Что такое скорость света, чему она равна и как её измеряют?

Что такое скорость света?

В науке скоростью света называют быстроту перемещения лучей в воздушном пространстве или вакууме. Свет – это электромагнитное излучение, которое воспринимает глаз человека. Он способен передвигаться в любой среде, что оказывает прямое влияние на его скорость.

Попытки измерить эту величину предпринимались с давних времен. Ученые античной эпохи полагали, что скорость света является бесконечной. Такое же мнение высказывали и физики XVI–XVII веков, хотя уже тогда некоторые исследователи, такие как Роберт Гук и Галилео Галлилей, допускали конечность солнечных лучей.

Серьезный прорыв в изучении скорости света произошел благодаря датскому астроному Олафу Ремеру, который первым обратил внимание на запаздывание затмения спутника Юпитера Ио по сравнению с первичными расчетами.

Тогда ученый определил примерное значение скорости, равное 220 тысячам метров в секунду. Более точно эту величину сумел вычислить британский астроном Джеймс Бредли, хотя и он слегка ошибся в расчетах.

В дальнейшем попытки рассчитать реальную скорость света предпринимали ученые из разных стран. Однако только в начале 1970-х годов с появлением лазеров и мазеров, имевших стабильную частоту излучения, исследователям удалось сделать точный расчет. А в 1983 году за основу было принято современное значение с корреляцией на относительную погрешность.

Что такое скорость света своими словами?

Если говорить простым языком, скорость света – это время, за которое солнечный луч преодолевает определенное расстояние. В качестве единицы времени принято использовать секунду, в качестве расстояния – метр. С точки зрения физики свет – это уникальное явление, имеющее в конкретной среде постоянную скорость.

Предположим, человек бежит со скоростью 25 км/час и пытается догнать автомобиль, который едет со скоростью 26 км/час. Выходит, что машина движется на 1 км/час быстрее бегуна. Со светом всё обстоит иначе. Независимо от быстроты передвижения автомобиля и человека, луч всегда будет передвигаться относительно них с неизменной скоростью.

Немного истории. Как измеряли скорость света

Большинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.

Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.

Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.

Определение скорости света

Чтобы достоверно определить скорость света, нужно определить среду, в которой движется луч. Скорость света в км в секунду является постоянной величиной в вакууме, собственно, именно так полагают физики используя эту константу. Но в среде воздуха или воды значение скорости оказывается меньше. Все дело в том, что пространство поглощает некоторое количество солнечного света, а затем повторно излучает его. Данное явление называют рефракцией. Поэтому в дистиллированной воде скорость света составляет 226 тысяч км в секунду, в оптическом стекле примерно 196 тысяч км в секунду.

Чему равна скорость света?

При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.

Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.

Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.

Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.

В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.

Скорость света в разных средах

Следует помнить, что физическая константа напрямую зависит от окружающей её среды, в особенности от показателя преломления. В связи с этим точная величина способна меняться, ведь она обусловлена частотами.

Формула вычисления скорости света записывается как с = 3 * 10^8 м/с.

Скорость света в воде разнится с тем же показателем в вакууме. Чтобы узнать её величину, необходимо число 299 792 458 поделить на 1.33. В итоге получится цифра 225407 км/с – это и есть скорость распространения света в воде.

Скорость распространения света в воздухе в км составляет 1 079 252 848,8 (или 299700 км/сек). Для её нахождения необходимо скорость света в вакууме поделить на коэффициент преломления воздуха. Ответ может быть выведен как в км в час, так и метрах в секунду.

Самое точное значение скорости света

Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.

Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.

Чему равна скорость света в вакууме?

В вакууме она в секунду имеет постоянное значение в 299 792 458 метров. В современном представлении она является предельной. Иными словами, никакая частица, никакое небесное тело не способны достичь той скорости, какую развивает свет в космическом пространстве.

Даже если предположить, что появится Супермен, который будет лететь с огромной скоростью, луч все равно будет убегать от него с большей быстротой.

Как рассчитали скорость света?

