Как была измерена скорость света кратко
Обновлено: 02.07.2024
Человечество исследует свет как физическое явление уже больше 2000 лет. Может сложиться впечатление, что этот феномен досконально изучен. Но не все так однозначно. На некоторые вопросы до сих пор нет однозначного ответа.
Как все начиналось
Вообще, при изучении света у ученых всегда возникали различные сложности. Для античных ученых проблемой являлось определение самой природы света. Некоторые из них объясняли способность человека видеть лучами, идущими из глаз. А римский писатель Лукреций, наоборот был близок к истине. В своих трудах он писал о том, что свет и тепло состоят из маленьких движущихся частиц, но, к сожалению, его идеи не обрели популярности. В итоге, сформированная в античности точка зрения о бесконечной скорости света была основной до 17 века.
17 век стал началом активного изучения природы света. Изобретение телескопа, корпускулярная теория света Ньютона и Декарта, волновая теория Гука и Гюйгенса, а также первая оценка скорости света Олафа Рёмера. Изучая затмения спутников Юпитера, он заметил, что время затмений отклоняется от усредненного расписания, в зависимости от расстояние между Землей и Юпитером. Когда оно увеличивается, то затмения отстают от расписания, и наоборот. Рёмер связал этот факт с тем, что свет проходит больший или меньший путь, в зависимости от положения планет. К сожалению, у ученых 17 века, в том числе и Рёмера, не было возможности достаточно точно измерить время и расстояния. Поэтому, пользуясь доступными ему средствами, он рассчитал скорость света и получил 220000 км/с.
Рисунок из статьи Рёмера. Рёмер наблюдал затмения в точках E. K. L. H, G, F
Как обстоят дела сегодня
Если 17 век можно охарактеризовать отсутствием необходимых технологий, то в наше время с этим проблем нет. Высокочастотные лазеры, невероятно точные часы. Но возникает другая проблема — практическая реализация измерения скорости. Представим измерение скорости света. Возьмём точные часы, источник света, например лазер, и зеркало. Включим лазер и измерим, за какое время луч пройдет от лазера до зеркала и обратно. Поделим два расстояния от лазера до зеркала на время и получим скорость света. В ходе такого эксперимента мы получим двустороннюю скорость света. Двусторонняя, потому что свет во время измерения проходит один и тот же путь два раза(от лазера до зеркала и обратно). В чем может быть проблема? Возможно, скорость света явление анизотропное, то есть имеет различное значение в разных направлениях. Например. в одну сторону луч движется со скоростью c/2, а возвращается мгновенно. Различия могут быть менее существенными, например в несколько процентов. Но для того, чтобы подтвердить или опровергнуть эту теорию необходимо измерить одностороннюю скорость света.
Схема измерения скорости света
Одновременность и синхронизация Эйнштейна
Синхронизация Эйнштейна. Время t’ вторых часов определяется таким образом, чтобы оно равнялось половине времени, за которое свет проходит расстояние 2*AB
База, который час?
Пространственно-временная диаграмма. Для наблюдателей два случая идентичны, но часы синхронизированы по-разному
Современные исследования
Текст статьи можно найти на сайте журнала
На сегодняшний день мы не знаем величину односторонней скорости света. Зачем об этом вообще говорить, если общепринятые физические модели работают. Если нельзя определить одностороннюю скорость света, то имеет ли смысл понятие одновременности для двух объектов, разделенных расстоянием? Возможно, это просто случайная причуда Вселенной, а может быть ключ к следующей смене парадигм к физике.
Дата-центр ITSOFT — услуги размещения и аренды серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.
Действительно, как? Как измерить самую высокую скорость во Вселенной в наших скромных, Земных условиях? Нам уже не нужно ломать над этим голову – ведь за несколько веков столько людей трудилось над этим вопросом, разрабатывая методы измерения скорости света. Начнем рассказ по порядку.
Скорость света – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме. Она обозначается латинской буквой c. Скорость света равняется приблизительно 300 000 000 м/с.
8 минут - время, за которое свет проходит расстояние от Солнца до Земли
Так, Декарт, Кеплер и Ферма были того же мнения, что и ученые античности. А вот Галилео Галилей считал, что скорость света конечна, хоть и очень велика. Собственно, он и произвел первое измерение скорости света. Точнее, предпринял первую попытку по ее измерению.
