Как найти скорость света формула физика

точные значения
солнечному свету требуется в среднем^{[Прим. 1]} 8 минут 17 секунд, чтобы достигнуть Земли
метров в секунду	299 792 458
Планковских единиц	1
приблизительные значения
километров в секунду	300 000
километров в час	1,08 млрд
астрономических единиц в сутки	173
приблизительное время путешествия светового сигнала
расстояние	время
один метр	3,3 нс
один километр	3,3 мкс
от геостационарной орбиты до Земли	119 мс
длина экватора Земли	134 мс
от Луны до Земли	1,255 с
от Солнца до Земли (1 а. е.)	8,3 мин.
от Вояджера-1 до Земли	22 часа 05 минут (на март 2023)^[1]
один световой год	1 год
один парсек	3,26 лет
от Проксимы Центавра до Земли	4,24 лет
от Альфы Центавра до Земли	4,37 лет
от ближайшей галактики (Карликовой галактики в Большом Псе) до Земли	25 000 лет
через Млечный Путь	100 000 лет
от галактики Андромеды до Земли	2,5 млн лет
от самой удалённой известной галактики до Земли	13,4 млрд лет^[2]

Ско́рость све́та в вакууме^{[Прим. 2]} — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн, в точности равная 299 792 458 м/с (или приблизительно 3×10⁸ м/с). В физике традиционно обозначается латинской буквой «» (произносится как «цэ»), от лат. celeritas (скорость).

Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом^[3]. Из постулата причинности (любое событие может оказывать влияние только на события, происходящие позже него, и не может оказывать влияние на события, произошедшие раньше него^[4]^[5]^[6]) и постулата специальной теории относительности о независимости скорости света в вакууме от выбора инерциальной системы отсчёта (скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга^[7]) следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света^[8]^[9]^[6]. Таким образом, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

В вакууме[править | править код]

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году^{[Прим. 3]}.

На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды^[11].

В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1. Можно сказать, что свет проходит 1 планковскую длину за планковское время, но в планковской системе единиц скорость света является основной единицей, а единицы времени и расстояния — производными (в отличие от СИ, где основными являются метр и секунда).

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света^{[Прим. 4]}, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость, лишь на 3 м/сек меньше скорости света, имеют массивные частицы (протоны), полученные на ускорителе (Большой адронный коллайдер) или входящие в состав космических лучей.^{[источник не указан 1991 день]}

В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом). Существует, однако, проблема «запутанных состояний» частиц, которые, судя по всему, «узнают» о состоянии друг друга мгновенно. Однако и в этом случае сверхсветовой передачи информации не происходит, поскольку для передачи информации таким способом необходимо привлечь дополнительный классический канал передачи со скоростью света^{[Прим. 5]}.

Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например, солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью, большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой)^[13].

В прозрачной среде[править | править код]

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде ( ${displaystyle lambda ={frac {c}{nu }}}$ ). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше . Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде называется показателем преломления среды. Если угловая частота omega волны в среде зависит от волнового числа нелинейным образом, то групповая скорость равняется первой производной ${displaystyle {frac {partial omega }{partial k}}}$ , в отличие от фазовой скорости ${displaystyle {frac {omega }{k}}}$ .^[14]

Групповая скорость света определяется как скорость распространения биений между двумя волнами с близкой частотой и в равновесной среде всегда меньше . Однако в неравновесных средах, например, сильно поглощающих, она может превышать . При этом, однако, передний фронт импульса всё равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

Вывод скорости света из уравнений Максвелла[править | править код]

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме:

${displaystyle operatorname {rot} mathbf {E} =-{frac {partial mathbf {B} }{partial t}}}$

${displaystyle operatorname {rot} mathbf {H} =mathbf {j} +{frac {partial mathbf {D} }{partial t}}}$

${displaystyle mathbf {B} =mu mu _{0}mathbf {H} }$

${displaystyle mathbf {D} =varepsilon varepsilon _{0}mathbf {E} }$

– вектор напряженности электрического поля

– вектор напряженности магнитного поля

– вектор магнитной индукции

– вектор электрической индукции

– магнитная проницаемость

$mu _{0}$ – магнитная постоянная

– электрическая проницаемость

$varepsilon _{0}$ – электрическая постоянная

– плотность тока

rho – плотность заряда

– ротор, дифференциальный оператор, ${displaystyle operatorname {rot} mathbf {E} =mathbf {nabla } times mathbf {E} ={begin{vmatrix}mathbf {i} &mathbf {j} &mathbf {k} \{frac {partial }{partial x}}&{frac {partial }{partial y}}&{frac {partial }{partial z}}\E_{x}&E_{y}&E_{z}end{vmatrix}}=left({frac {partial E_{z}}{partial y}}-{frac {partial E_{y}}{partial z}}right)mathbf {i} +left({frac {partial E_{x}}{partial z}}-{frac {partial E_{z}}{partial x}}right)mathbf {j} +left({frac {partial E_{y}}{partial x}}-{frac {partial E_{x}}{partial y}}right)mathbf {k} }$

– дивергенция, дифференциальный оператор, ${displaystyle operatorname {div} mathbf {E} =nabla cdot mathbf {E} ={frac {partial E_{x}}{partial x}}+{frac {partial E_{y}}{partial y}}+{frac {partial E_{z}}{partial z}}}$

Delta – оператор Лапласа, ${displaystyle Delta ={frac {partial ^{2}}{partial x^{2}}}+{frac {partial ^{2}}{partial y^{2}}}+{frac {partial ^{2}}{partial z^{2}}}}$ , ${displaystyle Delta mathbf {E} =Delta E_{x}mathbf {i} +Delta E_{y}mathbf {j} +Delta E_{z}mathbf {k} }$

Для электромагнитной волны , , поэтому:

${displaystyle operatorname {rot} mathbf {H} ={frac {partial mathbf {D} }{partial t}}}$

${displaystyle operatorname {div} mathbf {D} =varepsilon varepsilon _{0}operatorname {div} mathbf {E} =0}$

Согласно свойству ротора векторного поля . Подставив сюда ${displaystyle operatorname {rot} mathbf {E} =-{frac {partial mathbf {B} }{partial t}}}$ и , получим:

${displaystyle operatorname {rot} left(-{frac {partial mathbf {B} }{partial t}}right)=-Delta mathbf {E} }$

${displaystyle Delta mathbf {E} =operatorname {rot} {frac {partial mathbf {B} }{partial t}}}$

${displaystyle Delta mathbf {E} ={frac {partial }{partial t}}operatorname {rot} mathbf {B} }$

${displaystyle Delta mathbf {E} =mu mu _{0}{frac {partial }{partial t}}operatorname {rot} mathbf {H} }$ подставляем сюда из уравнений Максвелла ${displaystyle operatorname {rot} mathbf {H} ={frac {partial mathbf {D} }{partial t}}}$ , получаем:

