С появлением масс и лазеров у людей появились новые способы и средства для измерения скорости света, но развитие теории также позволило сделать косвенные расчеты скорости света без прямых измерений.
Проблематика измерения скорости света
Человечество изучает свет как природное явление уже более 2 000 лет. Может создаться впечатление, что это явление полностью изучено. Однако все не так однозначно. На некоторые вопросы еще предстоит найти четкие ответы.
В целом, ученые всегда сталкивались с различными трудностями при изучении света. Для древних ученых проблема заключалась в том, чтобы определить природу самого света. Некоторые объясняли способность людей видеть лучами света, исходящими из их глаз. Римский писатель Лукреций, напротив, был ближе к истине. В своих трудах он писал, что свет и тепло состоят из маленьких движущихся частиц, но, к сожалению, его идеи не были популярны. В результате сформировавшееся в древности представление о том, что скорость света равна бесконечности, оставалось доминирующим вплоть до XVII века.
XVII век ознаменовался началом активных исследований природы света. Изобретение телескопа, теория частиц света Ньютона и Декарта, волновая теория Гука и Гюйгенса, а также первая оценка скорости света Ламаром. Изучая затмения лун Юпитера, он заметил, что в зависимости от расстояния между Землей и Юпитером время затмений отклоняется от среднего расписания. При увеличении затмение отстает от расписания и наоборот. Рёмер связал это с тем, что свет проходит больший или меньший путь в зависимости от положения планет. К сожалению, ученые 17 века, в том числе и Рёмер, не могли измерить время и расстояние. Поэтому, используя имеющиеся в их распоряжении средства, они вычислили скорость света и нашли 220000 км/сек.
Рисунок из статьи Рёмера. Рёмер наблюдал затмение в E. K. L. H, G, F
Как обстоят дела сегодня
Если для XVII века характерно отсутствие необходимых технологий, то в наше время такой проблемы нет. Высокочастотные лазеры, невероятно точные часы. Но возникает другая проблема — практическое применение измерения скорости. Представьте, что вы считаете скорость света. Возьмите дорогие часы, лазер или другой источник света и зеркало. Включите лазер и измерьте время, необходимое лучу, чтобы пройти путь от лазера до зеркала. Разделите два расстояния от лазера до зеркала на время и получите скорость света. В таком эксперименте вы получаете скорость света дважды. Вторая — потому что свет проходит один и тот же путь дважды во время измерения (от лазера обратно к зеркалу). В чем может быть проблема? Предположительно, скорость света анизотропна. То есть, она имеет разные значения в разных направлениях. Например, в одном направлении луч движется со скоростью c/2 и сразу же возвращается обратно. Разница не так важна. Несколько процентов. Однако, чтобы подтвердить или опровергнуть эту теорию, скорость света должна быть измерена в один момент времени.
Системы измерения скорости света.
Одновременность и синхронизация Эйнштейна
При измерении скорости света в одну сторону, как и при измерении скорости в двух направлениях (т.е. по замкнутому пути), одни часы не являются удовлетворительными. Само понятие «односторонняя скорость» не существует до тех пор, пока мы не определим, что такое «одновременность» в двух разных местах. Поэтому для измерения времени начала и окончания по одному и тому же графику необходимы двое часов. Для этого часы должны быть синхронизированы. То, как это делается, определяет измерение скорости в одном направлении. Поэтому одновременное присутствие двух событий в разнесенной системе отсчета зависит от соглашения о том, как синхронизировать часы в этих двух точках. В своей книге Towards an Electrodynamics of Motor Bodies Эйнштейн предложил систему, названную синхронизацией Эйнштейна. Согласно ей, односторонняя скорость света такая же, как и двусторонняя, независимо от направления. В том же документе Эйнштейн написал ‘… Это не условие или гипотеза о природных свойствах света, а требование, которое я выдвигаю на основе свободного выбора, чтобы понять смысл синхронизации.
Эйнштейн Синхронизация. Время t’ вторых часов определяется как половина времени, затраченного светом на прохождение расстояния 2*AB.
Однако эксперимент не удался. Естественно, чтобы эксперимент удался, ученые должны были находиться на расстоянии миллионов миль.
Насколько велика скорость света?
Трудно представить себе скорость света. Лучше представить его в соотношении со скоростью, с которой вы наиболее знакомы. В таблице ниже вы можете увидеть, как быстро движутся другие предметы нашей повседневной жизни по сравнению со скоростью света.
| Объект | Скорость в м/с (с округлением) |
| Человек | 1,5 |
| Гоночный автомобиль | 100 |
| Звуковые волны | 343 |
| Сверхзвуковой самолет | 400 |
| Скорость света | 300 000 000 |
Однако это скорость света в вакууме (например, в космосе). Когда свет проходит в такой среде, как воздух, его скорость может значительно уменьшиться.
