Med vilken hastighet fortplantar sig ljuset i ett vakuum?

Ljusets hastighet i ett vakuum är ett index som används ofta inom fysiken och som en gång i tiden har gjort det möjligt att göra många upptäckter och förklara många fenomen. Det finns några viktiga punkter att lära sig för att förstå ämnet och för att förstå hur och under vilka förhållanden det upptäcktes.

Vad är ljusets hastighet?

Ljusets hastighet i ett vakuum anses vara en absolut storhet som representerar den elektromagnetiska strålningens utbredningshastighet. Den används ofta inom fysiken och betecknas med den lilla latinska bokstaven "c" (uttalas "Ce").

I ett vakuum används ljusets hastighet för att bestämma hastigheten hos olika partiklar.

Enligt de flesta forskare och vetenskapsmän är ljusets hastighet i ett vakuum den högsta möjliga hastighet som partiklar och olika typer av strålning kan sprida sig med.

Följande exempel på fenomen kan nämnas:

1. Synligt ljus som kommer från någon källa.
2. Alla typer av elektromagnetisk strålning (t.ex. röntgenstrålar och radiovågor).
3. Gravitationsvågor (där vissa experter är oense).

Många typer av partiklar kan färdas nära ljusets hastighet, men når inte dit.

Det exakta värdet av ljusets hastighet

Forskare har försökt fastställa ljusets hastighet i många år, men exakta mätningar gjordes på 1970-talet. I slutändan siffran var 299 792 458 meter per sekund. med en maximal avvikelse på +/-1,2 meter. I dag är det en oföränderlig fysisk enhet.Eftersom ett avstånd på en meter är 1/299 792 458 sekunder, är detta den tid det tar för ljuset att färdas 100 cm i ett vakuum.

Den vetenskapliga formel för att bestämma ljusets hastighet.

För att förenkla beräkningen, siffran förenklas till 300 000 000 000 m/s (3×108 m/s). Alla känner till det från skolfysiken, där hastigheten mäts i denna form.

Ljusets hastighets grundläggande roll i fysiken

Detta är en av de viktigaste indikatorerna, oavsett vilken referensram som används i studien. Den är oberoende av vågkällans rörelse, vilket också är viktigt.

Invarians antogs som ett postulat av Albert Einstein 1905. Detta skedde efter att en annan forskare, Maxwell, hade lagt fram teorin om elektromagnetism efter att inte ha funnit några bevis för att det fanns en ljusbärande eter.

Påståendet att kausala effekter inte kan transporteras med högre hastighet än ljusets hastighet anses nu vara välgrundat.

Förresten! Fysikerna förnekar inte att vissa partiklar kan röra sig med en högre hastighet än den aktuella siffran. Men de kan inte användas för att överföra information.

Historiska referenser

För att förstå ämnets särdrag och lära sig hur vissa fenomen upptäcktes bör man studera vissa forskares experiment. Under 1800-talet gjordes många upptäckter som senare hjälpte forskarna, främst när det gäller elektrisk ström och fenomenet magnetisk och elektromagnetisk induktion.

James Maxwells experiment

Fysikerns forskning bekräftade att partiklar interagerar på avstånd. Detta gjorde det möjligt för Wilhelm Weber att utveckla en ny teori om elektromagnetism. Maxwell fastställde också tydligt fenomenet med magnetiska och elektriska fält och konstaterade att de kan producera varandra och bilda elektromagnetiska vågor. Det var han som först använde beteckningen "c", som fortfarande används av fysiker världen över.

Därför talade de flesta forskare redan om ljusets elektromagnetiska natur. När Maxwell undersökte spridningshastigheten för elektromagnetiska spänningar kom han fram till att den var lika stor som ljusets hastighet, vilket förvånade honom vid den tidpunkten.

Maxwells forskning klargjorde att ljus, magnetism och elektricitet inte är separata begrepp. Tillsammans bestämmer dessa faktorer ljusets karaktär, eftersom det är en kombination av ett magnetiskt och elektriskt fält som sprider sig i rymden.

Utbredningsmönstret för en elektromagnetisk våg.

Michelson och hans experiment för att bevisa ljusets absoluta hastighet

I början av förra århundradet använde de flesta forskare Galileos relativitetsprincip, enligt vilken mekanikens lagar var desamma oavsett vilken referensram man använde. Men enligt teorin måste utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor förändras när källan rör sig. Detta stred mot både Galileos postulat och Maxwells teori, vilket var anledningen till forskningen.

Vid den tiden var de flesta forskare inställda på "aeterteorin", enligt vilken indikatorerna inte beror på källans hastighet, utan mediets egenskaper anses vara den viktigaste faktorn.

Michelson upptäckte att ljusets hastighet var oberoende av mätriktningen.

Eftersom jorden rör sig i rummet i en viss riktning kommer ljusets hastighet enligt lagen om addition av hastigheter att skilja sig åt när den mäts i olika riktningar. Men Michelson fann ingen skillnad i de elektromagnetiska vågornas utbredning, oavsett i vilken riktning mätningarna gjordes.

