Как рассчитали скорость света?
Ученые разных стран на протяжение нескольких веков пытались достоверно измерить данную величину. Первым, кто попытался примерно рассчитать это значение, стал датский астроном О. Ремер. Исследуя затмение спутника Юпитера Ио, он сделал точные расчеты его наступления, но, к сожалению, практические данные разошлись с теорией, вот тогда ученый впервые и определил скорость света. Он выражал скорость света в метрах в секунду, по его подсчетам величина составила 220 метров за одну секунду. Затем расчет провел британский астроном Т. Бредли, его данные оказались немного ближе к истине, но все же имели некоторую погрешность.
И только на закате XX века, в 1970-х годах, удалось достоверно рассчитать данный параметр. Прорыв напрямую связан с появлением высокочастотных лазеров со стабильным излучением. Только в 1983 году было принято то значение постоянной, которым мы пользуемся сегодня: 300 тысяч км в секунду или, если выразить скорость света в км в час, 1,08 млрд.
| Скорость света километров в час = 1,08 млрд км. |
Опыт Галилея
Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.
Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.
Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.
Опыт Рёмера и Брэдли
Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.
Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.
Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.
В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.
Опыт Физо
Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.
Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.
Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.
Главные принципы теории относительности
Первое, что нужно понять для освоения теории относительности: движение относительно.
Это значит, что наличие или отсутствие движения всегда определяется относительно других объектов. Движение и его скорость зависят от наблюдателя (того, кто смотрит на объект) и системы отсчёта (того, откуда он смотрит).
Представьте, что пассажир едет в поезде и читает книгу. Для него книга неподвижна, как неподвижны и кресла в поезде, и другие пассажиры (если они сидят на своих местах, а не пробираются к вагону-ресторану, конечно). Скорость всех неподвижных объектов в поезде, с точки зрения нашего пассажира-читателя, будет равна нулю.
В это время на платформе стоит другой человек, мимо которого со свистом пролетает поезд. Для него и пассажир с книгой, и кресла движутся со скоростью поезда — допустим, 200 км/ч. А вот пассажиры на пути в вагон-ресторан, расположенный в голове состава, будут двигаться ещё быстрее: их скорость сложится со скоростью поезда.
Так происходит при любом сложении скоростей, но есть одно исключение: скорость света. Свет от прожектора на носу нашего поезда будет двигаться всегда с одинаковой скоростью — 300 000 км/с.
Здесь мы вплотную подошли к базовым принципам, на которых строится теория относительности:
- Принцип относительности: для тех тел, которые относительно друг друга движутся на постоянной скорости или неподвижны (как пассажир и его книга), физические процессы протекают одинаково.
- Принцип постоянства скорости света: скорость света постоянна для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. То есть свет от фонаря на носу поезда или свет от прожектора на космическом корабле имеют одинаковую скорость.
Свет движется так быстро, что его распространение кажется нам мгновенным. Но на космических расстояниях всё выглядит совсем по-другому. К примеру, расстояние от Солнца до Земли, составляющее 150 миллионов километров, свет проходит примерно за 8 минут. А значит, что если Солнце когда-нибудь потухнет, то мы увидим это только через 8 минут.
Мнение эксперта
It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике
Задавайте вопросы «Специалисту по модернизации систем энергогенерации»
Скорость света — как измерить, чему равна в вакууме, воздухе, воде Чтобы было легче вычислить, мы округлим и скажем, что скорость света составляет 300 000 000 метров в секунду 300 000 000 м с. Спрашивайте, я на связи!
Что считает общая теория относительности?
В дальнейшем Эйнштейн развил теорию относительности более общего назначения, которая объяснила гравитацию как проявление искривления пространства-времени и показал, что скорость света в этой новой теории изменяется. В 1920 г. в своей книге «Относительность: частная и общая теории» он писал: …согласно общей теории относительности, закон постоянства скорости света в вакууме, представляющий собой один из двух главнейших предположений частной теории относительности, … не может быть безусловным. Кривизна лучей света может наблюдаться только если скорость его распространения изменяется с местоположением. В оригинале речь идет о векторе скорости, то есть, о направленном объекте, поэтому сразу не очевидно, утверждал ли Эйнштейн, что меняется и длина вектора, а не только направление. Однако ссылка на специальную теорию относительности показывает, что утверждал. Хотя это и верно, но современная интерпретация такова, что скорость света постоянна и в общей теории относительности.
Проблема тут в том, что скорость — это величина, которая зависит от координат, то есть, она в некотором смысле неоднозначна. Чтобы определить скорость (расстояние делить на время) сначала надо выбрать какие-то стандарты измерения расстояний и времен. Разные стандарты приведут к разным результатам. Это уже так в специальной теории: если измерить скорость света в ускоренной системе отсчета, то получится значение, отличное от c.
В специальной теории постоянство скорости света утверждается лишь с точки зрения инерциальных систем отсчета. В общей теории это утверждения расширяется до утверждения о постоянстве скорости света в любой свободно падающей системе отсчета (в области, достаточно малой, чтобы можно было пренебречь приливными силами). В вышеупомянутом отрывке Эйнштейн говорит не о свободно падающей системе, а о системе, неподвижной относительно источника гравитации. В такой системе скорость света может отличаться от c в основном из-за влияния гравитации (кривизны пространства-времени) на часы и линейки.
Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости света в инерциальных системах отсчета становится синонимом геометрических свойств пространства-времени. Причинная структура Вселенной определяется геометрией нулевых векторов. Движение со скоростью c означает движение по мировым линиям, касательным нулевым векторам. Применение c для преобразования между метрами и секундами, как в определении метра в системе СИ, совершенно оправдано как с практической, так и с теоретической точки зрения, ведь c это не столько скорость движения света, сколько фундаментальная особенность геометрии пространства-времени.
Как и для частной теории, предсказания общей теории относительности были подтверждены во множестве различных опытах.
В итоге можно сказать, что скорость света не просто постоянна. Более того, в свете хорошо проверенных теорий оказывается, что предположение о том, что она может измениться — просто бессмысленны!
*Строго говоря, показатель преломления не всегда больше единицы. Например, для рентгеновских лучей он почти всегда меньше единицы. Происходит это потому, что так называемая фазовая скорость рентгеновских лучей в среде больше скорости света, а показатель преломления это отношение именно фазовой скорости. Скорость же самих фотонов — это так называемая групповая скорость, которая всегда меньше c (конечно, кроме тех случаев, когда это не так :-). Для простоты в этом ответе мы эту тонкость не рассматриваем. См.
Корпускулярная и волновая теории света
Действие одного тела на другое может передаваться переносом вещества или изменением среды без переноса вещества. К примеру, заставить колокольчик звенеть можно, если попасть в него камнем. Это пример воздействия переноса вещества (рис. а). Если же к язычку колокольчика привязать шнур (рис. б), взять его конец и начать дергать, то переноса вещества происходить не будет. Но колокольчик зазвенит, поскольку среда (шнурок) между рукой и колокольчиком будет изменяться (колебаться).
В соответствии с двумя способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали параллельно развиваться две теории о том, что такое свет, и какова его природа:
- корпускулярная — эту теорию выдвигал Ньютон;
- волновая — эту теорию выдвигал Гюйгенс.
Согласно корпускулярной теории, свет — это поток частиц (корпускул), идущих от источника во все стороны (происходит перенос вещества). Согласно волновой теории, свет — это волна (происходит изменение среды).
Обе теории оказались несостоятельными. Так, корпускулярная теория не объясняла, почему пересекающиеся пучки света в пространстве никак не взаимодействуют друг с другом. Ведь если бы это были частицы, то они бы сталкивались и рассеивались. Однако волновая теория это легко объясняла на примере волн на поверхности воды, которые свободного проходят друг через друга, не оказывая взаимного влияния. Но она не могла объяснить прямолинейное распространение света. Хотя в корпускулярной теории оно легко объясняется действием закона инерции.
Вскоре Максвеллу удалось доказать, что свет представляет собой электромагнитную волну. Но в начале XX века выяснилось, что в одних случаях свет ведет себя как волна, в других — как частица. Так, явление интерференции и дифракции света легко объясняется, если принять свет за волну. Но явления излучения и поглощения света могут быть объяснены только в том случае, если считать свет потоком частиц.
В связи с двойственной природой света в физике начали развиваться два направления: геометрическая и волновая оптика.
Определения
Геометрическая оптика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах, отражения света от зеркально-отражающих поверхностей и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.
Волновая оптика — это отдел физической оптики, в котором изучают интерференцию, дифракцию, поляризацию и другие явления, для понимания которых необходимо и достаточно представление о волновой природе света.
Пример №1. Учитывая, что свет распространяется прямолинейно, вычислить площадь тени, которую отбрасывает квадратное препятствие со стороной квадрата 1 м. Плоскость квадратного препятствия перпендикулярна направлению распространения света от точечного источника. Учесть, что расстояние от источника света до препятствия равно 6 м, а расстояние от препятствия до плоской параллельной ему поверхности, в которой образовалась тень — 4 м. Источник света равноудален от углов квадратного препятствия.
Построим рисунок:
Согласно условию задачи, OA = OC, тогда AB = CD. Так как свет распространяется прямолинейно, тень примет вид квадрата со стороной BD. Следовательно, нам нужно найти его площадь, равную квадрату его стороны.
Треугольники OAC и OBD подобны по двум сторонам и углу между ними, следовательно AC подобна BD. OA относится к OB следующим образом:
OAOB..=66+4..=610..
Следовательно:
ACBD..=610..
1BD..=610..
BD=106..≈1,67
Тогда площадь тени равна:
S=BD2=(1,67)2≈2,79(кв.м)
Чему равна скорость света?
При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.
Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.
Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.
Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.
В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.
История изучения вопроса
В древние времена, как ни удивительно, еще античные мыслители задавались вопросом распространения света в нашей вселенной. Тогда считалось, что это бесконечная величина. Первую оценку физическому явлению скорости света дал Олаф Ремер лишь в 1676 г. Согласно его расчетам распространение света составляло примерно 220 тысяч км/с.
Правильное значение скоростного показателя, с которым продвигается свет в вакууме, было определенно только через полвека после Олафа Ремера. Это смог сделать французский физик А.И.Л. Физо, проведя особый эксперимент.
Эксперимент Физо
Он смог измерить это физическое явление путем измерения времени, за которое луч прошел определенный и точно измеренный участок.
Опыт имел следующий вид:
- источник S испускал световой поток;
- он отражался от зеркала (3);
- после этого световой поток прерывался при помощи зубчатого диска (2);
- затем оно проходил базу, расстояние которого равнялось 8 км;
- после этого световой поток отражался зеркалом (1) и отправлялся в обратный путь к диску.
В ходе эксперимента световой поток попадал в промежутки между зубцами диска, и его можно было наблюдать через окуляр (4). Физо определял время прохождения луча по скорости вращения диска. В результате этого эксперимента он получил значение с = 313300 км/с.
Но это не конец исследований, которые были посвящены данному вопросу. Конечная формула расчета физической константы появилась благодаря многим ученым, включая и Альберта Эйнштейна.
Есть ли что-то, что движется быстрее скорости света?
Ранее считалось, что скорость света в км в час является предельной, по-другому, ни одна частица или тело не способно развить скорость быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако прогресс в физике показал, что все же есть объекты, способные развивать большую скорость. К таковым сегодня относят солнечные зайчики или электроны, которые не замедляют свое движение, проходя через стекло. Данная аномалия получила название «эффект Вавилова-Черенкова», и встречается в ядерных реакторах или на серьезных морских глубинах. Именно благодаря измерению скорости света получилось сделать массу открытий в области физики, провести исследования на дне океанов, узнать больше о частницах с энергиями, которые не выдает даже адронный коллайдер. Кроме того, скорость света дала возможность сделать прорыв в медицине — лучевая терапия тому доказательство.
По какой причине невозможно двигаться быстрее света?
Так из-за чего же константа СРС не может быть преодолена в обычных условиях? Исходя из теории, можно смело утверждать, что в ситуации превышения будет нарушен фундаментальный закон построения мира, если говорить конкретно – закон причинности. Согласно этому закону, следствие не в силах опередить свою причину.
Рассмотрим этот парадокс на конкретном примере: не может случиться так, что олень сначала упадет замертво, а уже после произойдёт выстрел охотника, застреливший его. Так вот и при повышении СРС разворачиваемые действия должны начинаться в обратной последовательности. В итоге время должно пойти вспять, а это противоречит всем устоявшимся законам физики.
Эйнштейн и вакуум: конечные результаты расчета
В настоящее время большинство людей на планете знают, что максимально допустимой величиной передвижения материальных объектов и различных сигналов является скорость света в вакууме. А кто же первым додумался до этого?
Мысль о невозможности превысить значение скорости света выразил великий физик Альберт Эйнштейн. Он оформил свои наблюдения и назвал их теорией относительности.
Величайшая теория Эйнштейна до сих пор незыблема. Она останется таковой до момента, пока не будут предъявлены реальные доказательства того, что передать сигнал возможно на скорости, превышающей СРС в вакууме. Этот момент может никогда не наступить.
Однако уже было проведено несколько исследований, предвещающих разлад с некоторыми пунктами самой известной теории Эйнштейна. Измерение сверхсветовых скоростей уже возможно при заданных условиях. Примечательно то, что теория относительности не нарушается полностью.
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.
Как измеряют скорость света?
Наблюдения Олаф Рёмера
Ученые античности в своем большинстве полагали, что свет движется с бесконечной скоростью, и первая оценка скорости света была получена аж в 1676-м году. Датский астроном Олаф Рёмер наблюдал за Юпитером и его спутниками. В момент, когда Земля и Юпитер оказались с противоположных сторон Солнца, затмение спутника Юпитера – Ио запаздывало на 22 минуты, по сравнению с рассчитанным временем. Единственное решение, которое нашел Олаф Рёмер – скорость света предельна. По этой причине информация о наблюдаемом событии запаздывает на 22 минуты, так как на прохождение расстояния от спутника Ио до телескопа астронома требуется некоторое время. Согласно подсчетам Рёмера скорость света составила 220 000 км/с.
Измерение скорости света Олафом Рёмером
Наблюдения Джеймса Брэдли
В 1727-м году английский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света. Суть данного явления состоит в том, что при движении Земли вокруг Солнца, а также во время собственного вращения Земли наблюдается смещение звезд в ночном небе. Так как наблюдатель землянин и сама Земля постоянно меняют свое направление движения относительно наблюдаемой звезды, свет, излучаемый звездой, проходит различное расстояние и падает под разным углом к наблюдателю с течением времени. Ограниченность скорости света приводит к тому, что звезды на небосводе описывают эллипс в течение года. Данный эксперимент позволил Джеймсу Брэдли оценить скорость света — 308 000 км/с.
Звездная аберрация, обнаруженная Брэдли
Опыт Луи Физо
В 1849-м году французским физиком Луи Физо был поставлен лабораторный опыт по измерению скорости света. Физик установил зеркало в Париже на расстоянии 8 633 метров от источника, однако согласно расчетам Рёмера свет пройдет данное расстояние за стотысячные доли секунды. Подобная точность часов тогда была недостижима. Тогда Физо использовал зубчатое колесо, которое вращалось на пути от источника к зеркалу и от зеркала к наблюдателю, зубцы которого периодически закрывали свет. В случае, когда световой луч от источника к зеркалу проходил между зубцами, а на обратном пути попадал в зубец – физик увеличивал скорость вращения колеса вдвое. С увеличением скорости вращения колеса свет практически перестал пропадать, пока скорость вращения не дошла до 12,67 оборотов в секунду. В этот момент свет снова исчез.
Подобное наблюдение означало, что свет постоянно «натыкался» на зубцы и не успевал «проскочить» между ними. Зная скорость вращения колеса, количество зубцов и удвоенное расстояние от источника к зеркалу, Физо высчитал скорость света, которая оказалась равной 315 000 км/сек.
Схема опыта Луи Физо
Спустя год другой французский физик Леон Фуко провел похожий эксперимент, в котором вместо зубчатого колеса использовал вращающееся зеркало. Полученное ним значение скорости света в воздухе равнялось 298 000 км/с.
Спустя столетие метод Физо был усовершенствован настолько, что аналогичный эксперимент, поставленный в 1950-м году Э. Бергштрандом дал значение скорости равное 299 793,1 км/с. Данное число всего на 1 км/с расходится с нынешним значением скорости света.
Дальнейшие измерения
С возникновением лазеров и повышением точности измерительных приборов удалось снизить погрешность измерения вплоть до 1 м/с. Так в 1972-м году американские ученые использовали лазер для своих опытов. Измерив частоту и длину волны лазерного луча, им удалось получить значение – 299 792 458 м/с. Примечательно, что дальнейшее увеличение точности измерения скорости света в вакууме было нереализуемо в не в силу технического несовершенства инструментов, а из-за погрешности самого эталона метра. По этой причине в 1983-м году XVII Генеральная конференция по мерам и весам определила метр как расстояние, которое преодолевает свет в вакууме за время, равное 1 / 299 792 458 секунды.
Расстояние от Земли до Луны равняется 1,25 световых секунды
Сколько световых лет до Марса
Как преодолеть огромное расстояние и сколько лететь к Марсу нам давно известно на практических примерах.
Сколько лететь на красную планету астронавтам-землянам – это уравнение с переменным значением, потому что наша планета и Марс постоянно находятся в движении. Каждая планета устремлена по своей орбите вокруг Солнца. Планеты могут приближаться друг к другу или находиться по разные стороны звезды на предельном удалении. Разумеется, наиболее экономичным для землян решением будет предпринять полёт к Марсу, когда планеты находятся на минимальной дистанции.
Расстояние, которое свет проходит за один год равно 9460,73 миллиардов километров. Минимальное возможное расстояние между Землей и Марсом равно 54,55 млн. км.
0.0000057 световых лет от Земли до Марса
Имея такие данных можно заключить, что минимальное расстояние между двумя планетами – равняется 181 световым секундам, или 3-м световым минутам. Иными словами, между Марсом и Землёй 0.00000570776255707763 световых лет.
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.
Майкельсон обнаружил, что скорость света не зависит от направления измерения.
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.
Косвенным подтверждением правильности теории Эйнштейна стала «относительность одновременности», ее суть показана на рисунке.
Пример того, как местоположение человека влияет на его восприятие в отношении распространения света.
