Valguse kiiruse mõõtühik. Valguse kiiruse valemi tuletamine
Enamikel maanteedel on kiiruspiirang 90–110 kilomeetrit. Kuigi avakosmose vaakumis pole liiklusmärke, on sealgi kiiruspiirang - see on 1080000000 kilomeetrit tunnis.
Suurim kiirus looduses
See on suurim valguse kiirus looduses. Tavaliselt annavad teadlased valguse kiiruseks kilomeetrites sekundis – 300 000 kilomeetrit sekundis. Valgus koosneb footonitest. Just nemad suudavad lennata nii pöörase kiirusega.
Omapärased osakesed – footonid
Teadlased nimetavad footoneid osakesteks. Kuid need on väga omapärased osakesed. Neil pole puhkemassi, see tähendab, et tavapärases mõttes pole neil kaalu. Raske on ette kujutada midagi nii tõelist, mis oleks puhas energia ja ei sisaldaks ainsatki ainetera. Footonid on selline reaalsus. võrrelda footonite maksimaalset kiirust nende kiirustega, mida oleme harjunud suureks pidama.
Valguse kiirusel lendav kosmoselaev ei omaks välisvaatleja jaoks lineaarseid mõõtmeid. Võtame näiteks Pioneeri raketi, mis on ehitatud Päikesesüsteemist kaugemale lendama. Niisiis oli Pioneeril päikesesüsteemist lahkudes kiirus 60 kilomeetrit sekundis. Pole paha! Vahemaa New Yorgist San Franciscosse suutis ta läbida pooleteise minutiga. Kuid võrreldes footoni kiirusega 300 000 kilomeetrit sekundis, näeb Pioneeri kiirus välja nagu teotempo. Või vaatame, kui kiiresti Päike kosmoses liigub.
Seotud materjalid:
Miks tähed säravad?
Kuid sel ajal, kui te seda lauset loed, kihutavad Päike, Maa ja ülejäänud kaheksa meie päikesesüsteemi planeeti nagu karussellhobused ümber Linnutee kiirusega 230 kilomeetrit sekundis (samal ajal me ise ei pane tähelegi, et lendame nii uskumatu kiirusega). Kuid see tohutu kiirus on valguse kiirusega võrreldes väga väike ja moodustab umbes ühe protsendi.
Valguse ja objektide kiirus
Kui kiirendate tavalist objekti umbes valguse kiiruseni, hakkavad sellega juhtuma erakordsed seiklused. Kui keha saavutab sellised kiirused, märkab vaatleja objekti lineaarsete mõõtmete ja massi muutust. Isegi aeg hakkab muutuma. Kosmoselaev, mis liigub kiirusega 90 protsenti valguse kiirusest, kahaneb umbes poole võrra. Kiiruse kasvades väheneb see üha enam, kuni valguse kiiruse saavutamisel kaotab see täielikult oma lineaarsed mõõtmed.
Kunstniku esitus kosmoselaevast, mis hüppab "valguse kiirusele". Autor: NASA / Glenni uurimiskeskus.
Alates iidsetest aegadest on filosoofid ja teadlased püüdnud valgust mõista. Lisaks sellele, et püüti kindlaks teha selle põhiomadusi (st kas see on osake või laine jne), püüdsid nad teha ka lõplikke mõõtmisi selle kohta, kui kiiresti see liigub. Alates 17. sajandi lõpust on teadlased just seda teinud ja järjest suurema täpsusega.
Seda tehes said nad paremini aru valguse mehaanikast ja sellest, kuidas see mängib olulist rolli füüsikas, astronoomias ja kosmoloogias. Lihtsamalt öeldes liigub valgus uskumatu kiirusega ja on universumi kõige kiiremini liikuv objekt. Selle kiirus on konstantne ja läbimatu barjäär ning seda kasutatakse vahemaa mõõtjana. Aga kui kiiresti see liigub?
Valguse kiirus (t):
Valgus liigub püsiva kiirusega 1 079 252 848,8 km/h (1,07 miljardit). Mis osutub 299 792 458 m/s. Paneme kõik oma kohale. Kui suudaksite liikuda valguse kiirusel, võiksite teha ümber maakera umbes seitse ja pool korda sekundis. Samal ajal kuluks keskmise kiirusega 800 km/h lendaval inimesel planeedist ümbersõiduks rohkem kui 50 tundi.
Illustratsioon, mis näitab vahemaad, mille valgus läbib Maa ja Päikese vahel. Krediit: LucasVB / avalik domeen.
Vaatame seda astronoomilisest vaatenurgast, keskmine vahemaa alates kuni 384 398,25 km. Seetõttu läbib valgus selle vahemaa umbes sekundiga. Samal ajal on keskmine läbisõit 149 597 886 km, mis tähendab, et valguse läbimiseks kulub selle teekonna läbimiseks vaid umbes 8 minutit.
Pole siis ime, miks astronoomiliste kauguste määramiseks kasutatakse valguse kiirust. Kui me ütleme, et täht, nagu , asub 4,25 valgusaasta kaugusel, peame silmas seda, et püsikiirusel 1,07 miljardit km/h liikudes kuluks sinna jõudmiseks umbes 4 aastat ja 3 kuud. Aga kuidas me jõudsime selle väga konkreetse valguse kiiruse väärtuseni?