Eterteorin kunde inte förklara existensen av absoluta storheter, vilket visade att den var felaktig.

Albert Einsteins speciella relativitetsteori

Den då unga forskaren presenterade en teori som gick emot de flesta forskares uppfattning. Enligt den har tid och rum egenskaper som gör att ljusets hastighet i ett vakuum förblir konstant oavsett vilken referensram man väljer. Detta förklarade Michelsons misslyckade experiment, eftersom ljusets utbredningshastighet inte beror på källans rörelse.

[tds_council]En indirekt bekräftelse på att Einsteins teori var korrekt var "simultanitetens relativitet", vars väsen visas i figuren.[/tds_council]

Ett exempel på hur en persons plats påverkar uppfattningen om ljusets utbredning.

Hur ljusets hastighet mättes tidigare

Det har gjorts många försök att fastställa denna indikator, men på grund av vetenskapens låga utvecklingsnivå var det tidigare problematiskt att göra det. Till exempel trodde vetenskapsmännen i gamla tider att ljusets hastighet var oändlig, men senare ifrågasatte många forskare detta, vilket ledde till en rad försök att fastställa den:

1. Galileo använde facklor. För att beräkna ljusvågornas utbredningshastighet befann han sig tillsammans med sin assistent på kullar, där avståndet mellan dem var exakt bestämt. Sedan skulle en av deltagarna öppna lyktan och den andra skulle göra detsamma så snart han såg ljuset. Men denna metod misslyckades på grund av vågutbredningens höga hastighet och omöjligheten att bestämma det exakta tidsintervallet.
2. Olaf Remer, en astronom från Danmark, lade märke till en egenhet när han observerade Jupiter. När jorden och Jupiter befann sig i motsatta punkter i sina banor var förmörkelsen av Io (Jupiters satellit) 22 minuter efter själva planeten. Av detta drog han slutsatsen att ljusvågornas hastighet inte är oändlig utan har en gräns. Enligt hans beräkningar var indexet ungefär 220 000 km per sekund.
   Bestämning av ljusets hastighet enligt Rehmer.
3. Ungefär samtidigt upptäckte den engelske astronomen James Bradley fenomenet ljusaberration, som innebär att stjärnornas position på himlen och avståndet till dem ständigt förändras på grund av jordens rörelse runt solen och även på grund av rotationen runt sin axel. På grund av dessa egenskaper beskriver stjärnorna en ellips under varje år. Med hjälp av beräkningar och observationer beräknade astronomen hastigheten, som var 308 000 km per sekund.
   Ljusets aberration
4. Louis Fizeau var den förste som bestämde det exakta indexet genom ett laboratorieförsök. Han ställde upp ett glas med en speglad yta på ett avstånd av 8633 m från källan, men eftersom avståndet är kort var det omöjligt att göra exakta tidsberäkningar. Forskaren satte sedan upp ett tandhjul som med sina kuggar periodvis täckte ljuset. Genom att variera hjulets hastighet fastställde Fizeau vid vilken hastighet ljuset inte hade tid att passera mellan kuggarna och återvända tillbaka. Han beräknade en hastighet på 315 000 kilometer per sekund.
   Louis Fizeaus experiment.

Mätning av ljusets hastighet

Detta kan göras på flera olika sätt. Det är inte nödvändigt att dela upp dem i detalj, utan det skulle krävas en separat översikt för var och en av dem. Därför är det lättast att sortera sorterna:

1. Astronomiska mätningar. Det är här som Remer- och Bradley-metoderna är vanligast, eftersom de har visat sig vara effektiva och inte påverkas av luft, vatten eller andra miljöförhållanden. I ett kosmiskt vakuum ökar noggrannheten i mätningarna.
2. Kavitetsresonans eller kavitetseffekt - är benämningen på fenomenet med lågfrekventa stående magnetiska vågor mellan planetens yta och jonosfären. Med hjälp av särskilda formler och mätutrustning är det lätt att beräkna hastigheten hos partiklar i luften.
3. Interferometri - En uppsättning forskningsmetoder där flera typer av vågor läggs samman. Detta ger en interferenseffekt som gör det möjligt att göra många mätningar av både elektromagnetiska och akustiska vibrationer.

Med särskild utrustning kan mätningar göras utan att det behövs särskilda tekniker.

Är FTL möjligt?

Enligt relativitetsteorin bryter en fysisk partikel som överskrider hastigheten mot kausalitetsprincipen. Detta gör det möjligt att överföra signaler från framtiden till det förflutna och vice versa. Men samtidigt förnekar teorin inte att det kan finnas partiklar som rör sig snabbare när de interagerar med vanliga ämnen.

Denna typ av partikel kallas tachyon. Ju snabbare de rör sig, desto mindre energi bär de med sig.

Videolektion: Fizeau-experiment. Mätning av ljusets hastighet. Fysik 11:e klass.

Ljusets hastighet i vakuum är en konstant och många fysikaliska fenomen bygger på den. Definitionen var en ny milstolpe i vetenskapens utveckling eftersom den förklarade många processer och förenklade ett antal beräkningar.