Kako hitro potuje svetloba v vakuumu

Hitrost svetlobe v vakuumu je indikator, ki se pogosto uporablja v fiziki in je nekoč omogočil številna odkritja, pa tudi razlago narave številnih pojavov. Obstaja več pomembnih točk, ki jih je treba preučiti, da bi razumeli temo in razumeli, kako in pod kakšnimi pogoji je bil ta kazalnik odkrit.

Kakšna je hitrost svetlobe

Hitrost širjenja svetlobe v vakuumu velja za absolutno vrednost, ki odraža hitrost širjenja elektromagnetnega sevanja. V fiziki se pogosto uporablja in ima oznako v obliki majhne latinske črke "s" (piše "tse").

V vakuumu se hitrost svetlobe uporablja za določitev, kako hitro se premikajo različni delci.

Po mnenju večine raziskovalcev in znanstvenikov je hitrost svetlobe v vakuumu največja možna hitrost gibanja delcev in širjenja različnih vrst sevanja.

Kar zadeva primere pojavov, so:

1. Vidna svetloba iz katerega koli vir.
2. Vse vrste elektromagnetnega sevanja (kot so rentgenski žarki in radijski valovi).
3. Gravitacijski valovi (tukaj se mnenja nekaterih strokovnjakov razlikujejo).

Številne vrste delcev lahko potujejo blizu svetlobne hitrosti, vendar je nikoli ne dosežejo.

Natančna vrednost svetlobne hitrosti

Znanstveniki že vrsto let poskušajo ugotoviti, kakšna je hitrost svetlobe, vendar so bile natančne meritve narejene v 70. letih prejšnjega stoletja. Končno kazalnik je bil 299.792.458 m/s z največjim odstopanjem +/-1,2 m. Danes je to nespremenljiva fizična enota, ker je razdalja v metru 1/299,792,458 sekunde, toliko časa potrebuje svetloba v vakuumu, da potuje 100 cm.

znanstveni formula za določanje svetlobne hitrosti.

Za poenostavitev izračunov, indikator je poenostavljen na 300.000.000 m/s (3×108 m/s). To je vsem znano pri poteku fizike v šoli, tam se hitrost meri v tej obliki.

Temeljna vloga svetlobne hitrosti v fiziki

Ta indikator je eden glavnih, ne glede na to, kateri referenčni sistem se uporablja v študiji. Ni odvisno od gibanja vira valov, kar je tudi pomembno.

Invariantnost je postavil Albert Einstein leta 1905. To se je zgodilo potem, ko je drugi znanstvenik, Maxwell, ki ni našel dokazov o obstoju svetlečega etra, predstavil teorijo o elektromagnetizmu.

Trditev, da vzročnega učinka ni mogoče prenašati s hitrostjo, ki presega svetlobno, se danes šteje za povsem razumno.

Mimogrede! Fiziki ne zanikajo, da se lahko nekateri delci premikajo s hitrostjo, ki presega obravnavani kazalnik. Vendar jih ni mogoče uporabiti za posredovanje informacij.

Zgodovinske reference

Da bi razumeli značilnosti teme in ugotovili, kako so bili odkriti določeni pojavi, bi morali preučiti poskuse nekaterih znanstvenikov. V 19. stoletju je prišlo do številnih odkritij, ki so kasneje pomagala znanstvenikom, nanašala so se predvsem na električni tok ter pojave magnetne in elektromagnetne indukcije.

Poskusi Jamesa Maxwella

Fizikova raziskava je potrdila interakcijo delcev na daljavo. Kasneje je to omogočilo Wilhelmu Webru, da razvije novo teorijo elektromagnetizma. Maxwell je tudi jasno ugotovil pojav magnetnega in električnega polj ter ugotovil, da lahko generirata drug drugega in tvorita elektromagnetno valovanje. Prav ta znanstvenik je prvi začel uporabljati oznako "s", ki jo fiziki po vsem svetu še vedno uporabljajo.

Zahvaljujoč temu je večina raziskovalcev že takrat začela govoriti o elektromagnetni naravi svetlobe. Maxwell je med preučevanjem hitrosti širjenja elektromagnetnih vzbujanj prišel do zaključka, da je ta indikator enak svetlobni hitrosti, naenkrat ga je to dejstvo presenetilo.

Zahvaljujoč Maxwellovi raziskavi je postalo jasno, da svetloba, magnetizem in elektrika niso ločeni pojmi. Ti dejavniki skupaj določajo naravo svetlobe, saj gre za kombinacijo magnetnega in električnega polja, ki se širi v vesolju.

Shema širjenja elektromagnetnega valovanja.

Michelsona in njegove izkušnje pri dokazovanju absolutnosti svetlobne hitrosti

Na začetku prejšnjega stoletja je večina znanstvenikov uporabljala Galilejevo načelo relativnosti, po katerem je veljalo, da so zakoni mehanike nespremenjeni, ne glede na to, kateri referenčni okvir se uporablja. Toda hkrati bi se morala po teoriji hitrost širjenja elektromagnetnih valov spremeniti, ko se vir premakne. To je bilo v nasprotju tako s postulati Galilea kot z Maxwellovo teorijo, kar je bil razlog za začetek raziskav.

Takrat je bila večina znanstvenikov nagnjena k "teoriji etra", po kateri kazalci niso bili odvisni od hitrosti njegovega vira, glavni odločilni dejavnik so bile značilnosti okolja.

Michelson je odkril, da hitrost svetlobe ni odvisna od smeri merjenja.

