Vakuumda yorug'likning tarqalish tezligi quyidagilarga bog'liq. Superluminal tezlik mumkinmi?
Qanday o'lchash kerakligi, shuningdek, yorug'lik tezligi qanday mavzu olimlarni antik davrlardan beri qiziqtiradi. Bu qadim zamonlardan beri ilmiy munozaralar ob'ekti bo'lgan juda qiziqarli mavzu. Bunday tezlik cheklangan, erishib bo'lmaydigan va doimiy ekanligiga ishoniladi. U cheksizlik kabi erishib bo'lmaydigan va doimiydir. Biroq, bu cheklangan. Bu qiziqarli fizik va matematik jumboq bo'lib chiqadi. Bu muammoning bitta yechimi bor. Axir, yorug'lik tezligini hali ham o'lchashga muvaffaq bo'ldi.
Qadim zamonlarda mutafakkirlar bunga ishonishgan yorug'lik tezligi cheksiz miqdordir. Ushbu ko'rsatkichning birinchi bahosi 1676 yilda berilgan. Olaf Remer. Uning hisob-kitoblariga ko'ra, yorug'lik tezligi taxminan 220 000 km / s edi. Bu unchalik emas edi aniq qiymat, lekin haqiqatga yaqin.
Yorug'lik tezligining chegaralanganligi va taxminiyligi yarim asrdan keyin tasdiqlandi.
Kelajakda olim fizo Nurning tezligini aniq masofani bosib o'tish uchun nur kerak bo'lgan vaqtdan boshlab aniqlash mumkin edi.
U tajriba o'rnatdi (rasmga qarang), uning davomida yorug'lik nuri S manbasidan chiqib, 3-oynada aks ettirilgan, tishli disk 2 bilan uzilib, asosdan (8 km) o'tib ketgan. Keyin u 1-oynada aks ettirilgan va diskka qaytarilgan. Yorug'lik tishlar orasidagi bo'shliqqa tushdi va uni okulyar 4 orqali kuzatish mumkin edi. Nurning taglikdan o'tish vaqti diskning aylanish tezligiga qarab aniqlandi. Fizeau tomonidan olingan qiymat: c = 313,300 km / s edi.
Har qanday muayyan muhitda nurning tarqalish tezligi vakuumdagi bu tezlikdan kamroq. Bundan tashqari, turli moddalar uchun bu ko'rsatkichni oladi turli ma'nolar. Bir necha yildan keyin Fuko diskni tez aylanadigan oyna bilan almashtirdi. Ushbu olimlarning izdoshlari ularning usullari va tadqiqot sxemalarini qayta-qayta qo'llaganlar.
Linzalar optik qurilmalarning asosi hisoblanadi. Bu qanday hisoblanganini bilasizmi? Siz bizning maqolalarimizdan birini o'qib bilib olishingiz mumkin.
Va bunday linzalardan tashkil topgan optik ko'rishni qanday o'rnatish haqida ma'lumotni topishingiz mumkin. Bizning materialimizni o'qing va sizda mavzu bo'yicha savollaringiz bo'lmaydi.
Yorug'likning vakuumdagi tezligi qanday?
Yorug'lik tezligining eng aniq o'lchovi soatiga 1 079 252 848,8 kilometr yoki 299 792 458 m/s. Bu raqam faqat vakuumda yaratilgan sharoitlar uchun amal qiladi.
Ammo muammolarni hal qilish uchun odatda indikator ishlatiladi 300 000 000 m/s. Vakuumda Plank birliklarida yorug'lik tezligi 1 ga teng. Shunday qilib, yorug'lik energiyasi Plank vaqtining 1 birligida 1 Plank uzunlik birligini yuradi. Agar vakuum hosil bo'lsa tabiiy sharoitlar, keyin rentgen nurlari, ko'rinadigan spektrning yorug'lik to'lqinlari va tortishish to'lqinlari shunday tezlikda harakatlanishi mumkin.
