Меню

Что определяет скорость света



Скорость света

Ско́рость све́та — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). Скорость света относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела, а свойства мира в целом. По современным представлениям скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

Содержание

Значимость скорости света [ править | править код ]

Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Это постоянная, по размерности и по величине совпадающая со скоростью света.

Также важен тот факт, что эта величина абсолютна. Это один из постулатов СТО.

В вакууме (пустоте) [ править | править код ]

Скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или же 1 079 252 848.8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды.

Основополагающий для СТО опыт Майкельсона показал, что скорость света в вакууме не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя.

В природе со скоростью света распространяются:

Из специальной теории относительности следует, что движение любых материальных объектов быстрее скорости света невозможно, поскольку наличие частиц, обладающих подобным свойством (называемых тахионами), привело бы к противоречию с принципом причинности.

Действительно, если начало и конец пути тахиона отстоят друг от друга на расстояние большее, чем мог пройти за время пути свет, то согласно преобразованиям Лоренца получается, что в некоторой системе отсчёта, процесс будет выглядеть так, что конец пути предшествует во времени его началу. Иными словами, наблюдатель этой системы отсчёта придёт к заключению, что источник тахионов влияет на прошлое, что является нарушением принципа причинности. Принцип причинности является несомненным опытным фактом, хотя и не является логически обязательным (ни одна теория не использует его в качестве постулата).

Частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой покоя, в отличие от безмассовых фотонов и гравитонов, которые всегда движутся со скоростью света.

В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

В прозрачной среде [ править | править код ]

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что скорость света в среде зависит от скорости и направления движения самой среды.

Отрицание постулата о максимальности скорости света [ править | править код ]

В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света» Опровергнут фундаментальный принцип современной физики.. Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана — сверхсветовая скорость при туннельном эффекте.

Научный анализ значимости этих и подобных результатов показывает, что они принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества Иванов Игорь. Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности.

Исторический очерк [ править | править код ]

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

Читайте также:  Как староверы конец света

Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220000 км/сек — неточное, но по порядку величины близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.

Источник

Что такое скорость света и как её измеряют?

Несмотря на то что в обычной жизни рассчитывать скорость света нам не приходится, многих эта величина интересует с детского возраста.

Наблюдая за молнией во время грозы, наверняка каждый ребенок пытался понять, с чем связана задержка между ее вспышкой и громовыми раскатами. Очевидно, что свет и звук имеют разную скорость. Почему так происходит? Что такое скорость света и каким образом ее можно измерить?

Что такое скорость света?

В науке скоростью света называют быстроту перемещения лучей в воздушном пространстве или вакууме. Свет – это электромагнитное излучение, которое воспринимает глаз человека. Он способен передвигаться в любой среде, что оказывает прямое влияние на его скорость.

Попытки измерить эту величину предпринимались с давних времен. Ученые античной эпохи полагали, что скорость света является бесконечной. Такое же мнение высказывали и физики XVI–XVII веков, хотя уже тогда некоторые исследователи, такие как Роберт Гук и Галилео Галлилей, допускали конечность солнечных лучей.

Серьезный прорыв в изучении скорости света произошел благодаря датскому астроному Олафу Ремеру, который первым обратил внимание на запаздывание затмения спутника Юпитера Ио по сравнению с первичными расчетами.

Что такое скорость передвижения света?

Тогда ученый определил примерное значение скорости, равное 220 тысячам метров в секунду. Более точно эту величину сумел вычислить британский астроном Джеймс Бредли, хотя и он слегка ошибся в расчетах.

В дальнейшем попытки рассчитать реальную скорость света предпринимали ученые из разных стран. Однако только в начале 1970-х годов с появлением лазеров и мазеров, имевших стабильную частоту излучения, исследователям удалось сделать точный расчет. А в 1983 году за основу было принято современное значение с корреляцией на относительную погрешность.

Что такое скорость света своими словами?

Если говорить простым языком, скорость света – это время, за которое солнечный луч преодолевает определенное расстояние. В качестве единицы времени принято использовать секунду, в качестве расстояния – метр. С точки зрения физики свет – это уникальное явление, имеющее в конкретной среде постоянную скорость.

Предположим, человек бежит со скоростью 25 км/час и пытается догнать автомобиль, который едет со скоростью 26 км/час. Выходит, что машина движется на 1 км/час быстрее бегуна. Со светом всё обстоит иначе. Независимо от быстроты передвижения автомобиля и человека, луч всегда будет передвигаться относительно них с неизменной скоростью.

Чему равна скорость света?

Скорость света во многом зависит от вещества, в котором распространяются лучи. В вакууме она имеет постоянное значение, а вот в прозрачной среде может иметь различные показатели.

