Πόσο γρήγορα ταξιδεύει το φως στο κενό

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι ένας δείκτης που χρησιμοποιείται ευρέως στη φυσική και κάποτε κατέστησε δυνατή την πραγματοποίηση ορισμένων ανακαλύψεων, καθώς και την εξήγηση της φύσης πολλών φαινομένων. Υπάρχουν πολλά σημαντικά σημεία που πρέπει να μελετηθούν για να κατανοήσουμε το θέμα και να κατανοήσουμε πώς και υπό ποιες συνθήκες ανακαλύφθηκε αυτός ο δείκτης.

Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός

Η ταχύτητα διάδοσης του φωτός στο κενό θεωρείται απόλυτη τιμή, που αντανακλά την ταχύτητα διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Χρησιμοποιείται ευρέως στη φυσική και έχει χαρακτηρισμό με τη μορφή ενός μικρού λατινικού γράμματος "s" (λέει "tse").

Στο κενό, η ταχύτητα του φωτός χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί πόσο γρήγορα κινούνται διαφορετικά σωματίδια.

Σύμφωνα με τους περισσότερους ερευνητές και επιστήμονες, η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι η μέγιστη δυνατή ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων και η διάδοση διαφόρων τύπων ακτινοβολίας.

Όσον αφορά τα παραδείγματα των φαινομένων, αυτά είναι:

1. Ορατό φως από οποιοδήποτε πηγή.
2. Όλα τα είδη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (όπως ακτίνες Χ και ραδιοκύματα).
3. Βαρυτικά κύματα (εδώ οι απόψεις ορισμένων ειδικών διίστανται).

Πολλά είδη σωματιδίων μπορούν να ταξιδέψουν κοντά στην ταχύτητα του φωτός, αλλά ποτέ να μην την φτάσουν.

Η ακριβής τιμή της ταχύτητας του φωτός

Οι επιστήμονες προσπαθούσαν εδώ και πολλά χρόνια να προσδιορίσουν ποια είναι η ταχύτητα του φωτός, αλλά ακριβείς μετρήσεις έγιναν στη δεκαετία του '70 του περασμένου αιώνα. Τελικά ο δείκτης ήταν 299.792.458 m/s με μέγιστη απόκλιση +/-1,2 m. Σήμερα είναι μια αμετάβλητη φυσική μονάδα, αφού η απόσταση σε ένα μέτρο είναι 1/299.792.458 του δευτερολέπτου, αυτός είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να διανύσει το φως στο κενό 100 cm.

Επιστημονικός τύπος για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός.

Για να απλοποιήσουμε τους υπολογισμούς, ο δείκτης απλοποιείται στα 300.000.000 m/s (3×108 m/s). Είναι γνωστό σε όλους στο μάθημα της φυσικής στο σχολείο, είναι εκεί που μετράται η ταχύτητα με αυτήν τη μορφή.

Ο θεμελιώδης ρόλος της ταχύτητας του φωτός στη φυσική

Αυτός ο δείκτης είναι ένας από τους κύριους, ανεξάρτητα από το σύστημα αναφοράς που χρησιμοποιείται στη μελέτη. Δεν εξαρτάται από την κίνηση της πηγής κύματος, η οποία είναι επίσης σημαντική.

Το αμετάβλητο υποστηρίχθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905. Αυτό συνέβη αφού ένας άλλος επιστήμονας, ο Maxwell, ο οποίος δεν βρήκε στοιχεία για την ύπαρξη ενός φωτεινού αιθέρα, υπέβαλε μια θεωρία για τον ηλεκτρομαγνητισμό.

Ο ισχυρισμός ότι ένα αιτιώδες αποτέλεσμα δεν μπορεί να μεταφερθεί με ταχύτητα που υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός θεωρείται αρκετά λογικό σήμερα.

Παρεμπιπτόντως! Οι φυσικοί δεν αρνούνται ότι ορισμένα από τα σωματίδια μπορούν να κινηθούν με ταχύτητα που υπερβαίνει τον εξεταζόμενο δείκτη. Ωστόσο, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση πληροφοριών.

