В 1975 году 15-я Генеральная конференция по измерениям и весам постановила, что эталоном для вакуума является последняя 299792458 м/с. Затем, в 1983 году, 17-й Конгресс принес взлеты и падения. Один метр — это расстояние, проходимое светом за 1/299792458 с.
Скорость света – как измерить, чему равна в вакууме, воздухе, воде
Ничто во Вселенной не движется быстрее скорости света. В этой статье вы узнаете, что это за величина и как измерить скорость света.
Скорость света c — одна из важнейших фундаментальных констант физики. Значение скорости света составляет 299 792 458 м/с (с точностью ±1,2 м/с)1 (т.е. примерно 300 000 километров в секунду). Это означает, что свет проходит 300 000 километров в секунду. Например, если вы стоите на Луне и светите мощным источником света в сторону Земли, свет пройдет путь в 1,25 секунды, прежде чем появится здесь.
На самом деле, это значение скорости является точным. Это означает, что, согласно международным соглашениям, определение измеряемой величины — это длина, которую свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды.
Заметим, однако, что на самом деле это только скорость света в вакууме. Если свет проходит через среду, даже если это просто воздух, эта скорость уменьшается.
Помните! Скорость света c точно определена как 299 792 458 метров в секунду. Ничто не движется быстрее света.
Насколько велика скорость света?
Трудно представить себе скорость света. Лучше представить себе это в сравнении со скоростями, к которым вы привыкли. В таблице ниже вы можете увидеть, как быстро движутся другие предметы нашей повседневной жизни по сравнению со скоростью света.
| Объект | Скорость в м/с (с округлением) |
| Человек | 1,5 |
| Гоночный автомобиль | 100 |
| Звуковые волны | 343 |
| Сверхзвуковой самолет | 400 |
| Скорость света | 300 000 000 |
Однако это скорость света в вакууме (как в космосе). Когда свет проходит в такой среде, как воздух, его скорость может значительно уменьшиться.
Скорость света — это максимальная скорость всей материи и информации. Ничто не движется быстрее скорости света в вакууме на своем обычном пути.c Это означает, что не только свет, но и все остальное подчиняется этому ограничению скорости. К ним относятся, например, электромагнитные и гравитационные волны. Такие волны и частицы движутся со скоростью света, независимо от скорости и направления источника света. Это относится и к движущимся объектам. Например, если поезд движется с включенными фарами, свет распространяется со скоростью света, независимо от скорости, с которой движется поезд. Частицы и вещества с ненулевой массой могут приближаться к скорости света, но никогда не достигают ее.
Скорость света в различных средах
В прозрачных средах, таких как воздух или стекло, свет распространяется с меньшей скоростью, чем скорость света в вакууме. То же самое относится и к электромагнитным волнам в проводниках. Он также движется медленнее, чем скорость света. Это отношение скорости света c к скорости среды v называется показателем преломления n = c/v.
Скорость света в воздухе.
В воздухе показатель преломления этого видимого света составляет 1,0003. Поэтому свет в воздухе распространяется примерно на 90 км/с медленнее, чем в вакууме. Это означает c/1,0003≈299910 км/с.
Скорость света в воде.
В воде скорость света уменьшается до 230 769 км/с, поскольку коэффициент преломления составляет примерно 1,3. Это означает, что c/1.3 ≈ 230 769 км/с.
Скорость света в стекле.
В стекле показатель преломления составляет 1,5. Вычисление, как и раньше, дает скорость около 200 000 километров в секунду, т.е. c/1.5 ≈ 200 000 км/с.
Действительно, что вы думаете? Как мы можем измерить максимальную скорость Вселенной в наших скромных и наивных условиях? Нам не нужно больше думать об этом — ведь на протяжении веков многие люди работали над этой проблемой и разработали методы измерения скорости света. Давайте начнем рассказ по порядку.
