Швидкість світла у вакуумі

Наша сеть партнеров Banwar

Швидкість світла у вакуумі в поданні художника

Історія

У XIX столітті сталося кілька наукових експериментів, які привели до відкриття ряду нових явищ. Серед цих явищ - відкриття Гансом Ерстед породження магнітної індукції електричним струмом. Пізніше Майкл Фарадей виявив зворотний ефект, який був названий електромагнітної індукції.

Рівняння Джеймса Максвелла - електромагнітна природа світла

В результаті цих відкриттів було відзначено так зване «взаємодія на відстані», в результаті чого нова теорія електромагнетизму, сформульована Вільгельмом Вебером, була заснована на дальнодействії. Пізніше, Максвелл визначив поняття електричного і магнітного полів, які здатні породжувати один одного, що і є електромагнітної хвилею. Згодом Максвелл використовував в своїх рівняннях так звану «електромагнітну постійну» - с.

На той час вчені вже впритул наблизилися до того факту, що світло має електромагнітну природу. Фізичний же сенс електромагнітної постійної - швидкість поширення електромагнітних збуджень. На подив самого Джеймса Максвелла, виміряне значення даної постійної в експериментах з одиничними зарядами і струмами дорівнювала швидкості світла у вакуумі.

До даного відкриття людство розділяло світ, електрику і магнетизм. Узагальнення Максвелла дозволило по-новому поглянути на природу світла, як на якийсь фрагмент електричного і магнітного полів, що поширюється самостійно в просторі.

На малюнку нижче зображено схема поширення електромагнітної хвилі, якій також є світло. Тут H - вектор напруженості магнітного поля, E - вектор напруженості електричного поля. Обидва вектора перпендикулярні один одному, а також напрямку поширення хвилі.

Схема поширення електромагнітної хвилі

Досвід Майкел'сона - абсолютність швидкості світла

Фізика того часу багато в чому будувалася з урахуванням принципу відносності Галілея, згідно з яким закони механіки виглядають однаково в будь-якій обраній інерціальній системі відліку. У той же час відповідно до додаванню швидкостей - швидкість поширення мала залежати від швидкості руху джерела. Однак, в такому випадку електромагнітна хвиля вела б себе по-різному в залежності від вибору системи відліку, що порушує принцип відносності Галілея. Таким чином, начебто відмінно складена теорія Максвелла перебувала в хиткому стані.

Експерименти показали, що швидкість світла дійсно не залежить від швидкості руху джерела, а значить потрібно теорія, яка здатна пояснити такий дивний факт. Кращою теорією на той час виявилася теорія «ефіру» - такої собі середовища, в якій і поширюється світло, подібно до того як поширюється звук в повітрі. Тоді б швидкість світла визначалася б не швидкістю руху джерела, а особливостями самого середовища - ефіру.

Робилося безліч експериментів з метою виявлення ефіру, найбільш відомий з яких - досвід американського фізика Альберта Майкел'сона. Кажучи коротко, відомо, що Земля рухається в космічному просторі. Тоді логічно припустити, що також вона рухається і через ефір, так як повна прихильність ефіру до Землі - не тільки вищий ступінь егоїзму, а й просто не може бути чим-небудь викликана. Якщо Земля рухається через якусь середу, в якій поширюється світло, то логічно припустити, що тут має місце складання швидкостей. Тобто поширення світла повинно залежати від напрямку руху Землі, яка летить через ефір. В результаті своїх експериментів Майкел'сон не виявлено будь-якої різницею між швидкістю поширення світла в обидві сторони від Землі.

Ефірний вітер по відношенню до Землі

Дану проблему спробував вирішити нідерландський фізик Хендрік Лоренц. Згідно з його припущенням, «ефірний вітер» впливав на тіла таким чином, що вони скорочували свої розміри в напрямку свого руху. Виходячи з цього припущення, як Земля, так і прилад Майкел'сона, відчували це Лоренцеве скорочення, внаслідок чого Альберт Майкел'сон отримав однакову швидкість для поширення світла в обох напрямках. І хоча Лоренцу кілька удалость відтягнути момент загибелі теорії ефіру, все ж учені відчували, що дана теорія «притягнута за вуха». Так ефір повинен був володіти рядом «казкових» властивостей, в числі яких невагомість і відсутність опору рухомих тіл.

