Πολλοί άνθρωποι γνώριζαν για την ύπαρξη μιας τέτοιας έννοιας όπως η «ταχύτητα του φωτός» από την παιδική ηλικία. Αλλά δεν γνωρίζουν όλοι λεπτομερώς για το φαινόμενο.
Πολλοί επέστησαν την προσοχή στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας υπάρχει καθυστέρηση μεταξύ μιας αστραπής και του ήχου βροντής. Το ξέσπασμα, κατά κανόνα, μας φτάνει πιο γρήγορα. Αυτό σημαίνει ότι έχει μεγαλύτερη ταχύτητα από τον ήχο. Ποιος είναι ο λόγος για αυτό; Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός και πώς μετράται;
Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός;
Ας καταλάβουμε πρώτα ποια είναι η ταχύτητα του φωτός. Επιστημονικά, αυτή είναι μια ποσότητα που δείχνει πόσο γρήγορα κινούνται οι ακτίνες σε κενό ή στον αέρα. Πρέπει επίσης να ξέρετε τι είναι το φως. Αυτή είναι η ακτινοβολία που γίνεται αντιληπτή από το ανθρώπινο μάτι. Η ταχύτητα εξαρτάται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, καθώς και από άλλες ιδιότητες, για παράδειγμα, διάθλαση.
Ενδιαφέρον γεγονός: Χρειάζονται 1,25 δευτερόλεπτα για να ταξιδέψει το φως από τη Γη σε έναν δορυφόρο, το φεγγάρι.
Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός με τα δικά σας λόγια;
Με απλά λόγια, η ταχύτητα του φωτός είναι το χρονικό διάστημα κατά το οποίο μια ακτίνα φωτός ταξιδεύει σε οποιαδήποτε απόσταση. Ο χρόνος μετριέται συνήθως σε δευτερόλεπτα. Ωστόσο, ορισμένοι επιστήμονες χρησιμοποιούν διαφορετικές μονάδες. Η απόσταση μετριέται επίσης με διαφορετικούς τρόπους. Βασικά - αυτό είναι ένα μέτρο. Δηλαδή, αυτή η τιμή θεωρείται σε m / s. Η Φυσική το εξηγεί ως εξής: ένα φαινόμενο που κινείται με μια συγκεκριμένη ταχύτητα (σταθερά).
Για να γίνει πιο κατανοητό, ας δούμε το ακόλουθο παράδειγμα. Ο ποδηλάτης κινείται με ταχύτητα 20 km / h. Θέλει να ακολουθήσει τον οδηγό του αυτοκινήτου, του οποίου η ταχύτητα είναι 25 km / h. Αν μετράτε, τότε το αυτοκίνητο πηγαίνει 5 χλμ / ώρα πιο γρήγορα από έναν ποδηλάτη. Με τις ακτίνες του φωτός, τα πράγματα είναι διαφορετικά. Ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα κινούνται οι πρώτοι και οι δεύτεροι, το φως, σε σχέση με αυτούς, κινείται με σταθερή ταχύτητα.
Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός;
Όταν δεν είναι σε κενό, διάφορες συνθήκες επηρεάζουν το φως. Η ουσία από την οποία διέρχονται οι ακτίνες, συμπεριλαμβανομένης της. Εάν ο αριθμός των μέτρων ανά δευτερόλεπτο δεν αλλάζει χωρίς πρόσβαση οξυγόνου, τότε σε ένα περιβάλλον με πρόσβαση στον αέρα, η τιμή αλλάζει.
Το φως ταξιδεύει πιο αργά μέσα από διάφορα υλικά όπως γυαλί, νερό και αέρα. Σε αυτό το φαινόμενο δίνεται διαθλαστικός δείκτης για να περιγράψει πόσο επιβραδύνουν την κίνηση του φωτός. Το γυαλί έχει δείκτη διάθλασης 1,5, που σημαίνει ότι το φως περνά μέσα από αυτό με ταχύτητα περίπου 200 χιλιάδων χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο. Ο δείκτης διάθλασης του νερού είναι 1,3 και ο δείκτης διάθλασης του αέρα είναι ελαφρώς μεγαλύτερος από 1, πράγμα που σημαίνει ότι ο αέρας επιβραδύνει μόνο ελαφρώς το φως.