Опыт Галилея
Галилейский эксперимент в Галилее был гениален в своей простоте. Ученые провели эксперимент по измерению скорости света. Через большое и хорошо известное расстояние, на разных холмах, Галилей и его помощники стояли у яркого сигнала. Один из них открыл заслонку фонаря, а другой сделал то же самое, когда увидел первый свет фонаря. Зная расстояние и время (задержка перед тем, как помощник открыл фонарь), Галилей рассчитал скорость света. К сожалению, для проведения этого эксперимента Галилею и его помощнику пришлось выбрать холм, находящийся за миллионы километров от нас. Напомним, что заказать эссе можно, подав заявку на сайте.
Опыты Рёмера и Брэдли
Первый успешный и удивительно точный эксперимент по определению скорости света был проведен датским астрономом Олафом Рёмером. Рёмер применил астрономический метод измерения скорости света. В 1676 году он наблюдал в свой телескоп за луной Зевса на Ио и обнаружил, что затмение спутника меняется, когда Земля отдаляется от Юпитера. Максимальная задержка составила 22 минуты. Рассчитав, что Земля удалена от Юпитера на расстояние, равное диаметру земной орбиты, Рёмер получает значение 214 000 километров в секунду, разделив значение диаметра больше, чем задержка. Конечно, такие расчеты были очень грубыми, а расстояния между планетами были почти известны, но результаты были относительно близки к истине.
Измерение скорости света по Рёмеру.
Эксперимент Брэдли. В 1728 году Джеймс Брэдли рассчитал скорость света, наблюдая за удалением звезд. Удаление — это изменение видимого положения звезды, вызванное движением Земли по ее орбите. Зная скорость Земли и измерив угол удаления, Брэдли получил цену в 301 000 километров в секунду.
Опыт Физо
Научный мир того времени отнесся к результатам экспериментов Рёмера и Брэдли с недоверием. Тем не менее, результаты Брэдли были самыми дорогими на протяжении более 100 лет до 1849 года. В том же году французский ученый Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора, не наблюдая за небесными объектами, а здесь, на Земле. Фактически, это был первый экспериментальный метод измерения скорости света в Галилее. Ниже приведена схема расположения его лаборатории.
Свет, отраженный в одном зеркале, прошел через зубцы колеса и отразился в другом зеркале на расстоянии 8,6 км. Скорость вращения колеса увеличивалась до тех пор, пока свет не стал виден на следующем промежутке. Расчеты Физо закончились на 313 000 километрах в секунду. Год спустя аналогичный эксперимент с использованием вращающегося зеркала провел Леон Фуко, получив 298 000 километров в секунду.
С появлением масс и лазеров у людей появились новые возможности и способы измерения скорости света, но развитие теории позволило проводить косвенные расчеты скорости света без непосредственных измерений.
В зазоре есть фиксированное значение 299 792 458 метров в секунду. С современной точки зрения, это предельная скорость. Другими словами, ни одна частица или объект не может достичь скорости света в пространстве.
История измерений скорости света
Древние ученые, за редким исключением, считали, что скорость света бесконечна.5 В современное время этот вопрос вызывает споры. Галилей и Гук признали, что Кеплер, Декарт и Фермат все еще отстаивали бесконечность скорости света, хотя и очень высоко.
Первая оценка скорости света была дана Олафом Рёмером (1676). Он отметил, что когда Земля и Юпитер находились по разные стороны от Солнца, затмение лун Юпитера задержалось на 22 минуты по сравнению с расчетным. Из этого он получил значение скорости света около 220 000 км/с — хотя и неточное по отношению к реальному значению. Полвека спустя открытие обхода подтвердило конечность скорости света и улучшило его репутацию.
Сверхсветовое движение
Специальные теории относительности показывают, что невозможно преодолеть скорость света из природных частиц. Это происходит потому, что нарушается фундаментальный принцип причинности — некоторые инерциальные системы отсчета позволяют посылать сигналы из будущего в прошлое. Однако теория не исключает виртуальные частицы, которые не взаимодействуют с обычными частицами, имеющими скоростные движения.