Õppe ajalugu:
Kuni 17. sajandini olid teadlased kindlad, et valgus liigub piiratud kiirusega või hetkega. Arutelu on toimunud iidsete kreeklaste ajast kuni keskaegsete islami teoloogide ja tänapäevaste õpetlasteni. Kuid kuni ilmus Taani astronoomi Ole Roemeri (1644-1710) töö, milles viidi läbi esimesed kvantitatiivsed mõõtmised.
1676. aastal täheldas Römer, et Jupiteri sisemise kuu Io perioodid tundusid Maa Jupiterile lähenedes lühemad kui siis, kui see eemaldus. Sellest järeldas ta, et valgus liigub piiratud kiirusega ja hinnanguliselt kulub Maa orbiidi läbimõõdu ületamiseks umbes 22 minutit.
Professor Albert Einstein 11. Josiah Willard Gibbsi loengul Carnegie Tehnoloogiainstituudis 28. detsembril 1934, kus ta selgitab oma teooriat, et mateeria ja energia on eri vormides sama asi. Krediit: AP foto
Christiaan Huygens kasutas seda hinnangut ja ühendas selle Maa orbiidi läbimõõdu hinnanguga, et saada hinnanguline kiirus 220 000 km/s. Isaac Newton kirjeldas Roemeri arvutusi ka oma 1706. aasta põhjapanevas teoses Optika. Reguleerides Maa ja Päikese vahelist kaugust, arvutas ta välja, et valguse liikumiseks ühest punktist teise kulub seitse või kaheksa minutit. Mõlemal juhul oli viga suhteliselt väike.
Prantsuse füüsikute Hippolyte Fizeau (1819-1896) ja Léon Foucault (1819-1868) hilisemad mõõtmised täpsustasid neid arve, mille tulemuseks oli väärtus 315 000 km/s. Ja 19. sajandi teiseks pooleks mõistsid teadlased valguse ja elektromagnetismi seost.
Selle saavutasid füüsikud elektromagnetiliste ja elektrostaatiliste laengute mõõtmise teel. Seejärel avastasid nad, et arvväärtus oli väga lähedane valguse kiirusele (Fizeau mõõtmisel). Saksa füüsik Wilhelm Eduard Weber tegi oma töö põhjal, mis näitas, et elektromagnetlained levivad tühjas ruumis, välja, et valgus on elektromagnetlaine.
Järgmine suur läbimurre toimus 20. sajandi alguses. Albert Einstein väidab oma artiklis “Liikuvate kehade elektrodünaamikast”, et valguse kiirus vaakumis, mida mõõdetakse konstantse kiirusega vaatleja poolt, on kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides sama ja ei sõltu valguse liikumisest. allikas või vaatleja.
Läbi veeklaasi paistev laserkiir näitab, kui palju muutusi see läbib, kui see liigub õhust klaasi vette ja tagasi õhku. Krediit: Bob King.
Seda väidet ja Galilei relatiivsusprintsiipi aluseks võttes tuletas Einstein relatiivsusteooria eriteooria, milles valguse kiirus vaakumis (c) on põhikonstant. Enne seda oli teadlaste kokkulepe, et ruum täidetakse “helenduva eetriga”, mis vastutab selle leviku eest – s.t. liikuvas keskkonnas liikuv valgus jääb kandja sabasse.
See omakorda tähendab, et valguse mõõdetud kiirus oleks selle keskmise kiiruse ja selle keskkonna kiiruse lihtne summa. Kuid Einsteini teooria muutis statsionaarse eetri mõiste kasutuks ning muutis ruumi ja aja mõistet.
See mitte ainult ei edendanud ideed, et valguse kiirus on kõigis inertsiaalkaadrites sama, vaid viitas ka sellele, et suured muutused toimuvad siis, kui asjad liiguvad valguse kiirusele lähedale. Nende hulka kuuluvad liikuva keha aegruumi raamistik, mis näib aeglustuvat, ja liikumise suund, kui mõõtmine on vaatleja vaatepunktist (st relativistlik aja dilatatsioon, kus aeg aeglustub valguse kiirusele lähenedes). .
Tema tähelepanekud ühtivad ka Maxwelli võrranditega elektri ja magnetismi kohta mehaanika seadustega, lihtsustavad matemaatilisi arvutusi, vältides teiste teadlaste mitteseotud argumente, ja on kooskõlas valguse kiiruse otsese vaatlusega.
Kui sarnased on aine ja energia?
20. sajandi teisel poolel täiustasid üha täpsemad mõõtmised laserinterferomeetrite ja resonantsõõnsuste abil valguse kiiruse hinnanguid veelgi. 1972. aastaks kasutas USA riikliku standardibüroo rühm Boulderis Colorados laserinterferomeetriat, et jõuda praegu aktsepteeritud väärtuseni 299 792 458 m/s.
Roll kaasaegses astrofüüsikas:
Einsteini teooriat, mille kohaselt valguse kiirus vaakumis ei sõltu allika liikumisest ja vaatleja inertsiaalsest tugiraamistikust, on sellest ajast saadik paljudes katsetes alati kinnitust leidnud. Samuti seab see ülempiiri kiirusele, millega kõik massita osakesed ja lained (sh valgus) võivad vaakumis liikuda.