Кінець історії ефіру прийшов в 1905-му році разом з публікацією статті «До електродинаміки рухомих тіл» тоді ще мало відомого - Альберта Ейнштейна.

Альберт Ейнштейн

Спеціальна теорія відносності Альберта Ейнштейна

Двадцятишестирічний Альберт Ейнштейн висловлював зовсім новий, інший погляд на природу простору і часу, який йшов в розріз з тодішніми уявленнями, і особливо грубо порушував принцип відносності Галілея. Згідно Ейнштейну, досвід Майкельсона не дав позитивних результатів з тієї причини, що простір і час мають такі властивості, що швидкість світла є абсолютна величина. Тобто в будь-якій системі відліку не перебувала спостерігач - швидкість світла щодо нього завжди одна 300 000 км / сек. На цьому йшла неможливість застосування складання швидкостей по відношенню до світла - з якою б швидкістю не рухався джерело світла, швидкість світла не буде змінюватися (складатися або відніматися).

Уявний експеримент з поїздом. Абсолютність швидкості світла

Ейнштейн використовував Лоренцеве скорочення для опису зміни параметрів тіл, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Так, наприклад, довжина таких тел буде скорочуватися, а їх власний час - сповільнюватися. Коефіцієнт таких змін називається Лоренц-фактор. Відома формула Ейнштейна E = mc2 насправді включає також Лоренц-фактор (E = ymc2), який в загальному випадку прирівнюється до одиниці, в разі, коли швидкість тіла v дорівнює нулю. З наближенням швидкості тіла v до швидкості світла c Лоренц-фактор y спрямовується до нескінченності. З цього випливає, що для того, щоб розігнати тіло до швидкості світла буде потрібно нескінченну кількість енергії, а тому перейти цю межу швидкості - неможливо.

На користь цього твердження існує також такий аргумент як «відносність одночасності».

Матеріали по темі

Парадокс відносностіодночасності СТО

Кажучи коротко, явище відносностіодночасності полягає в тому, що годинник, які розташовуються в різних точках простору, можуть йти «одночасно» тільки якщо вони знаходяться в одній і тій же інерційній системі відліку. Тобто час на годиннику залежить від вибору системи відліку.

З цього ж випливає такий парадокс, що подія B, яке є наслідком події A, може статися одночасно з ним. Крім того, можна вибрати системи відліку таким чином, що подія B відбудеться раніше, ніж викликало його подія A. Подібне явище порушує принцип причинності, який досить міцно зміцнився в науці і ні разу не ставилося під сумнів. Однак, дана гіпотетична ситуація спостерігається лише в тому випадку, коли відстань між подіями A і B більше, ніж часовий проміжок між ними, помножений на «електромагнітну постійну» - с. Таким чином, постійна c, якої дорівнює швидкість світла, є максимальною швидкістю передачі інформації. В іншому б випадку порушувався б принцип причинності.

Як вимірюють швидкість світла?

Спостереження Олаф Ремер

Вчені античності в своїй більшості вважали, що світло рухається з нескінченною швидкістю, і перша оцінка швидкості світла була отримана аж в 1676-му році. Данська астроном Олаф Ремер спостерігав за Юпітером і його супутниками. У момент, коли Земля і Юпітер виявилися з протилежних сторін Сонця, затемнення супутника Юпітера - Іо запізнювалася на 22 хвилини, в порівнянні з розрахованим часом. Єдине рішення, яке знайшов Олаф Ремер - швидкість світла гранична. З цієї причини інформація про який спостерігається подію запізнюється на 22 хвилини, так як на проходження відстані від супутника Іо до телескопа астронома потрібен якийсь час. Згідно з підрахунками Ремер швидкість світла склала 220 000 км / с.

