Скоростью света называют расстояние, которое свет проходит за единицу времени. Эта величина зависит от того, в каком веществе распространяется свет.
В вакууме скорость света равна 299 792 458 м/с. Это наивысшая скорость, которая может быть достигнута. При решении задач, не требующих особой точности, эту величину принимают равной 300 000 000 м/с. Предполагается, что со скоростью света в вакууме распространяются все виды электромагнитного излучения: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. Обозначают её буквой с .
Как определили скорость света
В античные времена учёные считали, что скорость света бесконечна. Позднее в учёной среде начались дискуссии по этому вопросу. Кеплер, Декарт и Ферма были согласны с мнением античных учёных. А Галилей и Гук полагали, что, хотя скорость света очень велика, всё-таки она имеет конечное значение.
Галилео Галилей
Одним из первых скорость света попытался измерить итальянский учёный Галилео Галилей. Во время эксперимента он и его помощник находились на разных холмах. Галилей открывал заслонку на своём фонаре. В тот момент, когда помощник видел этот свет, он должен был проделать те же действия со своим фонарём. Время, за которое свет проходил путь от Галилея до помощника и обратно, оказалось таким коротким, что Галилей понял, что скорость света очень велика, и на таком коротком расстоянии измерить её невозможно, так как свет распространяется практически мгновенно. А зафиксированное им время показывает всего лишь быстроту реакции человека.
Впервые скорость света удалось определить в 1676 г. датскому астроному Олафу Рёмеру с помощью астрономических расстояний. Наблюдая с помощью телескопа затмения спутника Юпитера Ио, он обнаружил, что по мере удаления Земли от Юпитера каждое последующее затмение наступает позже, чем было рассчитано. Максимальное запаздывание, когда Земля переходит на другую сторону от Солнца и удаляется от Юпитера на расстояние, равное диаметру земной орбиты, составляет 22 часа. Хотя в то время точный диаметр Земли не был известен, учёный разделил его приблизительную величину на 22 часа и получил значение около 220 000 км/с.
Олаф Рёмер
Результат, полученный Рёмером, вызвал недоверие у учёных. Но в 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора. В его опыте свет от источника проходил между зубьями вращающегося колеса и направлялся на зеркало. Отражённый от него, он возвращался назад. Скорость вращения колеса увеличивалась. Когда она достигала какого-то определённого значения, отражённый от зеркала луч задерживался переместившимся зубцом, и наблюдатель в этот момент ничего не видел.
Опыт Физо
Физо вычислил скорость света следующим образом. Свет проходит путь L от колеса до зеркала за время, равное t 1 = 2L/c . Время, за которое колесо делает поворот на ½ прорези, равно t 2 = T/2N , где Т - период вращения колеса, N - количество зубцов. Частота вращения v = 1/T . Момент, когда наблюдатель не видит света, наступает при t 1 = t 2 . Отсюда получаем формулу для определения скорости света:
с = 4LNv
Проведя вычисления по этой формуле, Физо определил, что с = 313 000 000 м/с. Этот результат был гораздо точнее.
Арман Ипполит Луи Физо
В 1838 г. французский физик и астроном Доминик Франсуа Жан Араго́ предложил использовать для вычисления скорости света метод вращающихся зеркал. Эту идею осуществил на практике французский физик, механик и астроном Жан Берна́р Лео́н Фуко́, получивший в 1862 г. значение скорости света (298 000 000±500 000) м/с.
Доминик Франсуа Жан Араго
В 1891 г. результат американского астронома Са́ймона Нью́кома оказался на порядок точнее результата Фуко. В результате его вычислений с = (99 810 000±50 000) м/с.
Исследования американского физика Альберта Абрахама Майкельсона, использовавшего установку с вращающимся восьмигранным зеркалом, позволили ещё точнее определить скорость света. В 1926 г. учёный измерил время, за которое свет проходил расстояние между вершинами двух гор, равное 35,4 км, и получил с = (299 796 000±4 000) м/с.
Наиболее точное измерение было проведено в 1975 г. В этом же году Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала считать скорость света, равной 299 792 458 ± 1,2 м/с.
От чего зависит скорость света
Скорость света в вакууме не зависит ни от системы отсчёта, ни от положения наблюдателя. Она остаётся постоянной величиной, равной 299 792 458 ± 1,2 м/с. Но в различных прозрачных средах эта скорость будет ниже его скорости в вакууме. Любая прозрачная среда имеет оптическую плотность. И чем она выше, тем с меньшей скоростью распространяется в ней свет. Так, например, скорость света в воздухе выше его скорости в воде, а в чистом оптическом стекле меньше, чем в воде.
Если свет переходит из менее плотной среды в более плотную, его скорость уменьшается. А если переход происходит из более плотной среды в менее плотную, то скорость, наоборот, увеличивается. Этим объясняется, почему световой луч отклоняется на границе перехода двух сред.
