Kuinka nopeasti valo etenee tyhjiössä

Valon nopeus tyhjiössä on fysiikassa laajalti käytetty indikaattori, joka mahdollisti aikoinaan lukuisten löytöjen tekemisen sekä monien ilmiöiden luonteen selittämisen. On olemassa useita tärkeitä kohtia, joita on tutkittava, jotta voidaan ymmärtää aihe ja ymmärtää, kuinka ja missä olosuhteissa tämä indikaattori löydettiin.

Mikä on valon nopeus

Valon etenemisnopeutta tyhjiössä pidetään absoluuttisena arvona, joka heijastaa sähkömagneettisen säteilyn etenemisnopeutta. Sitä käytetään laajalti fysiikassa, ja sen nimitys on pieni latinalainen kirjain "s" (se sanoo "tse").

Tyhjiössä valon nopeutta käytetään määrittämään kuinka nopeasti eri hiukkaset liikkuvat.

Useimpien tutkijoiden mukaan valon nopeus tyhjiössä on suurin mahdollinen hiukkasten liikkeen ja erityyppisten säteilyn etenemisnopeus.

Mitä tulee esimerkkeihin ilmiöistä, ne ovat:

1. Näkyvää valoa mistä tahansa lähde.
2. Kaiken tyyppinen sähkömagneettinen säteily (kuten röntgensäteet ja radioaallot).
3. Gravitaatioaallot (tässä joidenkin asiantuntijoiden mielipiteet eroavat).

Monenlaiset hiukkaset voivat kulkea lähellä valonnopeutta, mutta eivät koskaan saavuta sitä.

Valonnopeuden tarkka arvo

Tiedemiehet ovat yrittäneet monta vuotta määrittää valon nopeuden, mutta tarkat mittaukset tehtiin viime vuosisadan 70-luvulla. Lopulta ilmaisin oli 299 792 458 m/s maksimipoikkeama +/-1,2 m. Nykyään se on muuttumaton fyysinen yksikkö, koska etäisyys metrissä on 1/299 792 458 sekuntia, niin kauan kestää valon kulkea tyhjiössä 100 cm.

Tieteellinen kaava valonnopeuden määrittämiseksi.

Laskelmien yksinkertaistamiseksi ilmaisin on yksinkertaistettu 300 000 000 m/s (3×108 m/s). Se on tuttu kaikille koulun fysiikan kursseilla, siellä nopeus mitataan tässä muodossa.

Valonnopeuden perusrooli fysiikassa

Tämä indikaattori on yksi tärkeimmistä riippumatta siitä, mitä viitejärjestelmää tutkimuksessa käytetään. Se ei riipu aaltolähteen liikkeestä, mikä on myös tärkeää.

Albert Einstein väitti muuttumattomuuden vuonna 1905. Tämä tapahtui sen jälkeen, kun toinen tiedemies, Maxwell, joka ei löytänyt todisteita valopitoisen eetterin olemassaolosta, esitti teorian sähkömagnetismista.

Väitettä, jonka mukaan kausaalista vaikutusta ei voida kuljettaa valonnopeuden ylittävällä nopeudella, pidetään nykyään varsin järkevänä.

Muuten! Fyysikot eivät kiellä, että jotkut hiukkasista voivat liikkua nopeudella, joka ylittää tarkasteltavan indikaattorin. Niitä ei kuitenkaan voida käyttää tiedon välittämiseen.

Historiallisia viittauksia

Aiheen piirteiden ymmärtämiseksi ja tiettyjen ilmiöiden havaitsemiseksi on tutkittava joidenkin tiedemiesten kokeita. 1800-luvulla tehtiin monia löytöjä, jotka auttoivat tutkijoita myöhemmin, ne koskivat pääasiassa sähkövirtaa sekä magneettisen ja sähkömagneettisen induktion ilmiöitä.

James Maxwellin kokeilut

Fyysikon tutkimus vahvisti hiukkasten vuorovaikutuksen etäältä. Myöhemmin tämä antoi Wilhelm Weberille mahdollisuuden kehittää uuden teorian sähkömagnetismista. Maxwell totesi myös selvästi magneetti- ja sähkökenttien ilmiön ja päätti, että ne voivat generoida toisiaan muodostaen sähkömagneettisia aaltoja. Tämä tiedemies alkoi ensimmäisenä käyttää nimitystä "s", jota fyysikot käyttävät edelleen kaikkialla maailmassa.