${displaystyle Delta mathbf {E} =mu mu _{0}{frac {partial }{partial t}}left({frac {partial mathbf {D} }{partial t}}right)}$

${displaystyle Delta mathbf {E} =mu mu _{0}{partial ^{2}mathbf {D} over partial t^{2}}}$

${displaystyle Delta mathbf {E} =mu mu _{0}varepsilon varepsilon _{0}{partial ^{2}mathbf {E} over partial t^{2}}}$ ^[3] (1)

Уравнение волны:

, где – оператор Д’Аламбера, ${displaystyle square =Delta -{frac {1}{v^{2}}}{frac {partial ^{2}}{partial t^{2}}}}$

${displaystyle Delta mathbf {E} -{frac {1}{c^{2}}}{frac {partial ^{2}mathbf {E} }{partial t^{2}}}=0}$

${displaystyle Delta mathbf {E} ={frac {1}{c^{2}}}{frac {partial ^{2}mathbf {E} }{partial t^{2}}}}$ (2)

Подставляем (1) в (2), находим скорость:

${displaystyle c=1/{sqrt {mu mu _{0}epsilon epsilon _{0}}}}$

${displaystyle epsilon _{0}=8{,}854;187;812times 10^{-12}}$ с ${displaystyle ^{4}}$ A ${displaystyle ^{2}}$ /м ${displaystyle ^{3}}$ кг

${displaystyle mu _{0}=1{,}256;637;062times 10^{-6}}$ кг м/с ${displaystyle ^{2}}$ А ${displaystyle ^{2}}$

В вакууме ,

м/с

Фундаментальная роль в физике[править | править код]

Лоренц-фактор gamma как функция скорости. Он растет от 1 (для нулевой скорости) до бесконечности (с приближением к )

Скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит ни от движения источника волн, ни от системы отсчёта наблюдателя^{[Прим. 6]}. Эйнштейн постулировал такую инвариантность скорости света в 1905 году^[15]. Он пришёл к этому выводу на основании теории электромагнетизма Максвелла и доказательства отсутствия светоносного эфира^[16].

Инвариантность скорости света неизменно подтверждается множеством экспериментов^[17]. Существует возможность проверить экспериментально лишь то, что скорость света в «двустороннем» эксперименте (например, от источника к зеркалу и обратно) не зависит от системы отсчёта, поскольку невозможно измерить скорость света в одну сторону (например, от источника к удалённому приёмнику) без дополнительных договоренностей относительно того, как синхронизировать часы источника и приёмника. Однако, если применить для этого синхронизацию Эйнштейна, односторонняя скорость света становится равной двусторонней по определению^[18]^[19].

Специальная теория относительности исследует последствия инвариантности в предположении, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта^[20]^[21]. Одним из последствий является то, что — это та скорость, с которой должны двигаться в вакууме все безмассовые частицы и волны (в частности, и свет).

Специальная теория относительности имеет много экспериментально проверенных последствий, которые противоречат интуиции^[22]. Такие последствия включают: эквивалентность массы и энергии $(E_{0}=mc^{2})$ , сокращение длины (сокращение объектов во время движения)^{[Прим. 7]} и замедление времени (движущиеся часы идут медленнее). Коэффициент gamma , показывающий, во сколько раз сокращается длина и замедляется время, известен как фактор Лоренца (Лоренц-фактор)

${displaystyle gamma ={frac {1}{sqrt {1-{frac {v^{2}}{c^{2}}}}}},}$

где — скорость объекта. Для скоростей гораздо меньших, чем (например, для скоростей, с которыми мы имеем дело в быту) разница между gamma и 1 настолько мала, что ею можно пренебречь. В этом случае специальная теория относительности хорошо аппроксимируется относительностью Галилея. Но на релятивистских скоростях разница увеличивается и стремится к бесконечности при приближении к .

Объединение результатов специальной теории относительности требует выполнения двух условий: (1) пространство и время являются единой структурой, известной как пространство-время (где связывает единицы измерения пространства и времени), и (2) физические законы удовлетворяют требованиям особой симметрии, которая называется инвариантность Лоренца (Лоренц-инвариантность), формула которой содержит параметр ^[25]. Инвариантность Лоренца встречается повсеместно в современных физических теориях, таких как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика, стандартная модель физики элементарных частиц и общая теория относительности. Таким образом, параметр встречается повсюду в современной физике и появляется во многих смыслах, которые не имеют отношения собственно к свету. Например, общая теория относительности предполагает, что гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью ^[26]^[27]. В неинерциальных системах отсчёта (в гравитационно искривлённом пространстве или в системах отсчёта, движущихся с ускорением), локальная скорость света также является постоянной и равна , однако скорость света вдоль траектории конечной длины может отличаться от в зависимости от того, как определено пространство и время^[28].

Считается, что фундаментальные константы, такие как , имеют одинаковое значение во всём пространстве-времени, то есть они не зависят от места и не меняются со временем. Однако некоторые теории предполагают, что скорость света может изменяться со временем^[29]^[30]. Пока нет убедительных доказательств таких изменений, но они остаются предметом исследований^[31]^[32].

Кроме того, считается, что скорость света изотропна, то есть не зависит от направления его распространения. Наблюдения за излучением ядерных энергетических переходов как функции от ориентации ядер в магнитном поле (эксперимент Гугса — Древера), а также вращающихся оптических резонаторов (эксперимент Майкельсона — Морли и его новые вариации), наложили жёсткие ограничения на возможность двусторонней анизотропии^[33]^[34].

В ряде естественных систем единиц скорость света является единицей измерения скорости^[35]. В планковской системе единиц, также относящейся к естественным системам, она служит в качестве единицы скорости и является одной из основных единиц системы.

Верхний предел скорости[править | править код]

Согласно специальной теории относительности, энергия объекта с массой покоя и скоростью равна ${displaystyle gamma mc^{2}}$ , где gamma — определённый выше фактор Лоренца. Когда равна нулю, gamma равен единице, что приводит к известной формуле эквивалентности массы и энергии $E=mc^{2}$ . Поскольку фактор gamma приближается к бесконечности с приближением к , ускорение массивного объекта до скорости света потребует бесконечной энергии. Скорость света — это верхний предел скорости для объектов с ненулевой массой покоя. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса^[36].

Относительность одновременности возникающая при преобразованиях Лоренца. Три цветные системы отсчета связаны с тремя разными наблюдателями, движущимися относительно оси x. По отношению к зеленому наблюдателю красный движется со скоростью +0,28c, а синий с −0,52c. Пусть в ситеме отсчета зеленого наблюдателя событие «B» произошло одновременно с событием «A», тогда для синего событие «B» произойдет раньше, чем «A», а для красного наоборот — «A» раньше, чем «B».

