Kaip greitai šviesa sklinda vakuume

Šviesos greitis vakuume yra rodiklis, plačiai naudojamas fizikoje ir vienu metu leido padaryti daugybę atradimų, taip pat paaiškinti daugelio reiškinių prigimtį. Norint suprasti temą ir suprasti, kaip ir kokiomis sąlygomis šis rodiklis buvo atrastas, reikia išstudijuoti keletą svarbių dalykų.

Koks yra šviesos greitis

Šviesos sklidimo greitis vakuume laikomas absoliučia verte, atspindinčia elektromagnetinės spinduliuotės sklidimo greitį. Jis plačiai naudojamas fizikoje ir žymimas mažos lotyniškos raidės „s“ forma (sakoma „tse“).

Vakuume šviesos greitis naudojamas norint nustatyti, kaip greitai juda įvairios dalelės.

Daugumos tyrinėtojų ir mokslininkų nuomone, šviesos greitis vakuume yra didžiausias galimas dalelių judėjimo ir įvairių spinduliuotės rūšių sklidimo greitis.

Kalbant apie reiškinių pavyzdžius, jie yra:

1. Matoma šviesa iš bet kurios šaltinis.
2. Visų tipų elektromagnetinė spinduliuotė (pvz., rentgeno spinduliai ir radijo bangos).
3. Gravitacinės bangos (čia kai kurių ekspertų nuomonės skiriasi).

Daugelio rūšių dalelės gali skrieti netoli šviesos greičio, bet niekada jo nepasiekia.

Tiksli šviesos greičio reikšmė

Mokslininkai daug metų bandė nustatyti, koks yra šviesos greitis, tačiau tikslūs matavimai buvo atlikti praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje. Galų gale rodiklis buvo 299 792 458 m/s kurių didžiausias nuokrypis yra +/-1,2 m. Šiandien tai yra nekintantis fizinis vienetas, kadangi atstumas metre yra 1/299 792 458 sekundės, tai tiek laiko užtrunka, kad šviesa vakuume nukeliautų 100 cm.

Mokslinis šviesos greičio nustatymo formulė.

Norėdami supaprastinti skaičiavimus, indikatorius supaprastintas iki 300 000 000 m/s (3×108 m/s). Jis visiems žinomas fizikos kursuose mokykloje, būtent ten greitis matuojamas tokia forma.

Pagrindinis šviesos greičio vaidmuo fizikoje

Šis rodiklis yra vienas pagrindinių, nepriklausomai nuo to, kokia atskaitos sistema naudojama tyrime. Tai nepriklauso nuo bangos šaltinio judėjimo, o tai taip pat svarbu.

Nekintamumą 1905 m. postulavo Albertas Einšteinas. Tai atsitiko po to, kai kitas mokslininkas Maxwellas, neradęs šviečiančio eterio egzistavimo įrodymų, pateikė teoriją apie elektromagnetizmą.

Teiginys, kad priežastinis poveikis negali būti perduodamas greičiu, viršijančiu šviesos greitį, šiandien laikomas gana pagrįstu.

Beje! Fizikai neneigia, kad kai kurios dalelės gali judėti greičiu, viršijančiu svarstomą rodiklį. Tačiau jie negali būti naudojami informacijai perduoti.

Istorinės nuorodos

Norint suprasti temos ypatybes ir sužinoti, kaip buvo atrasti tam tikri reiškiniai, reikėtų išstudijuoti kai kurių mokslininkų eksperimentus. XIX amžiuje buvo padaryta daug atradimų, kurie padėjo mokslininkams vėliau, daugiausia jie buvo susiję su elektros srove ir magnetinės bei elektromagnetinės indukcijos reiškiniais.

Jameso Maxwello eksperimentai

Fiziko tyrimai patvirtino dalelių sąveiką per atstumą. Vėliau tai leido Wilhelmui Weberiui sukurti naują elektromagnetizmo teoriją. Maxwellas taip pat aiškiai nustatė magnetinio ir elektrinio laukų reiškinį ir nustatė, kad jie gali generuoti vienas kitą, sudarydami elektromagnetines bangas. Būtent šis mokslininkas pirmą kartą pradėjo vartoti pavadinimą „s“, kurį iki šiol naudoja viso pasaulio fizikai.