Опыт Галилея
Опыт Галилео Галилея был гениален в своей простоте. Ученый проводил эксперимент по измерению скорости света, вооружившись простыми подручными средствами. На большом и известном расстоянии друг от друга, на разных холмах, Галилей и его помощник стояли с зажженными фонарями. Один из них открывал заслонку на фонаре, а второй должен был проделать то же самое, когда увидит свет первого фонаря. Зная расстояние и время (задержку перед тем, как помощник откроет фонарь) Галилей рассчитывал вычислить скорость света. К сожалению, для того, чтобы этот эксперимент увенчался успехом, Галилею и его помощнику нужно было выбрать холмы, которые находятся на расстоянии в несколько миллионов километров друг от друга. Хотелось бы напомнить, что вы можете заказать эссе, оформив заявку на сайте.
Опыты Рёмера и Брэдли
Первым удачным и на удивление точным опытом по определению скорости света был опыт датского астронома Олафа Рёмера. Рёмер применил астрономический метод измерения скорости света. В 1676 он наблюдал в телескоп за спутником Юпитера Ио, и обнаружил, что время наступления затмения спутника меняется по мере отдаления Земли от Юпитера. Максимальное время запаздывания составило 22 минуты. Посчитав, что Земля удаляется от Юпитера на расстояние диаметра земной орбиты, Рёмер разделил примерное значение диаметра на время запаздывания, и получил значение 214000 километров в секунду. Конечно, такой подсчет был очень груб, расстояния между планетами были известны лишь примерно, но результат оказался относительно недалек от истины.
К измерению скорости света Рёмером
Опыт Брэдли. В 1728 году Джеймс Брэдли оценил скорость света наблюдая абберацию звезд. Абберация – это изменение видимого положения звезды, вызванное движением земли по орбите. Зная скорость движения Земли и измерив угол абберации, Брэдли получил значение в 301000 километров в секунду.
Опыт Физо
К результату опыта Рёмера и Брэдли тогдашний ученый мир отнесся с недоверием. Тем не менее, результат Брэдли был самым точным на протяжении сотни с лишним лет, аж до 1849 года. В тот год французский ученый Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора, без наблюдений за небесными телами, а здесь, на Земле. По сути, это был первый после Галилея лабораторный метод измерения скорости света. Приведем ниже схему его лабораторной установки.
Свет, отражаясь от зеркала, проходил через зубья колеса и отражался от еще одного зеркала, удаленного на 8,6 километров. Скорость колеса увеличивали до того момента, пока свет не становился виден в следующем зазоре. Расчеты Физо дали результат в 313000 километров в секунду. Спустя год подобный эксперимент с вращающимся зеркалом быо проведен Леоном Фуко, получившим результат 298000 километров в секунду.
С появлением мазеров и лазеров у людей появились новые возможности и способы для измерение скорости света, а развитие теории позволило также рассчитывать скорость света косвенно, без проведения прямых измерений.
Арман Ипполит Луи Физо
Самое точное значение скорости света
Человечество накопило огромный опыт по измерению скорости света. На сегодняшний день самым точным значением скорости света принято считать значение 299 792 458 метров в секунду, полученное в 1983 году. Интересно, что дальнейшее, более точное измерение скорости света, оказалось невозможным из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас значение метра привязано к скорости света и равняется расстоянию, которое свет проходит за 1 / 299 792 458 секунды.
Напоследок, как всегда, предлагаем посмотреть познавательное видео. Друзья, даже если перед Вами стоит такая задача, как самостоятельное измерение скорости света подручными средствами, Вы можете смело обратиться за помощью к нашим авторам. Заказать контрольную работу онлайн вы можете оформив заявку на сайте Заочника. Желаем Вам приятной и легкой учебы!
Скорость света c в вакууме не измерена. Она имеет точную фиксированную величину в стандартных единицах. По международному соглашению 1983 года метр определяется как длина пути, проходимая светом в вакууме за время 1/299792458 секунды. Скорость света в точности равна 299792458 м/с. Дюйм определён, как 2.54 сантиметра. Поэтому в неметрических единицах скорость света тоже имеет точное значение. Такое определение имеет смысл только потому, что скорость света в вакууме константа, а этот факт должен быть подтверждён экспериментально (см. Постоянна ли скорость света? ). Также экспериментально нужно определять скорость света в средах, таких как вода и воздух.