Свет – одно из ключевых понятий оптической физики. Свет представляет собой электромагнитное излучение, доступное человеческому глазу.
Долгие десятилетия лучшие умы бились над проблемой определения, с какой скоростью движется свет и чему она равна, а также всех сопутствующих ему расчетов. В 1676 в кругу физиков произошла революция. Датский астроном, по имени Оле Ремер, опроверг утверждение, что свет распространяется по вселенной с неограниченной скоростью.
В 1676 году Оле Ремер определил, что скорость света в вакууме составляет 299792458 м/с .
Для удобства эту цифру принялись округлять. Номиналом, равным 300000 м/c, пользуются до сих пор.
Данное правило в обычных для нас условиях касается всех объектов без исключения, в том числе рентгеновских лучей, световых и гравитационных волн осязаемого для наших глаз спектра.
Современные физики, изучающие оптику, доказали, что значение скорости света имеет несколько характеристик:
- постоянство;
- недостижимость;
- конечность.
Скорость света в разных средах
Следует помнить, что физическая константа напрямую зависит от окружающей её среды, в особенности от показателя преломления. В связи с этим точная величина способна меняться, ведь она обусловлена частотами.
Формула вычисления скорости света записывается как с = 3 * 10^8 м/с .
В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.
Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.
Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки. Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.
Эксперимент Физо
Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.
Результаты Физо
Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.
Эксперимент Фуко
В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.
Финальный аккорд в измерениях скорости света.
Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.
Ограничение скорости на большинстве автострад от 90 до 110 километров. Хотя в вакууме космического пространства нет дорожных указателей, но и там есть ограничение скорости - это 1080000000 километров в час.
Самая большая скорость в природе
Это самая большая скорость света в природе. Ученые обычно приводят скорость света в километрах в секунду - 300 000 километров в секунду. Свет состоит из фотонов. Именно они могут летать с такой сумасшедшей скоростью.
Своеобразные частицы – фотоны
Ученые называют фотоны частицами. Но это очень своеобразные частицы. У них нет массы покоя, то есть, в обычном смысле у них нет веса. Трудно себе представить что – то такое реальное, что было бы чистой энергией и не содержало бы ни крупицы вещества. Фотоны и есть такая реальность. сравнить предельную скорость фотонов с теми скоростями, которые мы привыкли считать большими.
Космический корабль, летящий со скоростью света, для стороннего наблюдателя не имел бы линейных размеров. Возьмем, например, ракету «Пионер», построенную для полетов за пределами Солнечной системы. Так вот, покидая пределы Солнечной системы, «Пионер» имел скорость 60 километров в секунду. Неплохо! Расстояние от Нью-Йорка до Сан-Франциско он мог бы покрыть за полторы минуты. Но в сравнении со скоростью фотона в 300 000 километров в секунду, скорость «Пионера» выглядит просто черепашьей. Или посмотрим, с какой скоростью перемещается в пространстве Солнце.
Материалы по теме:
Почему светят звезды?
Зато время, что вы читаете это предложение, Солнце, Земля и прочие восемь планет нашей Солнечной системы несутся вокруг Млечного Пути, как карусельные лошадки, со скоростью 230 километров в секунду (при этом сами-то мы совершенно не замечаем, что летим с такой невероятной скоростью). Но и эта огромная скорость очень мала по сравнению со скоростью света и составляет около одного ее процента.
Скорость света и предметы
Если разогнать обычный предмет до около световой скорости, с ним начнут происходить необыкновенные приключения. При достижении телом таких скоростей наблюдатель отметит изменение линейных размеров и массы предмета. Даже время начнет меняться. Космический корабль, летящий со скоростью 90 процентов скорости света, уменьшится в размерах приблизительно наполовину. При увеличении скорости он будет уменьшаться все сильнее и сильнее, пока при достижении скорости света он совершенно не потеряет свои линейные размеры.
Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.
Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью - почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с - фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.
В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха - 1,0003, воды - 1,33, различных сортов стекла - от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз - 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.
В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект - так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!
Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.
Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости - фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны - бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления - тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.
Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.
Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но "красный" спортсмен бежит быстрее, чем "оранжевый", "оранжевый" - быстрее, чем "желтый", и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии - большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.
Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики - теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.
Все частицы - как заключенные в атоме, так и свободные - делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком - основном - энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания "атомного лазера" (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.).
Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики - оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10-7 - 10-8 с и в конденсированных средах - менее 10-11 c. При этом возникает запаздывание импульса - его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.
Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние - на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).
После этого конденсат осветили "связующим пучком" линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков - в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз - до 43 микрометров.
Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет - возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.
Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.