Dėl šios priežasties dauguma tyrinėtojų jau tada pradėjo kalbėti apie šviesos elektromagnetinę prigimtį. Maksvelas, tirdamas elektromagnetinių sužadinimų sklidimo greitį, priėjo išvados, kad šis rodiklis lygus šviesos greičiui, vienu metu jį nustebino šis faktas.

Maksvelo tyrimų dėka tapo aišku, kad šviesa, magnetizmas ir elektra nėra atskiros sąvokos. Kartu šie veiksniai lemia šviesos prigimtį, nes tai magnetinio ir elektrinio lauko derinys, sklindantis erdvėje.

Elektromagnetinių bangų sklidimo schema.

Michelsonas ir jo patirtis įrodant šviesos greičio absoliutumą

Praėjusio amžiaus pradžioje dauguma mokslininkų naudojo Galilėjaus reliatyvumo principą, pagal kurį buvo manoma, kad mechanikos dėsniai nesikeičia, nepaisant to, kokia atskaitos sistema naudojama. Tačiau tuo pačiu, remiantis teorija, elektromagnetinių bangų sklidimo greitis turėtų pasikeisti šaltiniui judant. Tai prieštarauja tiek Galilėjaus postulatams, tiek Maksvelo teorijai, dėl kurios buvo pradėtas tyrimas.

Tuo metu dauguma mokslininkų buvo linkę į „eterio teoriją“, pagal kurią rodikliai nepriklausė nuo jo šaltinio greičio, pagrindinis veiksnys buvo aplinkos ypatybės.

Michelsonas atrado, kad šviesos greitis nepriklauso nuo matavimo krypties.

Kadangi Žemė kosminėje erdvėje juda tam tikra kryptimi, šviesos greitis pagal greičių sudėjimo dėsnį skirsis matuojant skirtingomis kryptimis. Bet Michelsonas nerado jokio elektromagnetinių bangų sklidimo skirtumo, nepaisant to, kuria kryptimi buvo atlikti matavimai.

Eterio teorija negalėjo paaiškinti absoliučios vertės buvimo, o tai dar geriau parodė jos klaidingumą.

Alberto Einšteino specialioji reliatyvumo teorija

Jaunas mokslininkas tuo metu pateikė teoriją, kuri prieštarauja daugumos tyrinėtojų idėjoms. Pagal ją laikas ir erdvė turi tokias charakteristikas, kurios užtikrina šviesos greičio nekintamumą vakuume, nepriklausomai nuo pasirinktos atskaitos sistemos. Tai paaiškino nesėkmingus Michelsono eksperimentus, nes šviesos sklidimo greitis nepriklauso nuo jos šaltinio judėjimo.

[tds_council]Netiesioginis Einšteino teorijos teisingumo patvirtinimas buvo „vienalaikiškumo reliatyvumas“, jos esmė parodyta paveiksle.[/tds_council]

Pavyzdys, kaip žmogaus vieta veikia šviesos sklidimo suvokimą.

Kaip anksčiau buvo matuojamas šviesos greitis?

Šį rodiklį nustatyti bandė daugelis, tačiau dėl žemo mokslo išsivystymo lygio tai padaryti anksčiau buvo sunku. Taigi senovės mokslininkai manė, kad šviesos greitis yra begalinis, tačiau vėliau daugelis tyrinėtojų suabejojo ​​šiuo postulatu, dėl kurio buvo bandoma jį nustatyti:

1. Galileo naudojo žibintuvėlius. Norėdami apskaičiuoti šviesos bangų sklidimo greitį, jis ir jo asistentas buvo ant kalvų, kurių atstumas buvo tiksliai nustatytas. Tada vienas iš dalyvių atidarė žibintą, antrasis turėjo tą patį padaryti vos išvydęs šviesą. Tačiau šis metodas nedavė rezultatų dėl didelio bangos sklidimo greičio ir nesugebėjimo tiksliai nustatyti laiko intervalo.
2. Olafas Roemeris, astronomas iš Danijos, stebėdamas Jupiterį pastebėjo bruožą. Kai Žemė ir Jupiteris buvo priešinguose savo orbitų taškuose, Io (Jupiterio mėnulio) užtemimas vėlavo 22 minutes, palyginti su pačia planeta. Remdamasis tuo, jis padarė išvadą, kad šviesos bangų sklidimo greitis nėra begalinis ir turi ribą. Jo skaičiavimais, šis skaičius buvo maždaug 220 000 km per sekundę.
   Šviesos greičio nustatymas pagal Roemerį.
3. Maždaug tuo pačiu laikotarpiu anglų astronomas Jamesas Bradley atrado šviesos aberacijos reiškinį, kai dėl Žemės judėjimo aplink Saulę, taip pat dėl ​​sukimosi aplink savo ašį, dėl kurios žvaigždžių padėtis danguje. o atstumas iki jų nuolat kinta.Dėl šių savybių žvaigždės kiekvienais metais apibūdina elipsę. Remdamasis skaičiavimais ir stebėjimais, astronomas apskaičiavo greitį, jis buvo 308 000 km per sekundę.
   šviesos aberacija
4. Louisas Fizeau buvo pirmasis, kuris laboratoriniu eksperimentu nusprendė nustatyti tikslų rodiklį. Stiklą su veidrodiniu paviršiumi jis įrengė 8633 m atstumu nuo šaltinio, tačiau kadangi atstumas nedidelis, nebuvo įmanoma atlikti tikslių laiko skaičiavimų. Tada mokslininkas pastatė krumpliaratį, kuris periodiškai uždengdavo šviesą dantimis. Keisdamas rato greitį Fizeau nustatė, kokiu greičiu šviesa nespėjo išslysti tarp dantų ir grįžti atgal. Jo skaičiavimais, greitis siekė 315 tūkstančių kilometrų per sekundę.
   Louiso Fizeau patirtis.

Šviesos greičio matavimas

Tai galima padaryti keliais būdais. Neverta jų detaliai analizuoti, kiekvieną reikės peržiūrėti atskirai. Todėl lengviausia suprasti veisles:

1. Astronominiai matavimai. Čia dažniausiai naudojami Roemer ir Bradley metodai, nes jie įrodė savo efektyvumą, o oro, vandens savybės ir kitos aplinkos savybės neturi įtakos veikimui. Erdvinio vakuumo sąlygomis matavimo tikslumas didėja.
2. ertmės rezonansas arba ertmės efektas - taip vadinamas žemo dažnio stovinčių magnetinių bangų, kylančių tarp planetos paviršiaus ir jonosferos, reiškinys. Naudojant specialias formules ir matavimo įrangos duomenis, nesunku apskaičiuoti dalelių greičio reikšmę ore.
3. Interferometrija - tyrimo metodų rinkinys, kurio metu susidaro kelių tipų bangos.Dėl to atsiranda trukdžių efektas, leidžiantis atlikti daugybę elektromagnetinių ir akustinių virpesių matavimų.

Specialios įrangos pagalba galima atlikti matavimus nenaudojant specialios technikos.

Ar įmanomas superluminal greitis?

Remiantis reliatyvumo teorija, rodiklio perteklius fizikinėmis dalelėmis pažeidžia priežastingumo principą. Dėl šios priežasties galima perduoti signalus iš ateities į praeitį ir atvirkščiai. Tačiau tuo pat metu teorija neneigia, kad gali būti dalelių, kurios juda greičiau, o sąveikauja su įprastomis medžiagomis.

Tokio tipo dalelės vadinamos tachionais. Kuo greičiau jie juda, tuo mažiau energijos neša.

Vaizdo pamoka: Fizeau eksperimentas. Šviesos greičio matavimas. Fizikos 11 klasė.

Šviesos greitis vakuume yra pastovi reikšmė, juo remiasi daugelis fizikos reiškinių. Jo apibrėžimas tapo nauju mokslo raidos etapu, nes jis leido paaiškinti daugelį procesų ir supaprastino daugybę skaičiavimų.