Z jaką prędkością światło rozchodzi się w próżni

Prędkość światła w próżni jest wskaźnikiem szeroko stosowanym w fizyce, który swego czasu umożliwił dokonanie wielu odkryć i wyjaśnienie natury wielu zjawisk. Aby zrozumieć ten temat oraz dowiedzieć się, w jaki sposób i w jakich warunkach został odkryty, należy poznać kilka ważnych kwestii.

Jaka jest prędkość światła

Prędkość światła w próżni jest uważana za wielkość absolutną, która określa szybkość rozchodzenia się promieniowania elektromagnetycznego. Jest ona powszechnie stosowana w fizyce i oznaczana małą literą łacińską "c" (wymawianą jako "Ce").

W próżni prędkość światła jest wykorzystywana do określania prędkości różnych cząstek.

Według większości badaczy i naukowców prędkość światła w próżni jest maksymalną możliwą prędkością, z jaką rozchodzą się cząstki i różne rodzaje promieniowania.

Jeśli chodzi o przykłady zjawisk, to są one następujące:

1. Widoczne światło pochodzące z dowolnego źródło.
2. Wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego (np. promieniowanie rentgenowskie i fale radiowe).
3. Fale grawitacyjne (co do których niektórzy eksperci nie są zgodni).

Wiele rodzajów cząstek może poruszać się z prędkością bliską prędkości światła, ale jej nie osiąga.

Dokładna wartość prędkości światła

Naukowcy od wielu lat próbują ustalić, jaka jest prędkość światła, ale dokładne pomiary wykonano w latach 70. ubiegłego wieku. W końcu liczba ta wynosiła 299 792 458 metrów na sekundę z maksymalnym odchyleniem +/-1,2 metra. Dziś jest to niezmienna jednostka fizycznaPonieważ odległość jednego metra wynosi 1/299 792 458 sekundy, tyle właśnie czasu potrzebuje światło w próżni na przebycie 100 cm.

Naukowe wzór na wyznaczanie prędkości światła.

Aby uprościć obliczenia, liczba ta jest uproszczona do 300 000 000 000 m/s (3×108 m/s). Wszyscy znają to z fizyki szkolnej, gdzie właśnie w takiej formie mierzy się prędkość.

Fundamentalna rola prędkości światła w fizyce

Jest to jeden z głównych wskaźników, niezależnie od tego, jaki układ odniesienia jest stosowany w badaniu. Jest ona niezależna od ruchu źródła fali, co również jest ważne.

Inwariancja została uznana za postulat przez Alberta Einsteina w 1905 roku. Stało się to po tym, jak inny naukowiec, Maxwell, wysunął teorię elektromagnetyzmu, nie znajdując dowodów na istnienie eteru przenoszącego światło.

Twierdzenie, że efekty przyczynowe nie mogą być przenoszone z prędkościami większymi niż prędkość światła, jest obecnie uważane za uzasadnione.

A tak przy okazji! Fizycy nie zaprzeczają, że niektóre z cząstek mogą poruszać się z prędkością większą niż ta, o której mowa. Nie można ich jednak używać do przesyłania informacji.

Odniesienia historyczne

Aby zrozumieć specyfikę tematu i dowiedzieć się, w jaki sposób odkryto pewne zjawiska, należy przestudiować eksperymenty niektórych naukowców. W XIX wieku dokonano wielu odkryć, które pomogły późniejszym naukowcom, głównie w zakresie prądu elektrycznego oraz zjawisk indukcji magnetycznej i elektromagnetycznej.

Eksperymenty Jamesa Maxwella

Badania fizyka potwierdziły, że cząstki oddziałują na odległość. Umożliwiło to Wilhelmowi Weberowi opracowanie nowej teorii elektromagnetyzmu. Maxwell jasno określił zjawisko pola magnetycznego i elektrycznego oraz ustalił, że mogą się one wzajemnie wytwarzać, tworząc fale elektromagnetyczne. To właśnie ten naukowiec zapoczątkował stosowanie oznaczenia "c", które do dziś jest używane przez fizyków na całym świecie.

Z tego powodu większość badaczy mówiła już o elektromagnetycznej naturze światła. Maxwell, badając prędkość rozchodzenia się wzbudzeń elektromagnetycznych, doszedł do wniosku, że jest ona równa prędkości światła, co w tamtych czasach było dla niego zaskoczeniem.

Badania Maxwella wykazały, że światło, magnetyzm i elektryczność nie są odrębnymi pojęciami. Czynniki te łącznie określają naturę światła, ponieważ jest ono kombinacją pola magnetycznego i elektrycznego, które rozchodzi się w przestrzeni.

Schemat rozchodzenia się fali elektromagnetycznej.

Michelson i jego eksperyment mający na celu udowodnienie absolutnej pewności co do prędkości światła

Na początku ubiegłego wieku większość naukowców stosowała zasadę względności Galileusza, która głosiła, że prawa mechaniki są takie same bez względu na to, jaki układ odniesienia zostanie użyty. Jednak zgodnie z teorią prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych musi się zmieniać wraz z ruchem źródła. Było to sprzeczne zarówno z postulatami Galileusza, jak i z teorią Maxwella, co było powodem podjęcia badań.

W tamtych czasach większość naukowców skłaniała się ku teorii eteru, w której wskaźniki nie zależały od prędkości ich źródła, a za główny czynnik decydujący uważano właściwości ośrodka.

Michelson odkrył, że prędkość światła jest niezależna od kierunku pomiaru.

Ponieważ Ziemia porusza się w przestrzeni w określonym kierunku, prędkość światła, zgodnie z prawem dodawania prędkości, będzie różna przy pomiarze w różnych kierunkach. Michelson nie stwierdził jednak żadnej różnicy w rozchodzeniu się fal elektromagnetycznych, niezależnie od tego, w którym kierunku dokonywano pomiarów.

