Cu ce viteză se propagă lumina în vid?

Viteza luminii în vid este un indice utilizat pe scară largă în fizică și a permis, la un moment dat, realizarea unor descoperiri și explicarea naturii multor fenomene. Pentru a înțelege subiectul și pentru a înțelege cum și în ce condiții a fost descoperit, există câteva puncte importante de învățat.

Care este viteza luminii

Viteza luminii în vid este considerată o mărime absolută care reprezintă rapiditatea de propagare a radiației electromagnetice. Este utilizat pe scară largă în fizică și este indicat prin litera latină mică "c" (pronunțată "Ce").

În vid, viteza luminii este utilizată pentru a determina viteza diferitelor particule.

Potrivit majorității cercetătorilor și oamenilor de știință, viteza luminii în vid este viteza maximă posibilă de propagare a particulelor și a diferitelor tipuri de radiații.

În ceea ce privește exemplele de fenomene, acestea sunt următoarele:

1. Lumina vizibilă provenită din orice sursa.
2. Toate tipurile de radiații electromagnetice (de exemplu, raze X și unde radio).
3. unde gravitaționale (aici unii experți nu sunt de acord).

Multe tipuri de particule pot călători cu o viteză apropiată de cea a luminii, dar nu o ating.

Valoarea exactă a vitezei luminii

Oamenii de știință încearcă de mulți ani să determine care este viteza luminii, dar măsurătorile exacte au fost făcute în anii 1970. În cele din urmă cifra a fost de 299.792.458 de metri pe secundă. cu o abatere maximă de +/-1,2 metri. Astăzi este o unitate fizică neschimbabilă.Întrucât distanța de un metru este de 1/299 792 458 secunde, acesta este timpul necesar pentru ca lumina să parcurgă 100 cm în vid.

Științifică formula de determinare a vitezei luminii.

Pentru a simplifica calculul, cifra este simplificată la 300,000,000 m/s (3×108 m/s). Toată lumea o știe din fizica școlară, unde viteza se măsoară în această formă.

Rolul fundamental al vitezei luminii în fizică

Acesta este unul dintre principalii indicatori, indiferent de cadrul de referință utilizat în cadrul studiului. Este independent de mișcarea sursei de unde, ceea ce este, de asemenea, important.

Invarianța a fost adoptată ca un postulat de Albert Einstein în 1905. Acest lucru s-a întâmplat după ce un alt om de știință, Maxwell, a prezentat teoria electromagnetismului după ce nu a găsit nicio dovadă a existenței eterului purtător de lumină.

Afirmația conform căreia efectele cauzale nu pot fi transportate la viteze mai mari decât viteza luminii este considerată în prezent ca fiind bine întemeiată.

Apropo! Fizicienii nu neagă faptul că unele dintre particule se pot deplasa cu o viteză mai mare decât cifra în cauză. Dar ele nu pot fi folosite pentru a transmite informații.

Referințe istorice

Pentru a înțelege particularitățile subiectului și pentru a afla cum au fost descoperite anumite fenomene, ar trebui să se studieze experimentele unor oameni de știință. În secolul al XIX-lea au fost făcute multe descoperiri care au ajutat oamenii de știință mai târziu, în special în ceea ce privește curentul electric și fenomenele de inducție magnetică și electromagnetică.

Experimentele lui James Maxwell

Cercetările fizicianului au confirmat interacțiunea particulelor la distanță. Acest lucru i-a permis ulterior lui Wilhelm Weber să dezvolte o nouă teorie a electromagnetismului. De asemenea, Maxwell a stabilit în mod clar fenomenul câmpurilor magnetice și electrice și a stabilit că acestea se pot produce reciproc pentru a forma unde electromagnetice. Acest om de știință a fost cel care a inițiat utilizarea denumirii "c", care este folosită și astăzi de fizicienii din întreaga lume.

Din acest motiv, majoritatea cercetătorilor vorbeau deja despre natura electromagnetică a luminii. Cercetând viteza de propagare a excitațiilor electromagnetice, Maxwell a ajuns la concluzia că aceasta este egală cu viteza luminii, fapt care l-a surprins la vremea respectivă.

Cercetările lui Maxwell au arătat clar că lumina, magnetismul și electricitatea nu sunt concepte separate. Împreună, acești factori determină natura luminii, deoarece aceasta este o combinație de câmp magnetic și electric care se propagă prin spațiu.

Schema de propagare a undelor electromagnetice.

Michelson și experimentul său pentru a demonstra caracterul absolut al vitezei luminii

La începutul secolului trecut, majoritatea oamenilor de știință foloseau principiul relativității al lui Galileo, care susținea că legile mecanicii sunt aceleași indiferent de cadrul de referință utilizat. Dar, conform teoriei, viteza de propagare a undelor electromagnetice trebuie să se schimbe pe măsură ce sursa se deplasează. Acest lucru contravenea atât postulatelor lui Galileo, cât și teoriei lui Maxwell, ceea ce a reprezentat motivul cercetării.

La acea vreme, majoritatea oamenilor de știință erau înclinați către "teoria eterului", în care indicatorii nu depindeau de viteza sursei sale, caracteristicile mediului fiind considerate principalul factor determinant.

Michelson a descoperit că viteza luminii este independentă de direcția de măsurare.

Deoarece Pământul se deplasează în spațiu într-o anumită direcție, viteza luminii, conform legii adunării vitezelor, va fi diferită atunci când este măsurată în direcții diferite. Dar Michelson nu a constatat nicio diferență în propagarea undelor electromagnetice, indiferent de direcția în care se făceau măsurătorile.