Ученые разных стран на протяжение нескольких веков пытались достоверно измерить данную величину. Первым, кто попытался примерно рассчитать это значение, стал датский астроном О. Ремер. Исследуя затмение спутника Юпитера Ио, он сделал точные расчеты его наступления, но, к сожалению, практические данные разошлись с теорией, вот тогда ученый впервые и определил скорость света. Он выражал скорость света в метрах в секунду, по его подсчетам величина составила 220 метров за одну секунду. Затем расчет провел британский астроном Т. Бредли, его данные оказались немного ближе к истине, но все же имели некоторую погрешность.

И только на закате XX века, в 1970-х годах, удалось достоверно рассчитать данный параметр. Прорыв напрямую связан с появлением высокочастотных лазеров со стабильным излучением. Только в 1983 году было принято то значение постоянной, которым мы пользуемся сегодня: 300 тысяч км в секунду или, если выразить скорость света в км в час, 1,08 млрд.

Опыт Галилея

Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.

Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.

Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Опыт Рёмера и Брэдли

Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.

Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.

Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.

В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.

Опыт Физо

Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.

Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.

Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.

Интересно:  Шаровая молния — что это, описание, когда появляется, опасности, виды, фото и видео

Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.

Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.

Есть ли что-то, что движется быстрее скорости света?

Ранее считалось, что скорость света в км в час является предельной, по-другому, ни одна частица или тело не способно развить скорость быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако прогресс в физике показал, что все же есть объекты, способные развивать большую скорость. К таковым сегодня относят солнечные зайчики или электроны, которые не замедляют свое движение, проходя через стекло. Данная аномалия получила название «эффект Вавилова-Черенкова», и встречается в ядерных реакторах или на серьезных морских глубинах. Именно благодаря измерению скорости света получилось сделать массу открытий в области физики, провести исследования на дне океанов, узнать больше о частницах с энергиями, которые не выдает даже адронный коллайдер. Кроме того, скорость света дала возможность сделать прорыв в медицине — лучевая терапия тому доказательство.

По какой причине невозможно двигаться быстрее света?

Так из-за чего же константа СРС не может быть преодолена в обычных условиях? Исходя из теории, можно смело утверждать, что в ситуации превышения будет нарушен фундаментальный закон построения мира, если говорить конкретно – закон причинности. Согласно этому закону, следствие не в силах опередить свою причину.

Рассмотрим этот парадокс на конкретном примере: не может случиться так, что олень сначала упадет замертво, а уже после произойдёт выстрел охотника, застреливший его. Так вот и при повышении СРС разворачиваемые действия должны начинаться в обратной последовательности. В итоге время должно пойти вспять, а это противоречит всем устоявшимся законам физики.

Эйнштейн и вакуум: конечные результаты расчета

В настоящее время большинство людей на планете знают, что максимально допустимой величиной передвижения материальных объектов и различных сигналов является скорость света в вакууме. А кто же первым додумался до этого?

Мысль о невозможности превысить значение скорости света выразил великий физик Альберт Эйнштейн. Он оформил свои наблюдения и назвал их теорией относительности.

Величайшая теория Эйнштейна до сих пор незыблема. Она останется таковой до момента, пока не будут предъявлены реальные доказательства того, что передать сигнал возможно на скорости, превышающей СРС в вакууме. Этот момент может никогда не наступить.

Однако уже было проведено несколько исследований, предвещающих разлад с некоторыми пунктами самой известной теории Эйнштейна. Измерение сверхсветовых скоростей уже возможно при заданных условиях. Примечательно то, что теория относительности не нарушается полностью.

Как эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света постоянна.

Вы когда-нибудь задумывались о том, как можно измерить скорость света? Вопрос уходит корнями глубоко в историю: гипотезы в свое время выдвигали Галилей, Гук и Декарт. Но только во второй половине XIX – начале XX веков исследования в области измерения скорости света получили активное развитие: новые методы, множество экспериментов и, наконец, второй постулат специальной теории относительности.

Рассматривая вопрос измерения скорости света, невозможно обойти стороной фигуру Альберта Абрахама Майкельсона. Американский физик, наиболее известный по эксперименту Майкельсона-Морли , внес более значимый вклад в физику, чем многие полагают. Он не был таким известным теоретиком, как Альберт Эйнштейн или Макс Планк, он был великим экспериментатором.

Результаты его экспериментов по точному измерению скорости света оказали влияние на принятый и известный сегодня стандарт, где «с» – скорость света – равна 299792,458 км/с. А если принять во внимание опыт, который опроверг идею существования эфира и привел к появлению теории относительности Эйнштейна, Майкельсона можно по праву назвать очень влиятельным ученым.

