S kakšno hitrostjo se svetloba širi v vakuumu

Hitrost svetlobe v vakuumu je indeks, ki se pogosto uporablja v fiziki in je nekoč omogočil številna odkritja ter pojasnil naravo številnih pojavov. Obstaja več pomembnih točk, ki jih je treba preučiti, da bi razumeli temo in razumeli, kako in pod kakšnimi pogoji je bil ta indeks odkrit.

Kakšna je svetlobna hitrost

Hitrost svetlobe v vakuumu velja za absolutno količino, ki odraža hitrost širjenja elektromagnetnega sevanja. Široko se uporablja v fiziki in ima oznako v obliki majhne latinske črke "c" (pravijo "ce").

V vakuumu se za določanje hitrosti gibanja različnih delcev uporablja svetlobna hitrost.

Po mnenju večine raziskovalcev in znanstvenikov je hitrost svetlobe v vakuumu največja možna hitrost gibanja delcev in širjenja različnih vrst sevanja.

Kar zadeva primere pojavov, so naslednji:

1. Vidna svetloba, ki prihaja iz katerega koli vir.
2. Vse vrste elektromagnetnega sevanja (npr. rentgenski žarki in radijski valovi).
3. Gravitacijski valovi (tu se nekateri strokovnjaki ne strinjajo).

Številne vrste delcev se lahko gibljejo s skoraj svetlobno hitrostjo, vendar je ne dosežejo.

Natančna vrednost hitrosti svetlobe

Znanstveniki so dolga leta poskušali ugotoviti, kakšna je svetlobna hitrost, vendar so bile natančne meritve opravljene v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Na koncu številka je bila 299.792.458 m/s z maksimalnim odstopanjem +/-1,2 m. Danes je nespremenljiva fizična enotasaj je razdalja enega metra 1/299.792.458 sekunde, kolikor časa potrebuje svetloba v vakuumu, da prepotuje 100 cm.

Znanstveno formula za določanje hitrosti svetlobe.

Za poenostavitev izračuna, številka je poenostavljena na 300.000.000 m/s (3×108 m/s). Vsem je znano iz tečaja fizike v šoli, tam se meri hitrost v tej obliki.

Temeljna vloga svetlobne hitrosti v fiziki

Ta parameter je eden glavnih, ne glede na to, kateri referenčni okvir se uporablja v študiji. Ni odvisna od gibanja vira valovanja, kar je prav tako pomembno.

Invariantnost je kot postulat sprejel Albert Einstein leta 1905. To se je zgodilo potem, ko je drugi znanstvenik, Maxwell, potem ko ni našel nobenega dokaza za obstoj etra, ki prenaša svetlobo, razvil teorijo elektromagnetizma.

Trditev, da vzročnega vpliva ni mogoče prenašati s hitrostjo, večjo od hitrosti svetlobe, se zdaj šteje za povsem veljavno.

Mimogrede! Fiziki ne zanikajo, da se lahko nekateri delci gibljejo s hitrostjo, večjo od zadevne številke. Toda pri tem jih ni mogoče uporabiti za prenos informacij.

Zgodovinske reference

Da bi razumeli posebnosti teme in izvedeli, kako so bili določeni pojavi odkriti, bi morali preučiti poskuse nekaterih znanstvenikov. V 19. stoletju so bila narejena številna odkritja, ki so kasneje pomagala znanstvenikom, predvsem v zvezi z električnim tokom ter pojavoma magnetne in elektromagnetne indukcije.

Poskusi Jamesa Maxwella

Raziskava fizika je potrdila interakcijo delcev na daljavo.To je kasneje omogočilo Wilhelmu Webru, da je razvil novo teorijo elektromagnetizma. Maxwell je tudi jasno ugotovil pojav magnetnega in električnega polja in ugotovil, da lahko ustvarjata drug drugega in tvorita elektromagnetne valove. Prav ta znanstvenik je prvi uporabil oznako »c«, ki jo fiziki po svetu uporabljajo še danes.

Zaradi tega je večina raziskovalcev že govorila o elektromagnetni naravi svetlobe. Maxwell je pri preučevanju hitrosti širjenja elektromagnetnih vzburjenj prišel do zaključka, da je ta indeks enak svetlobni hitrosti, nekoč ga je to dejstvo presenetilo.

Zahvaljujoč Maxwellovim raziskavam je postalo jasno, da svetloba, magnetizem in elektrika niso ločeni pojmi. Ti dejavniki skupaj določajo naravo svetlobe, saj gre za kombinacijo magnetnih in električnih polj, ki se širijo v prostoru.

Diagram širjenja elektromagnetnega valovanja.

Michelson in njegove izkušnje pri dokazovanju absolutnosti svetlobne hitrosti

V začetku prejšnjega stoletja je večina znanstvenikov uporabljala Galilejev princip relativnosti, ki je trdil, da so zakoni mehanike enaki ne glede na referenčni okvir. Toda po teoriji se mora hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja spreminjati, ko se izvor premika. To je bilo v nasprotju tako z Galilejevimi postulati kot z Maxwellovo teorijo, kar je bil razlog za začetek raziskave.

Takrat je bila večina znanstvenikov nagnjena k "teoriji etra", po kateri kazalniki niso bili odvisni od hitrosti njegovega vira, glavni odločilni dejavnik so bile posebnosti medija.

Michelson je odkril, da svetlobna hitrost ni odvisna od smeri merjenja.

Ker se Zemlja v vesolju giblje v določeni smeri, se bo hitrost svetlobe po zakonu seštevanja hitrosti razlikovala, merjena v različnih smereh.Toda Michelson ni našel nobene razlike v širjenju elektromagnetnih valov, ne glede na to, v katero smer so bile opravljene meritve.