Вообще информация или энергия не могут передаваться в пространстве быстрее, чем со скоростью света. Один из аргументов в пользу этого следует из контринтуитивного заключения специальной теории относительности, известного как относительность одновременности. Если пространственное расстояние между двумя событиями А и В больше, чем промежуток времени между ними, умноженный на , то существуют такие системы отсчёта, в которых А предшествует B, и другие, в которых B предшествует А, а также такие, в которых события А и B одновременны. В результате, если объект двигался бы быстрее скорости света относительно некоторой инерциальной системы отсчёта, то в другой системе отсчёта он бы путешествовал назад во времени, и принцип причинности был бы нарушен^{[Прим. 8]}^[38]. В такой системе отсчёта «следствие» можно было бы наблюдать раньше его «первопричины». Такое нарушение причинности никогда не наблюдалось^[19]. Оно также может приводить к парадоксам, таким как тахионный антителефон^[39].

История измерений скорости света[править | править код]

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной^[40]. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

Наблюдения при измерении скорости света при затмениях Ио Юпитером

Первую оценку скорости света произвёл Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что, когда Земля на своей орбите находится дальше от Юпитера, затмения Юпитером спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное значение, но близкое к истинному. В 1676 году он сделал сообщение в Парижской Академии, но не опубликовал свои результаты в виде формальной научной работы. Поэтому научное сообщество приняло идею о конечной скорости света только полвека спустя^[41], когда в 1728 году открытие аберрации позволило Дж. Брэдли подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку. Полученное Брэдли значение составило 308 000 км/с^[42]^[43].

Схема опыта Физо по определению скорости света.
1 — Источник света.
2 — Светоделительное полупрозрачное зеркало.
3 — Зубчатое колесо-прерыватель светового пучка.
4 — Удалённое зеркало.
5 — Телескопическая труба.

Впервые измерения скорости света, основанные на определении времени прохождения светом точно измеренного расстояния в земных условиях, выполнил в 1849 году А. И. Л. Физо. В своих экспериментах Физо использовал разработанный им «метод прерываний», при этом расстояние, преодолеваемое светом в опытах Физо, составляло 8,63 км. Полученное в результате выполненных измерений значение оказалось равным 313 300 км/с.
В дальнейшем метод прерываний значительно усовершенствовали и его использовали для измерений М. А. Корню (1876 г.), А. Ж. Перротен (1902 г.) и Э. Бергштранд^[sv]. Измерения, выполненные Э. Бергштрандом в 1950 году, дали для скорости света значение 299 793,1 км/с, при этом точность измерений была доведена до 0,25 км/с^[42].

Другой лабораторный метод («метод вращающегося зеркала»), идея которого была высказана в 1838 году Ф. Араго, в 1862 году осуществил Леон Фуко. Измеряя малые промежутки времени с помощью вращающегося с большой скоростью (512 об/с) зеркала, он получил для скорости света значение 298 000 км/с с погрешностью 500 км/с. Длина базы в экспериментах Фуко была сравнительно небольшой — двадцать метров^[43]^[42]^[44]^[45]^[46]. В последующем за счёт совершенствования техники эксперимента, увеличения используемой базы и более точного определения её длины точность измерений с помощью метода вращающегося зеркала была существенно повышена. Так, С. Ньюком в 1891 году получил значение 299 810 км/с с погрешностью 50 км/с, а А. А. Майкельсону в 1926 году удалось понизить погрешность до 4 км/с и получить для скорости величину 299 796 км/с. В своих экспериментах Майкельсон использовал базу, равную 35 373,21 м^[42].

Дальнейший прогресс был связан с появлением мазеров и лазеров, которые отличаются очень высокой стабильностью частоты излучения, что позволило определять скорость света одновременным измерением длины волны и частоты их излучения. В начале 1970-х годов погрешность измерений скорости света приблизилась к 1 м/с^[47]. После проверки и согласования результатов, полученных в различных лабораториях, XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с, с относительной погрешностью (неопределённостью) 4⋅10^-9^[48], что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с^[49].

Существенно, что дальнейшее повышение точности измерений стало невозможным в силу обстоятельств принципиального характера: ограничивающим фактором стала величина неопределённости реализации определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность «изготовления» эталона метра, относительное значение которой составляло 4⋅10^-9^[49]. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света и определив метр как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды^[50].

Сверхсветовое движение[править | править код]

Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) нарушило бы принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами^[51], движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.

Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.

Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и во-вторых, тахионы не нарушают принцип причинности, если они никак не взаимодействуют с обычными частицами^[51].

Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны.

C 2006 года показано, что в так называемом эффекте квантовой телепортации кажущееся взаимовлияние частиц распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные фотонные состояния, показала, что это кажущееся «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый «парадокс Хартмана^[en]» — кажущаяся сверхсветовая скорость при туннельном эффекте^[52]. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества^[53].

В результате обработки данных эксперимента OPERA^[54], набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино^[55]. Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов^[56]. Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино^[57]. В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили^[58]. В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля)^[59].

См. также[править | править код]

Переменная скорость света
Односторонняя скорость света
Световой год
Скорость звука
Планковские единицы
Рациональная система единиц

Примечания[править | править код]

Комментарии

↑ От поверхности Солнца — от 8 мин 8,3 с в перигелии до 8 мин 25 с в афелии.
↑ Скорость распространения светового импульса в среде отличается от скорости его распространения в вакууме (меньше, чем в вакууме), и может быть различной для разных сред. Когда говорят просто о скорости света, обычно подразумевается именно скорость света в вакууме; если же говорят о скорости света в среде, это, как правило, оговаривается явно.
↑ В настоящее время наиболее точные методы измерения скорости света основаны на независимом определении значений длины волны и частоты света или другого электромагнитного излучения и последующего расчёта в соответствии с равенством ^[10].
↑ См. например «Частица Oh-My-God».
↑ Аналогом может быть посылка наудачу двух заклеенных конвертов с белой и чёрной бумагой в разные места. Открытие одного конверта гарантирует, что во втором будет лежать второй лист — если первый чёрный, то второй белый, и наоборот. Эта «информация» может распространяться быстрее скорости света — ведь вскрыть второй конверт можно в любое время, и там всегда будет этот второй лист. При этом принципиальная разница с квантовым случаем состоит только в том, что в квантовом случае до «открытия конверта»-измерения состояние листа внутри принципиально неопределённо, как у кота Шрёдингера, и там может оказаться любой лист.
↑ Однако частота света зависит от движения источника света относительно наблюдателя, благодаря эффекту Доплера.
↑ Помимо того, что измеряемые движущиеся объекты оказываются короче вдоль линии относительного движения, они также выглядят повёрнутыми. Этот эффект, известный как вращение Террелла, связан с разницей во времени между пришедшими к наблюдателю сигналами от разных частей объекта^[23]^[24].
↑ Считается, что эффект Шарнхорста позволяет сигналам распространяться немногим выше , но особые условия, при которых эффект может возникать, мешают применить этот эффект для нарушения принципа причинности^[37].

Источники

↑ Where Are the Voyagers – NASA Voyager. Voyager – The Interstellar Mission. Jet Propulsion Laboratory, California Istitute of Technology. Дата обращения: 12 июля 2011. Архивировано 3 февраля 2012 года.
↑ Amos, Jonathan. Hubble sets new cosmic distance record, BBC News (3 марта 2016). Архивировано 4 марта 2016 года. Дата обращения: 3 марта 2016.
↑ ¹ ² Is The Speed of Light Everywhere the Same? Дата обращения: 10 сентября 2015. Архивировано 8 сентября 2015 года.
↑ Начала теоретической физики, 2007, с. 169.
↑ Неванлинна, 1966, с. 122.
↑ ¹ ² Чудинов Э. М. Теория относительности и философия. — М.: Политиздат, 1974. — С. 222—227.
↑ Эволюция физики, 1948, с. 167.
↑ Начала теоретической физики, 2007, с. 170.
↑ Неванлинна, 1966, с. 184.
↑ Сажин М. В. Скорость света // Физика космоса : маленькая энциклопедия / Гл. ред. Р. А. Сюняев. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 622. — 783 с. — 70 000 экз.
↑ ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин. Дата обращения: 14 августа 2012. Архивировано из оригинала 10 ноября 2012 года.
↑ Abbott B. P. et al. (LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, Fermi Gamma-ray Burst Monitor, and INTEGRAL). Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A // The Astrophysical Journal. — 2017. — Vol. 848. — P. L13. — doi:10.3847/2041-8213/aa920c. [исправить]
↑ Болотовский Б. М., Гинзбург В. Л. Эффект Вавилова — Черенкова и эффект Допплера при движении источников со скоростью больше скорости света в вакууме // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1972. — Т. 106, № 4. — С. 577—592. Архивировано 25 сентября 2013 года.
↑ Миллер М. А., Суворов E. В. Групповая скорость // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 544—545. — 704 с.
↑ Stachel, J. J. Einstein from “B” to “Z” – Volume 9 of Einstein studies (нем.). — Springer, 2002. — S. 226. — ISBN 0-8176-4143-2. Архивная копия от 16 ноября 2016 на Wayback Machine
↑ Einstein, A. Zur Elektrodynamik bewegter Körper (нем.) // Annalen der Physik. — 1905. — Bd. 17. — S. 890—921. — doi:10.1002/andp.19053221004. English translation: Perrett, W; Jeffery, GB (tr.); Walker, J (ed.) On the Electrodynamics of Moving Bodies. Fourmilab. Дата обращения: 27 ноября 2009. Архивировано 1 февраля 2013 года.
↑ Александров Е. Б. Теория относительности: прямой эксперимент с кривым пучком // Химия и жизнь. — 2012. — № 3. Архивировано 4 марта 2016 года.
↑
Hsu, J-P; Zhang, Y. Z. Lorentz and Poincaré Invariance. — World Scientific, 2001. — Т. 8. — С. 543ff. — (Advanced Series on Theoretical Physical Science). — ISBN 981-02-4721-4.
↑ ¹ ² Zhang, Y. Z. Special Relativity and Its Experimental Foundations (англ.). — World Scientific, 1997. — Vol. 4. — P. 172—173. — (Advanced Series on Theoretical Physical Science). — ISBN 981-02-2749-3. Архивная копия от 19 мая 2012 на Wayback Machine Архивированная копия. Дата обращения: 24 января 2013. Архивировано 19 мая 2012 года.
↑
d’Inverno, R. Introducing Einstein’s Relativity (англ.). — Oxford University Press, 1992. — P. 19—20. — ISBN 0-19-859686-3.
↑
Sriranjan, B. Postulates of the special theory of relativity and their consequences // The Special Theory to Relativity. — PHI Learning, 2004. — С. 20 ff. — ISBN 81-203-1963-X.
↑ Roberts, T; Schleif, S; Dlugosz, JM (ed.) What is the experimental basis of Special Relativity? Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside (2007). Дата обращения: 27 ноября 2009. Архивировано 1 февраля 2013 года.
↑
Terrell, J. Invisibility of the Lorentz Contraction (англ.) // Physical Review : journal. — 1959. — Vol. 116, no. 4. — P. 1041—1045. — doi:10.1103/PhysRev.116.1041. — Bibcode: 1959PhRv..116.1041T.
↑
Penrose, R. The Apparent Shape of a Relativistically Moving Sphere (англ.) // Proceedings of the Cambridge Philosophical Society (англ.) (рус. : journal. — 1959. — Vol. 55, no. 01. — P. 137—139. — doi:10.1017/S0305004100033776. — Bibcode: 1959PCPS…55..137P.
↑
Hartle, J. B. Gravity: An Introduction to Einstein’s General Relativity (англ.). — Addison-Wesley, 2003. — P. 52—9. — ISBN 981-02-2749-3.
↑
Hartle, J. B. Gravity: An Introduction to Einstein’s General Relativity (англ.). — Addison-Wesley, 2003. — P. 332. — ISBN 981-02-2749-3.
↑ The interpretation of observations on binary systems used to determine the speed of gravity is considered doubtful by some authors, leaving the experimental situation uncertain; seeSchäfer, G; Brügmann, M. H. Propagation of light in the gravitational filed of binary systems to quadratic order in Newton’s gravitational constant: Part 3: ‘On the speed-of-gravity controversy’ // Lasers, clocks and drag-free control: Exploration of relativistic gravity in space (англ.) / Dittus, H; Lämmerzahl, C; Turyshev, S. G.. — Springer, 2008. — ISBN 3-540-34376-8.
↑ Gibbs, P Is The Speed of Light Constant? Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside (1997). Дата обращения: 26 ноября 2009. Архивировано 17 ноября 2009 года.
↑
Ellis, GFR; Uzan, J-P. ‘c’ is the speed of light, isn’t it? (англ.) // American Journal of Physics : journal. — 2005. — Vol. 73, no. 3. — P. 240—247. — doi:10.1119/1.1819929. — Bibcode: 2005AmJPh..73..240E. — arXiv:gr-qc/0305099.. — «The possibility that the fundamental constants may vary during the evolution of the universe offers an exceptional window onto higher dimensional theories and is probably linked with the nature of the dark energy that makes the universe accelerate today.».
↑ An overview can be found in the dissertation of Mota, DF (2006), Variations of the fine structure constant in space and time, arΧiv:astro-ph/0401631 [astro-ph].
↑
Uzan, J-P. The fundamental constants and their variation: observational status and theoretical motivations (англ.) // Reviews of Modern Physics : journal. — 2003. — Vol. 75, no. 2. — P. 403. — doi:10.1103/RevModPhys.75.403. — Bibcode: 2003RvMP…75..403U. — arXiv:hep-ph/0205340.
↑
Amelino-Camelia, G (2008), Quantum Gravity Phenomenology, arΧiv:0806.0339 [gr-qc].
↑ Herrmann, S; Senger, A; Möhle, K; Nagel, M; Kovalchuk, EV; Peters, A. Rotating optical cavity experiment testing Lorentz invariance at the 10⁻¹⁷ level (англ.) // Physical Review D : journal. — 2009. — Vol. 80, no. 100. — P. 105011. — doi:10.1103/PhysRevD.80.105011. — Bibcode: 2009PhRvD..80j5011H. — arXiv:1002.1284.
↑ Lang, K. R. Astrophysical formulae. — 3rd. — Birkhäuser (англ.) (рус., 1999. — С. 152. — ISBN 3-540-29692-1.
↑ Tomilin K. A. Natural Systems of Units: To the Centenary Anniversary of the Planck System (англ.). Proc. of the XXII Internat. Workshop on high energy physics and field theory (июнь 1999). Дата обращения: 22 декабря 2016. Архивировано 12 мая 2016 года.
↑ Fowler, M Notes on Special Relativity 56. University of Virginia (март 2008). Дата обращения: 7 мая 2010. Архивировано 1 февраля 2013 года.
↑
Liberati, S; Sonego, S; Visser, M. Faster-than-c signals, special relativity, and causality (англ.) // Annals of Physics (англ.) (рус. : journal. — 2002. — Vol. 298, no. 1. — P. 167—185. — doi:10.1006/aphy.2002.6233. — Bibcode: 2002AnPhy.298..167L. — arXiv:gr-qc/0107091.
↑
Taylor, EF; Wheeler, J. A. Spacetime Physics. — W. H. Freeman (англ.) (рус., 1992. — С. 74—5. — ISBN 0-7167-2327-1.
↑
Tolman, R. C. Velocities greater than that of light // The Theory of the Relativity of Motion. — Reprint. — BiblioLife (англ.) (рус., 2009. — С. 54. — ISBN 978-1-103-17233-7.
↑ Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках. — издание третье, расширенное. — М.: МЦНМО, 2001. — С. 105—108. — ISBN 5-900916-83-9. Архивная копия от 11 июля 2020 на Wayback Machine
↑ Стюарт, 2018, с. 178.
↑ ¹ ² ³ ⁴ Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Физматлит, 2003. — С. 384—389. — 848 с. — ISBN 5-9221-0314-8.
↑ ¹ ² Бонч-Бруевич А. М. Скорость света // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — С. 548—549. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
↑ Léon Foucault. Détermination expérimentale de la vitesse de la lumière ; description des appareils (фр.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences. — Paris, 1862. — Vol. 55. — P. 792—796. Архивировано 24 сентября 2015 года.
↑ Léon Foucault. Détermination expérimentale de la vitesse de la lumière ; parallaxe du Soleil (фр.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences. — Paris, 1862. — Vol. 55. — P. 501—503. Архивировано 24 сентября 2015 года.
↑ Léon Foucault. Experimental Determination of the Velocity of Light: Description of the Apparatus (англ.) // Philosophical Magazine. Fourth Series. — London, 1863. — Vol. 25. — P. 76—79.
↑ Evenson K. M., Wells J. S., Petersen F. R., Danielson B. L., Day G. W. Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 1972. — Vol. 29, no. 19. — P. 1346—1349. — doi:10.1103/PhysRevLett.29.1346.
↑ Указанная погрешность представляет собой утроенное стандартное отклонение.
↑ ¹ ² Рекомендованное значение скорости света Архивная копия от 7 октября 2008 на Wayback Machine (англ.) Резолюция 2 XV Генеральной конференции по мерам и весам (1975)
↑ Определение метра Архивная копия от 26 июня 2013 на Wayback Machine (англ.) Резолюция 1 XVII Генеральной конференции по мерам и весам (1983)
↑ ¹ ² Введение в рассмотрение полевой квантовой природы этих сверхсветовых частиц, возможно, позволяет обойти это ограничение через принцип переинтерпретации наблюдений.
↑ Давидович М. В. О парадоксе Хартмана, туннелировании электромагнитных волн и сверхсветовых скоростях // Успехи физических наук. — М.: Российская академия наук, 2009 (апрель). — Вып. 179. — С. 443. Архивировано 24 октября 2020 года.
↑ И. Иванов. Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности. Архивная копия от 31 августа 2008 на Wayback Machine Элементы.ру.
↑ Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus. Дата обращения: 23 сентября 2011. Архивировано 11 октября 2012 года.
↑ OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso. Дата обращения: 10 января 2016. Архивировано 5 апреля 2013 года.
↑ OPERA Collaboration (Adam T. et al.) (2011), Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, arΧiv:1109.4897..
↑ И.Иванов. Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино. Архивная копия от 25 сентября 2012 на Wayback Machine Элементы.ру, 23 сентября 2011 года.
↑ ICARUS Collaboration et al. Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam // Physics Letters B. — 2012. — Vol. 713 (18 июля). — P. 17–22. — arXiv:1203.3433. — doi:10.1016/j.physletb.2012.05.033.
↑ Эксперимент OPERA окончательно «закрыл» сверхсветовые нейтрино Архивная копия от 7 июля 2012 на Wayback Machine.

Литература[править | править код]

Александров Е. Б., Александров П. А., Запасский В. С., Корчуганов В. Н., Стирин А. И. Эксперименты по прямой демонстрации независимости скорости света от скорости движения источника // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2011. — Вып. 12.
Физические величины: Справочник./А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова М.: Энергоатомиздат, 1991, — 1232 с.— ISBN 5-283-04013-5.
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. — М.: ОГИЗ, 1948. — 267 с.
Медведев Б. В. Начала теоретической физики. — М.: Физматлит, 2007. — 600 с.
Неванлинна Р. Пространство, время и относительность. — М.: Мир, 1966. — 229 с.
Иэн Стюарт. Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную = Stewart Ian. Calculating the Cosmos: How Mathematics Unveils the Universe. — Альпина Паблишер, 2018. — 542 p. — ISBN 978-5-91671-814-0.
И.В.Савельев “Курс общей физики” том II

Ссылки[править | править код]

Скорость света — статья в Физической энциклопедии
Скорость света на astronet.ru
Rømer, O (1676). “Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M. Römer de l’Academie Royale des Sciences” (PDF). Journal des sçavans [фр.]: 223—36.
Halley, E (1694). “Monsieur Cassini, his New and Exact Tables for the Eclipses of the First Satellite of Jupiter, reduced to the Julian Stile and Meridian of London”. Philosophical Transactions of the Royal Society. 18 (214): 237—56. Bibcode:1694RSPT…18..237C. DOI:10.1098/rstl.1694.0048.
Fizeau, HL (1849). “Sur une expérience relative à la vitesse de propagation de la lumière” (PDF). Comptes rendus de l’Académie des sciences [фр.]. 29: 90—92, 132.
Foucault, JL (1862). “Détermination expérimentale de la vitesse de la lumière: parallaxe du Soleil”. Comptes rendus de l’Académie des sciences [фр.]. 55: 501—03, 792—96.

Источник

В астрономии есть много интересных терминов. Многие из них человек использует в повседневной жизни и даже не задумывается о их значении.

Что такое скорость света и в чём измеряется данная величина?

Содержание

Что под собой подразумевает скорость света
Чему равняется скорость света
Какое значение скорости света можно назвать самым точным
Какое значение имеет скорость света в различных условиях и средах
Формула определения скорости света
Как изменялась скорость света
Галилей и его открытия
Рёмер и Бредли и их расчёты, касательно скорости света
Физо и его расчёты
Существует ли скорость быстрее световой

Что под собой подразумевает скорость света

Каждый из нас хоть раз слышал выражение “быстрее скорости света”, но далеко не все понимают, чему равна данная величина и в чём она измеряется. Если не использовать терминологию, и объяснять простыми словами, то скорость света – это некий временной промежуток.

Если быть точнее, то временной промежуток, за который преодолел солнечный луч определённое расстояние. Временные промежутки физика измеряет в секундах. Расстояние принято измерять в метрах.

Справка! Некоторые учёные используют в своих измерениях другие условные единицы.

Но если обратить внимание на измерение скорости света, то данная величина подразумевает измерение в метрах в секунду. Основная закономерность движения света заключается в том, что солнечный луч будет двигаться с постоянной быстротой и скоростью.

Это невозможно сделать человеку или автомобилю, потому что рано или поздно скорость увеличится или понизится, а некоторые условия заставят предмет остановиться. Солнечный луч движется без остановки.

Чему равняется скорость света

В физике также принято рассматривать положение света в безвоздушном пространстве, то есть вакууме. Если световой луч выходит за приделы этого вакуума, то на него начинают влиять различные условия.

Например, в вакууме нет кислорода и ветра, а в воздушном пространстве есть ветра. Свет проходит несколько медленнее через различный материал: стекло, воду, и так далее. Поскольку это является неким барьером, к таким предметам применяется понятие преломления.

Каждый из этих барьеров имеет свой уровень преломления, и при различных физических вычислениях эти преломления должны учитываться.

Справка! Также преломление света принято называть рефракцией. Активно используется при проектировании каких-либо изобретений. Зачастую это относится к изобретениям, где используется оптика и линзы: бинокли, телескопы, очки.

Меньше всего солнечный луч поддаётся преломлению, если проходит через воздушное пространство.

Какое значение скорости света можно назвать самым точным

Поскольку определение скорости света – термин не новый, учёные сделали достаточное количество открытий и провели множество исследований, касательно света и его преломления.

На сегодняшний день самым точным значение скорости света является – 299 792 километра в секунду. Такое число было установлено еще в 1933 году, и это значение актуально по сей день.

Справка! Со временем произошли погрешности в измерении метра, поэтому число неоднократно искажалось.

Какое значение имеет скорость света в различных условиях и средах

Скорость света принято высчитывать, исходя из определённых условий. Стоит сразу уточнить, что процедура достаточно сложная и проблематичная. Важно учесть все возможные преломления.

На сегодняшний день рассматривают три основных показателя:

вода;
стекло;
воздух.

Как правило, величина преломления через воздух самая низкая. При высчитывании принято считать и сравнивать солнечные лучи в безвоздушном пространстве, а затем вводится коэффициент преломления. Только при правильно составленной формуле можно точно высчитать скорость света в различных условиях.

Формула определения скорости света

Как и любая физическая величина, скорость света имеет свою формулу. Выглядит она таким образом: C = λ/T.

Каждая буква имеет своё значение. Учёные берут эту формулу, как основу для расчёта скорости света в безвоздушном пространстве.

Величина этой скорости в идеальном вакуумном пространстве составляет 299 792 458 метров в секунду. Создать такой вакуум можно только в космосе, поэтому физики рассматривают многие примеры только на примере космического пространства.

Тогда не нужно учитывать различную величину преломления и так далее. В условиях земли идеальный вакуум с постоянной скоростью света можно только в искусственных условиях.

Скорость света также принято называть скоростью фотона.

Справка! Фотоном называют малейшую частицу света, который больше всего во Вселенной.

В безвоздушном пространстве скорость света не будет никак изменяться. Она не сможет увеличиваться и уменьшаться в идеальных условиях, так как нет никаких дополнительных преломлений.

Если рассматривать пример скорости света на Земле, то минимальная скорость света будет изменяться в зависимости от дополнительных условий.

Как изменялась скорость света

Скорость света менялась со временем. Чем точнее становилась аппаратура и чем больше проводилось опытов, тем точнее можно было установить скорость света. Многие учёные пытались неоднократно измерить скорость света.

Долгое время считалось, что она бесконечная и её невозможно изменить. Такой позиции придерживались вплоть до 17 века. После этого периода появились новый умы, который посчитали, что луч может иметь начало и конец и его можно измерить.

Справка! Первые измерения провел учёный Олаф Рёмер. Учёный из Дании заметил, что затмение Юпитера немного запаздывает.

Это стало отправной точкой и учёный решил примерно пересчитать эту скорость. Значение было приближено в 220 тысячам километров в секунду. Чуть позже за примерные расчёты взялись и другие учёные. Он также был далёк от нынешнего значения, но получил более точное значение.

Затем скоростью света начали интересоваться и другие служители науки. Вычисления пытались произвести учёные из разных стран и городов. Но до 70-х годов прошлого века не было введено более точных и новых измерений.

После 70-х годов начала появляться новая аппаратура, которая позволила произвести более точные измерения.

Галилей и его открытия

Измерения Галилея буквально поразили публику и своей простотой, и гениальностью. Он смог измерить примерную скорость света буквально подручными средствами.

Он со своим помощником посетили ближайшие холмы у дома, и заранее записали расстояние между ними. Запасаясь фонарями и заслонками, они приступили к осуществлению своего опыта.

Они начали поочерёдно закрывать и открывать фонари, тем самым пытались рассчитать скорость света. Они заранее договорились с каким временным промежутком будут открывать и закрывать фонарный свет.

Но, к сожалению, эксперимент не увенчался успехом. Для того, чтобы рассчитать скорость света, им бы пришлось находиться друг от друга на слишком большом расстоянии.

Рёмер и Бредли и их расчёты, касательно скорости света

Один из опытов, который позволил узнать примерное значение скорости света. Этот тот самый опыт, который был связан с затмением Юпитера. Учёные сделали достаточно простой шаг и разделили расстояние на время и получили примерное значение в 214 тысяч километров.

Это стало отправной точкой. Пускай, это было не точно и с большим количеством недочётов, но благодаря именно этим учёным величиной заинтересовались и начали изучать её более подробно.

Физо и его расчёты

Многие учёные отнеслись к расчётам предыдущих коллег достаточно скептически. Но не взирая на это, результаты были близки к настоящей длине, которая подтверждена сейчас официально и широко используется в расчётах, тогда этого не знали и пытались пересчитать.

Подобно Галилею, Физо игнорировал наблюдение за космическими телами и проводит опыт в лабораторных условиях. Эксперимент был прост: луч направлялся на зеркало, и отразившись проходил через колёсные зубцы.

После этого свет отражался на дополнительную поверхность, расположенную на достаточном расстоянии. Вращение колеса увеличивалось до тех пор, пока луч не попадал на то самое зеркало. Тогда были получены цифры в 313 тысяч километров, после того, как пересмотрели эти расчёты, была определена более точная цифра.

Существует ли скорость быстрее световой

Такое возможно только при создании дополнительных условий. Быстрее солнечного света будет солнечный зайчик или энергия. Также электроны и другие частицы.

Такие условия возможны в искусственных условиях, либо при наличии каких-то дополнительных условий.

Справка! Скорость времени также быстрее скорости света.

Физика и космос – это связанные между собой отрасли, которые постоянно подвергаются изучению. Благодаря этим измерениям можно проводить дальнейшие исследования и ставить более точные числа.

Источник

Скорость распространения света

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 111.

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 111.

Одной из важнейших физических констант является скорость распространения электромагнитных волн — скорость света. Поговорим об этой константе более детально.

Скорость света

В уравнение электродинамики Максвелла в качестве константы входит величина, физический смысл которой состоит в том, что это скорость распространения электромагнитных волн в вакууме. После того как была установлена электромагнитная природа света, стало ясно, что и свет должен также описываться этими уравнениями. То есть, исходя из этих формул, скорость света конечна. В настоящее время она измерена с высокой точностью. Значение скорости распространения света:

$$c = 2.998×10^8$$ м/с

Величина эта весьма велика. Поэтому с античных времен считалось, что свет распространяется мгновенно.

Рис. 1. Скорость света.

Первые сомнения появились лишь в эпоху Возрождения. А по мере развития астрономических представлений появилась возможность непосредственного измерения скорости света.

Метод Рёмера

Первое доказательство конечности скорости света, а также ее достаточно точное измерение принадлежит О. Рёмеру.

В XVII в. в связи с развитием мореплавания остро стоял вопрос определения географической долготы. Для измерения долготы требовались часы высокой точности. После открытия спутников Юпитера в 1610 г. возникло предложение использовать их обращение в качестве таких часов. В частности, ближайший спутник Ио обращается вокруг Юпитера за 42 ч 28 мин., а значит, есть возможность достаточно точного непрерывного отмеривания таких промежутков в любой точке Земли.

Наблюдения затмений спутников Юпитера выявили, что моменты затмений отличаются от рассчитанных, причем отличие зависит от времени года, а максимальная разница составляет 22 мин.

О. Рёмер предположил, что разница в 22 минуты требуется на то, чтобы свет преодолел расстояние земной орбиты. Отставание от точно рассчитанного срока увеличивается по мере того, как Земля оказывается дальше от Юпитера, и уменьшается по мере приближения Земли к нему.

Таким образом было доказано, что свет распространяется с конечной скоростью, и эта скорость по Рёмеру была равна $2.15×10^8$м/с.

Рис. 2. Измерение скорости света Рёмером.

Метод Физо

Более точное значение скорости света было выполнено в 1849 г. И. Физо. Для измерения использовалось быстро вращающееся зубчатое колесо. Сфокусированный пучок света падал на зубцы колеса, проходил сквозь прорези в них, достигал зеркала на некотором расстоянии, возвращался, вновь проходил сквозь прорези и приходил к наблюдателю.

Если колесо вращалось медленно, свет был виден. Однако, по мере увеличения скорости вращения колеса свет, приходящий к наблюдателю, тускнел и наконец совсем гас.

Происходило это потому, что зубчатое колесо пропускало свет «порциями». При этом за время, пока свет двигался до зеркала и обратно, оно успевало повернуться. В результате очередная «порция» света попадала на зубец и не доходила до наблюдателя.

Зная скорость вращения колеса и расстояние от него до зеркала, можно определить скорость света. В опыте Физо было получено значение $3.13×10^8$м/с.

Рис. 3. Измерение скорости света Физо.

Что мы узнали?

Исходя из уравнений электродинамики Максвелла, свет имеет высокую, но конечную скорость распространения. Она равна $2.998×10^8$ м/с. Впервые эта скорость была измерена О. Рёмером при наблюдении затмений спутников Юпитера. Более точное значение было получено в опыте И. Физо с зубчатым колесом.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 111.

А какая ваша оценка?

Источник

Скорость света:

Измерить скорость света ученые пытались давно. Например, Галилей проводил такой опыт. На вершине одного из холмов (рис. 221) находился с фонарем его ассистент, на вершине другого холма — он сам. Ассистент должен был снять крышку со своего зажженного фонаря в тот момент, когда увидит вспышку света фонаря Галилея. Измерив промежуток времени между вспышкой своего фонаря и моментом, когда он увидел вспышку света фонаря ассистента, и зная расстояние между холмами, Галилей пытался определить скорость света. Однако измеряемый промежуток времени был так мал, что Галилей рассматривал его лишь как время реакции человека. Скорость же света он считал бесконечно большой.

После Рёмера скорость света измеряли неоднократно все более совершенными методами. Более точные результаты были получены в опытах американского ученого А. Майкельсона. С ними вы познакомитесь в 11-м классе. Полученное им значение скорости света равнялось 299 700

Принятое в настоящее время значение скорости света в вакууме

(пустоте) равно Если не требуется особая точность, то значение скорости округляется до

Скорость света в вакууме является максимальной. Скорость света в воздухе, как показали опыты, отличается от этого значения лишь незначительно. В других прозрачных средах скорость света меньше, чем в воздухе, например:
в воде в скипидаре

в стекле в алмазе

О среде, в которой свет распространяется с меньшей скоростью, говорят как об оптически более плотной и, наоборот, о среде, в которой свет распространяется быстрее, — как об оптически менее плотной. Обратите внимание, что слова «более (менее) плотный» не связаны с плотностью р вещества, в котором распространяется свет. Так, например, в скипидаре, плотность которого меньше плотности воды свет распространяется медленнее, чем в воде, значит, скипидар является оптически более плотной, чем вода, средой.

А как распространяется свет? Проведем опыт. Поставим на столе три экрана с отверстиями (рис. 222).

Зажжем свечу или электрическую лампочку и попытаемся, перемещая экраны, увидеть свет через отверстия в них. Затем возьмем тонкий прямой стержень и вставим его в отверстия. Мы увидим, что стержень проходит через все отверстия.

Значит, они расположены на одной прямой. А теперь сместим один экран. Свет в глаз больше не попадает. Это говорит о том, что свет распространяется прямолинейно.

В опыте средой, в которой распространялся свет, был воздух. А если взять другую среду, например воду, то как в ней будет распространяться свет?

Проведем опыт. В стеклянный сосуд нальем воду и добавим немного молока, чтобы луч стал видимым. Фонарь или лазерную указку, от которых идет пучок света, поднесем к стенке сосуда (рис. 223). Мы увидим в воде прямую светящуюся линию. Она образована светом, отраженным от частичек молока. Значит, и в воде свет распространяется прямолинейно. И воздух, и вода имеют по всему объему одинаковые физические свойства, поэтому являются однородными средами.

Теперь можно сформулировать закон: в однородной среде свет распространяется прямолинейно.

А если среда неоднородна (состоит из нескольких различных однородных сред)? Тогда этот закон выполняется только в случае, когда световой луч падает перпендикулярно к поверхности среды (рис. 224, а). Во всех других случаях при переходе из одной среды в другую свет меняет свое направление (рис. 224, б).

С неоднородностью среды связано искривление лучей, приводящее к образованию миражей (рис. 225).

Неоднородность среды есть следствие различной температуры соседних слоев воздуха.

Заказать решение задач по физике

Прямолинейностью распространения света объясняются многие явления, например образование тени и полутени. Возьмем миниатюрную электрическую лампочку, мячик и экран. Расположим их, как показано на рисунке 226. В область усеченного конуса между лучами 1 и 2 свет не попадает. На экране мы видим четко очерченную тень.

А теперь осветим мячик двумя лампочками (рис. 227).

На экране мы увидим тень, т. е. область, куда нс попадает свет ни от лампочки 1, ни от лампочки 2, и полутени (области ). В области не попадает свет только от одной лампочки. Тень и полутень можно получить и от одного источника, если он не является точечным (рис. 228).

Для любознательных:

Образованием тени и полутени можно объяснить солнечные и лунные затмения. Когда Луна оказывается между Землей и Солнцем, на поверхность Земли в область 2 солнечные лучи не попадают и жители этой местности оказываются свидетелями полного солнечного затмения (рис. 229). В области 1 и 3 свет попадает частично, это области полутени. Жители этих мест будут видеть ту часть Солнца, от которой в данную область попадает свет.

Главные выводы:

Скорость света в вакууме примерно равна 300 000
Скорость света в прозрачных жидких и твердых средах меньше скорости света в воздухе.
Чем меньше скорость света в среде, тем среда оптически более плотная.
В однородных прозрачных средах свет распространяется прямолинейно.

Отражение света
Спектральный состав естественного света
Фотоны в физике
Зеркала и изображение в плоском зеркале
Агрегатное состояние вещества
Зависимость размеров тел от температуры
Световые явления
Источники света

Источник

Основные формулы по физике – ОПТИКА

Оптика – это раздел физики, изучающий природу светового излучения, его распространение и взаимодействие с веществом. Световые волны – это электромагнитные волны. Длина волны световых волн заключена в интервале [0,4·10^-6 м ÷ 0,76·10^-6 м]. Волны такого диапазона воспринимаются человеческим глазом.

Свет распространяется вдоль линий, называемых лучами. В приближении лучевой (или геометрической) оптики пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ→0. Геометрическая оптика во многих случаях позволяет достаточно хорошо рассчитать оптическую систему. Простейшей оптической системой является линза.

При изучении интерференции света следует помнить, что интерференция наблюдается только от когерентных источников и что интерференция связана с перераспределением энергии в пространстве. Здесь важно уметь правильно записывать условие максимума и минимума интенсивности света и обратить внимание на такие вопросы, как цвета тонких пленок, полосы равной толщины и равного наклона.

При изучении явления дифракции света необходимо уяснить принцип Гюйгенса-Френеля, метод зон Френеля, понимать, как описать дифракционную картину на одной щели и на дифракционной решетке.

При изучении явления поляризации света нужно понимать, что в основе этого явления лежит поперечность световых волн. Следует обратить внимание на способы получения поляризованного света и на законы Брюстера и Малюса.

Смотрите также основные формулы по физике – колебания и волны

Таблица основных формул по оптике

Физические законы, формулы, переменные	Формулы оптики
Абсолютный показатель преломления где с – скорость света в вакууме, с=3·108 м/с, v – скорость распространения света в среде.
Относительный показатель преломления где n₂ и n₁ – абсолютные показатели преломления второй и первой среды.
Закон преломления где i – угол падения, r – угол преломления.
Формула тонкой линзы где F – фокусное расстояние линзы, d – расстояние от предмета до линзы, f – расстояние от линзы до изображения.
Оптическая сила линзы где R₁ и R₂ – радиусы кривизны сферических поверхностей линзы. Для выпуклой поверхности R>0. Для вогнутой поверхности R<0.
Оптическая длина пути: где n – показатель преломления среды; r – геометрическая длина пути световой волны.
Оптическая разность хода: L₁ и L₂– оптические пути двух световых волн.
Условие интерференционного максимума: минимума: где λ₀ – длина световой волны в вакууме; m – порядок интерференционного максимума или минимума.
Оптическая разность хода в тонких пленках в отраженном свете: в проходящем свете: где d – толщина пленки; i – угол падения света; n – показатель преломления.
Ширина интерференционных полос в опыте Юнга: где d – расстояние между когерентными источниками света; L – расстояние от источника до экрана.
Условие главных максимумов дифракционной решетки: где d – постоянная дифракционной решетки; φ – угол дифракции.
Разрешающая способность дифракционной решетки: где Δλ – минимальная разность длин волн двух спектральных линий, разрешаемых решеткой; m – порядок спектра; N – общее число щелей решетки.
Закон Малюса: где I₀ – интенсивность плоско-поляризованного света, падающего на анализатор; I – интенсивность света, прошедшего через анализатор; α – угол между плоскостью поляризации падающего света и главной плоскостью анализатора.
Связь интенсивности естественного света I_ест с интенсивностью света, прошедшего поляризатор (и падающего на анализатор): где k – относительная потеря интенсивности света в поляризаторе.
Дисперсия вещества
Средняя дисперсия
Групповая скорость света
Фазовая скорость света