Olimlarning aniq fikri bor, massaga ega bo'lgan zarralar yorug'lik tezligiga imkon qadar yaqin tezlikni olishi mumkin. Ammo ular ko'rsatkichga erisha olmaydi va oshib ketmaydi. Yorug'lik tezligiga yaqin bo'lgan eng yuqori tezlik kosmik nurlarni o'rganishda va tezlatgichlarda ma'lum zarrachalarning tezlanishida qayd etilgan.
Har qanday muhitdagi yorug'lik tezligining qiymati ushbu muhitning sinishi ko'rsatkichiga bog'liq.
Turli chastotalar uchun bu ko'rsatkich boshqacha bo'lishi mumkin. Miqdorni aniq o'lchash boshqa jismoniy parametrlarni hisoblash uchun muhimdir. Masalan, optik joylashuv, radar, yorug'lik diapazoni va boshqa joylarda yorug'lik yoki radio signallarining o'tishi paytida masofani aniqlash.
Zamonaviy olimlar yorug'lik tezligini aniqlash uchun turli usullardan foydalanadilar. Ba'zi mutaxassislar astronomik usullardan, shuningdek, eksperimental usullardan foydalangan holda o'lchash usullaridan foydalanadilar. Ko'pincha takomillashtirilgan Fizeau usuli qo'llaniladi. Bunday holda, tishli g'ildirak yorug'lik nurini zaiflashtiradigan yoki to'xtatadigan yorug'lik modulyatori bilan almashtiriladi. Bu erda qabul qiluvchi fotoelektrik multiplikator yoki fotoseldir. Yorug'lik manbai lazer bo'lishi mumkin, bu o'lchov xatosini kamaytirishga yordam beradi. Yorug'lik tezligini aniqlash vaqt bazasini to'g'ridan-to'g'ri yoki bilvosita usullar bilan o'tkazish mumkin, bu ham aniq natijalarga erishish imkonini beradi.
Yorug'lik tezligini hisoblash uchun qanday formulalar qo'llaniladi
- Vakuumdagi yorug'lik tezligi mutlaq qiymatdir. Fiziklar uni "c" harfi bilan belgilaydilar. Bu hisobot tizimini tanlashga bog'liq bo'lmagan va umuman vaqt va makonni tavsiflovchi asosiy va doimiy qiymatdir. Olimlarning ta'kidlashicha, bu tezlik zarrachalarning cheklovchi tezligidir.
Yorug'lik tezligi uchun formula vakuumda:
c = 3 * 10^8 = 299792458 m/s
bu erda c - yorug'likning vakuumdagi tezligi.
- Olimlar buni isbotladilar havodagi yorug'lik tezligi vakuumdagi yorug'lik tezligiga deyarli teng. Uni quyidagi formula yordamida hisoblash mumkin:
Olimlar yorug'lik tezligini o'lchashdan ancha oldin "yorug'lik" tushunchasini aniqlash uchun ko'p mehnat qilishlari kerak edi. Bu haqda birinchilardan bo'lib o'ylaganlardan biri Aristotel bo'lib, u yorug'likni kosmosda tarqaladigan harakatchan moddaning bir turi deb hisoblagan. Uning qadimgi Rimdagi hamkasbi va izdoshi Lukretsiy Kar yorug'likning atom tuzilishi haqida turib oldi.
17-asrga kelib yorug'lik tabiatining ikkita asosiy nazariyasi shakllandi - korpuskulyar va to'lqin. Nyuton birinchisining tarafdorlariga tegishli edi. Uning fikricha, barcha yorug'lik manbalari eng kichik zarrachalarni chiqaradi. "Parvoz" jarayonida ular yorqin chiziqlar - nurlar hosil qiladi. Uning raqibi golland olimi Kristian Gyuygens yorug'lik to'lqin harakatining bir shakli ekanligini ta'kidladi.
Ko'p asrlik tortishuvlar natijasida olimlar bir fikrga kelishdi: ikkala nazariya ham yashash huquqiga ega, yorug'lik esa ko'zga ko'rinadigan elektromagnit to'lqinlarning spektridir.