До семнадцатого века считалось, что свет распространяется мгновенно. Это подтверждали наблюдения лунного затмения. При конечной скорости света должна быть задержка между положением Земли относительно Луны и положением земной тени на поверхности Луны, но такой задержки не обнаружено. Сейчас мы знаем, что скорость света слишком велика, чтобы заметить задержку. Галилей сомневался в бесконечности скорости света. Он предложил способ её измерения путём закрывания и открывания фонаря расположенного на расстоянии в несколько миль. Неизвестно, пытался ли он провести такой эксперимент, но из-за очень большой скорости света измерение не могло быть удачным.
Первое успешное измерение величины c выполнил Олаф Ремер в 1676 году. Он заметил, что время между затмениями спутников Юпитера меньше, когда расстояние от Земли до Юпитера уменьшается, и больше, когда это расстояние увеличивается. Он понял, что это получается из-за изменения времени, которое нужно свету, чтобы пройти от Юпитера до Земли при изменении расстояния между ними. Он рассчитал, что скорость света равна 214000 км/с. Неточность объясняется тем, что расстояния между планетами в то время не были ещё хорошо определены.
В 1728 году Джеймс Брэдли оценил величину скорости света, наблюдая аберрацию звёзд (изменение видимого положения звезды, вызванное движением Земли вокруг Солнца). Он наблюдал одну из звезд в созвездии Дракона, и обнаружил, что её видимое положение изменяется в течение года. Этот эффект работает для всех звёзд, в отличие от параллакса, который заметнее для ближних звёзд. Аберрация аналогична влиянию движения на угол падения капель дождя. Если вы стоите, и нет ветра, то капли падают вертикально вам на голову. Если вы побежите, то окажется, что дождь идёт под углом и попадает вам в лицо. Брэдли измерил этот угол для света звёзд. Зная скорость движения Земли вокруг Солнца, он определил, что скорость света равна 301000 км/с.
Первое измерение c на Земле выполнил Арман Физо в 1849 году. Он использовал отражение света от зеркала, удалённого на расстояние 8 км. Луч света проходил через зазор между зубчиками быстро вращающегося колеса. Скорость вращения увеличивали, пока отражённый луч не становился виден в следующем зазоре. Рассчитанная величина c получилась равной 315000 км/с. Через год Леон Фуко улучшил этот метод, используя вращающееся зеркало, и получил гораздо более точное значение 298000 км/с. Улучшенный метод был достаточно точен, и с его помощью определили, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе.
После того как Максвелл опубликовал свою теорию электромагнетизма, стало возможно определять скорость света косвенно по значениям магнитной и электрической проницаемости. Первыми это сделали Вебер и Кольрауш в 1857 году. В 1907 году Роза и Дорси таким же способом получили 299788 км/с. В то время это было самое точное значение.
В дальнейшем дополнительные меры применялись для повышения точности. Например, учитывали коэффициент преломления света в воздухе. В 1958 Фрум получил значение 299792.5 км/с, используя микроволновый интерферометр и электрооптический затвор Керра. После 1970 года с использованием лазера с высокой стабильностью спектра и точных цезиевых часов стали возможны ещё более точные измерения. До этого времени точность эталона метра была выше, чем точность измерения скорости света. И вот скорость света стала известна с точностью плюс-минус 1 м/с. Теперь стало более практично в определении метра использовать скорость света. Эталон расстояния в 1 метр сейчас определяется с использованием атомных часов и лазера.
В таблице представлены основные этапы измерения скорости света (Фрум и Эссен) :
| Дата | Авторы | Метод | км/с | Погрешность |
|---|---|---|---|---|
| 1676 | Olaus Roemer | Спутники Юпитера | 214 000 | |
| 1726 | James Bradley | Аберрация звёзд | 301 000 | |
| 1849 | Armand Fizeau | Зубчатое колесо | 315 000 | |
| 1862 | Leon Foucault | Вращающееся зеркало | 298 000 | ± 500 |
| 1879 | Albert Michelson | Вращающееся зеркало | 299 910 | ± 50 |
| 1907 | Rosa, Dorsay | ЭМ константы | 299 788 | ± 30 |
| 1926 | Albert Michelson | Вращающееся зеркало | 299 796 | ± 4 |
| 1947 | Essen, Gorden-Smith | Объёмный резонатор | 299 792 | ± 3 |
| 1958 | K.D.Froome | Радио интерферометр | 299 792.5 | ± 0.1 |
| 1973 | Evanson et al | Лазерный интерферометр | 299 792.4574 | ± 0.001 |
| 1983 | CGPM | Принятое значение | 299 792.458 | 0 |
Philip Gibbs , 1997
Скорость света в воздухе зависит от показателя преломления (в основном от плотности воздуха).
