Με ποια ταχύτητα διαδίδεται το φως στο κενό

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι ένας δείκτης που χρησιμοποιείται ευρέως στη φυσική και έχει επιτρέψει κάποτε να γίνουν πολλές ανακαλύψεις και να εξηγηθεί η φύση πολλών φαινομένων. Υπάρχουν ορισμένα σημαντικά σημεία που πρέπει να μάθουμε για να κατανοήσουμε το θέμα και να καταλάβουμε πώς και υπό ποιες συνθήκες ανακαλύφθηκε.

Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό θεωρείται ένα απόλυτο μέγεθος που αντιπροσωπεύει την ταχύτητα διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Χρησιμοποιείται ευρέως στη φυσική και συμβολίζεται με ένα μικρό λατινικό γράμμα "c" (προφέρεται "Ce").

Στο κενό, η ταχύτητα του φωτός χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ταχύτητας των διαφόρων σωματιδίων.

Σύμφωνα με τους περισσότερους ερευνητές και επιστήμονες, η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι η μέγιστη δυνατή ταχύτητα με την οποία διαδίδονται τα σωματίδια και οι διάφοροι τύποι ακτινοβολίας.

Όσον αφορά τα παραδείγματα των φαινομένων, είναι τα εξής:

1. Ορατό φως που προέρχεται από οποιοδήποτε πηγή.
2. Όλα τα είδη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (π.χ. ακτίνες Χ και ραδιοκύματα).
3. Βαρυτικά κύματα (εδώ ορισμένοι ειδικοί διαφωνούν).

Πολλοί τύποι σωματιδίων μπορούν να ταξιδέψουν με ταχύτητα σχεδόν φωτός, αλλά δεν την φτάνουν.

Η ακριβής τιμή της ταχύτητας του φωτός

Οι επιστήμονες προσπαθούν να προσδιορίσουν την ταχύτητα του φωτός εδώ και πολλά χρόνια, αλλά ακριβείς μετρήσεις έγιναν τη δεκαετία του 1970. Στο τέλος ο αριθμός ήταν 299.792.458 μέτρα ανά δευτερόλεπτο με μέγιστη απόκλιση +/-1,2 μέτρα. Σήμερα είναι μια αμετάβλητη φυσική μονάδαΔεδομένου ότι μια απόσταση ενός μέτρου διαρκεί 1/299 792 458 δευτερόλεπτα, τόσο χρόνο χρειάζεται το φως στο κενό για να διανύσει 100 cm.

Η επιστημονική τύπος για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός.

Για να απλοποιήσετε τον υπολογισμό, ο αριθμός απλοποιείται σε 300.000.000 m/s (3×108 m/s). Όλοι το γνωρίζουν από τη σχολική φυσική, όπου η ταχύτητα μετριέται με αυτή τη μορφή.

Ο θεμελιώδης ρόλος της ταχύτητας του φωτός στη φυσική

Αυτός είναι ένας από τους κύριους δείκτες, ανεξάρτητα από το πλαίσιο αναφοράς που χρησιμοποιείται στη μελέτη. Είναι ανεξάρτητη από την κίνηση της πηγής κύματος, η οποία είναι επίσης σημαντική.

Το αναλλοίωτο υιοθετήθηκε ως αξίωμα από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905. Αυτό συνέβη αφού ένας άλλος επιστήμονας, ο Μάξγουελ, είχε διατυπώσει τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού, αφού δεν είχε βρει στοιχεία για την ύπαρξη του αιθέρα που φέρει φως.

Ο ισχυρισμός ότι τα αιτιώδη αποτελέσματα δεν μπορούν να μεταφερθούν με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός θεωρείται πλέον τεκμηριωμένος.

Παρεμπιπτόντως! Οι φυσικοί δεν αρνούνται ότι ορισμένα από τα σωματίδια μπορούν να κινηθούν με ταχύτητα μεγαλύτερη από το εν λόγω νούμερο. Αλλά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση πληροφοριών.

