tez deb belgilash uchun taqqoslash nuqtasi sifatida ishlaydi. Lekin bu nima?

Yorug'lik nuri Yerdan Oyga yorug'lik impulsining o'tishi uchun zarur bo'lgan vaqt oralig'ida harakat qiladi - o'rtacha orbital masofada 1,255 s.

Javob oddiy: biz fotonlar va yorug'lik zarralarining tezligi haqida gapiramiz. Yorug'lik tezligi qanday? Vakuumdagi yorug'lik tezligi 299 792 458 m / s ga etadi. Bu fizikaning turli sohalarida qo'llaniladigan universal doimiydir.

E = mc 2 tenglamani olaylik (E - energiya va m - massa). Bu yorug'lik tezligidan fazo va vaqtni bog'lash uchun foydalanadigan massa-energiya ekvivalentidir. Bu erda siz nafaqat energiya uchun tushuntirishni topishingiz, balki tezlikka to'siqlarni ham aniqlashingiz mumkin.

Vakuumdagi yorug'likning to'lqin tezligi turli maqsadlar uchun faol ishlatiladi. Masalan, in maxsus nazariya nisbiylik bu tabiiy tezlik chegarasi ekanligini ko'rsatadi. Lekin biz bilamizki, tezlik vosita va sinishiga bog'liq:

v = c/n (v - muhitdan o'tadigan yorug'likning haqiqiy tezligi, c - vakuumdagi yorug'lik tezligi va n - sindirish ko'rsatkichi). Havoning sindirish ko'rsatkichi 1,0003, ko'rinadigan yorug'lik tezligi esa s dan 90 km/s sekinroq.

Lorents koeffitsienti

Tez harakatlanuvchi ob'ektlar klassik mexanikaning pozitsiyasiga zid bo'lgan ma'lum xususiyatlarni ko'rsatadi. Misol uchun, uzoq aloqalar va vaqt kengaymoqda. Odatda bu effektlar minimal, lekin bunday yuqori tezlikda ko'proq ko'rinadi. Lorentz koeffitsienti (g) vaqtni kengaytirish va uzunlik qisqarishi sodir bo'ladigan omil:

g = (1 - v 2 /c 2) -1/2 g = (1 - v 2 /c 2) -1/2 g = (1 - v 2 /c 2) -1/2.

Past tezlikda v 2 /c 2 0 ga yaqinlashadi va g taxminan = 1. Biroq tezlik c ga yaqinlashganda, g cheksizlikka oshadi.

Yorug'lik tezligi hozirgi kunga qadar ma'lum bo'lgan eng noodatiy o'lchov miqdoridir. Yorug'likning tarqalishi hodisasini tushuntirishga harakat qilgan birinchi odam Albert Eynshteyn edi. U mashhur formulani o'ylab topdi E = mc² , Qayerda E tananing umumiy energiyasi, m- massa, va c- vakuumdagi yorug'lik tezligi.

Formula birinchi marta 1905 yilda Annalen der Physik jurnalida nashr etilgan. Taxminan bir vaqtning o'zida Eynshteyn mutlaq tezlikda harakatlanadigan jism bilan nima sodir bo'lishi haqida nazariyani ilgari surdi. Yorug'lik tezligi doimiy miqdor ekanligiga asoslanib, u fazo va vaqt o'zgarishi kerak degan xulosaga keldi.

Shunday qilib, yorug'lik tezligida ob'ekt cheksiz qisqaradi, uning massasi cheksiz ko'payadi va vaqt amalda to'xtaydi.

1977 yilda yorug'lik tezligini hisoblash mumkin edi, bu raqam sekundiga 299,792,458 ± 1,2 metrni tashkil etdi. Qo'pol hisob-kitoblar uchun har doim 300 000 km / s qiymati qabul qilinadi. Aynan shu qiymatdan boshqa barcha kosmik o'lchovlar asoslanadi. Shunday qilib, "yorug'lik yili" va "parsek" (3,26 yorug'lik yili) tushunchalari paydo bo'ldi.

Yorug'lik tezligida harakat qilish mumkin emas, uni engish kamroq. Hech bo'lmaganda bu bosqichda insoniyatning rivojlanishi. Boshqa tomondan, fantast yozuvchilar bu muammoni taxminan 100 yil davomida o'z romanlari sahifalarida hal qilishga harakat qilmoqdalar. Ehtimol, bir kun kelib ilmiy fantastika haqiqatga aylanadi, chunki 19-asrda Jyul Vern vertolyot, samolyot va elektr stulning paydo bo'lishini bashorat qilgan, keyin esa bu sof ilmiy fantastika edi!

