Med hvilken hastighed udbreder lyset sig i et vakuum

Lysets hastighed i et vakuum er et indeks, der er meget anvendt i fysikken, og som på et tidspunkt har gjort det muligt at gøre en række opdagelser og forklare mange fænomener. Der er nogle vigtige punkter at lære for at forstå emnet og for at forstå, hvordan og under hvilke omstændigheder det blev opdaget.

Hvad er lysets hastighed

Lysets hastighed i et vakuum betragtes som en absolut størrelse, der afspejler den elektromagnetiske strålings udbredelseshastighed. Det er meget udbredt inden for fysik og betegnes med et lille latinsk bogstav "c" (udtales "Ce").

I et vakuum bruges lysets hastighed til at bestemme hastigheden af forskellige partikler.

Ifølge de fleste forskere og videnskabsmænd er lysets hastighed i et vakuum den maksimale hastighed, hvormed partikler og forskellige former for stråling kan sprede sig.

Følgende eksempler på fænomener kan nævnes:

1. Synligt lys, der kommer fra en hvilken som helst kilde.
2. Alle typer elektromagnetisk stråling (f.eks. røntgenstråler og radiobølger).
3. Gravitationsbølger (hvor nogle eksperter er uenige).

Mange typer partikler kan bevæge sig med næsten lysets hastighed, men når den ikke.

Den nøjagtige værdi af lysets hastighed

Forskere har forsøgt at bestemme lysets hastighed i mange år, men de nøjagtige målinger blev foretaget i 1970'erne. I sidste ende var tallet 299.792.458 meter pr. sekund med en maksimal afvigelse på +/-1,2 meter. I dag er det en uforanderlig fysisk enhedDa en afstand på en meter er 1/299 792 458 sekunder, er det den tid, det tager lys i et vakuum at bevæge sig 100 cm.

Den videnskabelige formel til bestemmelse af lysets hastighed.

For at forenkle beregningen, tallet er forenklet til 300.000.000.000 m/s (3×108 m/s). Alle kender det fra skolefysik, hvor hastighed måles i denne form.

Lyshastighedens grundlæggende rolle i fysikken

Dette er en af de vigtigste indikatorer, uanset hvilken referenceramme der anvendes i undersøgelsen. Den er uafhængig af bølgekildens bevægelse, hvilket også er vigtigt.

Invarians blev vedtaget som et postulat af Albert Einstein i 1905. Dette skete efter at en anden videnskabsmand, Maxwell, havde fremsat teorien om elektromagnetisme efter at han ikke havde fundet beviser for eksistensen af en lysbærende æter.

Påstanden om, at kausale virkninger ikke kan transporteres med hastigheder, der er større end lysets hastighed, anses nu for at være velbegrundet.

I øvrigt! Fysikerne benægter ikke, at nogle af partiklerne kan bevæge sig med en hastighed, der er større end det pågældende tal. Men de kan ikke bruges til at overføre oplysninger.

Historiske referencer

For at forstå emnets særtræk og lære, hvordan visse fænomener blev opdaget, bør man studere nogle videnskabsmænds eksperimenter. I det 19. århundrede blev der gjort mange opdagelser, som senere hjalp forskerne, især vedrørende elektrisk strøm og fænomenerne magnetisk og elektromagnetisk induktion.

James Maxwells eksperimenter

Fysikerens forskning bekræftede, at partikler interagerer på afstand. Dette gjorde det efterfølgende muligt for Wilhelm Weber at udvikle en ny teori om elektromagnetisme. Maxwell fastslog også klart fænomenet med magnetiske og elektriske felter og fastslog, at de kunne producere hinanden og danne elektromagnetiske bølger. Det var denne videnskabsmand, der var den første til at bruge betegnelsen "c", som fysikere verden over stadig bruger den i dag.

Derfor talte de fleste forskere allerede om lysets elektromagnetiske natur. Da Maxwell undersøgte udbredelseshastigheden af elektromagnetiske excitationer, konkluderede han, at den var lig med lysets hastighed, hvilket overraskede ham på det tidspunkt.

Maxwells forskning gjorde det klart, at lys, magnetisme og elektricitet ikke er adskilte begreber. Tilsammen bestemmer disse faktorer lysets karakter, fordi det er en kombination af et magnetisk og elektrisk felt, der udbreder sig gennem rummet.

Skema over elektromagnetisk bølgeudbredelse.

Michelson og hans forsøg med at bevise lysets absolutte hastighed

I begyndelsen af sidste århundrede anvendte de fleste forskere Galileos relativitetsprincip, som gik ud på, at mekanikkens love var de samme, uanset hvilken referenceramme der blev anvendt. Men ifølge teorien må udbredelseshastigheden for elektromagnetiske bølger ændre sig, når kilden bevæger sig. Dette var i modstrid med både Galileos postulater og Maxwells teori, hvilket var årsagen til forskningen.

På det tidspunkt var de fleste videnskabsmænd tilbøjelige til at gå ind for "æterteorien", hvor indikatorerne ikke afhænger af kildens hastighed, idet mediets egenskaber blev anset for at være den vigtigste afgørende faktor.

Michelson opdagede, at lysets hastighed var uafhængig af måleretningen.

Da Jorden bevæger sig i rummet i en bestemt retning, vil lysets hastighed i henhold til loven om addition af hastigheder være forskellig, når den måles i forskellige retninger. Men Michelson fandt ingen forskel i udbredelsen af elektromagnetiske bølger, uanset i hvilken retning målingerne blev foretaget.