Фиктивные частицы, которые движутся с чрезмерной скоростью, называются таконами. В математике скоростное движение описывается преобразованием Лоренца как движение частиц с иллюзорной массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе они приближаются к скорости света, тем больше энергии они несут. Как и в случае с энергией обычных частиц, энергия скорости стремится к бесконечности. Они приближаются к скорости света. Это наиболее очевидное следствие преобразования Лоренца, которое не позволяет частицам большой массы (как реальной, так и иллюзорной массы) достичь скорости света — просто невозможно придать частицам бесконечную энергию.
Во-первых, нужно понимать, что скорость — это класс частиц, а не тип частиц, а во-вторых, что вы не можете распространять физические взаимодействия быстрее скорости света. Черепахи не нарушают принцип причинности — они никогда не взаимодействуют с обычными частицами, а разница в скорости не достигает скорости света.
Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а лишь максимально приблизиться к ней, поскольку их энергия бесконечно выше. Все замедления имеют массу, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксурия в вакууме всегда путешествует со скоростью света и содержит фотоны, блестящие гипотетические баритоны.
В системе единиц Планка скорость света в вакууме равна единице. Это означает, что свет проходит через одну единицу настила на одну толстую пластину.
С 2006 года появились сообщения о взаимодействиях, распространяющихся быстрее скорости света в феномене квантовой телепортации SO -Calcald. Например, в 2008 году доктор Николя Гиссен из Женевского университета, чья исследовательская группа изучала положение фотонов, находящихся на расстоянии 18 км друг от друга, предположил, что «взаимодействия между частицами происходят со скоростью, примерно в 100 000 раз превышающей скорость света». Парадоксальная скорость SO -Calcaled Hartmann в эффекте туннелирования также обсуждалась ранее. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для отправки сообщений, передающих информацию, или для передачи материальных ценностей.
В результате обработки экспериментальных данных Opera 7, собранных в ЦЕРНе совместно с лабораторией Гран-Сассо в период с 2008 по 2011 год, были получены статистически значимые признаки нейтриномании, превышающие скорость света. Этот доклад можно найти в Архиве препринтов 9. Появившиеся результаты были оспорены экспертами, поскольку они соответствовали теории относительности, а также другим экспериментам с нейтрино 10. В марте 2012 года в том же туннеле были проведены независимые измерения, которые не выявили превышения скорости нейтрина 11 12. В мае 2012 года компания Opera провела серию контролируемых экспериментов и пришла к выводу, что технический недостаток (плохо установленный оптический кабельный канал) был причиной ошибочного предположения о превышении скорости 13 над скоростью.
На расстоянии около 384 000 километров от Луны (в зависимости от текущего положения объекта) фотону уже требуется 1,22 секунды, чтобы пройти это расстояние.
Достижима ли для нас скорость света?
Очевидно, что немыслимо, чтобы космический корабль исследовал отдаленные регионы космоса, не двигаясь с головокружительными скоростями. Желательно со скоростью света. Но возможно ли это?
Барьер скорости света является одним из следствий теории относительности. Как мы знаем, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света требует почти бесконечного количества энергии.
К сожалению, законы физики находят в этом свое подтверждение. Со скоростью 300 000 км/с на космическом корабле к нему летят частицы. Атомы водорода превращаются в смертоносный источник самого интенсивного излучения, равного 10000 шивер/сек. Это почти то же самое, что находиться в Большом адронном ускорителе.
Ученые из Университета Джона Хопкинса утверждают, что до сих пор не существует естественной защиты от такого огромного космического излучения. Коррозия межзвездной пыли завершает разрушение лодок.
Еще одна проблема, связанная со скоростью света, — это замедление времени. В пожилом возрасте гораздо больше. Поле зрения также будет деформировано, поэтому траектория движения лодки будет проходить как в туннеле, в конце которого экипаж увидит проблеск. За лодкой — абсолютная чернота.
