Jakou rychlostí se šíří světlo ve vakuu?

Rychlost světla ve vakuu je ve fyzice hojně využívaný ukazatel, který svého času umožnil učinit řadu objevů a vysvětlit podstatu mnoha jevů. Pro pochopení tohoto tématu a pro pochopení toho, jak a za jakých podmínek byl objeven, je třeba se naučit několik důležitých věcí.

Jaká je rychlost světla

Rychlost světla ve vakuu je považována za absolutní veličinu, která vyjadřuje rychlost šíření elektromagnetického záření. Ve fyzice se hojně používá a označuje se malým latinským písmenem "c" (vyslovuje se "Ce").

Ve vakuu se rychlost světla používá k určení rychlosti různých částic.

Podle většiny výzkumníků a vědců je rychlost světla ve vakuu maximální možná rychlost, kterou se šíří částice a různé druhy záření.

Pokud jde o příklady jevů, jsou následující:

1. Viditelné světlo vycházející z jakéhokoli zdroj.
2. Všechny druhy elektromagnetického záření (např. rentgenové záření a rádiové vlny).
3. Gravitační vlny (zde někteří odborníci nesouhlasí).

Mnoho typů částic se může pohybovat rychlostí blízkou rychlosti světla, ale nedosáhne jí.

Přesná hodnota rychlosti světla

Vědci se snaží určit rychlost světla již mnoho let, ale přesná měření byla provedena až v 70. letech 20. století. Nakonec 299 792 458 metrů za sekundu. s maximální odchylkou +/-1,2 metru. Dnes je to neměnná fyzická jednotka.Protože vzdálenost jednoho metru je 1/299 792 458 sekundy, je to doba, za kterou světlo ve vakuu urazí 100 cm.

Vědecké vzorec pro určení rychlosti světla.

Pro zjednodušení výpočtu, číslo je zjednodušeno na 300 000 000 m/s (3×108 m/s).. Všichni to znají ze školní fyziky, kde se rychlost měří právě v této podobě.

Základní úloha rychlosti světla ve fyzice

Jedná se o jeden z hlavních ukazatelů bez ohledu na to, jaký referenční rámec je ve studii použit. Je nezávislý na pohybu zdroje vln, což je také důležité.

Invariance byla přijata jako postulát Albertem Einsteinem v roce 1905. Stalo se tak poté, co jiný vědec, Maxwell, předložil teorii elektromagnetismu poté, co nenašel žádné důkazy o existenci světelného éteru.

Tvrzení, že kauzální jevy se nemohou přenášet rychlostí větší než rychlost světla, je dnes považováno za opodstatněné.

Mimochodem! Fyzikové nepopírají, že některé částice se mohou pohybovat rychlostí větší, než je uvedené číslo. Nelze je však použít k přenosu informací.

Historické odkazy

Abychom pochopili zvláštnosti tohoto tématu a dozvěděli se, jak byly určité jevy objeveny, měli bychom studovat experimenty některých vědců. V 19. století bylo učiněno mnoho objevů, které později pomohly vědcům, především v oblasti elektrického proudu a jevů magnetické a elektromagnetické indukce.

Experimenty Jamese Maxwella

Fyzikův výzkum potvrdil interakci částic na dálku. To následně umožnilo Wilhelmu Weberovi vytvořit novou teorii elektromagnetismu. Maxwell také jasně stanovil fenomén magnetického a elektrického pole a určil, že se mohou vzájemně vytvářet a tvořit elektromagnetické vlny. Byl to právě tento vědec, kdo jako první začal používat označení "c", které dodnes používají fyzikové na celém světě.

Proto většina vědců již tehdy hovořila o elektromagnetické povaze světla. Maxwell při zkoumání rychlosti šíření elektromagnetických vzruchů dospěl k závěru, že je rovna rychlosti světla, což ho tehdy překvapilo.

Maxwellův výzkum jasně ukázal, že světlo, magnetismus a elektřina nejsou oddělené pojmy. Tyto faktory společně určují povahu světla, protože je kombinací magnetického a elektrického pole, které se šíří prostorem.

Vzor šíření elektromagnetické vlny.

Michelson a jeho pokus o důkaz absolutní rychlosti světla

Na počátku minulého století se většina vědců řídila Galileovým principem relativity, podle kterého byly zákony mechaniky stejné bez ohledu na vztažnou soustavu. Podle teorie se však rychlost šíření elektromagnetických vln musí měnit s pohybem zdroje. To bylo v rozporu jak s Galileovými postuláty, tak s Maxwellovou teorií, což byl důvod výzkumu.

V té době se většina vědců přikláněla k "éterové teorii", podle níž indikátory nezávisí na rychlosti svého zdroje, ale za hlavní určující faktor se považují vlastnosti média.

Michelson zjistil, že rychlost světla nezávisí na směru měření.

Protože se Země pohybuje v prostoru určitým směrem, bude se rychlost světla podle zákona o sčítání rychlostí lišit při měření v různých směrech. Michelson však nezjistil žádný rozdíl v šíření elektromagnetických vln bez ohledu na to, v jakém směru byla měření prováděna.

Teorie éteru nedokázala vysvětlit existenci absolutní velikosti, což ještě lépe ukázalo její chybnost.

Speciální teorie relativity Alberta Einsteina

Tehdy mladý vědec předložil teorii, která byla v rozporu s názory většiny badatelů. Podle ní mají čas a prostor vlastnosti, které zajišťují, že rychlost světla ve vakuu zůstává konstantní bez ohledu na zvolený vztažný rámec. To vysvětluje Michelsonovy neúspěšné pokusy, protože rychlost šíření světla nezávisí na pohybu jeho zdroje.

[tds_council]Nepřímým potvrzením správnosti Einsteinovy teorie byla "relativita simultaneity", jejíž podstatu ukazuje obrázek.[/tds_council]

Příklad toho, jak poloha člověka ovlivňuje jeho vnímání šíření světla.

Jak se dříve měřila rychlost světla

Pokusů o stanovení tohoto ukazatele bylo již mnoho, ale vzhledem k nízkému stupni rozvoje vědy to bylo dříve problematické. Například vědci v dávných dobách věřili, že rychlost světla je nekonečná, ale později to mnoho badatelů zpochybnilo, což vedlo k řadě pokusů o její určení:

1. Galileo používal baterky. Aby mohl vypočítat rychlost, jakou se světelné vlny šíří, stál se svým asistentem na kopcích, přičemž vzdálenost mezi nimi byla přesně určena. Pak jeden z účastníků otevřel lucernu a druhý udělal totéž, jakmile uviděl světlo. Tato metoda však byla neúspěšná kvůli vysoké rychlosti šíření vln a nemožnosti určit přesný časový interval.
2. Dánský astronom Olaf Remer si při pozorování Jupiteru všiml jedné zvláštnosti. Když se Země a Jupiter nacházely na opačných bodech svých oběžných drah, bylo zatmění Io (Jupiterova satelitu) 22 minut za samotnou planetou. Na základě toho dospěl k závěru, že rychlost šíření světelných vln není nekonečná a má svou mez. Podle jeho výpočtů činil index přibližně 220 000 km za sekundu.
   Určení rychlosti světla podle Rehmera.
3. Přibližně ve stejném období objevil anglický astronom James Bradley jev světelné aberace, kdy se poloha hvězd na obloze a vzdálenost k nim neustále mění v důsledku pohybu Země kolem Slunce a také v důsledku její rotace kolem osy. Kvůli těmto vlastnostem hvězdy během každého roku opisují elipsu. Pomocí výpočtů a pozorování astronom vypočítal rychlost, která činila 308 000 km za sekundu.
   Aberace světla
4. Louis Fizeau byl první, kdo určil přesný index pomocí laboratorního pokusu. Ve vzdálenosti 8633 m od zdroje nastavil sklo se zrcadlovým povrchem, ale protože vzdálenost je malá, nebylo možné provést přesné časové výpočty. Vědec pak nastavil ozubené kolo, které svými ozubenými koly pravidelně zakrývalo světlo. Změnou rychlosti kola Fizeau určil, při jaké rychlosti světlo nestihne projít mezi ozubenými koly a vrátit se zpět. Vypočítal rychlost 315 000 kilometrů za sekundu.
   Experiment Louise Fizeaua.

Měření rychlosti světla

Toho lze dosáhnout několika způsoby. Není nutné je podrobně rozebírat, pro každou z nich by byl nutný samostatný přehled. Proto je nejjednodušší odrůdy roztřídit:

1. Astronomická měření. Zde se nejčastěji používají metody Remer a Bradley, které jsou prokazatelně účinné a nejsou ovlivněny vzduchem, vodou ani jinými podmínkami prostředí. Ve vesmírném vakuu se přesnost měření zvyšuje.
2. Dutinová rezonance nebo dutinový efekt - je název pro jev nízkofrekvenčního stojatého magnetického vlnění mezi povrchem planety a ionosférou. Pomocí speciálních vzorců a měřicích zařízení lze snadno vypočítat rychlost částic ve vzduchu.
3. Interferometrie - Soubor vyšetřovacích technik, při nichž se sčítá několik typů vln. Tím vzniká interferenční efekt, díky němuž lze provádět četná měření elektromagnetických i akustických vibrací.

Pomocí speciálního vybavení lze měření provádět bez nutnosti použití speciální techniky.

Je nadsvětelná rychlost možná

Podle teorie relativity je překročení rychlosti fyzikální částice porušením principu kauzality. Díky tomu je možný přenos signálů z budoucnosti do minulosti a naopak. Zároveň však tato teorie nepopírá, že mohou existovat částice, které se pohybují rychleji a zároveň interagují s běžnými látkami.

Tento typ částic se nazývá tachyon. Čím rychleji se pohybují, tím méně energie nesou.

Video lekce: Fizeauův experiment. Měření rychlosti světla. Fyzika 11. třída.

Rychlost světla ve vakuu je konstantní a mnoho jevů ve fyzice je na ní založeno. Jeho definice byla novým milníkem ve vývoji vědy, protože vysvětlila mnoho procesů a zjednodušila řadu výpočtů.