Ιστορικές αναφορές

Για να κατανοήσει κανείς τις ιδιαιτερότητες του θέματος και να μάθει πώς ανακαλύφθηκαν ορισμένα φαινόμενα, θα πρέπει να μελετήσει τα πειράματα ορισμένων επιστημόνων. Τον 19ο αιώνα έγιναν πολλές ανακαλύψεις που βοήθησαν τους επιστήμονες αργότερα, κυρίως όσον αφορά το ηλεκτρικό ρεύμα και τα φαινόμενα της μαγνητικής και ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

Τα πειράματα του James Maxwell

Η έρευνα του φυσικού επιβεβαίωσε την αλληλεπίδραση των σωματιδίων από απόσταση. Αυτό επέτρεψε στη συνέχεια στον Βίλχελμ Βέμπερ να αναπτύξει μια νέα θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Ο Μάξγουελ καθόρισε επίσης με σαφήνεια το φαινόμενο των μαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων και διαπίστωσε ότι μπορούν να παράγουν το ένα το άλλο για να σχηματίσουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ήταν αυτός ο επιστήμονας που πρωτοστάτησε στη χρήση της ονομασίας "c", η οποία χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα από τους φυσικούς σε όλο τον κόσμο.

Εξαιτίας αυτού, οι περισσότεροι ερευνητές μιλούσαν ήδη για την ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός. Ο Μάξγουελ, όταν διερεύνησε την ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών διεγέρσεων, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ήταν ίση με την ταχύτητα του φωτός, γεγονός που τον εξέπληξε εκείνη την εποχή.

Η έρευνα του Μάξγουελ κατέστησε σαφές ότι το φως, ο μαγνητισμός και ο ηλεκτρισμός δεν είναι ξεχωριστές έννοιες. Μαζί, οι παράγοντες αυτοί καθορίζουν τη φύση του φωτός, επειδή είναι ένας συνδυασμός μαγνητικού και ηλεκτρικού πεδίου που διαδίδεται στο χώρο.

Το πρότυπο διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος.

Ο Michelson και το πείραμά του για την απόδειξη της απόλυτης ταχύτητας του φωτός

Στις αρχές του περασμένου αιώνα, οι περισσότεροι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν την αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου, σύμφωνα με την οποία οι νόμοι της μηχανικής ήταν οι ίδιοι ανεξάρτητα από το ποιο σύστημα αναφοράς χρησιμοποιούνταν. Όμως, σύμφωνα με τη θεωρία, η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων πρέπει να μεταβάλλεται καθώς η πηγή κινείται. Αυτό έρχεται σε αντίθεση τόσο με τα αξιώματα του Γαλιλαίου όσο και με τη θεωρία του Μάξγουελ, η οποία ήταν και ο λόγος της έρευνας.

Εκείνη την εποχή, οι περισσότεροι επιστήμονες έτειναν προς τη "θεωρία του αιθέρα", σύμφωνα με την οποία οι δείκτες δεν εξαρτώνται από την ταχύτητα της πηγής τους, ενώ τα χαρακτηριστικά του μέσου θεωρούνταν ο κύριος καθοριστικός παράγοντας.

Ο Michelson ανακάλυψε ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν ανεξάρτητη από την κατεύθυνση της μέτρησης.

Δεδομένου ότι η Γη κινείται στο διάστημα προς μια ορισμένη κατεύθυνση, η ταχύτητα του φωτός, σύμφωνα με το νόμο της πρόσθεσης των ταχυτήτων, θα διαφέρει όταν μετράται σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Όμως ο Michelson δεν διαπίστωσε καμία διαφορά στη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση προς την οποία γίνονταν οι μετρήσεις.

Η θεωρία του αιθέρα δεν μπορούσε να εξηγήσει την ύπαρξη του απόλυτου μεγέθους, γεγονός που έδειξε ακόμη καλύτερα την πλάνη της.