Selle üheks tulemuseks on see, et kosmoloogiad näevad nüüd ruumi ja aega ühtse struktuurina, mida tuntakse aegruumina ja mille puhul saab valguse kiirust kasutada mõlema (st valgusaastate, valgusminutite ja valgussekundite) väärtuse määramiseks. Valguse kiiruse mõõtmine võib olla ka oluline tegur Universumi paisumise kiirenduse määramisel.
1920. aastate alguses mõistsid teadlased ja astronoomid Lemaître'i ja Hubble'i vaatluste põhjal, et universum paisub oma päritolukohast. Hubble märkas ka, et mida kaugemal galaktika on, seda kiiremini see liigub. Nüüd nimetatakse Hubble'i konstandiks kiirust, millega universum paisub, see on 68 km/s megaparseki kohta.
Kui kiiresti universum paisub?
See teooriana esitatud nähtus tähendab, et mõned galaktikad võivad tegelikult liikuda valguse kiirusest kiiremini, mis võib piirata seda, mida me oma universumis jälgime. Põhimõtteliselt ületaksid valguse kiirusest kiiremini liikuvad galaktikad "kosmoloogiliste sündmuste horisondi", kus nad pole meile enam nähtavad.
Lisaks näitasid 1990. aastateks kaugete galaktikate punanihke mõõtmised, et Universumi paisumine on viimase paari miljardi aasta jooksul kiirenenud. See viis "tumeda energia" teooriani, kus nähtamatu jõud juhib ruumi enda, mitte seda läbivate objektide paisumist (ilma valguse kiirusele piiranguid seadmata või relatiivsusteooria rikkumist).
Koos eri- ja üldrelatiivsusteooriaga on kaasaegne väärtus valguse kiiruse vaakumis arenenud kosmoloogiast, kvantmehaanikast ja osakeste füüsika standardmudelist. See jääb konstantseks, kui tegemist on ülemise piiriga, mille juures massita osakesed võivad liikuda, ja jääb massiga osakeste jaoks kättesaamatuks barjääriks.
Tõenäoliselt leiame kunagi võimaluse valguse kiiruse ületamiseks. Kuigi meil pole praktilisi ideid selle kohta, kuidas see juhtuda võiks, näib, et tehnoloogia "tark raha" võimaldab meil aegruumi seadustest mööda hiilida, luues kas kõverdumismulle (teise nimega Alcubierre'i lõimeajam) või tunneldades seda läbi (teise nimega. ussiaugud).
Mis on ussiaugud?
Kuni selle ajani peame lihtsalt olema rahul universumiga, mida näeme, ja jääma uurima seda osa, milleni on võimalik jõuda tavapäraste meetoditega.
Loetud artikli pealkiri "Mis on valguse kiirus?".
Kooliajast peale oleme teadnud, et valguse kiirus on Einsteini seaduste kohaselt universumis ületamatu maksimum. Valgus läbib kauguse Päikesest Maani 8 minutiga, mis on ligikaudu 150 000 000 km. Neptuunini jõudmiseks kulub vaid 6 tundi, kuid kosmoselaevadel kulub selliste vahemaade läbimiseks aastakümneid. Kuid mitte kõik ei tea, et kiiruse väärtus võib oluliselt kõikuda sõltuvalt valguse läbimise keskkonnast.
Valguse kiiruse valem
Teades valguse kiirust vaakumis (c ≈ 3*10 8 m/s), saame selle määrata teistes keskkondades nende murdumisnäitaja n järgi. Valguse kiiruse valem ise meenutab füüsikast pärit mehaanikaseadusi, täpsemalt kauguse määramist aja ja objekti kiiruse abil.
Näiteks võtame klaasi, mille murdumisnäitaja on 1,5. Kasutades valguse kiiruse valemit v = c \ n, leiame, et kiirus selles keskkonnas on ligikaudu 200 000 km/s. Kui võtta vedelik nagu vesi, siis footonite (valgusosakeste) levimiskiirus selles võrdub 226 000 km/s murdumisnäitajaga 1,33.
Valem valguse kiiruse kohta õhus
Õhk on ka meedium. Järelikult on sellel nn. Kui vaakumis ei kohta footonid oma teel takistusi, siis keskkonnas veedavad nad mõnda aega põnevaid aatomiosakesi. Mida tihedam on keskkond, seda rohkem aega kulub selle põnevuse tekkimiseks. Õhu murdumisnäitaja (n) on 1,000292. Ja see ei kaldu palju kõrvale 299 792 458 m/s piirist.
Ameerika teadlastel on õnnestunud aeglustada valguse kiirus peaaegu nullini. Rohkem kui 1/299 792 458 sek. valgus ei suuda kiirust ületada. Asi on selles, et valgus on samasugune elektromagnetlaine kui röntgenikiirgus, raadiolained või kuumus. Ainus erinevus on lainepikkuse ja sageduse erinevus.
Huvitav fakt on see, et footonil puudub mass ja see näitab, et selle osakese jaoks pole aega. Lihtsamalt öeldes pole mitu miljonit või isegi miljardeid aastaid tagasi sündinud footoni puhul möödunud sekunditki.
19. sajandil tehti mitmeid teaduslikke katseid, mis viisid mitmete uute nähtuste avastamiseni. Nende nähtuste hulgas on Hans Oerstedi avastus magnetilise induktsiooni tekitamise kohta elektrivoolu abil. Hiljem avastas Michael Faraday vastupidise efekti, mida nimetati elektromagnetiliseks induktsiooniks.