Поэтому в ближайшем будущем человечество должно ограничить свой «аппетит» к скорости до 10% от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды — Прексимы Центавра (4,22 с) — нужно лететь около 40 лет.
В то же время от «Красной планеты» мы находимся в среднем в 254 миллионах километров, например, лодка нового вида уже удалена на 6,644 миллиарда километров от Земли, и чтобы достичь ближайшей планеты за пределами Солнечной системы, нужно лететь. 39,7 триллиона километров.
Что быстрее скорости света?
Скорость света является максимально возможной в пустом пространстве, но считается, что существуют объекты, движущиеся быстрее.
Астероиды и Земля.
Например, солнечные вспышки, тени или фазы волн могут сделать именно это. Однако есть одно предостережение. Даже при развитии высокой скорости энергия и информация могут передаваться в направлениях, не совпадающих с направлением движения.
Что касается прозрачных сред, то на Земле есть объекты, которые могут двигаться значительно быстрее света. Например, луч, проходящий через стекло, замедляет его, но не ограничивает скорость электронов. Таким образом, проходя по поверхности стекла, они могут двигаться быстрее света.
Это явление называется эффектом Бабирова-Черенкова и чаще всего встречается в ядерных реакторах.
Это не совсем соответствует реальному значению около 300 000 километров в секунду, но очень близко. Для более точного измерения скорости света можно использовать более точные приборы.
Сверхсветовая скорость
Вышеуказанные ограничения, накладываемые современной физикой на скорость Вселенной, не применимы к частицам, которые не имеют массы, не взаимодействуют с обычными частицами и могут путешествовать быстрее скорости света. Такие частицы обычно называют тахионами, и их существование в настоящее время является лишь гипотезой (они ни с чем не взаимодействуют, поэтому трудно придумать эффективные инструменты для их обнаружения).
Другим распространенным примером сверхсветовых скоростей является квантовая механика. Если вы надеваете носок на правую ногу, она сразу и автоматически становится левой, независимо от расстояния. Практически на этом принципе основана квантовая запутанность, возникающая при измерении спина фотона, при этом никакая информация не передается, но фактически одно состояние переходит в другое без какого-либо прямого взаимодействия между объектами.
Скорость света наглядно
В большинстве случаев из-за масштабов изучаемого процесса астрофизики не могут проводить комплексные эксперименты в лаборатории, как, например, биологи или химики. Однако все астрономы имеют доступ к самым большим из возможных испытательных полей, где вся Вселенная, включая квазары, радиопульсары, черные дыры и всевозможные другие странные объекты, подвергается бесчисленным экспериментам.
Однако наиболее интересными недавними астрофизическими открытиями представляются менее известные и сложные графы. Широкой публике приходится довольствоваться обработанными изображениями с некоторых приборов, таких как телескоп Хаббла. Тем не менее, официальная наука сегодня признает важность деятельности СМИ и изо всех сил старается представить общественности процесс, который невозможно просто представить в своем воображении.
Например, сотрудник NASA Джеймс О’Донохью показал скорость света относительно нашей планеты (исключив влияние атмосферы на расчет) — лучи обращаются вокруг Земли 7,5 раз всего за одну секунду и за один раз превышают 40 000 километров.
На расстоянии около 384 000 километров от Луны (в зависимости от текущего положения объекта) фотону уже требуется 1,22 секунды, чтобы пройти это расстояние.
Передача данных с Марса на Землю со скоростью света при максимальном сближении планет требует ожидания более шести минут, тогда как на средних расстояниях ожидание затягивается до 30 минут.
В то же время от «Красной планеты» мы находимся в среднем в 254 миллионах километров, например, лодка нового вида уже удалена на 6,644 миллиарда километров от Земли, и чтобы достичь ближайшей планеты за пределами Солнечной системы, нужно лететь. 39,7 триллиона километров.