Maktab kunlarimizdan beri biz Eynshteyn qonunlariga ko'ra yorug'lik tezligi koinotdagi engib bo'lmaydigan maksimal tezlik ekanligini bilamiz. Yorug'lik Quyoshdan Yergacha bo'lgan masofani 8 daqiqada bosib o'tadi, bu taxminan 150 000 000 km. Neptunga yetib borish uchun bor-yo‘g‘i 6 soat vaqt ketadi, biroq kosmik kemalar bunday masofalarni bosib o‘tish uchun o‘nlab yillar kerak bo‘ladi. Ammo tezlik qiymati yorug'lik o'tadigan muhitga qarab sezilarli darajada o'zgarishi mumkinligini hamma ham bilmaydi.

Yorug'lik tezligi formulasi

Yorug'likning vakuumdagi tezligini (c ≈ 3*10 8 m/s) bilgan holda, biz uni boshqa muhitlarda ularning sindirish ko'rsatkichi n ga qarab aniqlashimiz mumkin. Yorug'lik tezligi formulasining o'zi fizikadagi mexanika qonunlariga, aniqrog'i, vaqt va ob'ekt tezligidan foydalangan holda masofani aniqlashga o'xshaydi.

Misol uchun, biz sinishi indeksi 1,5 bo'lgan oynani olamiz. Yorug'lik tezligi v = c \ n formulasidan foydalanib, biz ushbu muhitdagi tezlik taxminan 200 000 km / s ekanligini aniqlaymiz. Agar suv kabi suyuqlikni oladigan bo'lsak, undagi fotonlarning (yorug'lik zarralari) tarqalish tezligi 1,33 sinishi ko'rsatkichi bilan 226 000 km / s ga teng.

Havodagi yorug'lik tezligi formulasi

Havo ham vositadir. Binobarin, agar vakuumda fotonlar o'z yo'lida to'siqlarga duch kelmasa, ular muhitda atom zarralarini hayajonlantiradigan vaqtni o'tkazadilar. Atrof-muhit qanchalik zichroq bo'lsa, bu juda hayajon uchun ko'proq vaqt kerak bo'ladi. Havodagi sindirish ko'rsatkichi (n) 1,000292 ga teng. Va bu 299 792 458 m / s chegarasidan uzoq emas.

Amerikalik olimlar yorug'lik tezligini deyarli nolga tushirishga muvaffaq bo'lishdi. 1/299 792 458 sek dan ortiq. yorug'lik tezlikni yengib chiqa olmaydi. Gap shundaki, yorug'lik rentgen nurlari, radio to'lqinlari yoki issiqlik bilan bir xil elektromagnit to'lqindir. Faqatgina farq to'lqin uzunligi va chastota o'rtasidagi farqdir.

Qizig'i shundaki, fotonning massasi yo'q va bu bu zarracha uchun vaqt yo'qligini ko'rsatadi. Oddiy qilib aytganda, bir necha million, hatto milliardlab yillar oldin tug'ilgan foton uchun bir soniya ham vaqt o'tmagan.

O‘tgan bahorda butun dunyo bo‘ylab ilmiy va ilmiy-ommabop jurnallar shov-shuvli yangiliklarni e’lon qildi. Amerikalik fiziklar noyob tajriba o'tkazdilar: ular yorug'lik tezligini soniyasiga 17 metrgacha kamaytirishga muvaffaq bo'lishdi.

Yorug'lik juda katta tezlikda - sekundiga deyarli 300 ming kilometr tezlikda harakatlanishini hamma biladi. Aniq qiymat uning vakuumdagi qiymati = 299792458 m/s - fundamental jismoniy doimiy. Nisbiylik nazariyasiga ko'ra, bu maksimaldir mumkin bo'lgan tezlik signal uzatish.

Har qanday shaffof muhitda yorug'lik sekinroq tarqaladi. Uning v tezligi muhitning n sindirish ko'rsatkichiga bog'liq: v = c/n. Havoning sinishi ko'rsatkichi 1,0003, suvniki - 1,33, har xil turdagi shishalar - 1,5 dan 1,8 gacha. Eng biri katta qiymatlar Olmosning sinishi ko'rsatkichi 2,42 ni tashkil qiladi. Shunday qilib, oddiy moddalardagi yorug'lik tezligi 2,5 baravardan oshmaydi.