James Maxwelli võrrandid – valguse elektromagnetiline olemus
Nende avastuste tulemusel märgiti nn "vahemõju", mille tulemuseks oli Wilhelm Weberi uus elektromagnetismi teooria, mis põhines kaugtegevusel. Hiljem defineeris Maxwell mõiste elektri- ja magnetväljad, mis on võimelised üksteist genereerima, mis on elektromagnetlaine. Seejärel kasutas Maxwell oma võrrandites nn elektromagnetilist konstanti - Koos.
Selleks ajaks olid teadlased juba jõudnud lähedale tõsiasjale, et valgus on oma olemuselt elektromagnetiline. Elektromagnetilise konstandi füüsikaline tähendus on elektromagnetiliste ergastuste levimiskiirus. James Maxwelli enda üllatuseks osutus selle konstandi mõõdetud väärtus ühiklaengute ja vooludega katsetes võrdseks valguse kiirusega vaakumis.
Enne seda avastust eraldas inimkond valguse, elektri ja magnetismi. Maxwelli üldistus võimaldas uue pilgu heita valguse olemusele kui teatud elektri- ja magnetvälja fragmendile, mis levib ruumis iseseisvalt.
Alloleval joonisel on elektromagnetlaine, mis on ühtlasi valgus, levimise diagramm. Siin on H magnetvälja tugevuse vektor, E on elektrivälja tugevuse vektor. Mõlemad vektorid on üksteisega risti, samuti laine levimise suunaga.
Michelsoni eksperiment – valguse kiiruse absoluutsus
Toonane füüsika oli suuresti üles ehitatud Galilei relatiivsusprintsiibile, mille kohaselt näevad mehaanikaseadused igas valitud inertsiaalses tugiraamistikus ühesugused. Samal ajal peaks vastavalt kiiruste liitmisele levikiirus sõltuma allika kiirusest. Kuid sel juhul käituks elektromagnetlaine sõltuvalt võrdluskaadri valikust erinevalt, mis rikub Galileo relatiivsuspõhimõtet. Seega oli Maxwelli näiliselt hästi vormistatud teooria kõikuv.
Katsed on näidanud, et valguse kiirus ei sõltu tegelikult allika kiirusest, mis tähendab, et on vaja teooriat, mis seletaks sellist kummalist fakti. Parimaks teooriaks sel ajal osutus “eetri” teooria - teatud keskkond, milles valgus levib, nii nagu heli levib õhus. Siis määraks valguse kiiruse mitte allika liikumiskiirus, vaid keskkonna enda – eetri – omadused.
Eetri avastamiseks on tehtud palju katseid, millest kuulsaim on Ameerika füüsiku Albert Michelsoni katse. Ühesõnaga on teada, et Maa liigub avakosmoses. Siis on loogiline eeldada, et see liigub ka läbi eetri, kuna eetri täielik kinnitumine Maa külge pole mitte ainult egoismi kõrgeim aste, vaid lihtsalt ei saa olla millestki põhjustatud. Kui Maa liigub läbi teatud keskkonna, milles valgus levib, siis on loogiline eeldada, et siin toimub kiiruste liitmine. See tähendab, et valguse levimine peab sõltuma eetrit läbiva Maa liikumissuunast. Michelson ei avastanud oma katsete tulemusel erinevust valguse levimise kiiruse vahel Maast mõlemas suunas.
Hollandi füüsik Hendrik Lorentz püüdis seda probleemi lahendada. Tema oletuse kohaselt mõjutas "eetertuul" kehasid nii, et need vähendasid oma suurust liikumise suunas. Sellest eeldusest lähtudes koges nii Maa kui Michelsoni seade seda Lorentzi kokkutõmbumist, mille tulemusena sai Albert Michelson valguse mõlemas suunas levimiseks sama kiiruse. Ja kuigi Lorentzil õnnestus eetri teooria surma edasi lükata, leidsid teadlased siiski, et see teooria on "kaugelt võetud". Seega pidi eetris olema mitmeid "muinasjutulisi" omadusi, sealhulgas kaaluta olekut ja liikuvate kehade suhtes vastupidavuse puudumine.
Eetri ajaloo lõpp saabus 1905. aastal tollal vähetuntud Albert Einsteini artikli “Liikuvate kehade elektrodünaamikast” avaldamisega.
Albert Einsteini erirelatiivsusteooria
26-aastane Albert Einstein väljendas ruumi ja aja olemuse kohta täiesti uut, teistsugust vaadet, mis läks vastuollu tolleaegsete ideedega ja rikkus eriti rängalt Galilei relatiivsuspõhimõtet. Einsteini sõnul ei andnud Michelsoni katse positiivseid tulemusi põhjusel, et ruumil ja ajal on sellised omadused, et valguse kiirus on absoluutväärtus. See tähendab, et olenemata sellest, millises võrdlusraamistikus vaatleja on, on valguse kiirus tema suhtes alati sama, 300 000 km/sek. Sellest järgnes valguse suhtes kiiruste liitmise kohaldamise võimatus - ükskõik kui kiiresti valgusallikas liigub, valguse kiirus ei muutu (liita ega lahuta).