В воздухе или воде ее величина всегда меньше, чем в вакууме. К примеру, в реках и океанах скорость света составляет порядка ¾ от скорости в космосе. А в воздухе при давлении в 1 атмосферу – на 2 % меньше, чем в вакууме.

Подобное явление объясняется поглощением лучей в прозрачном пространстве и их повторным излучением заряженными частицами. Эффект называют рефракцией и активно используют при изготовлении телескопов, биноклей и другой оптической техники.

Если рассматривать конкретные вещества, то в дистиллированной воде скорость света составляет 226 тысяч километров в секунду. В оптическом стекле – около 196 тысяч километров в секунду.

Чему равна скорость света в вакууме?

В вакууме она в секунду имеет постоянное значение в 299 792 458 метров. В современном представлении она является предельной. Иными словами, никакая частица, никакое небесное тело не способны достичь той скорости, какую развивает свет в космическом пространстве.

Даже если предположить, что появится Супермен, который будет лететь с огромной скоростью, луч все равно будет убегать от него с большей быстротой.

Читайте также:  Как сделать свет от лодочного мотор

Что быстрее скорости света?

Хотя скорость света является максимально достижимой в вакуумном пространстве, считается, что существуют объекты, которые движутся быстрее.

Астероиды и Земля

На такое способны, к примеру, солнечные зайчики, тень или фазы колебания в волнах. Но с одной оговоркой – даже если они разовьют сверхскорость, энергия и информация будут передаваться в направлении, которое не совпадает направлением их движения.

Что касается прозрачной среды, то на Земле существуют объекты, которые вполне способны двигаться быстрее света. К примеру, если луч, проходящий через стекло, замедляет свою скорость, то электроны не ограничены в быстроте передвижения. Поэтому при прохождении через стеклянные поверхности могут перемещаться быстрее света.

Такое явление называется эффект Вавилова – Черенкова и чаще всего наблюдается в ядерных реакторах.

Источник

С какой скоростью свет распространяется в вакууме

Скорость света в вакууме – показатель, который широко используется в физике и в свое время позволил совершить ряд открытий, а также объяснить природу множества явлений. Есть несколько важных моментов, которые надо изучить, чтобы разобраться в теме и понимать, как и при каких условиях был открыт этот показатель.

Что такое скорость света

Скорость распространения света в вакууме считают абсолютной величиной, отражающей быстроту распространения электромагнитных излучений. Она широко используется в физике и имеет обозначение в виде маленькой латинской буквы «с» (говорится «цэ»).

По мнению большинства исследователей и ученых скорость света в вакууме – это максимально возможная быстрота движения частиц и распространения различных типов излучения.

Что касается примеров явлений, они таковы:

  1. Видимый свет, исходящий из любого источника.
  2. Все виды электромагнитного излучения (например, рентгеновские лучи и радиоволны).
  3. Гравитационные волны (тут мнения некоторых специалистов расходятся).

Многие виды частиц могут двигаться с околосветовой скоростью, но при этом не достигают ее.

Фундаментальная роль скорости света в физике

Этот показатель является одним из основных независимо от того, какая система отсчета используется при исследовании. Он не зависит от движения источника волн, что тоже важно.

Инвариантность была принята в виде постулата Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Это произошло после того, как еще один ученый, Максвелл, не обнаружив доказательств существования светоносного эфира, выдвинул теорию об электромагнетизме.

Утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, превышающей световую на сегодня считается вполне обоснованным.

Кстати! Физики не отрицают, что некоторые из частиц могут двигаться со скоростью, превышающей рассматриваемый показатель. Но при этом они не могут быть использованы для передачи информации.

Исторические справки

Чтобы разобраться в особенностях темы и узнать, как были открыты те или иные явления, следует изучить опыты некоторых ученых. В 19 веке было сделано множество открытий, которые помогли ученым впоследствии, в основном они касались электрического тока и явлений магнитной и электромагнитной индукций.

Опыты Джеймса Максвелла

Исследования физика подтвердили взаимодействие частиц на расстоянии. Впоследствии это позволило Вильгельму Веберу разработать новую теорию электромагнетизма. Также Максвелл четко установил явление магнитного и электрического поля и определил, что они могут порождать друг друга, образуя электромагнитные волны. Именно этот ученый первым стал использовать обозначение «с», которое применяется физиками всего мира до сих пор.

Благодаря этому большинство исследователей уже тогда заговорили об электромагнитной природе света. Максвелл при исследовании скорости распространения электромагнитных возбуждений пришел к выводу, что этот показатель равен скорости света, в свое время его удивил этот факт.

Благодаря исследованиям Максвелла стало понятно, что свет, магнетизм и электричество – это не отдельные понятия. В совокупности эти факторы и определяют природу света, ведь это сочетание магнитного и электрического поля, которое распространяется в пространстве.