1999 yil boshida Roulend institutidan bir guruh fiziklar ilmiy tadqiqot Garvard universitetida (Massachusets, AQSH) va Stenford universitetlarida (Kaliforniya) makroskopik fanlarni oʻrgangan. kvant effekti- normal sharoitda shaffof bo'lmagan muhit orqali lazer impulslarini o'tkazish, o'z-o'zidan paydo bo'lgan shaffoflik. Bu muhit Bose-Eynshteyn kondensati deb ataladigan maxsus holatdagi natriy atomlari edi. Lazer impulsi bilan nurlantirilganda, u vakuumdagi tezlik bilan solishtirganda pulsning guruh tezligini 20 million marta kamaytiradigan optik xususiyatlarga ega bo'ladi. Tajribachilar yorug'lik tezligini 17 m/s ga oshirishga muvaffaq bo'lishdi!

Ushbu noyob tajribaning mohiyatini tavsiflashdan oldin, ba'zi fizik tushunchalarning ma'nosini eslaylik.

Guruh tezligi. Yorug'lik muhitda tarqalganda, ikkita tezlik farqlanadi: faza va guruh. Faza tezligi vf ideal monoxromatik to'lqin - qat'iy bir chastotali cheksiz sinus to'lqin fazasining harakatini tavsiflaydi va yorug'lik tarqalish yo'nalishini belgilaydi. Muhitdagi faza tezligi fazaning sinishi indeksiga mos keladi - qiymatlari turli moddalar uchun o'lchanadigan bir xil. Fazaning sinishi indeksi va shuning uchun faza tezligi to'lqin uzunligiga bog'liq. Bu qaramlik dispersiya deb ataladi; u, xususan, prizma orqali o'tuvchi oq yorug'likning spektrga parchalanishiga olib keladi.

Lekin haqiqiy yorug'lik to'lqini ma'lum bir spektral intervalda guruhlangan turli chastotali to'lqinlar to'plamidan iborat. Bunday to'plam to'lqinlar guruhi, to'lqin paketi yoki yorug'lik impulsi deb ataladi. Bu to'lqinlar dispersiya tufayli muhitda turli faza tezligida tarqaladi. Bunday holda, impuls cho'ziladi va uning shakli o'zgaradi. Shuning uchun impulsning harakatini, yaxlit to'lqinlar guruhini tasvirlash uchun guruh tezligi tushunchasi kiritiladi. Bu faqat tor spektrda va zaif dispersiyaga ega muhitda, alohida komponentlarning faza tezligidagi farq kichik bo'lganda mantiqiy bo'ladi. Vaziyatni yaxshiroq tushunish uchun biz aniq o'xshatishimiz mumkin.

Tasavvur qilaylik, yetti nafar sportchi spektr ranglariga ko‘ra turli rangdagi trikotaj kiyimlarda: qizil, to‘q sariq, sariq va h.k.lar kiyib, start chizig‘ida saf tortgan holda, boshlang‘ich to‘pponcha signali bilan ular bir vaqtning o‘zida yugurishni boshlaydilar, lekin “qizil” ” sportchi "to'q sariq" dan tezroq yuguradi, "apelsin" "sariq" dan tezroq va hokazo, shuning uchun ular uzunligi doimiy ravishda oshib boruvchi zanjirga cho'ziladi. Endi tasavvur qiling-a, biz ularga shunday balandlikdan qarayapmizki, biz alohida yuguruvchilarni ajrata olmaymiz, shunchaki rang-barang dog'ni ko'ramiz. Umuman olganda, bu nuqtaning harakat tezligi haqida gapirish mumkinmi? Bu mumkin, lekin juda loyqa bo'lmasa, turli xil rangdagi yuguruvchilarning tezligidagi farq kichik bo'lsa. Aks holda, nuqta marshrutning butun uzunligi bo'ylab cho'zilishi mumkin va uning tezligi haqidagi savol ma'nosini yo'qotadi. Bu kuchli dispersiyaga mos keladi - tezliklarning katta tarqalishi. Agar yuguruvchilar deyarli bir xil rangdagi trikotaj kiyimlarda kiyinsa, faqat soyalarda farqlanadi (aytaylik, to'q qizildan och qizil ranggacha), bu tor doiradagi holatga mos keladi. Keyin yuguruvchilarning tezligi unchalik farq qilmaydi, guruh harakatlanayotganda juda ixcham bo'lib qoladi va tezlikning juda aniq qiymati bilan tavsiflanishi mumkin, bu guruh tezligi deb ataladi.