Biroz tarix. Yorug'lik tezligi qanday o'lchandi?
Antik davr olimlarining aksariyati yorug'lik tezligi cheksiz ekanligiga amin edilar. Biroq, Galiley va Gukning tadqiqotlari natijalari uning chegarasini tan oldi, bu XVII asrda taniqli Daniya astronomi va matematigi Olaf Romer tomonidan aniq tasdiqlangan.
U oʻzining birinchi oʻlchovlarini Yupiter va Yer Quyoshning qarama-qarshi tomonlarida joylashgan vaqtda Yupiterning sunʼiy yoʻldoshi Io tutilishini kuzatish orqali amalga oshirdi. Roemer qayd etganidek, Yer Yupiterdan Yer orbitasining diametriga teng masofada uzoqlashgani sababli, kechikish vaqti o'zgargan. Maksimal qiymat 22 daqiqa edi. Hisob-kitoblar natijasida u 220 000 km/s tezlikka erishdi.
50 yil o'tgach, 1728 yilda aberratsiyaning kashfiyoti tufayli ingliz astronomi J. Bredli bu ko'rsatkichni 308 000 km / s gacha "tozaladi". Keyinchalik yorug'lik tezligini frantsuz astrofiziklari Fransua Argo va Leon Fuko o'lchab, "chiqish" da 298 000 km / s tezlikni oldilar. Bundan ham aniqroq o'lchash texnikasi interferometrni yaratuvchisi, mashhur amerikalik fizik Albert Mishelson tomonidan taklif qilingan.
Mishelsonning yorug'lik tezligini aniqlash tajribasi
Tajribalar 1924 yildan 1927 yilgacha davom etdi va 5 ta kuzatuv seriyasidan iborat edi. Tajribaning mohiyati quyidagicha edi. Los-Anjeles yaqinidagi Uilson tog'ida yorug'lik manbai, oyna va aylanuvchi sakkizburchak prizma, 35 km keyin esa San-Antonio tog'ida aks ettiruvchi oyna o'rnatildi. Birinchidan, linza va tirqish orqali yorug'lik yuqori tezlikda ishlaydigan rotor yordamida (528 aylanish / min tezlikda) aylanadigan prizmaga tushdi.
Tajribalar ishtirokchilari aylanish tezligini yorug'lik manbasining tasviri okulyarda aniq ko'rinadigan qilib sozlashlari mumkin edi. Cho'qqilar orasidagi masofa va aylanish chastotasi ma'lum bo'lganligi sababli, Mishelson yorug'lik tezligini aniqladi - 299796 km / s.
Olimlar 20-asrning ikkinchi yarmida, eng yuqori nurlanish chastotasi barqarorligi bilan ajralib turadigan maserlar va lazerlar yaratilganda, nihoyat, yorug'lik tezligiga qaror qilishdi. 1970-yillarning boshiga kelib, o'lchash xatosi 1 km / sek gacha kamaydi. Natijada, 1975 yilda bo'lib o'tgan Og'irliklar va o'lchovlar bo'yicha XV Bosh konferentsiya tavsiyasiga ko'ra, yorug'likning vakuumdagi tezligi bundan buyon 299 792,458 km / sek ga teng deb hisoblashga qaror qilindi.
Biz yorug'lik tezligiga erisha olamizmi?
Koinotning uzoq burchaklarining rivojlanishini katta tezlikda uchadigan kosmik kemalarsiz tasavvur qilib bo'lmasligi aniq. Eng yaxshisi yorug'lik tezligida. Lekin bu mumkinmi?
Yorug'lik tezligining to'sig'i nisbiylik nazariyasining oqibatlaridan biridir. Ma'lumki, tezlikni oshirish energiyani ko'paytirishni talab qiladi. Yorug'lik tezligi deyarli cheksiz energiya talab qiladi.