Einstein kasutas Lorentzi kontraktsiooni, et kirjeldada valguse kiirusele lähedase kiirusega liikuvate kehade parameetrite muutusi. Nii näiteks väheneb selliste kehade pikkus ja nende enda aeg aeglustub. Selliste muutuste koefitsienti nimetatakse Lorentzi teguriks. Einsteini kuulus valem E=mc 2 sisaldab tegelikult ka Lorentzi faktorit ( E= ymc 2), mis on üldiselt võrdne ühtsusega juhul, kui keha kiirus v võrdne nulliga. Kui keha kiirus läheneb v valguse kiirusele c Lorentzi tegur y tormab lõpmatuse poole. Sellest järeldub, et keha kiirendamiseks valguse kiirusele on vaja lõpmatult palju energiat ja seetõttu on seda kiiruspiirangut võimatu ületada.
Selle väite kasuks on ka argument, mida nimetatakse "samaaegsuse suhtelisuseks".
SRT samaaegsuse suhtelisuse paradoks
Lühidalt öeldes seisneb samaaegsuse relatiivsuse fenomen selles, et erinevates ruumipunktides asuvad kellad saavad "samal ajal" töötada ainult siis, kui nad on samas inertsiaalses tugiraamistikus. See tähendab, et kellaaeg sõltub võrdlussüsteemi valikust.
Sellest tuleneb paradoks, et sündmus B, mis on sündmuse A tagajärg, võib toimuda sellega samaaegselt. Lisaks on võimalik valida referentssüsteeme nii, et sündmus B saabub varem kui selle põhjustanud sündmus A. Selline nähtus rikub kausaalsuse põhimõtet, mis on teaduses üsna kindlalt juurdunud ja mida pole kunagi kahtluse alla seatud. Seda hüpoteetilist olukorda täheldatakse aga ainult juhul, kui sündmuste A ja B vaheline kaugus on suurem kui nendevaheline ajavahemik, mis on korrutatud "elektromagnetilise konstandiga" - Koos. Seega konstant c, mis võrdub valguse kiirusega, on teabe edastamise maksimaalne kiirus. Vastasel juhul rikutakse põhjuslikkuse põhimõtet.
Kuidas mõõdetakse valguse kiirust?
Olaf Roemeri tähelepanekud
Antiikaja teadlased uskusid enamasti, et valgus liigub lõpmatu kiirusega ja esimene hinnang valguse kiirusele saadi juba 1676. aastal. Taani astronoom Olaf Roemer jälgis Jupiterit ja selle kuud. Hetkel, mil Maa ja Jupiter asusid Päikese vastaskülgedel, hilines Jupiteri kuu Io varjutus arvestusliku ajaga võrreldes 22 minutit. Ainus lahendus, mille Olaf Roemer leidis, on see, et valguse kiirus on piirav. Sel põhjusel hilineb teave vaadeldud sündmuse kohta 22 minutit, kuna Io satelliidilt astronoomi teleskoobini kulub veidi aega. Roemeri arvutuste järgi oli valguse kiirus 220 000 km/s.
James Bradley tähelepanekud
1727. aastal avastas inglise astronoom James Bradley valguse aberratsiooni nähtuse. Selle nähtuse olemus seisneb selles, et kui Maa liigub ümber Päikese ja ka Maa enda pöörlemise ajal, täheldatakse tähtede nihkumist öötaevas. Kuna maapealne vaatleja ja Maa ise muudavad pidevalt oma liikumissuunda vaadeldava tähe suhtes, siis läbib tähe kiiratav valgus aja jooksul erinevaid vahemaid ja langeb vaatleja poole erineva nurga all. Valguse piiratud kiirus toob kaasa asjaolu, et taevatähed kirjeldavad aastaringselt ellipsi. See katse võimaldas James Bradleyl hinnata valguse kiirust – 308 000 km/s.
Louis Fizeau kogemus
1849. aastal viis prantsuse füüsik Louis Fizeau läbi laboratoorse eksperimendi valguse kiiruse mõõtmiseks. Füüsik paigaldas peegli Pariisis allikast 8633 meetri kaugusele, kuid Roemeri arvutuste kohaselt läbib valgus selle vahemaa sajatuhandiksekunditega. Selline kella täpsus oli siis kättesaamatu. Seejärel kasutas Fizeau hammasratast, mis pöörles teel allikast peeglini ja peeglist vaatlejani, mille hambad perioodiliselt valgust blokeerisid. Juhul, kui valguskiir allikast peeglisse läks hammaste vahelt ja tagasiteel tabas hammast, kahekordistas füüsik ratta pöörlemiskiirust. Ratta pöörlemiskiiruse kasvades lakkas valgus peaaegu kadumast, kuni pöörlemiskiirus jõudis 12,67 pööret sekundis. Sel hetkel kadus valgus jälle.
Selline tähelepanek tähendas, et valgus "põrkus" pidevalt hammastesse ja tal ei olnud aega nende vahele "libiseda". Teades ratta pöörlemiskiirust, hammaste arvu ja kahekordset kaugust allikast peeglini, arvutas Fizeau välja valguse kiiruse, mis osutus võrdseks 315 000 km/sek.
Aasta hiljem viis teine prantsuse füüsik Leon Foucault läbi sarnase katse, milles ta kasutas hammasratta asemel pöörlevat peeglit. Ta sai valguse kiiruseks õhus 298 000 km/s.
Sajand hiljem täiustati Fizeau meetodit nii palju, et 1950. aastal E. Bergstrandi poolt läbi viidud sarnane katse andis kiiruse väärtuseks 299 793,1 km/s. See arv erineb valguse kiiruse praegusest väärtusest vaid 1 km/s.