Bose-Eynshteyn statistikasi. Bu kvant statistikasi deb ataladigan turlaridan biri - kvant mexanikasi qonunlariga bo'ysunadigan juda ko'p sonli zarralarni o'z ichiga olgan tizimlar holatini tavsiflovchi nazariya.

Barcha zarralar - atom tarkibidagi va erkin zarralar ikki sinfga bo'linadi. Ulardan biri uchun Pauli istisno printsipi amal qiladi, unga ko'ra har bir energiya darajasida bir nechta zarracha bo'lishi mumkin emas. Bu sinfga kiruvchi zarralar fermionlar (bular elektronlar, protonlar va neytronlar; bir xil sinfga toq sonli fermionlardan tashkil topgan zarralar kiradi) va ularning tarqalish qonuni Fermi-Dirak statistikasi deb ataladi. Boshqa sinf zarralari bozonlar deb ataladi va Pauli printsipiga bo'ysunmaydi: bir energiya darajasida cheksiz miqdordagi bozonlar to'planishi mumkin. Bu holda biz Bose-Eynshteyn statistikasi haqida gapiramiz. Bozonlarga fotonlar, baʼzi qisqa muddatli elementar zarrachalar (masalan, pi-mezonlar), shuningdek, juft sonli fermionlardan tashkil topgan atomlar kiradi. Juda past haroratlar bozonlar eng past - fundamental - energiya darajasida yig'iladi; keyin Bose-Eynshteyn kondensatsiyasi sodir bo'ladi, deyishadi. Kondensat atomlari o'zlarining individual xususiyatlarini yo'qotadilar va ularning bir necha millionlari birdek harakat qila boshlaydi, ularning to'lqin funktsiyalari birlashadi va ularning xatti-harakati bitta tenglama bilan tavsiflanadi. Bu kondensat atomlari lazer nurlanishidagi fotonlar kabi kogerent bo'lib qolgan, deyishga imkon beradi. Amerika Milliy Standartlar va Texnologiyalar Instituti tadqiqotchilari Bose-Eynshteyn kondensatining ushbu xususiyatidan "atom lazer" yaratish uchun foydalanganlar (qarang: Science and Life № 10, 1997).

O'z-o'zidan paydo bo'lgan shaffoflik. Bu chiziqli bo'lmagan optikaning ta'siridan biri - kuchli yorug'lik maydonlarining optikasi. Bu juda qisqa va kuchli yorug'lik impulsi uzluksiz nurlanish yoki uzoq impulslarni o'zlashtiradigan muhit orqali zaiflashmasdan o'tishidan iborat: shaffof bo'lmagan muhit unga shaffof bo'ladi. O'z-o'zidan paydo bo'ladigan shaffoflik siyrak gazlarda impuls davomiyligi 10-7 - 10-8 s va kondensatsiyalangan muhitda - 10-11 s dan kam kuzatiladi. Bunday holda, pulsning kechikishi sodir bo'ladi - uning guruh tezligi juda kamayadi. Bu ta'sir birinchi marta 1967 yilda MakKall va Xan tomonidan yoqutda 4 K haroratda ko'rsatildi. 1970 yilda rubidiyda vakuumdagi yorug'lik tezligidan uch darajali (1000 marta) impuls tezligiga mos keladigan kechikishlar olingan. bug '.

Keling, endi unga murojaat qilaylik noyob tajriba 1999 yil. U Len Vestergaard Xou, Zakari Dutton, Sayrus Berusi (Rowland instituti) va Stiv Xarris (Stenford universiteti) tomonidan amalga oshirilgan. Ular natriy atomlarining zich, magnitlangan bulutini eng past energiya darajasiga qaytguncha sovutdilar. Bunday holda, faqat magnit dipol momenti yo'nalishga qarama-qarshi bo'lgan atomlar ajratilgan. magnit maydon. Keyin tadqiqotchilar bulutni 435 nK (nanokelvin yoki 0,000000435 K, deyarli mutlaq nolga teng) dan kamroq darajada sovutdilar.