Afsuski, fizika qonunlari bunga mutlaqo qarshi. Tezlikda kosmik kema 300 000 km / s tezlikda unga qarab uchayotgan zarralar, masalan, vodorod atomlari 10 000 Sieverts / s ga teng kuchli nurlanishning halokatli manbaiga aylanadi. Bu Katta adron kollayderining ichida bo'lish bilan bir xil.
Jon Xopkins universiteti olimlarining fikriga ko'ra, tabiatda bunday dahshatli kosmik nurlanishdan etarli darajada himoya yo'q. Yulduzlararo chang ta'siridan eroziya kemaning yo'q qilinishini yakunlaydi.
Yorug'lik tezligi bilan bog'liq yana bir muammo - vaqtning kengayishi. Shu bilan birga, qarish ancha uzoqroq bo'ladi. Vizual maydon ham buziladi, buning natijasida kemaning traektoriyasi xuddi tunnel ichida o'tadi, uning oxirida ekipaj yorqin chaqnashni ko'radi. Kema orqasida mutlaq zulmat qoladi.
Demak, yaqin kelajakda insoniyat o‘zining yuqori tezlikdagi “ishtahalarini” yorug‘lik tezligining 10 foizigacha cheklashiga to‘g‘ri keladi. Demak, Yerga eng yaqin yulduz – Proksima Sentavrga (4,22 yorug‘lik yili) uchish uchun taxminan 40 yil kerak bo‘ladi.
Maktab davridan beri biz Eynshteyn qonunlariga ko'ra yorug'lik tezligi Koinotdagi engib bo'lmaydigan maksimal ekanligini bilamiz. Yorug'lik Quyoshdan Yergacha 8 minutda tarqaladi, bu taxminan 150 000 000 km. Neptunga yetib borish uchun bor-yo‘g‘i 6 soat vaqt ketadi, biroq kosmik kemalarga bunday masofalarni bosib o‘tish uchun o‘nlab yillar kerak bo‘ladi. Ammo tezlikning qiymati yorug'lik o'tadigan muhitga qarab sezilarli darajada o'zgarishi mumkinligini hamma ham bilmaydi.
Yorug'lik tezligi uchun formula
Vakuumdagi yorug'lik tezligini (c ≈ 3 * 10 8 m / s) bilib, uni boshqa muhitlarda ularning sinishi indeksi n asosida aniqlashingiz mumkin. Yorug'lik tezligi formulasining o'zi fizikadagi mexanika qonunlariga, aniqrog'i, vaqt va ob'ekt tezligidan foydalangan holda masofani aniqlashga o'xshaydi.
Masalan, sindirish ko'rsatkichi 1,5 bo'lgan oynani olaylik. Yorug'lik tezligi v = c \ n formulasiga ko'ra, biz ushbu muhitdagi tezlik taxminan 200 000 km / s ga teng ekanligini olamiz. Agar suyuqlikni, masalan, suvni olsak, undagi fotonlarning (yorug'lik zarralari) tarqalish tezligi 1,33 sinishi indeksi bilan 226 000 km / s ni tashkil qiladi.
Havodagi yorug'lik tezligi formulasi
Havo ham vositadir. Shunday qilib, agar vakuumda fotonlar o'z yo'lida to'siqlarga duch kelmasa, ular muhitda atom zarralarini qo'zg'atish uchun bir muncha vaqt sarflaydilar. 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 unchalik uzoqlashmaydi.
Amerikalik olimlar yorug'lik tezligini deyarli nolga tushirishga muvaffaq bo'lishdi. 1/299 792 458 sekdan ortiq. yorug'lik tezligini engib bo'lmaydi. 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.
Qiziqarli fakt fotondagi massaning yo'qligi va 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.
Vakuumdagi yorug'lik tezligi- elektromagnit to'lqinlarning vakuumdagi 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).
Ga ko'ra maxsus nazariya nisbiylik, bu energiya va axborotni uzatuvchi har qanday jismoniy o'zaro ta'sirlarning tarqalishi uchun maksimal tezlik.
