Kokiu greičiu šviesa sklinda vakuume

Šviesos greitis vakuume - tai fizikoje plačiai naudojamas rodiklis, kuris vienu metu leido padaryti daugybę atradimų ir paaiškinti daugelio reiškinių prigimtį. Norint suprasti šią temą ir suvokti, kaip ir kokiomis sąlygomis ji buvo atrasta, reikia išmokti keletą svarbių dalykų.

Koks yra šviesos greitis

Šviesos greitis vakuume laikomas absoliučiu dydžiu, atspindinčiu elektromagnetinės spinduliuotės sklidimo greitį. Jis plačiai naudojamas fizikoje ir žymimas mažąja lotyniška raide "c" (tariama "Ce").

Vakuume šviesos greitis naudojamas įvairių dalelių greičiui nustatyti.

Daugumos tyrėjų ir mokslininkų nuomone, šviesos greitis vakuume yra didžiausias galimas dalelių ir įvairių rūšių spinduliuotės sklidimo greitis.

Pateikiame šiuos reiškinių pavyzdžius:

1. Matoma šviesa, sklindanti iš bet kurio šaltinis.
2. Visų rūšių elektromagnetinė spinduliuotė (pvz., rentgeno spinduliai ir radijo bangos).
3. Gravitacinės bangos (čia kai kurie ekspertai nesutaria).

Daugelis dalelių gali keliauti beveik šviesos greičiu, tačiau jo nepasiekia.

Tiksli šviesos greičio vertė

Mokslininkai jau daugelį metų bando nustatyti, koks yra šviesos greitis, tačiau tikslūs matavimai atlikti tik XX a. septintajame dešimtmetyje. Galiausiai šis skaičius buvo 299 792 458 metrai per sekundę. maksimalus nuokrypis +/-1,2 metro. Šiandien tai nekintamas fizinis vienetasKadangi vieno metro atstumas trunka 1/299 792 458 sekundės, būtent tiek laiko šviesa vakuume nueina 100 cm.

Mokslinis šviesos greičio nustatymo formulė.

Supaprastinti skaičiavimus, skaičius supaprastinamas iki 300 000 000 000 m/s (3×108 m/s). Visi tai žino iš mokyklinės fizikos, kur greitis matuojamas šia forma.

Esminis šviesos greičio vaidmuo fizikoje

Tai vienas iš pagrindinių rodiklių, nepriklausomai nuo to, kokia atskaitos sistema remiamasi atliekant tyrimą. Jis nepriklauso nuo bangų šaltinio judėjimo, o tai taip pat svarbu.

Invariaciją kaip postulatą 1905 m. patvirtino Albertas Einšteinas. Tai įvyko po to, kai kitas mokslininkas Maksvelas, neradęs jokių įrodymų, kad egzistuoja šviesą nešantis eteris, pateikė elektromagnetizmo teoriją.

Teiginys, kad priežastiniai poveikiai negali būti perduodami didesniu nei šviesos greičiu, dabar laikomas pagrįstu.

Beje! Fizikai neneigia, kad kai kurios dalelės gali judėti didesniu greičiu nei nagrinėjamas skaičius. Tačiau jie negali būti naudojami informacijai perduoti.

Istorinės nuorodos

Norint suprasti temos ypatumus ir sužinoti, kaip buvo atrasti tam tikri reiškiniai, reikia išstudijuoti kai kurių mokslininkų eksperimentus. XIX amžiuje buvo padaryta daug atradimų, kurie vėliau padėjo mokslininkams, daugiausia susijusių su elektros srove ir magnetinės bei elektromagnetinės indukcijos reiškiniais.

Džeimso Maksvelo eksperimentai

Fiziko tyrimai patvirtino dalelių sąveiką per atstumą. Tai vėliau leido Vilhelmui Vėberiui sukurti naują elektromagnetizmo teoriją. Maksvelas taip pat aiškiai nustatė magnetinio ir elektrinio laukų reiškinį ir nustatė, kad jie gali vienas kitą sukurti ir suformuoti elektromagnetines bangas. Būtent šis mokslininkas pirmasis pradėjo naudoti žymenį "c", kurį iki šiol naudoja viso pasaulio fizikai.