Täiendavad mõõtmised
Laserite tulekuga ja mõõteriistade täpsuse suurenemisega oli võimalik mõõtmisviga vähendada kuni 1 m/s. Nii kasutasid Ameerika teadlased 1972. aastal oma katseteks laserit. Mõõtes laserkiire sagedust ja lainepikkust, suutsid nad saada väärtuseks 299 792 458 m/s. Tähelepanuväärne on, et valguse kiiruse mõõtmise täpsuse edasine suurendamine vaakumis oli võimatu mitte instrumentide tehniliste puuduste, vaid arvesti standardi enda vea tõttu. Sel põhjusel määratles XVII kaalude ja mõõtude üldkonverents 1983. aastal arvesti kui vahemaa, mille valgus läbib vaakumis aja jooksul, mis on võrdne 1/299 792 458 sekundiga.
Võtame selle kokku
Niisiis, kõigest ülaltoodust järeldub, et valguse kiirus vaakumis on põhiline füüsikaline konstant, mis esineb paljudes fundamentaalsetes teooriates. See kiirus on absoluutne, see tähendab, et see ei sõltu võrdlussüsteemi valikust ja võrdub ka teabe edastamise maksimaalse kiirusega. Selle kiirusega ei liigu mitte ainult elektromagnetlained (valgus), vaid ka kõik massita osakesed. Sealhulgas arvatavasti graviton, gravitatsioonilainete osake. Muuhulgas seisab valguse enda aeg relativistlike efektide tõttu sõna otseses mõttes paigal.
Sellised valguse omadused, eriti sellele kiiruste liitmise põhimõtte rakendamatus, ei mahu pähe. Paljud katsed kinnitavad aga ülalloetletud omadusi ja mitmed fundamentaalsed teooriad on üles ehitatud just sellele valguse olemusele.
epigraaf
Õpetaja küsib: Lapsed, mis on maailma kiireim asi?
Tanechka ütleb: Kiireim sõna. Ma lihtsalt ütlesin, et sa ei tule tagasi.
Vanechka ütleb: Ei, valgus on kõige kiirem.
Nii kui lülitit vajutasin, läks tuba kohe heledaks.
Ja Vovochka vaidleb vastu: Maailma kiireim asi on kõhulahtisus.
Olin kord nii kannatamatu, et ei öelnud sõnagi
Mul ei olnud aega midagi öelda ega valgust sisse lülitada.
Kas olete kunagi mõelnud, miks on valguse kiirus meie universumis maksimaalne, piiratud ja konstantne? See on väga huvitav küsimus ja kohe, spoilerina, avaldan sellele vastuse kohutava saladuse - keegi ei tea täpselt, miks. Võetakse valguse kiirus, s.o. vaimselt aktsepteeritud konstanti jaoks ja sellele postulaadile, aga ka ideele, et kõik inertsiaalsed võrdlusraamid on võrdsed, ehitas Albert Einstein oma erirelatiivsusteooria, mis on teadlasi sada aastat vihastanud, võimaldades Einsteinil oma keelt kinni hoida. karistamatult maailma ees ja irvitama oma hauas sea mõõtmete üle, mille ta kogu inimkonnale külvas.
Aga miks tegelikult on see nii konstantne, nii maksimaalne ja nii lõplik, sellele vastust pole, see on lihtsalt aksioom, s.t. usust võetud väide, mida kinnitavad vaatlused ja terve mõistus, kuid pole loogiliselt ega matemaatiliselt kusagilt tuletatav. Ja üsna tõenäoline, et see pole nii tõsi, kuid keegi pole seda veel ühegi kogemusega ümber lükata suutnud.
Mul on selles küsimuses omad mõtted, neist hiljem lähemalt, kuid praegu jääme lihtsaks, teie sõrmedel™ Püüan vastata vähemalt ühele osale - mida tähendab valguse kiirus "konstantne".
Ei, ma ei tüüta teid mõttekatsetustega, mis juhtuks, kui valguskiirusel lendaval raketil esituled põlema panna vms, see on nüüd veidi teemast mööda.
Kui vaatate teatmeteost või Vikipeediat, on valguse kiirus vaakumis defineeritud kui põhiline füüsikaline konstant, mis täpselt võrdne 299 792 458 m/s. Noh, see on jämedalt öeldes umbes 300 000 km/s, aga kui täpselt õige- 299 792 458 meetrit sekundis.
Näib, kust selline täpsus tuleb? Mis tahes matemaatiline või füüsikaline konstant, mis tahes, isegi Pi, isegi naturaallogaritmi alus e, isegi gravitatsioonikonstant G ehk Plancki konstant h, sisaldavad alati mõnda numbrid pärast koma. Pi-s on neist kümnendkohtadest praegu teada umbes 5 triljonit (kuigi ainult esimesel 39 numbril on füüsiline tähendus), gravitatsioonikonstant on tänapäeval määratletud kui G ~ 6,67384(80)x10 -11 ja konstant Plank h~ 6,62606957(29)x10 -34 .
Valguse kiirus vaakumis on sile 299 792 458 m/s, ei sentimeetritki rohkem ega nanosekundit vähem. Kas soovite teada, kust see täpsus pärineb?