Для видимого света на уровне моря примерно c / 1.0003 = 299700000 м/с.
С точностью 0.1% скорость света и в воздухе и в вакууме равна 300 тысяч километров в секунду.
Лампочка горит, фонарик на айфоне случайно включается, а солнце светит (если вы не в Петербурге живете, конечно). Эти привычные для нас явления имеют физические характеристики, главная из которых — скорость света.
О чем эта статья:
11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Точные значения скорости света
метров в секунду
Приблизительные значения скорости света
километров в секунду
километров в час
Скорость света: чему она равна и как ее измерять
Скорость света — это величина, характеризующая быстроту перемещения света.
До второй половины XVII века скорость света считалась бесконечной, пока ее не измерил датский астроном Олаф Рёмер. Он наблюдал затмения спутника Юпитера Ио и заметил, что они не совпадают по времени с расчетными, а зависит это несовпадение от расстояния между событием и наблюдателем. Принимая во внимание положение Земли на своей орбите относительно Юпитера, Рёмер подсчитал, что скорость света равна 220 000 км/с.
В начале XIX века французский ученый Физо разработал для измерения скорости света так называемый метод прерываний. Физик направил луч света 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 Физо получил результат — 313 000 км/с.
Изобретение лазера в XX веке позволило дойти до предела точности и зафиксировать скорость света на отметке 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/c. Дальнейшее уточнение стало невозможным из-за отсутствия точного определения метра. В то время за эталон брали металлическую палку, хранящуюся в палате мер и весов.
В восьмидесятых годах прошлого века Генеральная конференция по мерам и весам (да, такая действительно существует) приняла за метр расстояние, которое преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Соответственно, скорость света стала официально равной 299 792 458 метров в секунду. Для удобства ее значение принято округлять до 300 000 км/с.
Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Неудавшийся опыт Галилея
Чтобы измерить скорость света, в 1600 году Галилей и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари и оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно открывая и закрывая огонь, они пытались рассчитать скорость света. Галилей и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать огонь. Когда один из них открывал заслонку, то же должен был сделать и другой.
Однако эксперимент был провальным, и неудивительно: чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.
Скорость света в различных средах
Свет распространяется в разных средах по-разному. В вакууме и в воздухе скорость света почти не различается, а вот в других средах она меньше. Это зависит от оптической плотности среды — чем она больше, тем меньше скорость распространения света.
Основной характеристикой в данном случае служит показатель преломления среды. Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости распространения света в среде.
Абсолютный оказатель преломления среды
n — показатель преломления среды [—]
с — скорость света [м/с]
v — скорость света в заданной среде [м/с]
Ниже представлена таблица скоростей света в разных средах и показателей преломления в них.
Среда
Скорость света, км/с
Абсолютный показатель преломления среды
Параметры, связанные со скоростью света
Самые важные параметры — это длина волны и период.
Формула скорости света
с — скорость света [м/с]
λ — длина волны [м]
T — период [с]
Задачка для практики
Определите цвет освещения, проходящий расстояние в 1000 раз больше его длины волны за 2 пикосекунды.
Решение
Для начала переведем 2 пикосекунды в секунды — это 2 * 10 -12 с.
Теперь возьмем формулу скорости: v = S/t
По условию S = 1000λ, то есть v = 1000λ/t.
Выражаем длину волны:
Подставляем значения скорости света и известного нам времени:
λ = (3 * 10 8 * 2 * 10 -12 )/1000 = 600
И соотносим со шкалой видимого света:
На шкале видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.
Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.
Скорость выше, чем скорость света
Здесь мы подходим к самому интересному. По сути, преодолеть скорость света — это то же самое, что изобрести машину времени. Ведь мы не можем увидеть свет от зажженного на улице фонаря раньше, чем он зажегся. Казалось бы, вопрос закрыт, машина времени невозможна и вообще все мечты детства разрушены. Но на самом деле это не совсем так.
Физически машину времени ничто не запрещает. То есть с точки зрения физики она вполне возможна, у нас есть только технические ограничения.