Tämän ansiosta useimmat tutkijat alkoivat jo silloin puhua valon sähkömagneettisesta luonteesta. Maxwell, tutkiessaan sähkömagneettisten herätteiden etenemisnopeutta, päätyi siihen tulokseen, että tämä indikaattori on yhtä suuri kuin valon nopeus, ja hän yllättyi kerran tästä tosiasiasta.

Maxwellin tutkimuksen ansiosta kävi selväksi, että valo, magnetismi ja sähkö eivät ole erillisiä käsitteitä. Yhdessä nämä tekijät määräävät valon luonteen, koska se on magneetti- ja sähkökentän yhdistelmä, joka etenee avaruudessa.

Kaavio sähkömagneettisen aallon etenemisestä.

Michelson ja hänen kokemuksensa valonnopeuden absoluuttisuuden todistamisesta

Viime vuosisadan alussa useimmat tiedemiehet käyttivät Galileon suhteellisuusperiaatetta, jonka mukaan mekaniikan lakien uskottiin pysyvän muuttumattomina riippumatta siitä, mitä viitekehystä käytetään. Mutta samalla teorian mukaan sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeuden tulisi muuttua lähteen liikkuessa. Tämä oli vastoin sekä Galileon postulaattia että Maxwellin teoriaa, mikä oli syy tutkimuksen alkamiseen.

Tuolloin useimmat tutkijat olivat taipuvaisia ​​"eetteriteoriaan", jonka mukaan indikaattorit eivät riippuneet sen lähteen nopeudesta, pääasiallinen määräävä tekijä olivat ympäristön ominaisuudet.

Michelson havaitsi, että valon nopeus ei riipu mittaussuunnasta.

Koska maapallo liikkuu ulkoavaruudessa tiettyyn suuntaan, valonnopeus vaihtelee nopeuksien summauslain mukaan eri suuntiin mitattuna. Mutta Michelson ei löytänyt eroa sähkömagneettisten aaltojen etenemisessä riippumatta siitä, mihin suuntaan mittaukset tehtiin.

Eetteriteoria ei pystynyt selittämään absoluuttisen arvon läsnäoloa, mikä osoitti sen virheellisyyden vielä paremmin.

Albert Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria

Tuolloin nuori tiedemies esitti teorian, joka on ristiriidassa useimpien tutkijoiden ajatusten kanssa. Sen mukaan ajalla ja avaruudella on sellaiset ominaisuudet, jotka varmistavat valonnopeuden invarianssin tyhjiössä valitusta vertailukehyksestä riippumatta. Tämä selitti Michelsonin epäonnistuneet kokeet, koska valon etenemisnopeus ei riipu sen lähteen liikkeestä.

[tds_council]Einsteinin teorian oikeellisuuden epäsuora vahvistus oli "samanaikaisuuden suhteellisuus", sen olemus näkyy kuvassa.[/tds_council]

Esimerkki siitä, kuinka henkilön sijainti vaikuttaa hänen käsitykseensä valon etenemisestä.

Miten valon nopeus mitattiin aiemmin?

Tätä indikaattoria on yritetty määrittää monet, mutta tieteen alhaisen kehitystason vuoksi sen tekeminen oli aiemmin ongelmallista. Siten antiikin tiedemiehet uskoivat, että valon nopeus oli ääretön, mutta myöhemmin monet tutkijat epäilivät tätä postulaattia, mikä johti useisiin yrityksiin määrittää se:

1. Galileo käytti taskulamppuja. Valon aaltojen etenemisnopeuden laskemiseksi hän ja hänen avustajansa olivat kukkuloilla, joiden välinen etäisyys määritettiin tarkasti. Sitten yksi osallistujista avasi lyhdyn, toisen oli tehtävä sama heti, kun hän näki valon. Mutta tämä menetelmä ei antanut tuloksia, koska aallon etenemisnopeus on suuri ja kyvyttömyys määrittää tarkasti aikaväliä.
2. Olaf Roemer, tanskalainen tähtitieteilijä, huomasi piirteen tarkkaillessaan Jupiteria. Kun Maa ja Jupiter olivat kiertoradansa vastakkaisissa kohdissa, Ion (Jupiterin kuu) pimennys oli 22 minuuttia myöhässä verrattuna itse planeettaan. Tämän perusteella hän päätteli, että valoaaltojen etenemisnopeus ei ole ääretön ja sillä on raja. Hänen laskelmiensa mukaan luku oli noin 220 000 km sekunnissa.
   Valonnopeuden määrittäminen Roemerin mukaan.
3. Samoihin aikoihin englantilainen tähtitieteilijä James Bradley löysi valopoikkeaman ilmiön, kun Maan liikkeestä Auringon ympäri sekä sen akselin ympäri tapahtuvasta pyörimisestä johtuen, minkä vuoksi tähtien sijainti taivaalla ja etäisyys heihin muuttuu jatkuvasti.Näistä piirteistä johtuen tähdet kuvaavat ellipsin jokaisen vuoden aikana. Laskelmien ja havaintojen perusteella tähtitieteilijä laski nopeuden, se oli 308 000 km sekunnissa.
   valon poikkeama
4. Louis Fizeau oli ensimmäinen, joka päätti määrittää tarkan indikaattorin laboratoriokokeella. Hän asensi peilipintaisen lasin 8633 metrin etäisyydelle lähteestä, mutta koska etäisyys on pieni, oli mahdotonta tehdä tarkkoja aikalaskelmia. Sitten tiedemies asetti hammaspyörän, joka peitti ajoittain valon hampailla. Pyörän nopeutta muuttamalla Fizeau määritti, millä nopeudella valo ei ehtinyt liukua hampaiden väliin ja palata takaisin. Hänen laskelmiensa mukaan nopeus oli 315 tuhatta kilometriä sekunnissa.
   Louis Fizeaun kokemus.

Valonnopeuden mittaaminen

Tämä voidaan tehdä useilla tavoilla. Niitä ei kannata analysoida yksityiskohtaisesti, vaan jokainen vaatii erillisen tarkastelun. Siksi on helpointa ymmärtää lajikkeet:

1. Tähtitieteelliset mittaukset. Täällä käytetään useimmiten Roemerin ja Bradleyn menetelmiä, koska ne ovat osoittaneet tehokkuutensa ja ilman, veden ominaisuudet ja muut ympäristön ominaisuudet eivät vaikuta suorituskykyyn. Avaruustyhjiön olosuhteissa mittaustarkkuus kasvaa.
2. onkaloresonanssi tai onkalovaikutus - tämä on planeetan pinnan ja ionosfäärin välillä syntyvien matalataajuisten seisovien magneettiaaltojen ilmiön nimi. Ilmassa olevien hiukkasten nopeuden arvoa ei ole vaikea laskea käyttämällä erityisiä kaavoja ja mittauslaitteiden tietoja.
3. Interferometria - joukko tutkimusmenetelmiä, joissa muodostuu useita erilaisia ​​aaltoja.Tämä johtaa häiriövaikutukseen, joka mahdollistaa lukuisten sekä sähkömagneettisten että akustisten värähtelyjen mittausten suorittamisen.

Erikoislaitteiden avulla mittaukset voidaan tehdä ilman erityisiä tekniikoita.

Onko superluminaalinen nopeus mahdollinen?

Suhteellisuusteorian perusteella indikaattorin ylittäminen fysikaalisilla hiukkasilla rikkoo kausaalisuuden periaatetta. Tämän ansiosta on mahdollista lähettää signaaleja tulevaisuudesta menneisyyteen ja päinvastoin. Mutta samaan aikaan teoria ei kiellä sitä, että saattaa olla hiukkasia, jotka liikkuvat nopeammin, kun ne ovat vuorovaikutuksessa tavallisten aineiden kanssa.

Tämän tyyppisiä hiukkasia kutsutaan takyoneiksi. Mitä nopeammin ne liikkuvat, sitä vähemmän ne kuljettavat energiaa.

Videotunti: Fizeaun kokeilu. Valonnopeuden mittaus. Fysiikan luokka 11.

Valon nopeus tyhjiössä on vakioarvo, johon monet fysiikan ilmiöt perustuvat. Sen määritelmästä tuli uusi virstanpylväs tieteen kehityksessä, koska se mahdollisti monien prosessien selittämisen ja yksinkertaisti useita laskelmia.