Kõik algas nagu tavaliselt vanade kreeklastega. Teadust kui sellist selle sõna tänapäevases tähenduses nende hulgas ei eksisteerinud. Vana-Kreeka filosoofe nimetati filosoofideks, sest nad leiutasid esmalt mingi jama oma peas ja siis loogilisi järeldusi (ja mõnikord ka reaalseid füüsilisi eksperimente) kasutades üritasid nad seda tõestada või ümber lükata. Reaalse elu füüsikaliste mõõtmiste ja nähtuste kasutamist pidasid nad aga “teise klassi” tõenditeks, mida ei saa võrrelda otse peast saadud esmaklassiliste loogiliste järeldustega.
Esimeseks inimeseks, kes mõtleb valguse enda kiiruse olemasolule, peetakse filosoofi Empidoclest, kes väitis, et valgus on liikumine ja liikumisel peab olema kiirus. Aristoteles vaidles talle vastu, kes väitis, et valgus on lihtsalt millegi olemasolu looduses ja see on kõik. Ja miski ei liigu kuskil. Aga see on midagi muud! Eukleides ja Ptolemaios uskusid üldiselt, et valgus kiirgub meie silmadest ja langeb seejärel objektidele ja seetõttu me näeme neid. Ühesõnaga, vanad kreeklased olid nii rumalad kui suutsid, kuni need samad vanad roomlased neid vallutasid.
Keskajal uskus enamik teadlasi, et valguse levimiskiirus on lõpmatu, nende hulgas olid näiteks Descartes, Kepler ja Fermat.
Kuid mõned, nagu Galileo, uskusid, et valgusel on kiirus ja seetõttu saab seda mõõta. Laialt on tuntud Galileo eksperiment, kes süütas lambi ja andis valgust Galileost mitme kilomeetri kaugusel asuvale assistendile. Olles valgust näinud, süütas assistent oma lambi ja Galileo püüdis nende hetkede vahelist viivitust mõõta. See tal loomulikult ei õnnestunud ja lõpuks oli ta sunnitud oma kirjutistesse kirjutama, et kui valgusel on kiirus, siis on see ülisuur ja inimjõul mõõdetav ning seetõttu võib seda pidada lõpmatuks.
Esimene dokumenteeritud valguse kiiruse mõõtmine omistatakse Taani astronoomile Olaf Roemerile 1676. aastal. Selleks aastaks jälgisid selle sama Galileo teleskoopidega relvastatud astronoomid aktiivselt Jupiteri satelliite ja arvutasid isegi nende pöörlemisperioode. Teadlased on kindlaks teinud, et Jupiterile lähima kuu Io pöörlemisperiood on ligikaudu 42 tundi. Küll aga märkas Roemer, et vahel ilmub Io Jupiteri tagant välja oodatust 11 minutit varem, vahel aga 11 minutit hiljem. Nagu selgus, ilmub Io varem nendel perioodidel, mil ümber Päikese pöörlev Maa läheneb Jupiterile minimaalsel kaugusel ja jääb 11 minuti võrra maha, kui Maa on orbiidi vastaskohas ja on seetõttu kaugemal Jupiter.
Rumalalt jagades maakera orbiidi läbimõõdu (ja see oli neil päevil juba enam-vähem teada) 22 minutiga, sai Roemer valguse kiiruseks 220 000 km/s, jäädes tegelikust väärtusest puudu umbes kolmandiku võrra.
1729. aastal jälgis inglise astronoom James Bradley parallaks(väikese asukoha kõrvalekaldega) avastas selle efekti täht Etamin (Gamma Draconis) valguse aberratsioonid, st. meile lähimate tähtede asukoha muutus taevas Maa liikumise tõttu ümber Päikese.
Bradley avastatud valguse aberratsiooni mõju põhjal võib ka järeldada, et valgusel on piiratud levimiskiirus, millest Bradley ka kinni sai, arvutades selleks ligikaudu 301 000 km/s, mis on juba 1% täpsusega. täna tuntud väärtus.
Sellele järgnesid kõik selgitavad mõõtmised teiste teadlaste poolt, kuid kuna arvati, et valgus on laine ja laine ei saa iseenesest levida, tuleb midagi "erutada", idee "olemasolu" olemasolust. luminiferous eeter”, mille avastamine ebaõnnestus ameeriklasel füüsikul Albert Michelsonil. Mingit helendavat eetrit ta ei avastanud, kuid 1879. aastal selgitas valguse kiiruse 299 910±50 km/s.
Umbes samal ajal avaldas Maxwell oma elektromagnetismi teooria, mis tähendab, et valguse kiirust sai võimalik mitte ainult otseselt mõõta, vaid ka tuletada elektrilise ja magnetilise läbilaskvuse väärtustest, mida tehti valguse kiiruse selgitamise teel. valguse kiirus 299 788 km/s 1907. aastal.
Lõpuks kuulutas Einstein, et valguse kiirus vaakumis on konstant ja ei sõltu üldse millestki. Vastupidi, kõik muu - kiiruste lisamine ja õigete referentssüsteemide leidmine, aja dilatatsiooni ja kauguste muutumise mõju suurel kiirusel liikudes ja paljud muud relativistlikud efektid sõltuvad valguse kiirusest (sest see sisaldub kõigis valemites nagu konstant). Lühidalt, kõik maailmas on suhteline ja valguse kiirus on suurus, mille suhtes kõik muud asjad meie maailmas on suhtelised. Siin peaksime võib-olla loovutama peopesa Lorentzile, kuid ärgem olgem kauplevad, Einstein on Einstein.