Согласно общей теории относительности, чем быстрее мы разгоняем частицу, у которой есть некая масса, тем больше энергии нам требуется. По мере приближения к скорости света эта энергия будет стремиться к бесконечности. Но это не означает, что свет на порядки быстрее всего во Вселенной. Например, ученые ЦЕРНа разогнали протоны в Большом адронном коллайдере до скорости 299 792 455 м/c, что всего на 3 м/с уступает невесомым фотонам света.
Описанные выше ограничения, которые накладывает на скорости во Вселенной современная физика, не касаются частиц, которые не имеют массы, не взаимодействуют с обычными частицами и могут перемещаться быстрее скорости света. Такие частицы принято называть тахионами и на данный момент их существование является лишь предположением (сложно придумать эффективный инструмент для их обнаружения, ведь они ни с чем не взаимодействуют).
В специальной теории относительности есть даже такое понятие, как релятивистское замедление времени. Его смысл заключается в том, что в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее.
Классическим примером этого явления является сценарий близнецов. Представим, что один близнец летит на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, а другой остается на Земле. Когда близнец-космонавт вернется на Землю постаревшим всего на год или на два, он обнаружит, что его брат стал старше на несколько десятилетий.
В реальной жизни эксперимент с близнецами никто не проводил, но проводили аналогичный — с часами. Ученые запустили атомные часы на орбиту и оставили идентичные часы на Земле. Когда часы вернулись, они шли с некоторым отставанием от своего земного близнеца.
Еще один популярный пример сверхсветовой скорости — это явления квантовой механики. В тот самый момент, когда вы надели на правую ногу один носок, второй моментально и автоматически стал левым, несмотря на расстояние между ними.
Или эксперимент с котом Шрёдингера, про который вы наверняка что-то слышали.
Лирическое отступление про кота Шрёдингера
Физик, которому не очень нравятся кошки, помещает кота в коробку вместе с бомбой, которая взрывается с вероятностью 50% после того, как закрыли крышку. До того, как мы откроем коробку, нет способа узнать, взорвалась ли бомба. Поэтому мы не знаем, жив кот или мертв.
Оперируя понятиями квантовой физики, мы можем сказать, что до нашего наблюдения кот находился в состоянии суперпозиции — состоянии, сочетающем в себе обе возможности с шансом 50% для каждой.
Нечто подобное случается с физическими системами квантовых размеров, вроде электрона, вращающегося вокруг атома водорода. Электрон не совсем вращается — он как бы находится во всем пространстве одновременно, а в некоторых местах с большей вероятностью. Только после того, как мы определили его местоположение, мы можем точно указать, где он находится в этот момент. Так же, как мы не знали, был кот жив или мертв до того, как мы открыли коробку.
Это подводит нас к странному и красивому феномену квантовой запутанности. Представим себе, что вместо одного кота в одной коробке у нас было бы два кота в двух разных коробках. Если мы повторим эксперимент с котом Шрёдингера с парой этих котов, в результате эксперимента могут быть четыре возможности:
- оба кота будут живы,
- оба мертвы,
- первый будет жив, второй мертв,
- первый мертв, второй жив.
Ситуации, когда оба кота мертвы или оба кота живы, не соответствуют состоянию суперпозиции. Другими словами, возможна такая система из двух котов, в которой в итоге всегда один из котов будет мертв, а другой жив. Пользуясь техническими терминами, можно сказать, что состояния этих двух котов запутаны.
Назревает вопрос: что произойдет, если этих котов поместить в разных уголках Вселенной. Не поверите, но то же самое! Один из котов в любом случае будет жив, а другой — мертв, хотя какой конкретно кот будет жив, а какой мертв, совершенно непредсказуемо.
Квантовая запутанность была подтверждена в настоящих лабораторных экспериментах. Две субатомные частицы запутаны в состоянии суперпозиции так, что если одна вращается в одну сторону, то другая — в противоположную.
Запутанность находится в центре квантовой информатики — развивающейся области науки, которая ищет применение законам странного квантового мира. Так, квантовая криптография позволяет шпионам надежно посылать друг другу информацию, а квантовое программирование — взламывать секретные коды.
Каждодневная физика со временем может стать более похожей на странный мир квантовой механики. Квантовая телепортация сможет достигнуть такого прогресса, что однажды ваш кот сможет сбежать в более безопасную вселенную, где нет физиков и коробок.
В общем, сверхсветовая скорость существует, хоть у нее и очень слабая доказательная база. Если ученые добьются того, чтобы скорости выше скорости света стали нашей реальностью, то и до машины времени недалеко.
Читайте также: