Hur snabbt färdas ljus i ett vakuum

Ljusets hastighet i vakuum är en indikator som används flitigt inom fysiken och på en gång gjorde det möjligt att göra ett antal upptäckter, samt förklara naturen hos många fenomen. Det finns flera viktiga punkter som måste studeras för att förstå ämnet och förstå hur och under vilka förhållanden denna indikator upptäcktes.

Vad är ljusets hastighet

Utbredningshastigheten för ljus i vakuum anses vara ett absolut värde, vilket återspeglar utbredningshastigheten för elektromagnetisk strålning. Det används flitigt inom fysiken och har en beteckning i form av en liten latinsk bokstav "s" (det står "tse").

I ett vakuum används ljusets hastighet för att bestämma hur snabbt olika partiklar rör sig.

Enligt de flesta forskare och forskare är ljusets hastighet i vakuum den högsta möjliga hastigheten för partikelrörelse och utbredning av olika typer av strålning.

När det gäller exemplen på fenomen är de:

1. Synligt ljus från alla källa.
2. Alla typer av elektromagnetisk strålning (som röntgenstrålar och radiovågor).
3. Gravitationsvågor (här skiljer sig åsikterna från vissa experter).

Många sorters partiklar kan färdas nära ljusets hastighet, men aldrig nå den.

Det exakta värdet på ljusets hastighet

Forskare har försökt i många år att avgöra vad ljusets hastighet är, men exakta mätningar gjordes på 70-talet av förra seklet. Så småningom indikatorn var 299 792 458 m/s med en maximal avvikelse på +/-1,2 m. Idag är det en oföränderlig fysisk enhet, eftersom avståndet i en meter är 1/299 792 458 av en sekund, det är hur lång tid det tar för ljus i vakuum att färdas 100 cm.

Vetenskaplig formel för att bestämma ljusets hastighet.

För att förenkla beräkningarna, indikatorn är förenklad till 300 000 000 m/s (3×108 m/s). Det är bekant för alla i fysikkursen i skolan, det är där hastigheten mäts i denna form.

Ljushastighetens grundläggande roll i fysiken

Denna indikator är en av de viktigaste, oavsett vilket referenssystem som används i studien. Det beror inte på vågkällans rörelse, vilket också är viktigt.

Invarians postulerades av Albert Einstein 1905. Detta hände efter att en annan forskare, Maxwell, som inte hittade bevis på existensen av en lysande eter, lade fram en teori om elektromagnetism.

Påståendet att en orsakseffekt inte kan transporteras med en hastighet som överstiger ljusets hastighet anses ganska rimligt idag.

Förresten! Fysiker förnekar inte att vissa av partiklarna kan röra sig med en hastighet som överstiger den övervägda indikatorn. De kan dock inte användas för att förmedla information.

Historiska referenser

För att förstå särdragen i ämnet och ta reda på hur vissa fenomen upptäcktes, bör man studera experiment från vissa forskare. På 1800-talet gjordes många upptäckter som hjälpte forskare senare, de gällde främst elektrisk ström och fenomenen magnetisk och elektromagnetisk induktion.

Experiment av James Maxwell

Fysikerns forskning bekräftade interaktionen mellan partiklar på avstånd. Därefter tillät detta Wilhelm Weber att utveckla en ny teori om elektromagnetism. Maxwell etablerade också tydligt fenomenet magnetiska och elektriska fält och fastställde att de kan generera varandra och bilda elektromagnetiska vågor. Det var denna vetenskapsman som först började använda beteckningen "s", som fortfarande används av fysiker över hela världen.

Tack vare detta började de flesta forskare redan då prata om ljusets elektromagnetiska natur. Maxwell, medan han studerade utbredningshastigheten för elektromagnetiska excitationer, kom till slutsatsen att denna indikator är lika med ljusets hastighet, en gång blev han förvånad över detta faktum.

Tack vare Maxwells forskning blev det tydligt att ljus, magnetism och elektricitet inte är separata begrepp. Tillsammans bestämmer dessa faktorer ljusets natur, eftersom det är en kombination av ett magnetiskt och elektriskt fält som fortplantar sig i rymden.

Schema för elektromagnetisk vågutbredning.

Michelson och hans erfarenhet av att bevisa ljusets hastighets absoluthet

I början av förra seklet använde de flesta vetenskapsmän Galileos relativitetsprincip, enligt vilken man trodde att mekanikens lagar är oförändrade, oavsett vilken referensram som används. Men samtidigt, enligt teorin, bör utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor ändras när källan rör sig. Detta gick emot både Galileos postulat och Maxwells teori, vilket var anledningen till att forskningen startade.

På den tiden var de flesta forskare benägna till "eterteorin", enligt vilken indikatorerna inte berodde på hastigheten på dess källa, den viktigaste avgörande faktorn var miljöns egenskaper.

Michelson upptäckte att ljusets hastighet inte beror på mätriktningen.

Eftersom jorden rör sig i yttre rymden i en viss riktning, kommer ljusets hastighet, enligt lagen om tillägg av hastigheter, att skilja sig när den mäts i olika riktningar. Men Michelson fann ingen skillnad i utbredningen av elektromagnetiska vågor, oavsett i vilken riktning mätningarna gjordes.