Æterteorien kunne ikke forklare eksistensen af absolutte størrelser, hvilket endnu bedre viste, at den var en fejlslutning.

Albert Einsteins specielle relativitetsteori

Den dengang unge videnskabsmand præsenterede en teori, der gik imod de fleste forskeres opfattelse. Ifølge den har tid og rum egenskaber, der sikrer, at lysets hastighed i et vakuum forbliver konstant uanset hvilken referenceramme man vælger. Dette forklarede Michelsons mislykkede eksperimenter, da lysets udbredelseshastighed ikke afhænger af kildens bevægelse.

[tds_council]En indirekte bekræftelse af Einsteins teoris rigtighed var "samtidighedsrelativiteten", hvis essens er vist i figuren.[/tds_council]

Et eksempel på, hvordan en persons placering påvirker hans eller hendes opfattelse af lysets udbredelse.

Hvordan lysets hastighed blev målt før

Der har været mange forsøg på at bestemme denne indikator, men på grund af det lave videnskabelige udviklingsniveau var det tidligere problematisk at gøre det. For eksempel troede videnskabsfolk i oldtiden, at lysets hastighed var uendelig, men senere satte mange forskere spørgsmålstegn ved dette, hvilket førte til en række forsøg på at bestemme den:

1. Galileo brugte fakler. For at beregne den hastighed, hvormed lysbølgerne spredte sig, befandt han og hans assistent sig på bakker, hvor afstanden mellem dem blev bestemt præcist. Derefter åbnede en af deltagerne lanternen, og den anden gjorde det samme, så snart han så lyset. Men denne metode var ikke vellykket på grund af bølgernes høje hastighed og umuligheden af at bestemme det nøjagtige tidsinterval.
2. Olaf Remer, en astronom fra Danmark, bemærkede en særhed, da han observerede Jupiter. Da Jorden og Jupiter befandt sig på modsatte punkter i deres baner, var formørkelsen af Io (Jupiters satellit) 22 minutter bagud i forhold til selve planeten. Heraf konkluderede han, at lysbølgernes hastighed ikke er uendelig og har en grænse. Ifølge hans beregninger var indekset ca. 220.000 km pr. sekund.
   Bestemmelse af lysets hastighed i henhold til Rehmer.
3. Omkring samme periode opdagede den engelske astronom James Bradley fænomenet lysaberration, hvorved stjernernes position på himlen og afstanden til dem konstant ændrer sig på grund af Jordens bevægelse omkring Solen og også på grund af dens rotation omkring sin akse. På grund af disse træk beskriver stjernerne en ellipse i løbet af hvert år. Ved hjælp af beregninger og observationer beregnede astronomen hastigheden, som var 308 000 km i sekundet.
   Aberration af lys
4. Louis Fizeau var den første til at bestemme det nøjagtige indeks ved hjælp af et laboratorieforsøg. Han opstillede et glas med en spejlflade i en afstand af 8633 m fra kilden, men da afstanden er kort, var det umuligt at foretage nøjagtige tidsberegninger. Forskeren opstillede derefter et tandhjul, som med sine tandhjul periodisk dækkede lyset. Ved at variere hjulets hastighed kunne Fizeau bestemme, ved hvilken hastighed lyset ikke havde tid til at passere mellem tandhjulene og vende tilbage. Han beregnede en hastighed på 315.000 kilometer i sekundet.
   Louis Fizeaus eksperiment.

Måling af lysets hastighed

Dette kan gøres på flere måder. Det er ikke nødvendigt at opdele dem i detaljer, da det ville være nødvendigt med en separat oversigt for hver enkelt. Derfor er det lettest at sortere sorterne:

1. Astronomiske målinger. Det er her, Remer- og Bradley-metoderne anvendes mest, da de har vist sig at være effektive og ikke påvirkes af luft, vand eller andre miljøforhold. I et kosmisk vakuum øges nøjagtigheden af målingerne.
2. Hulrumsresonans eller hulrumseffekt - er betegnelsen for fænomenet med lavfrekvente stående magnetiske bølger mellem planetens overflade og ionosfæren. Ved hjælp af særlige formler og måleudstyr er det let at beregne partikelhastigheden i luften.
3. Interferometri - En række undersøgelsesmetoder, hvor flere typer bølger lægges sammen. Dette giver en interferensvirkning, som gør det muligt at foretage talrige målinger af både elektromagnetiske og akustiske vibrationer.

Med særligt udstyr kan der foretages målinger uden brug af særlige teknikker.

Er FTL muligt

Ifølge relativitetsteorien er det en overtrædelse af kausalitetsprincippet at overskride en fysisk partikels hastighed. Derfor er det muligt at overføre signaler fra fremtiden til fortiden og omvendt. Men samtidig benægter teorien ikke, at der kan være partikler, som bevæger sig hurtigere, mens de interagerer med almindelige stoffer.

Denne type partikel kaldes en tachyon. Jo hurtigere de bevæger sig, jo mindre energi transporterer de.

Videolektion: Fizeau-forsøg. Måling af lysets hastighed. Fysik 11. klasse.

Lysets hastighed i et vakuum er en konstant, og mange fænomener i fysikken er baseret på den. Dens definition var en ny milepæl i videnskabens udvikling, fordi den forklarede mange processer og forenklede en række beregninger.