Ιστορικές αναφορές

Για να κατανοήσετε τα χαρακτηριστικά του θέματος και να μάθετε πώς ανακαλύφθηκαν ορισμένα φαινόμενα, θα πρέπει να μελετήσετε τα πειράματα ορισμένων επιστημόνων. Τον 19ο αιώνα έγιναν πολλές ανακαλύψεις που βοήθησαν τους επιστήμονες αργότερα, αφορούσαν κυρίως το ηλεκτρικό ρεύμα και τα φαινόμενα της μαγνητικής και ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

Πειράματα του Τζέιμς Μάξγουελ

Η έρευνα του φυσικού επιβεβαίωσε την αλληλεπίδραση των σωματιδίων σε απόσταση. Στη συνέχεια, αυτό επέτρεψε στον Wilhelm Weber να αναπτύξει μια νέα θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Ο Maxwell καθιέρωσε επίσης ξεκάθαρα το φαινόμενο των μαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων και προσδιόρισε ότι μπορούν να δημιουργήσουν το ένα το άλλο, σχηματίζοντας ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ήταν αυτός ο επιστήμονας που άρχισε να χρησιμοποιεί για πρώτη φορά τον χαρακτηρισμό "s", ο οποίος εξακολουθεί να χρησιμοποιείται από τους φυσικούς σε όλο τον κόσμο.

Χάρη σε αυτό, οι περισσότεροι ερευνητές άρχισαν ήδη τότε να μιλούν για την ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός. Ο Maxwell, μελετώντας την ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών διεγέρσεων, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αυτός ο δείκτης είναι ίσος με την ταχύτητα του φωτός, κάποια στιγμή έμεινε έκπληκτος από αυτό το γεγονός.

Χάρη στην έρευνα του Maxwell, έγινε σαφές ότι το φως, ο μαγνητισμός και ο ηλεκτρισμός δεν είναι ξεχωριστές έννοιες. Μαζί, αυτοί οι παράγοντες καθορίζουν τη φύση του φωτός, επειδή είναι ένας συνδυασμός μαγνητικού και ηλεκτρικού πεδίου που διαδίδεται στο διάστημα.

Σχέδιο διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Ο Michelson και η εμπειρία του στην απόδειξη της απολυτότητας της ταχύτητας του φωτός

Στις αρχές του περασμένου αιώνα, οι περισσότεροι επιστήμονες χρησιμοποίησαν την αρχή της σχετικότητας του Galileo, σύμφωνα με την οποία πίστευαν ότι οι νόμοι της μηχανικής παραμένουν αμετάβλητοι, ανεξάρτητα από το πλαίσιο αναφοράς που χρησιμοποιείται. Αλλά ταυτόχρονα, σύμφωνα με τη θεωρία, η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων θα πρέπει να αλλάξει όταν η πηγή κινείται. Αυτό έρχεται σε αντίθεση τόσο με τα αξιώματα του Γαλιλαίου όσο και με τη θεωρία του Μάξγουελ, η οποία ήταν η αφορμή για την έναρξη της έρευνας.

Εκείνη την εποχή, οι περισσότεροι επιστήμονες έτειναν στη «θεωρία του αιθέρα», σύμφωνα με την οποία οι δείκτες δεν εξαρτώνταν από την ταχύτητα της πηγής του, ο κύριος καθοριστικός παράγοντας ήταν τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος.

Ο Michelson ανακάλυψε ότι η ταχύτητα του φωτός δεν εξαρτάται από την κατεύθυνση της μέτρησης.

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

Η θεωρία του αιθέρα δεν μπορούσε να εξηγήσει την παρουσία μιας απόλυτης τιμής, η οποία έδειξε ακόμη καλύτερα την πλάνη της.

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν

Ένας νεαρός επιστήμονας εκείνη την εποχή παρουσίασε μια θεωρία που έρχεται σε αντίθεση με τις ιδέες των περισσότερων ερευνητών. Σύμφωνα με αυτήν, ο χρόνος και ο χώρος έχουν τέτοια χαρακτηριστικά που εξασφαλίζουν την αναλλοίωτη ταχύτητα του φωτός στο κενό, ανεξάρτητα από το επιλεγμένο πλαίσιο αναφοράς. Αυτό εξηγούσε τα ανεπιτυχή πειράματα του Michelson, αφού η ταχύτητα διάδοσης του φωτός δεν εξαρτάται από την κίνηση της πηγής του.

[tds_council]Έμμεση επιβεβαίωση της ορθότητας της θεωρίας του Αϊνστάιν ήταν η «σχετικότητα του ταυτόχρονου», η ουσία της φαίνεται στο σχήμα.[/tds_council]

Ένα παράδειγμα του πώς η τοποθεσία ενός ατόμου επηρεάζει την αντίληψή του για τη διάδοση του φωτός.

Πώς μετρήθηκε η ταχύτητα του φωτός πριν;

Προσπάθειες προσδιορισμού αυτού του δείκτη έχουν γίνει από πολλούς, αλλά λόγω του χαμηλού επιπέδου ανάπτυξης της επιστήμης, προηγουμένως ήταν προβληματικό να γίνει αυτό. Έτσι, οι επιστήμονες της αρχαιότητας πίστευαν ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν άπειρη, αλλά αργότερα πολλοί ερευνητές αμφισβήτησαν αυτό το αξίωμα, το οποίο οδήγησε σε μια σειρά από προσπάθειες για τον προσδιορισμό του:

1. Ο Galileo χρησιμοποίησε φακούς. Για τον υπολογισμό της ταχύτητας διάδοσης των κυμάτων φωτός, αυτός και ο βοηθός του βρίσκονταν σε λόφους, η απόσταση μεταξύ των οποίων προσδιορίστηκε ακριβώς. Στη συνέχεια, ένας από τους συμμετέχοντες άνοιξε το φανάρι, ο δεύτερος έπρεπε να κάνει το ίδιο μόλις είδε το φως. Όμως αυτή η μέθοδος δεν έδωσε αποτελέσματα λόγω της υψηλής ταχύτητας διάδοσης των κυμάτων και της αδυναμίας ακριβούς προσδιορισμού του χρονικού διαστήματος.
2. Ο Olaf Roemer, ένας αστρονόμος από τη Δανία, παρατήρησε ένα χαρακτηριστικό παρατηρώντας τον Δία. Όταν η Γη και ο Δίας βρίσκονταν σε αντίθετα σημεία στις τροχιές τους, η έκλειψη της Ιώ (ένα φεγγάρι του Δία) καθυστέρησε 22 λεπτά σε σύγκριση με τον ίδιο τον πλανήτη. Με βάση αυτό, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων φωτός δεν είναι άπειρη και έχει ένα όριο. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του, ο αριθμός ήταν περίπου 220.000 χλμ. ανά δευτερόλεπτο.
   Προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός σύμφωνα με τον Roemer.
3. Την ίδια περίπου περίοδο, ο Άγγλος αστρονόμος Τζέιμς Μπράντλεϋ ανακάλυψε το φαινόμενο της εκτροπής του φωτός, όταν λόγω της κίνησης της Γης γύρω από τον Ήλιο, καθώς και λόγω της περιστροφής γύρω από τον άξονά της, εξαιτίας της οποίας η θέση των αστεριών στον ουρανό και η απόσταση από αυτά αλλάζει συνεχώς.Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών, τα αστέρια περιγράφουν μια έλλειψη κατά τη διάρκεια κάθε έτους. Με βάση υπολογισμούς και παρατηρήσεις, ο αστρονόμος υπολόγισε την ταχύτητα, ήταν 308.000 χλμ. ανά δευτερόλεπτο.
   εκτροπή του φωτός
4. Ο Louis Fizeau ήταν ο πρώτος που αποφάσισε να προσδιορίσει τον ακριβή δείκτη μέσα από ένα εργαστηριακό πείραμα. Τοποθέτησε ένα ποτήρι με επιφάνεια καθρέφτη σε απόσταση 8633 m από την πηγή, αλλά επειδή η απόσταση είναι μικρή, ήταν αδύνατο να γίνουν ακριβείς υπολογισμοί χρόνου. Στη συνέχεια, ο επιστήμονας έστησε έναν οδοντωτό τροχό, ο οποίος κάλυπτε περιοδικά το φως με δόντια. Αλλάζοντας την ταχύτητα του τροχού, ο Fizeau καθόρισε με ποια ταχύτητα το φως δεν είχε χρόνο να γλιστρήσει ανάμεσα στα δόντια και να επιστρέψει πίσω. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του, η ταχύτητα ήταν 315 χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
   Η εμπειρία του Louis Fizeau.

Μέτρηση της ταχύτητας του φωτός

Αυτό μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. Δεν αξίζει να τα αναλύσουμε λεπτομερώς· το καθένα θα απαιτήσει ξεχωριστή αναθεώρηση. Επομένως, είναι ευκολότερο να κατανοήσετε τις ποικιλίες:

1. Αστρονομικές μετρήσεις. Εδώ, οι μέθοδοι των Roemer και Bradley χρησιμοποιούνται συχνότερα, καθώς έχουν αποδείξει την αποτελεσματικότητά τους και οι ιδιότητες του αέρα, του νερού και άλλων χαρακτηριστικών του περιβάλλοντος δεν επηρεάζουν την απόδοση. Υπό συνθήκες διαστημικού κενού, η ακρίβεια μέτρησης αυξάνεται.
2. συντονισμός κοιλότητας ή αποτέλεσμα κοιλότητας - αυτό είναι το όνομα του φαινομένου των μόνιμων μαγνητικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας που αναδύονται μεταξύ της επιφάνειας του πλανήτη και της ιονόσφαιρας. Χρησιμοποιώντας ειδικούς τύπους και δεδομένα από εξοπλισμό μέτρησης, δεν είναι δύσκολο να υπολογιστεί η τιμή της ταχύτητας των σωματιδίων στον αέρα.
3. Συμβολομετρία - ένα σύνολο μεθόδων έρευνας στις οποίες σχηματίζονται διάφοροι τύποι κυμάτων.Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα φαινόμενο παρεμβολής, το οποίο καθιστά δυνατή τη διεξαγωγή πολυάριθμων μετρήσεων τόσο των ηλεκτρομαγνητικών όσο και των ακουστικών δονήσεων.

Με τη βοήθεια ειδικού εξοπλισμού, μπορούν να γίνουν μετρήσεις χωρίς τη χρήση ειδικών τεχνικών.

Είναι δυνατή η υπερφωτεινή ταχύτητα;

Με βάση τη θεωρία της σχετικότητας, η υπέρβαση του δείκτη από φυσικά σωματίδια παραβιάζει την αρχή της αιτιότητας. Εξαιτίας αυτού, είναι δυνατή η μετάδοση σημάτων από το μέλλον στο παρελθόν και αντίστροφα. Αλλά ταυτόχρονα, η θεωρία δεν αρνείται ότι μπορεί να υπάρχουν σωματίδια που κινούνται πιο γρήγορα, ενώ αλληλεπιδρούν με συνηθισμένες ουσίες.

Αυτός ο τύπος σωματιδίων ονομάζονται ταχυόνια. Όσο πιο γρήγορα κινούνται, τόσο λιγότερη ενέργεια μεταφέρουν.

Μάθημα βίντεο: Το πείραμα του Fizeau. Μέτρηση της ταχύτητας του φωτός. Φυσική τάξη 11.

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι μια σταθερή τιμή· πολλά φαινόμενα στη φυσική βασίζονται σε αυτήν. Ο ορισμός του έγινε ένα νέο ορόσημο στην ανάπτυξη της επιστήμης, καθώς κατέστησε δυνατή την εξήγηση πολλών διαδικασιών και απλοποίησε έναν αριθμό υπολογισμών.