Teoria eterului nu a putut explica existența mărimii absolute, ceea ce i-a demonstrat și mai bine falsitatea.

Teoria specială a relativității a lui Albert Einstein

Tânărul om de știință de atunci a prezentat o teorie care contravenea convingerilor majorității cercetătorilor. Conform acesteia, timpul și spațiul au caracteristici care asigură că viteza luminii în vid rămâne constantă indiferent de cadrul de referință ales. Acest lucru a explicat experimentele nereușite ale lui Michelson, deoarece viteza de propagare a luminii nu depinde de mișcarea sursei sale.

[tds_council]O confirmare indirectă a corectitudinii teoriei lui Einstein a fost "relativitatea simultaneității", a cărei esență este prezentată în figura de mai jos[/tds_council].

Un exemplu al modului în care locația unei persoane afectează percepția pe care o are asupra propagării luminii.

Cum a fost măsurată viteza luminii înainte

Au existat multe încercări de a determina acest indicator, dar, din cauza nivelului scăzut de dezvoltare a științei, a fost problematic să se facă acest lucru înainte. De exemplu, în antichitate, oamenii de știință credeau că viteza luminii este infinită, dar mai târziu mulți cercetători au pus la îndoială acest lucru, ceea ce a dus la o serie de încercări de a o determina:

1. Galileo a folosit torțe. Pentru a calcula viteza de propagare a undelor luminoase, el și asistentul său se aflau pe niște dealuri, distanța dintre ei fiind determinată cu precizie. Apoi, unul dintre participanți deschidea lanterna, iar celălalt făcea același lucru imediat ce vedea lumina. Dar această metodă nu a avut succes din cauza vitezei mari de propagare a undelor și a imposibilității de a determina exact intervalul de timp.
2. Olaf Remer, un astronom din Danemarca, a observat o particularitate în timp ce observa Jupiter. Atunci când Pământul și Jupiter se aflau în puncte opuse ale orbitelor lor, eclipsa lui Io (satelitul lui Jupiter) a avut loc cu 22 de minute în urma planetei. Pe această bază, el a concluzionat că viteza de propagare a undelor luminoase nu este infinită și că are o limită. Conform calculelor sale, indicele a fost de aproximativ 220.000 km pe secundă.
   Determinarea vitezei luminii conform lui Rehmer.
3. În aceeași perioadă, astronomul englez James Bradley a descoperit fenomenul de aberație a luminii, prin care poziția stelelor pe cer și distanța până la ele se modifică constant din cauza mișcării Pământului în jurul Soarelui și a rotației acestuia în jurul axei sale. Din cauza acestor caracteristici, stelele descriu o elipsă în fiecare an. Folosind calcule și observații, astronomul a calculat viteza, care a fost de 308 000 km pe secundă.
   Aberația luminii
4. Louis Fizeau a fost prima persoană care a stabilit indicele exact prin intermediul unui experiment de laborator. El a montat un pahar cu o suprafață oglindită la o distanță de 8633 m față de sursă, dar cum distanța este mică, a fost imposibil să facă calcule precise ale timpului. Omul de știință a montat apoi o roată dințată, care, cu roțile sale dințate, acoperea periodic lumina. Prin variația vitezei roții, Fizeau a determinat la ce viteză lumina nu avea timp să treacă între roți dințate și să se întoarcă înapoi. El a calculat o viteză de 315.000 de kilometri pe secundă.
   Experimentul lui Louis Fizeau.

Măsurarea vitezei luminii

Acest lucru se poate face în mai multe moduri. Nu este necesar să le defalcăm în detaliu, fiind necesară o prezentare separată pentru fiecare dintre ele. Prin urmare, cel mai simplu este să se facă o clasificare a soiurilor:

1. Măsurători astronomice. În acest caz, metodele Remer și Bradley sunt utilizate cel mai frecvent, deoarece și-au dovedit eficiența și nu sunt afectate de aer, apă sau alte condiții de mediu. Într-un vid cosmic, precizia măsurătorilor crește.
2. Rezonanța de cavitate sau efectul de cavitate - este denumirea dată fenomenului de unde magnetice staționare de joasă frecvență între suprafața planetei și ionosferă. Folosind formule speciale și echipamente de măsurare, este ușor de calculat viteza particulelor din aer.
3. Interferometrie - Ansamblu de tehnici de investigare în care mai multe tipuri de valuri sunt adunate. Acest lucru produce un efect de interferență, prin care se pot face numeroase măsurători ale vibrațiilor electromagnetice și acustice.

Cu ajutorul unor echipamente speciale, se pot face măsurători fără a fi nevoie de tehnici speciale.

Este FTL posibil

Conform teoriei relativității, depășirea vitezei unei particule fizice încalcă principiul cauzalității. Din acest motiv, este posibilă transmiterea de semnale din viitor în trecut și invers. Dar, în același timp, teoria nu neagă faptul că pot exista particule care se mișcă mai repede, în timp ce interacționează cu substanțe obișnuite.

Acest tip de particulă se numește tahion. Cu cât se mișcă mai repede, cu atât mai puțină energie transportă.

Lecție video: Experimentul Fizeau. Măsurarea vitezei luminii. Fizică clasa a XI-a.

Viteza luminii în vid este o constantă și multe fenomene din fizică se bazează pe ea. Definiția sa a reprezentat o nouă piatră de hotar în dezvoltarea științei, deoarece a explicat multe procese și a simplificat o serie de calcule.