Майкельсон и его опыт по доказательству абсолютности скорости света

В начале прошлого века большинством ученых использовался принцип относительности Галилея, по которому считалось, что законы механики неизменны вне зависимости от того, какая система отсчета применяется. Но при этом согласно теории скорость распространения электромагнитных волн должна меняться при движении источника. Это шло вразрез как с постулатами Галилея, так и с теорией Максвелла, что и стало причиной начала исследований.

На тот момент большинство ученых склонялось к «теории эфира», по которой показатели не зависели от скорости движения его источника, главным определяющим фактором считались особенности среды.

Читайте также:  Две когерентные волны красного света приходят

Так как Земля движется в космическом пространстве в определенном направлении, скорость света согласно закону сложения скоростей будет отличаться при измерении в разных направлениях. Но Майкельсон не обнаружил никакой разницы в распространении электромагнитных волн вне зависимости от того, в каком направлении производились измерения.

Теория эфира не могла объяснить наличие абсолютной величины, что еще лучше показало ее ошибочность.

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна

Молодой на тот момент ученый представил теорию, идущую вразрез с представлениями большинства исследователей. Согласно ей время и пространство обладают таким характеристиками, которые обеспечивают неизменность скорости света в вакууме независимо от выбранной системы отсчета. Это объясняло неудачные опыты Майкельсона, так как быстрота распространения света не зависит от движения его источника.

Как измеряли скорость света ранее

Попытки определить этот показатель предпринимались многими, но из-за низкого уровня развития науки сделать это ранее было проблематично. Так, ученые античности считали, что скорость света бесконечна, но позднее многие исследователи усомнились в этом постулате, что и привело к ряду попыток определить ее:

  1. Галилей использовал фонарики. Чтобы рассчитать скорость распространения световых волн, он и его помощник находились на холмах, расстояние между которыми было определено точно. Затем один из участников открывал фонарь, второй должен был делать то же самое, как только увидел свет. Но такой метод не дал результатов из-за высокой скорости распространений волн и невозможности точно определить временной промежуток.
  2. Олаф Ремер, астроном из Дании, при наблюдении за Юпитером заметил особенность. Когда Земля и Юпитер находились на противоположных точках орбит, затмение Ио (спутника Юпитера), запаздывало на 22 минуты в сравнении с самой планетой. Исходя из этого он сделал вывод, что быстрота распространения световых волн не бесконечна и имеет предел. По его расчетам показатель составил примерно 220 000 км в сек.

Измерение скорости света

Это можно делать несколькими способами. Подробно разбирать их не стоит, для каждого потребуется отдельный обзор. Поэтому проще всего разобраться в разновидностях:

  1. Астрономические измерения. Тут чаще всего используют методы Ремера и Брэдли, так как они доказали свою эффективность и на показатели не влияют свойства воздуха, воды и другие особенности среды. В условиях космического вакуума точность измерений возрастает.
  2. Резонанс полости или эффект полости – так называют явление низкочастотных стоячих магнитных волн, возникающих между поверхностью планеты и ионосферой. Используя специальные формулы и данные измерительного оборудования вычислить значение скорости движения частиц в воздушной среде несложно.
  3. Интерферометрия – совокупность методов исследования, при которых складывается несколько типов волн. Это дает эффект интерференции, благодаря которому можно проводить многочисленные измерения как электромагнитных, так и звуковых колебаний.

С помощью специального оборудования можно проводить замеры, не используя специальные методики.

Точное значение скорости света

Ученые много лет пытались определить, чему равна скорость света, но точные измерения провели в 70-х годах прошлого века. В итоге показатель составил 299 792 458 м/с при максимальном отклонении +/-1,2 м. На сегодня это неизменная физическая единица, так как расстояние в метр равно 1/299 792 458 секунды, именно столько времени нужно свету в вакууме, чтобы преодолеть 100 см.

Чтобы упростить расчеты, показатель упрощается до 300 000 000 м/с (3×108 м/с). Он знаком всем по курсу физики в школе, именно там скорость измеряется в таком виде.

Возможна ли сверхсветовая скорость

Если исходить из теории относительности, превышение показателя физическими частицами нарушает принцип причинности. Из-за этого возможна передача сигналов из будущего в прошлое и наоборот. Но при этом теория не отрицает, что могут существовать частицы, которые двигаются быстрее, при этом они взаимодействуют с обычными веществами.

Этот тип частиц именуют тахионы. Чем быстрее они двигаются, тем меньше энергии несут.

Видео-урок: Опыт Физо. Измерение скорости света. Физика 11 класс.

Скорость света в вакууме – постоянная величина, на ней основываются многие явления в физике. Ее определение стало новой вехой в развитии науки, так как позволило объяснить многие процессы и упростило целый ряд расчетов.

Источник