Shundan so'ng, kondensat zaif qo'zg'alish energiyasiga mos keladigan chastotali chiziqli polarizatsiyalangan lazer nurining "birlashtiruvchi nuri" bilan yoritilgan. Atomlar yuqoriga ko'tarildi energiya darajasi va yorug'likni yutishni to'xtatdi. Natijada, kondensat quyidagi lazer nurlanishiga shaffof bo'ldi. Va bu erda juda g'alati va g'ayrioddiy effektlar paydo bo'ldi. O'lchovlar shuni ko'rsatdiki, ma'lum sharoitlarda Bose-Eynshteyn kondensatidan o'tadigan impuls yorug'likning etti kattalikdan ko'proq sekinlashishiga mos keladigan kechikishni boshdan kechiradi - 20 million omil. Yorug'lik impulsining tezligi 17 m/s gacha sekinlashdi va uning uzunligi bir necha marta - 43 mikrometrga qisqardi.

Tadqiqotchilarning fikricha, kondensatning lazer bilan qizdirilishiga yo‘l qo‘ymaslik orqali ular yorug‘likni yanada sekinlashtirishi mumkin – ehtimol soniyasiga bir necha santimetr tezlikka.

Bunday g'ayrioddiy xususiyatlarga ega tizim materiyaning kvant optik xususiyatlarini o'rganish, shuningdek, kelajakdagi kvant kompyuterlari uchun turli xil qurilmalar, masalan, bitta fotonli kalitlarni yaratish imkonini beradi.

Vakuumdagi yorug'lik tezligi- elektromagnit to'lqinlarning vakuumda tarqalish tezligining mutlaq qiymati. Fizikada u lotin harfi bilan belgilanadi c.
Vakuumdagi yorug'lik tezligi asosiy doimiydir, inertial sanoq sistemasini tanlashdan mustaqil.
Ta'rifga ko'ra, bu aniq 299 792 458 m/s (taxminan qiymati 300 ming km/s).
Maxsus nisbiylik nazariyasiga ko'ra, bu energiya va axborotni uzatuvchi har qanday jismoniy o'zaro ta'sirlarning tarqalishi uchun maksimal tezlik.

Yorug'lik tezligi qanday aniqlangan?

Birinchi marta yorug'lik tezligi aniqlandi 1676 yil O. K. Roemer Yupiter sun'iy yo'ldoshlarining tutilishi orasidagi vaqt oralig'idagi o'zgarishlar bilan.

1728 yilda J. Bredli tomonidan o'rnatildi, uning yulduz yorug'lik aberrations kuzatishlariga asoslangan.

1849 yilda A. I. L. Fizeau birinchi bo'lib yorug'lik tezligini yorug'likning aniq ma'lum masofani bosib o'tish vaqti (tayanch) bo'yicha o'lchagan; Havoning sinishi indeksi 1 dan juda kam farq qilganligi sababli, yerga asoslangan o'lchovlar c ga juda yaqin qiymat beradi.
Fizo tajribasida shaffof ko‘zgu N orqali aks ettirilgan S manbadan kelayotgan yorug‘lik dastasi aylanuvchi tishli disk W tomonidan davriy ravishda uzilib, MN asosidan (taxminan 8 km) o‘tib, M ko‘zgudan aks ettirilib, yana qaytib, tsilindrga qaytdi. disk. Yorug'lik tishga tushganda, u kuzatuvchiga etib bormadi va tishlar orasidagi bo'shliqqa tushgan yorug'likni okulyar E orqali kuzatish mumkin edi. Diskning ma'lum aylanish tezligiga asoslanib, yorug'lik to'g'ri keladigan vaqt. baza bo'ylab sayohat belgilandi. Fizeau c = 313300 km/s qiymatini oldi.

1862 yilda J. B. L. Fuko 1838 yilda D. Arago tomonidan bildirilgan g'oyani tishli disk o'rniga tez aylanadigan (512 r/s) oynadan foydalangan holda amalga oshirdi. Ko'zgudan aks ettirilgan yorug'lik nuri poydevorga yo'naltirildi va qaytib kelganida, ma'lum bir kichik burchak orqali aylanishga ulgurgan o'sha oynaga tushdi. Faqatgina 20 m poydevor bilan Fuko tezlikni aniqladi yorug'lik 29800080 ± 500 km / s ga teng. Fizo va Fuko tajribalarining sxemalari va asosiy g'oyalari s ning ta'rifi bo'yicha keyingi ishlarda qayta-qayta qo'llanilgan.