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν

Ο νεαρός τότε επιστήμονας παρουσίασε μια θεωρία που ήταν αντίθετη με τις πεποιθήσεις των περισσότερων ερευνητών. Σύμφωνα με αυτήν, ο χρόνος και ο χώρος έχουν χαρακτηριστικά που εξασφαλίζουν ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από το επιλεγμένο σύστημα αναφοράς. Αυτό εξηγούσε τα ανεπιτυχή πειράματα του Michelson, καθώς η ταχύτητα διάδοσης του φωτός δεν εξαρτάται από την κίνηση της πηγής του.

[tds_council]Μια έμμεση επιβεβαίωση της ορθότητας της θεωρίας του Αϊνστάιν ήταν η "σχετικότητα του ταυτόχρονου", η ουσία της οποίας φαίνεται στο σχήμα[/tds_council].

Ένα παράδειγμα για το πώς η θέση ενός ατόμου επηρεάζει την αντίληψη της διάδοσης του φωτός.

Πώς μετρήθηκε η ταχύτητα του φωτός πριν

Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες να προσδιοριστεί αυτός ο δείκτης, αλλά λόγω του χαμηλού επιπέδου ανάπτυξης της επιστήμης, ήταν προβληματικό να γίνει κάτι τέτοιο στο παρελθόν. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες στην αρχαιότητα πίστευαν ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν άπειρη, αλλά αργότερα πολλοί ερευνητές αμφισβήτησαν αυτό το γεγονός, γεγονός που οδήγησε σε μια σειρά προσπαθειών για τον προσδιορισμό της:

1. Ο Γαλιλαίος χρησιμοποιούσε πυρσούς. Για να υπολογίσει την ταχύτητα με την οποία διαδίδονταν τα κύματα φωτός, αυτός και ο βοηθός του βρίσκονταν σε λόφους, με την απόσταση μεταξύ τους να καθορίζεται με ακρίβεια. Στη συνέχεια, ένας από τους συμμετέχοντες άνοιγε το φανάρι και ο άλλος έκανε το ίδιο μόλις έβλεπε το φως. Όμως η μέθοδος αυτή ήταν ανεπιτυχής λόγω της μεγάλης ταχύτητας διάδοσης του κύματος και της αδυναμίας προσδιορισμού του ακριβούς χρονικού διαστήματος.
2. Ο Olaf Remer, αστρονόμος από τη Δανία, παρατήρησε μια ιδιαιτερότητα κατά την παρατήρηση του Δία. Όταν η Γη και ο Δίας βρίσκονταν σε αντίθετα σημεία της τροχιάς τους, η έκλειψη της Ιώ (δορυφόρος του Δία) ήταν 22 λεπτά πίσω από τον ίδιο τον πλανήτη. Βάσει αυτού, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ταχύτητα διάδοσης των φωτεινών κυμάτων δεν είναι άπειρη και έχει ένα όριο. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του, ο δείκτης ήταν περίπου 220.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο.
   Προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός σύμφωνα με τον Rehmer.
3. Περίπου την ίδια περίοδο, ο Άγγλος αστρονόμος Τζέιμς Μπράντλεϊ ανακάλυψε το φαινόμενο της εκτροπής του φωτός, σύμφωνα με το οποίο η θέση των αστέρων στον ουρανό και η απόστασή τους μεταβάλλονται συνεχώς λόγω της κίνησης της Γης γύρω από τον Ήλιο, αλλά και λόγω της περιστροφής της γύρω από τον άξονά της. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών, τα αστέρια περιγράφουν μια έλλειψη κατά τη διάρκεια κάθε έτους. Χρησιμοποιώντας υπολογισμούς και παρατηρήσεις, ο αστρονόμος υπολόγισε την ταχύτητα, η οποία ήταν 308 000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο.
   Η εκτροπή του φωτός
4. Ο Louis Fizeau ήταν ο πρώτος που αποφάσισε τον ακριβή δείκτη μέσω εργαστηριακού πειράματος. Έστησε ένα ποτήρι με κατοπτρική επιφάνεια σε απόσταση 8633 μέτρων από την πηγή, αλλά καθώς η απόσταση είναι μικρή, ήταν αδύνατο να κάνει ακριβείς υπολογισμούς του χρόνου. Στη συνέχεια, ο επιστήμονας έστησε έναν οδοντωτό τροχό, ο οποίος με τα γρανάζια του κάλυπτε περιοδικά το φως. Μεταβάλλοντας την ταχύτητα του τροχού, ο Fizeau προσδιόρισε σε ποια ταχύτητα το φως δεν προλάβαινε να περάσει ανάμεσα στα γρανάζια και να επιστρέψει πίσω. Υπολόγισε ταχύτητα 315.000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο.
   Το πείραμα του Louis Fizeau.