Teoria eteru nie potrafiła wyjaśnić istnienia wielkości absolutnej, co jeszcze lepiej ukazywało jej błędność.

Szczególna teoria względności Alberta Einsteina

Młody wówczas naukowiec przedstawił teorię, która była sprzeczna z przekonaniami większości badaczy. Zgodnie z nią czas i przestrzeń mają cechy, które zapewniają, że prędkość światła w próżni pozostaje stała niezależnie od wybranego układu odniesienia. Wyjaśniało to nieudane eksperymenty Michelsona, ponieważ prędkość rozchodzenia się światła nie zależy od ruchu jego źródła.

[tds_council]Pośrednim potwierdzeniem poprawności teorii Einsteina była "względność jednoczesności", której istotę przedstawiono na rysunku.[/tds_council].

Przykład wpływu położenia człowieka na jego postrzeganie rozchodzenia się światła.

Jak wcześniej mierzono prędkość światła?

Podejmowano wiele prób określenia tego wskaźnika, ale ze względu na niski poziom rozwoju nauki wcześniej było to problematyczne. Na przykład w starożytności naukowcy uważali, że prędkość światła jest nieskończona, ale później wielu badaczy zakwestionowało tę tezę, co doprowadziło do szeregu prób jej określenia:

1. Galileusz używał pochodni. Aby obliczyć prędkość, z jaką rozchodzą się fale świetlne, on i jego asystent znajdowali się na wzgórzach, a odległość między nimi była dokładnie określona. Następnie jeden z uczestników otwierał latarnię, a drugi robił to samo, gdy tylko zobaczył światło. Jednak ta metoda okazała się nieskuteczna ze względu na dużą prędkość rozchodzenia się fali i niemożność określenia dokładnego przedziału czasowego.
2. Olaf Remer, astronom z Danii, zauważył pewną osobliwość podczas obserwacji Jowisza. Gdy Ziemia i Jowisz znajdowały się w przeciwnych punktach swoich orbit, zaćmienie Io (satelity Jowisza) nastąpiło 22 minuty po zaćmieniu samej planety. Wyciągnął z tego wniosek, że prędkość fal świetlnych nie jest nieskończona i ma granicę. Według jego obliczeń wskaźnik ten wynosił około 220 000 km na sekundę.
   Wyznaczanie prędkości światła według Rehmera.
3. Mniej więcej w tym samym okresie angielski astronom James Bradley odkrył zjawisko aberracji światła, polegające na tym, że położenie gwiazd na niebie i odległość do nich ulegają ciągłym zmianom ze względu na ruch Ziemi wokół Słońca, a także jej obrót wokół własnej osi. Ze względu na te cechy gwiazdy w ciągu roku układają się w elipsę. Korzystając z obliczeń i obserwacji, astronom obliczył prędkość, która wynosiła 308 000 km na sekundę.
   Aberracja światła
4. Louis Fizeau jako pierwszy ustalił dokładny indeks za pomocą eksperymentu laboratoryjnego. W odległości 8633 m od źródła ustawił szklankę z lustrzaną powierzchnią, ale ponieważ odległość jest niewielka, nie można było dokonać dokładnych obliczeń czasu. Następnie naukowiec ustawił koło zębate, które swoimi zębatkami co jakiś czas zasłaniało światło. Zmieniając prędkość obrotową koła, Fizeau ustalił, przy jakiej prędkości światło nie zdążyło przejść między trybikami i wrócić z powrotem. Obliczył on prędkość 315 000 kilometrów na sekundę.
   Eksperyment Louisa Fizeau.

Pomiar prędkości światła

Można to zrobić na kilka sposobów. Nie jest konieczne ich szczegółowe przedstawianie, gdyż dla każdego z nich należałoby opracować osobny przegląd. Dlatego najłatwiej jest uporządkować odmiany:

1. Pomiary astronomiczne. W tym przypadku najczęściej stosuje się metody Remera i Bradleya, ponieważ są one sprawdzone jako skuteczne i nie mają na nie wpływu powietrze, woda ani inne warunki środowiskowe. W próżni kosmicznej dokładność pomiarów wzrasta.
2. Rezonans wnęki lub efekt wnęki - to nazwa zjawiska polegającego na powstawaniu stojących fal magnetycznych o niskiej częstotliwości między powierzchnią planety a jonosferą. Korzystając ze specjalnych wzorów i urządzeń pomiarowych, można łatwo obliczyć prędkość cząstek w powietrzu.
3. Interferometria - Zestaw technik badawczych, w których sumuje się kilka rodzajów fal. Daje to efekt interferencji, dzięki któremu można dokonywać licznych pomiarów drgań zarówno elektromagnetycznych, jak i akustycznych.

Dzięki specjalnemu wyposażeniu można wykonywać pomiary bez konieczności stosowania specjalnych technik.

Czy FTL jest możliwe

Zgodnie z teorią względności przekroczenie prędkości cząstki fizycznej narusza zasadę przyczynowości. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie sygnałów z przyszłości do przeszłości i odwrotnie. Jednocześnie jednak teoria ta nie zaprzecza, że mogą istnieć cząstki, które oddziałując ze zwykłymi substancjami, poruszają się szybciej.

Ten rodzaj cząstek nazywany jest tachionem. Im szybciej się poruszają, tym mniej energii przenoszą.

Lekcja wideo: Eksperyment Fizeau. Pomiar prędkości światła. Fizyka 11 klasa.

Prędkość światła w próżni jest stałą i na niej opiera się wiele zjawisk w fizyce. Jego definicja stanowiła kamień milowy w rozwoju nauki, ponieważ wyjaśniała wiele procesów i upraszczała wiele obliczeń.