Eterteorin kunde inte förklara förekomsten av ett absolut värde, vilket visade dess felslutning ännu bättre.

Albert Einsteins speciella relativitetsteori

En ung forskare vid den tiden presenterade en teori som strider mot de flesta forskares idéer. Enligt den har tid och rum sådana egenskaper som säkerställer invariansen av ljusets hastighet i vakuum, oavsett den valda referensramen. Detta förklarade Michelsons misslyckade experiment, eftersom ljusets utbredningshastighet inte beror på källans rörelse.

[tds_council]Indirekt bekräftelse på riktigheten av Einsteins teori var "relativiteten av simultanitet", dess essens visas i figuren.[/tds_council]

Ett exempel på hur en persons läge påverkar deras uppfattning om ljusutbredning.

Hur mättes ljusets hastighet innan?

Försök att bestämma denna indikator har gjorts av många, men på grund av vetenskapens låga utvecklingsnivå var det tidigare problematiskt att göra detta. Således trodde forskare från antiken att ljusets hastighet var oändlig, men senare tvivlade många forskare på detta postulat, vilket ledde till ett antal försök att fastställa det:

1. Galileo använde ficklampor. För att beräkna utbredningshastigheten för ljusvågor var han och hans assistent på kullar, avståndet mellan vilka bestämdes exakt. Sedan öppnade en av deltagarna lyktan, den andre fick göra detsamma så fort han såg ljuset. Men denna metod gav inte resultat på grund av den höga hastigheten för vågutbredning och oförmågan att exakt bestämma tidsintervallet.
2. Olaf Roemer, en astronom från Danmark, lade märke till ett särdrag när han observerade Jupiter. När jorden och Jupiter var på motsatta punkter i sina banor, var förmörkelsen av Io (en måne av Jupiter) 22 minuter försenad jämfört med planeten själv. Baserat på detta drog han slutsatsen att ljusvågornas utbredningshastighet inte är oändlig och har en gräns. Enligt hans beräkningar var siffran cirka 220 000 km per sekund.
   Bestämning av ljusets hastighet enligt Roemer.
3. Ungefär samma period upptäckte den engelske astronomen James Bradley fenomenet ljusaberration, på grund av jordens rörelse runt solen, såväl som på grund av rotation runt dess axel, på grund av vilken stjärnornas position på himlen och avståndet till dem förändras ständigt.På grund av dessa egenskaper beskriver stjärnorna en ellips under varje år. Baserat på beräkningar och observationer beräknade astronomen hastigheten, den var 308 000 km per sekund.
   aberration av ljus
4. Louis Fizeau var den första som bestämde sig för att bestämma den exakta indikatorn genom ett laboratorieexperiment. Han installerade ett glas med en spegelyta på ett avstånd av 8633 m från källan, men eftersom avståndet är litet var det omöjligt att göra exakta tidsberäkningar. Sedan satte vetenskapsmannen upp ett kugghjul som med jämna mellanrum täckte ljuset med tänder. Genom att ändra hastigheten på hjulet bestämde Fizeau med vilken hastighet ljuset inte hann glida mellan tänderna och gå tillbaka. Enligt hans beräkningar var hastigheten 315 tusen kilometer per sekund.
   Erfarenhet av Louis Fizeau.

Mätning av ljusets hastighet

Detta kan göras på flera sätt. Det är inte värt att analysera dem i detalj; var och en kommer att kräva en separat granskning. Därför är det lättast att förstå sorterna:

1. Astronomiska mätningar. Här används Roemer och Bradleys metoder oftast, eftersom de har bevisat sin effektivitet och egenskaperna hos luft, vatten och andra egenskaper i miljön påverkar inte prestandan. Under förhållanden med rymdvakuum ökar mätnoggrannheten.
2. kavitetsresonans eller kavitetseffekt - detta är namnet på fenomenet lågfrekventa stående magnetiska vågor som uppstår mellan planetens yta och jonosfären. Med hjälp av speciella formler och data från mätutrustning är det inte svårt att beräkna värdet på hastigheten för partiklar i luften.
3. Interferometri - en uppsättning forskningsmetoder där flera typer av vågor bildas.Detta resulterar i en interferenseffekt som gör det möjligt att utföra många mätningar av både elektromagnetiska och akustiska vibrationer.

Med hjälp av specialutrustning kan mätningar göras utan att använda speciella tekniker.

Är superluminal hastighet möjlig?

Baserat på relativitetsteorin bryter överskottet av indikatorn av fysiska partiklar mot principen om kausalitet. På grund av detta är det möjligt att överföra signaler från framtiden till det förflutna och vice versa. Men samtidigt förnekar inte teorin att det kan finnas partiklar som rör sig snabbare, samtidigt som de interagerar med vanliga ämnen.

Denna typ av partiklar kallas tachyoner. Ju snabbare de rör sig, desto mindre energi bär de på.

Videolektion: Fizeaus experiment. Mätning av ljusets hastighet. Fysik årskurs 11.

Ljusets hastighet i ett vakuum är ett konstant värde, många fenomen inom fysiken är baserade på det. Dess definition blev en ny milstolpe i vetenskapens utveckling, eftersom den gjorde det möjligt att förklara många processer och förenklade ett antal beräkningar.