Επομένως, μετά τη διέλευση από αέρα ή υγρό, η ταχύτητα μειώνεται, γίνεται λιγότερο από ό, τι στο κενό. Για παράδειγμα, σε διάφορες δεξαμενές, η ταχύτητα κίνησης των ακτίνων είναι 0,75 της ταχύτητας στο διάστημα. Επίσης, με τυπική πίεση 1,01 bar, ο ρυθμός επιβραδύνεται κατά 1,5-2%. Δηλαδή, υπό επίγειες συνθήκες, η ταχύτητα του φωτός ποικίλλει ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες.
Για ένα τέτοιο φαινόμενο, βρήκαν μια ειδική ιδέα - διάθλαση. Δηλαδή, η διάθλαση του φωτός. Χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορες εφευρέσεις. Για παράδειγμα, ένα διαθλαστικό είναι ένα τηλεσκόπιο με οπτικό σύστημα. Επίσης, με τη βοήθεια αυτού, δημιουργούνται επίσης κιάλια και άλλος εξοπλισμός, η ουσία του έργου του οποίου είναι η χρήση οπτικών.
Σε γενικές γραμμές, η μικρότερη ακτίνα μπορεί να διαθλάται διέρχεται από τον απλό αέρα. Κατά τη διέλευση από ένα ειδικά κατασκευασμένο οπτικό γυαλί, η ταχύτητα είναι περίπου 195 χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτό είναι σχεδόν 105 χιλιάδες km / s λιγότερο από τη σταθερά.
Η ακριβέστερη τιμή της ταχύτητας του φωτός
Οι φυσικοί με την πάροδο των ετών έχουν αποκτήσει εμπειρία στην έρευνα της ταχύτητας των ακτίνων φωτός. Προς το παρόν, η ακριβέστερη τιμή της ταχύτητας του φωτός είναι 299.792 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Η σταθερά ιδρύθηκε το 1933. Ο αριθμός εξακολουθεί να είναι σχετικός.
Ωστόσο, προέκυψαν περαιτέρω δυσκολίες με τον προσδιορισμό του δείκτη.Αυτό οφείλεται σε σφάλμα μετρητή. Τώρα ο ίδιος ο μετρητής εξαρτάται άμεσα από την ταχύτητα του φωτός. Είναι ίση με την απόσταση που ταξιδεύουν οι ακτίνες σε συγκεκριμένο αριθμό δευτερολέπτων - 1 / ταχύτητα φωτός.
Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό;
Δεδομένου ότι το φως δεν επηρεάζεται από διάφορες συνθήκες στο κενό, η ταχύτητά του δεν αλλάζει όπως συμβαίνει στη Γη. Η ταχύτητα του φωτός σε κενό είναι 299.792 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτός ο δείκτης είναι το όριο. Πιστεύεται ότι τίποτα στον κόσμο δεν μπορεί να κινηθεί γρηγορότερα, ακόμη και κοσμικά σώματα που κινούνται αρκετά γρήγορα.
Για παράδειγμα, ένας μαχητής, ένα Boeing X-43, που υπερβαίνει την ταχύτητα του ήχου κατά σχεδόν 10 φορές (πάνω από 11 χιλιάδες km / h), πετάει πιο αργά από μια ακτίνα. Το τελευταίο κινείται πιο γρήγορα από 96 χιλιάδες χιλιόμετρα ανά ώρα.
Πώς μετρήθηκε η ταχύτητα του φωτός;
Οι πρώτοι επιστήμονες προσπάθησαν να μετρήσουν αυτήν την τιμή. Χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές μέθοδοι. Κατά την περίοδο της αρχαιότητας, οι επιστήμονες πίστευαν ότι είναι άπειρο, επομένως είναι αδύνατο να το μετρήσουμε. Αυτή η γνώμη παρέμεινε για μεγάλο χρονικό διάστημα, μέχρι τον 16-17ο αιώνα. Εκείνες τις μέρες, εμφανίστηκαν άλλοι επιστήμονες που πρότειναν ότι η ακτίνα έχει τέλος και ότι η ταχύτητα μπορεί να μετρηθεί.