Скорость света — это максимальная скорость всей материи и информации. Ничто не движется быстрее скорости света в вакууме на своем обычном пути.c Это означает, что не только свет, но и все остальное подчиняется этому ограничению скорости. К ним относятся, например, электромагнитные и гравитационные волны. Такие волны и частицы движутся со скоростью света, независимо от скорости и направления источника света. Это относится и к движущимся объектам. Например, если поезд движется с включенными фарами, свет распространяется со скоростью света, независимо от скорости, с которой движется поезд. Частицы и вещества с ненулевой массой могут приближаться к скорости света, но никогда не достигают ее.
Скорость света в различных средах
В прозрачных средах, таких как воздух или стекло, свет распространяется с меньшей скоростью, чем скорость света в вакууме. То же самое относится и к электромагнитным волнам в проводниках. Он также движется медленнее, чем скорость света. Это отношение скорости света c к скорости среды v называется показателем преломления n = c/v.
Скорость света в воздухе.
В воздухе показатель преломления этого видимого света составляет 1,0003. Поэтому свет в воздухе распространяется примерно на 90 км/с медленнее, чем в вакууме. Это означает c/1,0003≈299910 км/с.
Скорость света в воде.
В воде скорость света уменьшается до 230 769 км/с, поскольку коэффициент преломления составляет примерно 1,3. Это означает, что c/1.3 ≈ 230 769 км/с.
Скорость света в стекле.
В стекле показатель преломления составляет 1,5. Вычисление, как и раньше, дает скорость около 200 000 километров в секунду, т.е. c/1.5 ≈ 200 000 км/с.
Измерение скорости света
Если вы посветите дома лампой, свет, кажется, сразу заполнит комнату. Но если посмотреть на него с очень большого расстояния и с помощью более совершенных измерительных приборов, чем невооруженный глаз, то конечная скорость света становится очевидной.
Существует множество подобных экспериментов. Но в одном интересном варианте в качестве мишени используется наша Луна.
Представьте, что на поверхность Луны помещено зеркало. Теперь вы используете лазер, чтобы направить свет от Земли на это зеркало, и ждете, сколько времени пройдет, прежде чем вы увидите отраженный свет. Только примерно через 2,5 секунды зеркало вспыхивает.
Так с какой скоростью движется лазерный свет?
Его можно рассчитать. Луна находится на расстоянии 384 400 километров от Земли. Лазерное излучение должно пройти это расстояние дважды. Один раз от вашего места до Луны и еще раз от Луны обратно к вам. Лазеру требуется 2,5 секунды, чтобы пройти это расстояние.
v = расстояние / время = 2 * 384,400 км / 2,5 с = 307,520 км / с.
Это не соответствует реальному значению около 300 000 километров в секунду, но очень близко. Для более точного определения скорости света можно использовать более точные измерительные приборы.
Кстати, свету требуется еще больше времени, чтобы добраться от Солнца до Земли. Свету, излучаемому Солнцем, требуется в среднем 8 минут 17 секунд, чтобы достичь нас на Земле.
Солнечному свету требуется в среднем 8 минут 17 секунд, чтобы достичь нас на Земле 1
Определение скорости света сыграло очень важную роль в науке. Мы не только выяснили свойства света, но и знаем, что в вакууме тела могут двигаться быстрее скорости света. Это стало ясно после создания теории относительности.
2
В воде скорость света уменьшается до 230 769 км/с, поскольку коэффициент преломления составляет примерно 1,3. Это означает, что c/1.3 ≈ 230 769 км/с.
Опыт Майкельсона по определению скорости света
Эксперимент длился с 1924 по 1927 год и включал пять рядов наблюдений. Суть эксперимента заключалась в следующем. Источник света, зеркало и вращающаяся восьмигранная призма были размещены на горе Уилсон в районе Лос-Анджелеса, а зеркало было размещено на 35 км позже на горе Сан-Антонио. Первоначально свет проходил через линзу и вращался со скоростью ротора (528 об/мин в минуту), падая на призму со скоростью падающей щели.
В ходе эксперимента удалось отрегулировать скорость вращения так, чтобы изображение источника Фотини было четко видно в окуляре. Поскольку расстояние между пиком и частотой вращения было известно, Майкельсон определил значение скорости света -299796 км/сек.
В конечном итоге ученые определили скорость света в конце 20-го века, когда были созданы маса и лазеры, а частота была наиболее стабильной. К началу 1970-х годов погрешность измерений была уменьшена до 1 км/с. Следовательно, в соответствии с рекомендациями XV Генеральной Ассамблеи по мерам и весам в 1975 году было определено, что скорость света в вакууме теперь составляет 299792,458 км/сек.
Достижима ли для нас скорость света?
Очевидно, что немыслимо исследовать далекие края космоса без космического корабля, летящего на большой скорости. Желательно со скоростью света. Но возможно ли это?
Барьер скорости света является одним из следствий теории относительности. Как мы знаем, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света требует почти бесконечного количества энергии.