Selle konstandi väärtuse täpne määramine jätkus kogu 20. sajandi jooksul, iga kümnendiga leidsid teadlased üha rohkem numbrid pärast koma valguse kiirusel, kuni nende peas hakkasid tekkima ebamäärased kahtlused.
Määrates üha täpsemalt, mitu meetrit valgus vaakumis sekundis läbib, hakkasid teadlased mõtlema, mida me meetrites mõõdame? Lõppkokkuvõttes on ju meeter just sellise plaatina-iriidiumi pulga pikkus, mille keegi Pariisi lähedal muuseumisse unustas!
Ja alguses tundus standardse arvesti kasutuselevõtu idee suurepärane. Et mitte kannatada jardide, jalgade ja muude kaldus süldade pärast, otsustasid prantslased 1791. aastal võtta standardseks pikkuseks ühe kümnemiljoniku kaugusest põhjapoolusest ekvaatorini mööda Pariisi läbivat meridiaani. Nad mõõtsid selle vahemaa tolleaegse täpsusega, valasid pulga plaatina-iriidiumi (täpsemalt esmalt messingist, siis plaatinast ja siis plaatina-iriidiumi) sulamist ja panid selle just sellesse Pariisi kaalude ja mõõtude kambrisse. näidis. Mida edasi, seda enam selgub, et maakera pind muutub, mandrid deformeeruvad, meridiaanid nihkuvad ja kümnemiljondiku osa võrra on nad unustanud ja hakanud pulga pikkust meetriks lugema. mis asub Pariisi "mausoleumi" kristallkirstus.
Selline ebajumalakummardamine tõelisele teadlasele ei sobi, see pole Punane väljak (!) ja 1960. aastal otsustati arvesti mõistet lihtsustada täiesti ilmse definitsioonini - arvesti on täpselt võrdne 1 650 763,73 lainepikkusega, mida kiirgab üleminek. elektronid elemendi Krypton-86 ergastamata isotoobi energiatasemete 2p10 ja 5d5 vahel vaakumis. No kui palju selgem?
See kestis 23 aastat, samal ajal kui valguse kiirust vaakumis mõõdeti üha suurema täpsusega, kuni 1983. aastal mõistsid lõpuks ka kõige kangekaelsemad retrogaadid, et valguse kiirus on kõige täpsem ja ideaalsem konstant, mitte mingisugune. krüptooni isotoobist. Ja otsustati kõik pea peale keerata (täpsemalt kui järele mõelda, siis otsustati kõik tagurpidi keerata), nüüd valguse kiirus Koos on tõeline konstant ja meeter on vahemaa, mille valgus läbib vaakumis (1/299 792 458) sekundiga.
Valguse kiiruse tegeliku väärtuse selgitamine jätkub ka täna, kuid huvitav on see, et iga uue katsega ei selgita teadlased valguse kiirust, vaid meetri tegelikku pikkust. Ja mida täpsemalt valguse kiirust järgmistel aastakümnetel leitakse, seda täpsema mõõdiku lõpuks saame.
Ja mitte vastupidi.
Noh, lähme nüüd tagasi oma lammaste juurde. Miks on valguse kiirus meie universumi vaakumis maksimaalne, lõplik ja konstantne? Ma saan sellest niimoodi aru.
Kõik teavad, et heli kiirus metallis ja peaaegu igas tahkes kehas on palju suurem kui heli kiirus õhus. Seda on väga lihtne kontrollida; lihtsalt pange kõrv rööpa külge ja kuulete läheneva rongi hääli palju varem kui õhu kaudu. Miks nii? On ilmne, et heli on sisuliselt sama ja selle levimise kiirus sõltub keskkonnast, nende molekulide konfiguratsioonist, millest see keskkond koosneb, selle tihedusest, selle kristallvõre parameetritest - lühidalt helikandja hetkeseisund, mille kaudu heli edastatakse.
Ja kuigi helendav eetri idee on juba ammu hüljatud, pole vaakum, mille kaudu elektromagnetlained levivad, absoluutselt midagi, ükskõik kui tühi see meile ka ei tunduks.
Ma saan aru, et analoogia on mõnevõrra kauge, kuid see on tõsi teie sõrmedel™ sama! Täpselt kättesaadava analoogiana ja mitte mingil juhul otsese üleminekuna ühelt füüsikaseadustelt teistele, palun teil vaid ette kujutada, et elektromagnetiliste (ja üldiselt kõigi, sealhulgas gluoon- ja gravitatsiooniliste) vibratsioonide levimiskiirus, nii nagu heli kiirus terases on rööpasse “õmmeldud”. Siit me tantsime.
UPD: Muide, kutsun "tärniga lugejaid" ette kujutama, kas valguse kiirus jääb "keerulises vaakumis" konstantseks. Näiteks arvatakse, et temperatuuride suurusjärgus 10–30 K juures vaakum lakkab lihtsalt virtuaalsetest osakestest keemast ja hakkab “ära keema”, s.t. ruumikangas pudeneb tükkideks, Plancki suurused hägustuvad ja kaotavad oma füüsilise tähenduse jne. Kas valguse kiirus sellises vaakumis oleks ikka võrdne c, või tähistab see uue "relativistliku vaakumi" teooria algust, mille parandused nagu Lorentzi koefitsiendid äärmuslikel kiirustel? Ma ei tea, ma ei tea, aeg näitab...