Yorug'lik tezligi qanday aniqlanadi?
Birinchi marta yorug'lik tezligi aniqlangan 1676 yil O. K. Römer Yupiter sun'iy yo'ldoshlarining tutilishi orasidagi vaqt oralig'ini o'zgartirish orqali.
1728 yilda J. Bredli tomonidan o'rnatildi, yulduz yorug'ligining aberratsiyasi haqidagi kuzatishlariga asoslanib.
1849 yilda A. I. L. Fizeau u birinchi bo'lib yorug'lik tezligini aniq ma'lum masofani bosib o'tish uchun yorug'lik kerak bo'lgan vaqt (tayanch) bo'yicha o'lchagan; havoning sindirish ko'rsatkichi 1 dan juda kam farq qilganligi sababli, yerga asoslangan o'lchovlar s ga juda yaqin qiymat beradi.
Fizo tajribasida yarim shaffof ko‘zgu N aks etgan yorug‘lik nuri S manbaidan aylanuvchi tishli disk W bilan davriy ravishda uzilib, MN asosidan (taxminan 8 km) o‘tib, M ko‘zgudan aks ettirilgan holda, nurning yorug‘lik dastasi davriy ravishda uzilib turdi. disk. Yorug'lik tishga tushganda yorug'lik kuzatuvchiga etib bormagan va tishlar orasidagi bo'shliqqa tushgan yorug'lik E okulyar orqali kuzatilishi mumkin edi. Yorug'likning asosdan o'tish vaqti ma'lum diskdan aniqlangan. aylanish tezligi. Fizeau c = 313 300 km/s qiymatini oldi.
1862 yilda J. B. L. Fuko tishli disk o'rniga tez aylanadigan (512 rpm) oynadan foydalanib, D. Aragoning 1838 yilda ifodalangan g'oyasini amalga oshirdi. Oynadan aks ettirilgan yorug'lik nuri poydevorga yo'naltirildi va qaytib kelganida, ma'lum bir kichik burchakdan burilishga ulgurgan o'sha oynaga yana tushdi. Faqatgina 20 m poydevor bilan Fuko tezlikni aniqladi yorug'lik tezligi 29800080 ± 500 km/s. s ni aniqlash uchun keyingi ishlarda Fizo va Fuko tajribalarining sxemalari va asosiy g'oyalari qayta-qayta qo'llanilgan.
Inson doimo yorug‘likning tabiati bilan qiziqib kelgan, buni bizgacha yetib kelgan miflar, afsonalar, falsafiy bahslar va ilmiy kuzatishlar tasdiqlaydi. Nur har doim qadimgi faylasuflarning munozaralari uchun sabab bo'lgan va uni o'rganishga urinishlar Evklid geometriyasi paydo bo'lgan davrda ham - miloddan avvalgi 300 yil ichida qilingan. O'shanda ham yorug'lik tarqalishining to'g'ri chiziqliligi, tushish va aks etish burchaklarining tengligi, yorug'likning sinishi hodisasi, kamalakning paydo bo'lish sabablari haqida so'z yuritilgan. Aristotel yorug'lik tezligi cheksiz katta ekanligiga ishongan va shuning uchun mantiqiy fikr yuritib, yorug'lik muhokama qilinmaydi. Muammo javobni chuqur tushunish davridan oldinda bo'lgan odatiy holat.
Taxminan 900 yil muqaddam Avitsenna yorug'lik tezligi qanchalik katta bo'lmasin, u baribir chekli qiymatga ega ekanligini aytdi. Bu fikr nafaqat u, balki hech kim buni eksperimental tarzda isbotlay olmadi. Aqlli Galileo Galiley muammoni mexanik tushunish tajribasini taklif qildi: bir-biridan bir necha kilometr uzoqlikda turgan ikki kishi fonarning qopqog'ini ochish orqali signal beradi. Ikkinchi ishtirokchi birinchi chiroqning yorug'ligini ko'rishi bilan, u o'zining qopqog'ini ochadi va birinchi ishtirokchi javob yorug'lik signalini qabul qilish vaqtini belgilaydi. Keyin masofa oshadi va hamma narsa takrorlanadi. Kechikishning o'sishini tuzatish va shu asosda yorug'lik tezligini hisoblash kutilgan edi. Tajriba hech narsa bilan yakunlanmadi, chunki "hamma narsa to'satdan emas, balki juda tez edi".