К сожалению, в нем утверждаются законы физики. При скорости космического аппарата 300000 км/с частицы летят навстречу. Атомы водорода являются смертельным источником самого мощного излучения, равного 10000 Зиверс/с. Это почти то же самое, что находиться в Большом адронном ускорителе.
Ученые из Университета Джона Хопкинса говорят, что защита от этого огромного космического излучения все еще недостаточна. Коррозия межзвездной пыли завершает разрушение лодок.
Еще одна проблема, связанная со скоростью света, — это замедление времени. В пожилом возрасте гораздо больше. Поле зрения также будет деформировано, поэтому траектория движения лодки будет проходить как в туннеле, в конце которого экипаж увидит проблеск. За лодкой — абсолютная чернота.
Поэтому в ближайшем будущем человечество должно ограничить свой «аппетит» к скорости до 10% от скорости света. Это означает, что для достижения ближайшей к Земле звезды Центавра Препауза (4,22 с) потребуется около 40 лет.
Повседневная физика со временем может стать похожей на странный мир квантовой механики. Квантовая телепортация может однажды продвинуться настолько, что ваша кошка сможет сбежать в более безопасную вселенную без физика и коробки.
Сверхсветовое движение
Специальные теории относительности показывают, что преодоление скорости света (массы или удивления) из природных частиц невозможно, поскольку это нарушает фундаментальный принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчета можно посылать сигналы из прошлого в прошлое. Однако теория не исключает виртуальные частицы, которые не взаимодействуют с обычными частицами, обладающими скоростными движениями.
Фиктивные частицы, которые движутся с чрезмерной скоростью, называются таконами. В математике скоростное движение описывается преобразованием Лоренца как движение частиц с иллюзорной массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе они приближаются к скорости света, тем больше энергии они несут. Как и в случае с энергией обычных частиц, энергия скорости стремится к бесконечности. Они приближаются к скорости света. Это наиболее очевидное следствие преобразования Лоренца, которое не позволяет частицам большой массы (как реальной, так и иллюзорной массы) достичь скорости света — просто невозможно придать частицам бесконечную энергию.
Во-первых, нужно понимать, что скорость — это класс частиц, а не тип частиц, а во-вторых, что вы не можете распространять физические взаимодействия быстрее скорости света. Черепахи не нарушают принцип причинности — они никогда не взаимодействуют с обычными частицами, а разница в скорости не достигает скорости света.
Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, но они могут приблизиться к ней настолько, насколько захотят, потому что их энергия бесконечно велика. Каждый тарди имеет массу, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Промежутки в щели всегда движутся со скоростью света и содержат фотоны, блестящие гипотетически баритоны.
В системе единиц Планка скорость света в вакууме равна единице. Это означает, что свет проходит через одну единицу настила на одну толстую пластину.
С 2006 года появились сообщения о взаимодействиях, распространяющихся быстрее скорости света в так называемых явлениях квантовой телепортации. Например, в 2008 году доктор Николя Жижин из Женевского университета в составе своей исследовательской группы изучал состояние фотонов на расстоянии 18 километров в космосе и, как считается, показал, что «взаимодействие между частицами происходит со скоростью, примерно в 100 000 раз превышающей скорость света». Так называемый парадокс Хартмана — ультразвуковые скорости в эффекте туннелирования — также был описан ранее. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для передачи в ультрафиолете сообщений, передающих информацию, или для переноса материи6.
Статистически значимые признаки наличия нейтрино-мюонов выше скорости света8 были зарегистрированы в результате данных эксперимента OPERA7, собранных в сотрудничестве с ЦЕРН в Институте Гран-Сассо в период с 2008 по 2011 год. Отчет сопровождался публикацией в PreprintArchive9. Результаты были оспорены экспертами, поскольку они противоречили теории относительности, а также другим нейтринным экспериментам10. В марте 2012 года в том же туннеле были проведены независимые измерения, и скорости нейтрино обнаружены не были1112. В мае 2012 года OPERA провела серию контролируемых экспериментов провели и пришли к окончательному выводу, что технический недостаток (неправильно установленный разъем оптического кабеля) был ответственен за ошибочное предположение об ультразвуковой скорости13.
Большинство древних ученых были убеждены, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ограничения. Это было четко подтверждено в 17 веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Леммером.
Самое точное значение скорости света
Человечество накопило богатый опыт в измерении скорости света. На сегодняшний день самым точным значением скорости света считается 299 792 458 метров в секунду, полученное в 1983 году. Интересно, что еще более точное измерение скорости света оказалось невозможным из-за неточности измерительного прибора. Здесь значение метра относится к скорости света и равно расстоянию, проходимому светом за 1/299.792.458 секунды.
Наконец, как всегда, я советую вам посмотреть информативный видеоролик. Друг мой, даже если перед вами стоит задача самостоятельно измерить скорость света подручными средствами, вы можете смело обращаться за помощью к нашему автору. Чтобы заказать письменный экзамен онлайн, вы можете зарегистрироваться на сайте Absenteeism. Желаю вам счастливой и легкой учебы!