Ο διάσημος αστρονόμος από τη Δανία Olaf Roemer έφερε τη γνώση της ταχύτητας του φωτός σε ένα νέο επίπεδο. Παρατήρησε ότι η έκλειψη του φεγγαριού του Δία είναι αργά. Προηγουμένως, κανείς δεν έδωσε προσοχή σε αυτό. Κατά συνέπεια, αποφάσισε να υπολογίσει την ταχύτητα.
Έθεσε μια κατά προσέγγιση ταχύτητα, η οποία ήταν ίση με περίπου 220 χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Αργότερα, ένας επιστήμονας από την Αγγλία James Bradley ανέλαβε τη μελέτη. Αν και δεν είχε απόλυτο δίκιο, πλησίασε ελαφρώς τα τρέχοντα ερευνητικά αποτελέσματα.
Μετά από λίγο καιρό, οι περισσότεροι επιστήμονες ενδιαφέρθηκαν για αυτήν την ποσότητα. Η έρευνα περιελάμβανε άτομα από διαφορετικές χώρες. Ωστόσο, μέχρι τη δεκαετία του 70 του 20ού αιώνα δεν υπήρχαν μεγαλοπρεπείς ανακαλύψεις. Από τη δεκαετία του 1970, όταν ήρθαν με λέιζερ και masers (κβαντικές γεννήτριες), οι επιστήμονες έχουν πραγματοποιήσει έρευνα και έχουν αποκτήσει την ακριβή ταχύτητα. Η τρέχουσα τιμή είναι σχετική από το 1983. Διορθώθηκαν μόνο μικρά σφάλματα.
Η εμπειρία του Galileo
Ένας επιστήμονας από την Ιταλία εξέπληξε όλους τους ερευνητές εκείνων των ετών με την απλότητα και την ιδιοφυΐα της εμπειρίας του. Κατάφερε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός χρησιμοποιώντας συνηθισμένα εργαλεία που ήταν στα χέρια του.
Αυτός και ο βοηθός του ανέβηκαν στους γειτονικούς λόφους, έχοντας προηγουμένως υπολογίσει την απόσταση μεταξύ τους. Πήραν τα αναμμένα φανάρια, τους εξοπλίζουν με αποσβεστήρες που ανοίγουν και κλείνουν τα φώτα. Με τη σειρά τους, άνοιγμα και κλείσιμο του φωτός, προσπάθησαν να υπολογίσουν την ταχύτητα του φωτός. Ο Γαλιλαίος και ο βοηθός ήξεραν εκ των προτέρων με ποια καθυστέρηση θα άνοιγαν και θα κλείσουν το φως. Όταν το ένα έχει ανοίξει, το άλλο κάνει το ίδιο.
Ωστόσο, το πείραμα ήταν μια αποτυχία. Για να λειτουργήσει, οι επιστήμονες θα έπρεπε να στέκονται σε απόσταση εκατομμυρίων χιλιομέτρων μεταξύ τους.
Η Εμπειρία των Römer και Bradley
Αυτή η μελέτη έχει ήδη γραφτεί εν συντομία παραπάνω. Αυτή είναι μια από τις πιο προοδευτικές εμπειρίες της εποχής. Ο Ρόμερ χρησιμοποίησε τη γνώση στην αστρονομία για να μετρήσει την ταχύτητα των ακτίνων. Συνέβη το 76 του 17ου αιώνα.
Ο ερευνητής παρατήρησε τον Io (τον δορυφόρο του Δία) μέσω ενός τηλεσκοπίου. Ανακάλυψε το ακόλουθο μοτίβο: όσο περισσότερο ο πλανήτης μας απομακρύνεται από τον Δία, τόσο μεγαλύτερη είναι η καθυστέρηση στην έκλειψη του Ιω. Η μεγαλύτερη καθυστέρηση ήταν 21-22 λεπτά.