1676 yilda vakuumda yorug'lik tezligini birinchi bo'lib o'lchagan astronom Ole Remer bo'ldi - u Galileyning kashfiyotidan unumli foydalangan: u 1609 yilda to'rttasini kashf etgan, bunda ikki sun'iy yo'ldosh tutilishi o'rtasidagi vaqt farqi yarim yil davomida 1320 soniyani tashkil qilgan. Roemer o'z davrining astronomik ma'lumotlaridan foydalanib, yorug'lik tezligining sekundiga 222 000 km ga teng qiymatini oldi. O'lchov usulining o'zi nihoyatda aniq ekanligi hayratlanarli bo'ldi - Yupiterning diametri va sun'iy yo'ldoshning xiralashuvining kechikish vaqti haqidagi hozir ma'lum bo'lgan ma'lumotlardan foydalanish yorug'lik tezligini vakuumda, darajada beradi. zamonaviy ma'nolar boshqa usullar bilan olinadi.
Dastlab, Roemerning tajribalariga faqat bitta da'vo bor edi - yerdagi vositalar bilan o'lchovlarni amalga oshirish kerak edi. Deyarli 200 yil o'tdi va Lui Fizo 8 km dan ko'proq masofadagi oynadan aks ettirilgan yorug'lik nuri zukko qurilma qurdi. Nozikligi shundaki, u yo'l bo'ylab tishli g'ildirakning bo'shliqlari orqali oldinga va orqaga o'tdi va agar g'ildirakning aylanish tezligi oshirilsa, yorug'lik endi ko'rinmaydigan vaqt keladi. Qolganlari texnika masalasidir. O'lchov natijasi sekundiga 312 000 km. Endi biz Fizeau haqiqatga yanada yaqinroq ekanligini ko'ramiz.
Yorug'lik tezligini o'lchash bo'yicha navbatdagi qadam tishli g'ildirakni almashtirgan Fuko tomonidan amalga oshirildi.Bu o'rnatishning o'lchamlarini qisqartirish va o'lchash aniqligini soniyasiga 288 000 km ga oshirish imkonini berdi. Muhitdagi yorug'lik tezligini aniqlagan Fuko tajribasi bundan kam ahamiyatga ega emas edi. Buning uchun o'rnatish oynalari orasiga suv bilan trubka qo'yildi. Ushbu tajribada yorug'likning yorug'lik tezligining yorug'lik muhitida tarqalish tezligining sinishi ko'rsatkichiga qarab pasayishi aniqlandi.
19-asrning ikkinchi yarmida hayotining 40 yilini yorug'lik sohasidagi o'lchovlarga bag'ishlagan Mishelson davri keldi. Uning ishining eng yuqori cho'qqisi uzunligi bir yarim kilometrdan ko'proq bo'lgan evakuatsiya qilingan metall naycha yordamida vakuumdagi yorug'lik tezligini o'lchagan qurilma edi. Mishelsonning yana bir asosiy yutug'i har qanday to'lqin uzunligi uchun yorug'likning vakuumdagi tezligi bir xil ekanligi va zamonaviy standart sifatida 299792458+/- 1,2 m/s ni tashkil etishi isbotidir. Bunday o'lchovlar ta'rifi 1983 yildan beri xalqaro standart sifatida tasdiqlangan mos yozuvlar o'lchagichning yangilangan qiymatlari asosida amalga oshirildi.
Donishmand Aristotel xato qildi, lekin buni isbotlash uchun deyarli 2000 yil kerak bo'ldi.