Todėl dauguma mokslininkų jau kalbėjo apie elektromagnetinę šviesos prigimtį. Maksvelas, tyrinėdamas elektromagnetinių sužadinimų sklidimo greitį, padarė išvadą, kad jis lygus šviesos greičiui, ir tai jį nustebino.

Maksvelo tyrimai parodė, kad šviesa, magnetizmas ir elektra nėra atskiros sąvokos. Šie veiksniai kartu lemia šviesos prigimtį, nes šviesa - tai magnetinio ir elektrinio lauko derinys, sklindantis erdvėje.

Elektromagnetinės bangos sklidimo modelis.

Michelsonas ir jo eksperimentas, kuriuo jis siekė įrodyti, kad šviesos greitis yra absoliutus

Praėjusio amžiaus pradžioje dauguma mokslininkų vadovavosi Galilėjaus reliatyvumo principu, kuris teigė, kad mechanikos dėsniai yra vienodi, nesvarbu, kokioje atskaitos sistemoje jie veikia. Tačiau pagal teoriją elektromagnetinių bangų sklidimo greitis turi kisti judant šaltiniui. Tai prieštaravo tiek Galileo postulatams, tiek Maksvelo teorijai, dėl kurios ir buvo atliktas tyrimas.

Tuo metu dauguma mokslininkų buvo linkę laikytis "eterio teorijos", pagal kurią rodikliai nepriklausė nuo jų šaltinio greičio, o pagrindiniu lemiamu veiksniu buvo laikomos terpės savybės.

Michelsonas atrado, kad šviesos greitis nepriklauso nuo matavimo krypties.

Kadangi Žemė juda erdvėje tam tikra kryptimi, šviesos greitis, remiantis greičių sudėties dėsniu, matuojant skirtingomis kryptimis skirsis. Tačiau Michelsonas nenustatė jokio skirtumo tarp elektromagnetinių bangų sklidimo, nesvarbu, kuria kryptimi buvo atliekami matavimai.

Eterio teorija negalėjo paaiškinti absoliutaus dydžio egzistavimo, o tai dar geriau parodė jos klaidingumą.

Alberto Einšteino specialioji reliatyvumo teorija

Jaunas mokslininkas pateikė teoriją, kuri prieštaravo daugumos mokslininkų įsitikinimams. Pagal jį laikas ir erdvė turi savybių, kurios užtikrina, kad šviesos greitis vakuume išliktų pastovus nepriklausomai nuo pasirinkto atskaitos taško. Tai paaiškina nesėkmingus Michelsono eksperimentus, nes šviesos sklidimo greitis nepriklauso nuo jos šaltinio judėjimo.

[tds_council]Netiesioginis Einšteino teorijos teisingumo patvirtinimas buvo "vienalaikiškumo reliatyvumas", kurio esmė parodyta paveikslėlyje.[/tds_council]

Pavyzdys, kaip žmogaus buvimo vieta veikia šviesos sklidimo suvokimą.

Kaip anksčiau buvo matuojamas šviesos greitis

Šį rodiklį bandyta nustatyti ne kartą, tačiau dėl žemo mokslo išsivystymo lygio tai padaryti anksčiau buvo sudėtinga. Pavyzdžiui, senovėje mokslininkai manė, kad šviesos greitis yra begalinis, tačiau vėliau daugelis tyrėjų tuo suabejojo, todėl buvo bandoma jį nustatyti:

1. Galileo naudojo deglus. Kad galėtų apskaičiuoti šviesos bangų sklidimo greitį, jis ir jo asistentas buvo ant kalvų, o atstumas tarp jų buvo tiksliai nustatytas. Tada vienas iš dalyvių atidarydavo žibintą, o kitas, pamatęs šviesą, padarydavo tą patį. Tačiau šis metodas buvo nesėkmingas dėl didelio bangų sklidimo greičio ir negalimumo nustatyti tikslaus laiko intervalo.
2. Danijos astronomas Olafas Remeris, stebėdamas Jupiterį, pastebėjo keistą reiškinį. Kai Žemė ir Jupiteris buvo priešinguose savo orbitų taškuose, Io (Jupiterio palydovo) užtemimas nuo pačios planetos atsiliko 22 minutėmis. Tuo remdamasis jis padarė išvadą, kad šviesos bangų sklidimo greitis nėra begalinis ir turi ribą. Jo skaičiavimais, rodiklis buvo maždaug 220 000 km per sekundę.
   Šviesos greičio nustatymas pagal Rėmerį.
3. Maždaug tuo pačiu laikotarpiu anglų astronomas Džeimsas Bredlis (James Bradley) atrado šviesos aberacijos reiškinį, kai žvaigždžių padėtis danguje ir atstumas iki jų nuolat kinta dėl Žemės judėjimo aplink Saulę ir dėl jos sukimosi aplink savo ašį. Dėl šių ypatybių žvaigždės kiekvienais metais sudaro elipsę. Remdamasis skaičiavimais ir stebėjimais, astronomas apskaičiavo greitį - 308 000 km per sekundę.
   Šviesos aberacija
4. Louis Fizeau buvo pirmasis asmuo, kuris laboratoriniu eksperimentu nustatė tikslų indeksą. Jis pastatė stiklinę su veidrodiniu paviršiumi 8633 m atstumu nuo šaltinio, tačiau, kadangi atstumas nedidelis, nebuvo įmanoma atlikti tikslių laiko skaičiavimų. Tada mokslininkas pastatė dantytą ratą, kuris savo krumpliaračiais periodiškai uždengė šviesą. Keisdamas rato greitį, Fizeau nustatė, kokiu greičiu šviesa nespėja praeiti tarp krumpliaračių ir grįžti atgal. Jis apskaičiavo 315 000 kilometrų per sekundę greitį.
   Louis Fizeau eksperimentas.

Šviesos greičio matavimas

Tai galima padaryti keliais būdais. Išsamiai jų išskirti nebūtina, kiekvienai jų reikėtų atskiros apžvalgos. Todėl lengviausia rūšiuoti veisles:

1. Astronominiai matavimai. Čia dažniausiai naudojami Remerio ir Bradley metodai, nes jų veiksmingumas įrodytas ir jiems neturi įtakos oras, vanduo ar kitos aplinkos sąlygos. Kosminiame vakuume matavimų tikslumas padidėja.
2. ertmės rezonansas arba ertmės efektas - taip vadinamas žemo dažnio stovinčių magnetinių bangų reiškinys tarp planetos paviršiaus ir jonosferos. Naudojant specialias formules ir matavimo įrangą lengva apskaičiuoti dalelių greitį ore.
3. Interferometrija - Tyrimo metodų rinkinys, kai sudedamos kelių tipų bangos. Taip atsiranda interferencijos efektas, dėl kurio galima atlikti daugybę elektromagnetinių ir akustinių virpesių matavimų.

Naudojant specialią įrangą, matavimus galima atlikti nenaudojant specialių metodų.

Ar įmanoma viršgarsinė erdvė

Remiantis reliatyvumo teorija, fizikinės dalelės greičio viršijimas pažeidžia priežastingumo principą. Dėl to galima perduoti signalus iš ateities į praeitį ir atvirkščiai. Tačiau kartu teorija neneigia, kad gali būti dalelių, kurios, sąveikaudamos su įprastomis medžiagomis, juda greičiau.

Tokio tipo dalelė vadinama tachionu. Kuo greičiau jie juda, tuo mažiau energijos perneša.

Vaizdo pamoka: Fizeau eksperimentas. Šviesos greičio matavimas. Fizika 11 klasė.

Šviesos greitis vakuume yra konstanta ir ja grindžiama daugelis fizikos reiškinių. Jo apibrėžimas buvo naujas mokslo raidos etapas, nes paaiškino daugelį procesų ir supaprastino daugelį skaičiavimų.