Υποθέτοντας ότι ο δορυφόρος απομακρύνεται σε απόσταση ίση με το μήκος της διαμέτρου της τροχιάς, ο επιστήμονας διαίρεσε την απόσταση με το χρόνο. Ως αποτέλεσμα, έλαβε 214 χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Αν και αυτή η μελέτη θεωρείται πολύ κατά προσέγγιση, επειδή η απόσταση ήταν κατά προσέγγιση, πλησίασε τον τρέχοντα δείκτη.
Τον 18ο αιώνα, ο James Bradley συμπλήρωσε τη μελέτη. Για να το κάνει αυτό, χρησιμοποίησε εκτροπή - αλλαγή στη θέση του κοσμικού σώματος λόγω της κίνησης της Γης γύρω από τον ήλιο. Ο Τζέιμς μέτρησε τη γωνία εκτροπής και, γνωρίζοντας την ταχύτητα του πλανήτη μας, πήρε μια τιμή 301 χιλιάδων χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο.
Εμπειρία Fizeau
Οι ερευνητές και οι απλοί άνθρωποι ήταν δύσπιστοι για τις εμπειρίες των Römer και James Bradley. Παρ 'όλα αυτά, τα αποτελέσματα ήταν πιο κοντά στην αλήθεια και ήταν σχετικά για περισσότερο από έναν αιώνα. Τον 19ο αιώνα, ο Arman Fizeau, επιστήμονας από την πρωτεύουσα της Γαλλίας, το Παρίσι, συνέβαλε στη μέτρηση αυτής της ποσότητας. Χρησιμοποίησε τη μέθοδο περιστροφικού κλείστρου. Επίσης, όπως ο Galileo Galilei με τον βοηθό του, ο Fizeau δεν παρατήρησε ουράνια σώματα, αλλά διερεύνησε στο εργαστήριο.
Η αρχή της εμπειρίας είναι απλή. Μια ακτίνα φωτός στοχεύει στον καθρέφτη. Αντανακλώντας από αυτό, το φως πέρασε από τα δόντια του τροχού. Στη συνέχεια χτύπησε μια άλλη ανακλαστική επιφάνεια, η οποία βρισκόταν σε απόσταση 8,6 χιλιομέτρων. Ο τροχός περιστράφηκε, αυξάνοντας την ταχύτητα, έως ότου η δέσμη ήταν ορατή στο επόμενο κενό. Μετά από υπολογισμούς, ο επιστήμονας έλαβε αποτέλεσμα 313 χιλιάδων km / s.
Αργότερα, η μελέτη επαναλήφθηκε από τον Γάλλο φυσικό και αστρονόμο Leon Foucault, με αποτέλεσμα 298 χιλιάδες km / s. Το πιο ακριβές αποτέλεσμα εκείνη τη στιγμή. Αργότερα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με λέιζερ και μασέρ.
Είναι δυνατή η υπερφωτεινή ταχύτητα;
Υπάρχουν αντικείμενα γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός. Για παράδειγμα, ηλιαχτίδες, σκιά, δονήσεις κυμάτων. Αν και θεωρητικά μπορούν να αναπτύξουν υπερφωτειακή ταχύτητα, η ενέργεια που εκπέμπουν δεν συμπίπτει με τον φορέα κίνησης.
Εάν μια δέσμη φωτός περνά, για παράδειγμα, μέσα από γυαλί ή νερό, τότε τα ηλεκτρόνια μπορούν να την προσπεράσουν. Δεν περιορίζονται στην ταχύτητα κίνησης. Επομένως, υπό τέτοιες συνθήκες, το φως δεν κινείται γρηγορότερα από κανέναν.
Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται Εφέ Vavilov-Cherenkov. Πιο συχνά βρίσκονται σε βαθιές δεξαμενές και αντιδραστήρες.