Teorija etra ni mogla razložiti obstoja absolutne magnitude, kar je še bolje pokazalo njeno zmotnost.

Posebna teorija relativnosti Alberta Einsteina

Takrat mladi znanstvenik je predstavil teorijo, ki je bila v nasprotju s prepričanji večine raziskovalcev. Po njej imata čas in prostor takšne lastnosti, ki zagotavljajo nespremenljivost svetlobne hitrosti v vakuumu ne glede na izbrani referenčni okvir. To je pojasnilo Michelsonove neuspešne poskuse, saj hitrost širjenja svetlobe ni odvisna od gibanja njenega vira.

[tds_council]Posredna potrditev pravilnosti Einsteinove teorije je bila "relativnost simultanosti", njeno bistvo je prikazano na sliki.[/tds_council]

Primer, kako posameznikova lokacija vpliva na njegovo zaznavanje širjenja svetlobe.

Kako so prej merili hitrost svetlobe

Ta kazalnik so poskušali določiti številni, vendar je bilo zaradi nizke stopnje razvoja znanosti to prej problematično. Na primer, antični znanstveniki so verjeli, da je svetlobna hitrost neskončna, kasneje pa so mnogi raziskovalci dvomili o tem postulatu, kar je privedlo do številnih poskusov, da bi jo določili:

1. Galileo je uporabljal svetilke. Da bi izračunal hitrost širjenja svetlobnih valov, sta bila s pomočnikom na hribih, med katerimi je bila natančno določena razdalja. Nato je eden od udeležencev odprl lučko, drugi pa je moral storiti enako takoj, ko je zagledal luč. Toda ta metoda ni uspela zaradi visoke hitrosti širjenja valov in nezmožnosti natančnega določanja časovnega intervala.
2. Olaf Remer, astronom iz Danske, je med opazovanjem Jupitra opazil posebnost.Ko sta bila Zemlja in Jupiter na nasprotnih točkah svojih orbit, je bil mrk Ia (Jupiterjevega satelita) 22 minut za samim planetom. Iz tega je sklepal, da hitrost širjenja svetlobnih valov ni neskončna in ima mejo. Po njegovih izračunih je bil indeks približno 220.000 km na sekundo.
   Rehmerjeva določitev hitrosti svetlobe.
3. Približno v istem obdobju je angleški astronom James Bradley odkril pojav svetlobne aberacije, ko zaradi gibanja Zemlje okoli Sonca, pa tudi zaradi vrtenja okoli svoje osi, ki povzroča položaj zvezd na nebu in razdalja do njih se nenehno spreminja. Zaradi teh lastnosti zvezde vsako leto opišejo elipso. Na podlagi izračunov in opazovanj je astronom izračunal hitrost, znašala je 308.000 km na sekundo.
   Aberacija svetlobe
4. Louis Fizeau je bil prvi, ki se je odločil določiti natančno stopnjo z laboratorijskim poskusom. Kozarec z zrcalno površino je postavil na razdaljo 8633 metrov od izvira, a ker je bila razdalja majhna, ni bilo mogoče natančno izračunati časa. Nato je znanstvenik postavil zobato kolo, ki je s svojimi zobniki občasno prekrivalo svetlobo. S spreminjanjem hitrosti kolesa je Fizeau ugotovil, s kakšno hitrostjo svetloba ni imela časa preiti med zobce in se vrniti nazaj. Izračunal je hitrost 315.000 kilometrov na sekundo.
   Eksperiment Louisa Fizeauja.

Merjenje svetlobne hitrosti

To lahko naredimo na več načinov. Ni jih treba podrobno razčlenjevati, vsakega bi bilo treba pregledati posebej. Zato je najlažje razvrstiti sorte:

1. Astronomske meritve.. Tu najpogosteje uporabljamo metodi Remer in Bradley, saj sta se izkazali za učinkoviti in na vrednosti ne vplivajo lastnosti zraka, vode in druge lastnosti okolja. V vesoljskem vakuumu se natančnost meritev poveča.
2. Resonanca votline ali učinek votline - je ime za pojav nizkofrekvenčnih stoječih magnetnih valov, ki se pojavljajo med površjem planeta in ionosfero. Z uporabo posebnih formul in podatkov iz merilne opreme ni težko izračunati vrednosti hitrosti delcev v zračnem mediju.
3. Interferometrija - niz raziskovalnih metod, v katerih se sešteje več vrst valov. To daje učinek interference, zaradi katerega je možno opraviti številne meritve tako elektromagnetnih kot zvočnih tresljajev.

S pomočjo posebne opreme je mogoče opraviti meritve brez uporabe posebnih tehnik.

Ali je FTL možen

Po teoriji relativnosti preseganje hitrosti fizičnih delcev krši načelo vzročnosti. Zaradi tega je mogoč prenos signalov iz prihodnosti v preteklost in obratno. Toda hkrati teorija ne zanika, da morda obstajajo delci, ki se premikajo hitreje, medtem ko medsebojno delujejo z običajnimi snovmi.

To vrsto delcev imenujemo tahioni. Hitreje kot se premikajo, manj energije nosijo.

Video lekcija: Fizeaujev poskus. Merjenje svetlobne hitrosti. Fizika 11. razred.

Hitrost svetlobe v vakuumu je konstanta in na njej temeljijo številni pojavi v fiziki. Njena definicija je bila nov mejnik v razvoju znanosti, saj je omogočila razlago številnih procesov in poenostavila številne izračune.