Вимірювання швидкості світла Олафом Ремер

Спостереження Джеймса Бредлі

У 1727-му році англійський астроном Джеймс Бредлі відкрив явище аберації світла. Суть даного явища полягає в тому, що при русі Землі навколо Сонця, а також під час власного обертання Землі спостерігається зміщення зірок в нічному небі. Так як спостерігач землянин і сама Земля постійно змінюють свій напрямок руху щодо спостерігається зірки, світло, що випромінюється зіркою, проходить різну відстань і падає під різним кутом до спостерігача з плином часу. Обмеженість швидкості світла призводить до того, що зірки на небосхилі описують еліпс протягом року. Даний експеримент дозволив Джеймсу Бредлі оцінити швидкість світла - 308 000 км / с.

Зоряна аберація, виявлена ​​Бредлі

Досвід Луї Фізо

У 1849-му році французьким фізиком Луї Фізо був поставлений лабораторний експеримент з вимірювання швидкості світла. Фізик встановив дзеркало в Парижі на відстані 8 633 метрів від джерела, проте згідно з розрахунками Ремер світло пройде дане відстань за стотисячні частки секунди. Подібна точність годин тоді була недосяжна. Тоді Физо використовував зубчасте колесо, яке оберталося на шляху від джерела до дзеркала і від дзеркала до спостерігача, зубці якого періодично закривали світло. У разі, коли світловий промінь від джерела до дзеркала проходив між зубцями, а на зворотному шляху потрапляв в зубець - фізик збільшував швидкість обертання колеса вдвічі. Зі збільшенням швидкості обертання колеса світло практично перестав пропадати, поки швидкість обертання не дійшла до 12,67 оборотів в секунду. У цей момент світло знову зник.

Подібне спостереження означало, що світло постійно «натикався» на зубці і не встигав «проскочити» між ними. Знаючи швидкість обертання колеса, кількість зубців і подвоєне відстань від джерела до дзеркала, Физо вирахував швидкість світла, яка виявилася рівною 315 000 км / сек.

Схема досвіду Луї Фізо

Через рік інший французький фізик Леон Фуко провів схожий експеримент, в якому замість зубчастого колеса використовував обертається дзеркало. Отримане ним значення швидкості світла в повітрі дорівнювало 298 000 км / с.

Через століття метод Фізо був удосконалений настільки, що аналогічний експеримент, поставлений в 1950-му році Е. Бергштрандом дав значення швидкості дорівнює 299 793,1 км / с. Дане число всього на 1 км / с розходиться з нинішнім значенням швидкості світла.

подальші вимірювання

З виникненням лазерів і підвищенням точності вимірювальних приладів вдалося знизити похибка вимірювання аж до 1 м / с. Так в 1972-му році американські вчені використовували лазер для своїх дослідів. Вимірявши частоту і довжину хвилі лазерного променя, їм вдалося отримати значення - 299 792 458 м / с. Примітно, що подальше збільшення точності вимірювання швидкості світла у вакуумі було неможливо реалізувати в не в силу технічну недосконалість інструментів, а через похибки самого еталона метра. З цієї причини в 1983-му році XVII Генеральна конференція з мір та ваг визначила метр як відстань, яку долає світло в вакуумі за час, що дорівнює 1/299 792 458 секунди.

Відстань від Землі до Місяця дорівнює 1,25 світлових секунди

Підведемо підсумки

Отже, з усього вищесказаного випливає, що швидкість світла у вакуумі - фундаментальна фізична стала, яка фігурує в багатьох фундаментальних теоріях. Дана швидкість абсолютна, тобто не залежить від вибору системи відліку, а також дорівнює граничній швидкості передачі інформації. З даною швидкістю рухаються не тільки електромагнітні хвилі (світло), але також і всі безмасові частки. В тому числі, імовірно, гравітон - частка гравітаційних хвиль. Крім усього іншого, в силу релятивістських ефектів власний час для світла буквально стоїть.

Подібні властивості світла, особливо непридатність до нього принципу складання швидкостей, не вкладаються в голові. Однак, безліч експериментів підтверджують перелічені вище властивості, і ряд фундаментальних теорій будуються саме на такий природу світла.

comments powered by HyperComments

Сподобалася запис? Розкажи про неї друзям!

Переглядів запису: 5374