Μέτρηση της ταχύτητας του φωτός

Αυτό μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. Δεν είναι απαραίτητο να τα αναλύσουμε λεπτομερώς, θα χρειαζόταν ξεχωριστή επισκόπηση για το καθένα. Ως εκ τούτου, είναι ευκολότερο να ξεχωρίσουμε τις ποικιλίες:

1. Αστρονομικές μετρήσεις. Εδώ χρησιμοποιούνται συχνότερα οι μέθοδοι Remer και Bradley, καθώς είναι αποδεδειγμένα αποτελεσματικές και δεν επηρεάζονται από τον αέρα, το νερό ή άλλες περιβαλλοντικές συνθήκες. Σε ένα κοσμικό κενό, η ακρίβεια των μετρήσεων αυξάνεται.
2. Αντήχηση κοιλότητας ή φαινόμενο κοιλότητας - ονομάζεται το φαινόμενο των στάσιμων μαγνητικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας μεταξύ της επιφάνειας του πλανήτη και της ιονόσφαιρας. Χρησιμοποιώντας ειδικούς τύπους και εξοπλισμό μέτρησης, είναι εύκολο να υπολογιστεί η ταχύτητα των σωματιδίων στον αέρα.
3. Συμβολομετρία - Ένα σύνολο ερευνητικών μεθόδων στο οποίο προστίθενται διάφοροι τύποι κυμάτων. Αυτό δίνει το φαινόμενο της παρεμβολής, μέσω του οποίου μπορούν να γίνουν πολυάριθμες μετρήσεις τόσο ηλεκτρομαγνητικών όσο και ακουστικών δονήσεων.

Με ειδικό εξοπλισμό μπορούν να γίνουν μετρήσεις χωρίς την ανάγκη ειδικών τεχνικών.

Είναι δυνατό το FTL

Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η υπέρβαση της ταχύτητας ενός φυσικού σωματιδίου παραβιάζει την αρχή της αιτιότητας. Εξαιτίας αυτού είναι δυνατή η μετάδοση σημάτων από το μέλλον στο παρελθόν και αντίστροφα. Ταυτόχρονα, όμως, η θεωρία δεν αρνείται ότι μπορεί να υπάρχουν σωματίδια που κινούνται ταχύτερα, ενώ αλληλεπιδρούν με συνηθισμένες ουσίες.

Αυτός ο τύπος σωματιδίου ονομάζεται ταχυόνιο. Όσο πιο γρήγορα κινούνται, τόσο λιγότερη ενέργεια μεταφέρουν.

Μάθημα βίντεο: Πείραμα Fizeau. Μέτρηση της ταχύτητας του φωτός. Φυσική 11ης τάξης.

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι μια σταθερά και πολλά φαινόμενα της φυσικής βασίζονται σε αυτήν. Ο ορισμός του αποτέλεσε νέο ορόσημο στην ανάπτυξη της επιστήμης, καθώς εξηγούσε πολλές διαδικασίες και απλοποιούσε πολλούς υπολογισμούς.