Ker se Zemlja giblje v vesolju v določeni smeri, se bo hitrost svetlobe po zakonu seštevanja hitrosti razlikovala, če jo merimo v različnih smereh. Toda Michelson ni našel nobene razlike v širjenju elektromagnetnih valov, ne glede na to, v katero smer so bile meritve opravljene.

Teorija etra ni mogla razložiti prisotnosti absolutne vrednosti, kar je še bolje pokazalo njeno zmotnost.

Posebna teorija relativnosti Alberta Einsteina

Mladi znanstvenik je takrat predstavil teorijo, ki je v nasprotju z idejami večine raziskovalcev. Po njem imata čas in prostor takšne značilnosti, ki zagotavljajo invariantnost svetlobne hitrosti v vakuumu, ne glede na izbrani referenčni okvir. To je pojasnilo neuspešne eksperimente Michelsona, saj hitrost širjenja svetlobe ni odvisna od gibanja njenega vira.

[tds_council]Posredna potrditev pravilnosti Einsteinove teorije je bila "relativnost simultanosti", njeno bistvo je prikazano na sliki.[/tds_council]

Primer, kako lokacija osebe vpliva na njihovo dojemanje širjenja svetlobe.

Kako je bila prej merjena svetlobna hitrost?

Mnogi so poskušali določiti ta kazalnik, vendar je bilo zaradi nizke stopnje razvoja znanosti to prej problematično. Tako so antični znanstveniki verjeli, da je hitrost svetlobe neskončna, kasneje pa so mnogi raziskovalci dvomili v ta postulat, kar je privedlo do številnih poskusov, da bi ga določili:

1. Galileo je uporabljal svetilke. Za izračun hitrosti širjenja svetlobnih valov sta bila s svojim pomočnikom na hribih, razdalja med katerimi je bila natančno določena. Nato je eden od udeležencev odprl luč, drugi je moral narediti isto takoj, ko je zagledal luč. Toda ta metoda ni dala rezultatov zaradi visoke hitrosti širjenja valov in nezmožnosti natančne določitve časovnega intervala.
2. Olaf Roemer, astronom iz Danske, je med opazovanjem Jupitra opazil posebnost. Ko sta bila Zemlja in Jupiter na nasprotnih točkah svojih orbit, je mrk Io (Jupitrova luna) v primerjavi s samim planetom zamujal 22 minut. Na podlagi tega je zaključil, da hitrost širjenja svetlobnih valov ni neskončna in ima mejo. Po njegovih izračunih je bila številka približno 220.000 km na sekundo.
   Določanje svetlobne hitrosti po Roemerju.
3. Približno v istem obdobju je angleški astronom James Bradley odkril pojav svetlobne aberacije, ko je zaradi gibanja Zemlje okoli Sonca, pa tudi zaradi vrtenja okoli svoje osi, zaradi česar položaj zvezd na nebu in razdalja do njih se nenehno spreminja.Zaradi teh lastnosti zvezde vsako leto opisujejo elipso. Na podlagi izračunov in opazovanj je astronom izračunal hitrost, znašala je 308.000 km na sekundo.
   aberacija svetlobe
4. Louis Fizeau je bil prvi, ki se je odločil določiti točen indikator z laboratorijskim poskusom. Namestil je steklo z zrcalno površino na razdalji 8633 m od vira, a ker je razdalja majhna, je bilo nemogoče narediti natančne časovne izračune. Nato je znanstvenik postavil zobato kolo, ki je občasno prekrivalo svetlobo z zobmi. S spreminjanjem hitrosti kolesa je Fizeau ugotovil, s kakšno hitrostjo svetloba ni imela časa zdrsniti med zobmi in se vrniti nazaj. Po njegovih izračunih je bila hitrost 315 tisoč kilometrov na sekundo.
   Izkušnje Louisa Fizeauja.

Merjenje svetlobne hitrosti

To je mogoče storiti na več načinov. Ni jih vredno podrobno analizirati, vsak bo zahteval ločen pregled. Zato je najlažje razumeti sorte:

1. Astronomske meritve. Tu se najpogosteje uporabljajo metode Roemer in Bradley, saj so dokazale svojo učinkovitost in lastnosti zraka, vode in drugih lastnosti okolja ne vplivajo na delovanje. V pogojih prostorskega vakuuma se natančnost meritev poveča.
2. resonanca votline ali učinek votline - tako se imenuje pojav nizkofrekvenčnih stoječih magnetnih valov, ki nastanejo med površino planeta in ionosfero. S posebnimi formulami in podatki iz merilne opreme ni težko izračunati vrednosti hitrosti delcev v zraku.
3. Interferometrija - niz raziskovalnih metod, pri katerih se oblikuje več vrst valov.Posledica tega je interferenčni učinek, ki omogoča izvedbo številnih meritev tako elektromagnetnih kot akustičnih vibracij.

S pomočjo posebne opreme je mogoče meritve izvajati brez uporabe posebnih tehnik.

Ali je možna supersvetovna hitrost?

Na podlagi teorije relativnosti presežek indikatorja s fizičnimi delci krši načelo vzročnosti. Zaradi tega je možno prenašati signale iz prihodnosti v preteklost in obratno. Toda hkrati teorija ne zanika, da lahko obstajajo delci, ki se premikajo hitreje, medtem ko medsebojno delujejo z običajnimi snovmi.

Ta vrsta delcev se imenuje tahion. Hitreje se premikajo, manj energije nosijo.

Video lekcija: Fizeaujev eksperiment. Merjenje svetlobne hitrosti. Fizika 11.

Hitrost svetlobe v vakuumu je konstantna vrednost, na njej temeljijo številni pojavi v fiziki. Njegova opredelitev je postala nov mejnik v razvoju znanosti, saj je omogočila razlago številnih procesov in poenostavila številne izračune.