Считайте, он был Тихо Браге своего поколения. Браге – датский астроном и алхимик, дотошный экспериментатор и наблюдатель эпохи Возрождения. Без него Иоганн Кеплер, возможно, не был бы так известен, как сегодня. Ведь при формулировке своих законов немецкий ученый использовал именно заметки Браге.

Но вернемся к Майкельсону, которому удалось измерить постоянную скорость распространения света не только в одной системе отсчета, а сразу во всех. А это уже совсем разные вещи.

Эксперимент Майкельсона-Морли

В 1887 году два американских физика решили доказать существование светоносного эфира. Его пытались обнаружить ученые всего мира, поскольку Джеймс Максвелл сумел подробно обосновать эту концепцию в своих работах. Причем Максвелл не разрабатывал конкретные модели эфира и не опирался на его свойства, кроме способности поддерживать перемещения электромагнитных колебаний в пространстве.

Используя приведенное выше уравнение и его экспериментально определенные значения диэлектрической проницаемости и проводимости, Максвелл рассчитал скорость света в пределах 5% от современного значения. Поскольку ему удалось это сделать, ученый предположил, что свет был волной и для его распространения требовалась среда. Эта среда была названа «эфиром», который и пытались обнаружить Майкельсон и Морли в своем эксперименте.

Предполагалось, что в случае существования эфира время, которое потребовалось бы свету, чтобы пройти через два зеркала-отражателя интерферометра, используемого Майкельсоном и Морли, было бы другим и возвращалось бы «в противофазе». Оно бы также менялось в течение года, потому что Земля, вращаясь по орбите, изменила бы свое положение относительно эфира (как на изображении справа).

То есть «эфирный ветер» должен был обдувать планету и смещать показатели интерферометра полгода в одну сторону, полгода – в другую. Но через год Майкельсон и Морли не обнаружили никаких интерференционных изменений! Это значило, что свет всегда имел одинаковое время пути при прохождении через два зеркала аппарата и всегда возвращался по фазе в один и тот же момент.

Эксперимент подтвердил, что раз нет эфирного ветра, то нет и самого эфира, а значит, свет не является волной в ее классическом понимании.

Так, эксперимент Майкельсона-Морли, который стал подтверждением гипотезы о том, что свет с постоянной скоростью проходит через все системы отсчета, привел к появлению теории относительности. И несмотря на то, что Эйнштейн утверждал, что, разрабатывая теорию, не учитывал результаты экспериментальных исследований, нельзя отрицать, что опыт американских ученых не способствовал более быстрому принятию радикальной теории научным сообществом.

Выводы

Насчет значимости вклада Альберта Майкельсона в современную физику не должно быть никаких сомнений. Во-первых, он точно измерил скорость света с помощью своих экспериментов, усовершенствовав метод Фуко; во-вторых, разработал интерферометр, который использовался для тестов эфира и предоставил доказательства для второго постулата Эйнштейна.

Несмотря на распространенные убеждения, эксперимент Майкельсона-Морли не был направлен на измерение скорости света. Благодаря использованию светоделителя опыт позволил американским физикам устроить «гонку» между двумя одинаково быстрыми «машинами». Единственный результат, который имел значение, заключался во времени начала и конца светового пути, а не в том, насколько быстрым он был. Поскольку расщепленные полупрозрачным зеркалом световые лучи возвращались в один и тот же момент, их скорости должны были быть одинаковыми.

И хотя опыт Майкельсона-Морли стал экспериментальным доказательством второго постулата специальной теории относительности, его результаты можно объяснить, рассматривая относительную скорость света. Предполагая, что движущийся источник может создать более высокую скорость распространения света, дополнительная скорость отменяет эффект движения зеркал в устройствах. Предположение об изменении скорости распространения света из-за движения источника также устраняет необходимость сокращать длину, чтобы объяснить результаты эксперимента Майкельсона-Морли.

На картинке выше можно увидеть, что свет проходит через воздух намного быстрее, чем через смолу. Это подтверждает мысль о том, что коэффициент преломления различных веществ влияет на скорость распространения света.

Достижима ли для нас скорость света?

Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?

Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.

Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.

По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации. Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.

Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.

Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.