Проблематика измерения скорости света
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
Для измерения односторонней скорости света мы не обойдемся одними часами как в случае измерения двусторонней скорости (т.е. по замкнутой траектории). Самого понятия «односторонняя скорость» нет, пока мы не определим, что такое «одно и то же время» в двух разных местах. Поэтому понадобится пара часов, чтобы измерить время старта и финиша по одной временной шкале. Для этого нужно синхронизировать часы. Именно от того, каким образом мы сделаем это, зависит измерение величины односторонней скорости. Таким образом, одновременность двух событий в одной системе отсчета, разделенных расстоянием определяется соглашением о том, как синхронизировать часы в этих двух точках. В работе «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн предложил схему, которая названа «синхронизацией Эйнштейна». Согласно ей, односторонняя скорость света равна двусторонней независимо от направления. В той же работе Эйнштейн писал: «…это не предпосылка и не гипотеза о физической природе света, а требование, которое я делаю на основании свободного выбора, чтобы получить понятие одновременности».
Синхронизация Эйнштейна. Время t’ вторых часов определяется таким образом, чтобы оно равнялось половине времени, за которое свет проходит расстояние 2*AB
База, который час?
Как изменится понимание процессов во вселенной, если окажется, что односторонняя скорость света не одинаковая в разных направлениях? Представим себе такую картину: офис NASA на Земле хочет синхронизировать часы с космической станцией. Допустим, что свет от Земли до станции и обратно проходит за 20 минут. Офис отправляет сообщение в 12:00. Если односторонняя скорость света равна c, то сигнал дойдет до станции за 10 минут. Экипаж устанавливает свои часы на 12:10 и шлет ответ Земле, который дойдет в 12:20. Теперь представим, что до станции односторонняя скорость света равна c/2, а обратно свет доходит мгновенно. Офис также отправляет сообщение в 12:00. Сигнал доходит до станции в 12:20, но экипаж думает, что односторонняя скорость света равна c, поэтому устанавливает часы на 12:10 и шлет ответ офису, который доходит мгновенно. Земля получает сообщение, в котором говорится, что время на станции установлено на 12:10, причем сигнал получен Землей в 12:20. Для наблюдателя ничего не изменилось, но часы в обоих случаях синхронизированы по-разному.
Пространственно-временная диаграмма. Для наблюдателей два случая идентичны, но часы синхронизированы по-разному
Современные исследования
Периодически, возникают исследования, заявляющие о том, что односторонняя скорость света определена. В 2009 году в октябрьском выпуске «Американского физического журнала» вышла статья о том, как группа ученых нашла способ определить одностороннюю скорость света. Но через определенное время различные ученые опровергли представленный метод и показали, что в ходе исследования была измерена двусторонняя скорость
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.
Кто первым измерил скорость света?
Кто открыл скорость света? Когда это было обнаружено? Как это было рассчитано или выведено?
Ученые пытаются изучать скорость света со времен древних греков. Большинство древнегреческих астрономов считали, среди прочего, что скорость света была практически бесконечной. Однако у них не было возможности проверить это обоснованное предположение.
Тем не менее как правило, считалось само собой разумеющимся, что скорость света была бесконечной, пока астроном Галилей в начале 1600-х годов пытался измерить скорость света, используя дальние фонари с жалюзи, которые помощник открывал в указанное время.Галилей пытался записать, сколько времени требуется свету, чтобы добраться до него через поле, на котором проводился эксперимент.
Его единственным выводом было то, что скорость света была слишком быстрой, чтобы ее можно было измерить с помощью этого эксперимента. (На самом деле, исходя из того, что мы теперь знаем о скорости света, мы можем сказать, что если бы Галилей и его помощник стояли на расстоянии примерно в одну милю, свету понадобилось бы всего пять микросекунд — пять миллионных долей секунды — чтобы добраться от Галилея его помощнику. Это было слишком мало, чтобы быть измеренным с технологией того времени.)
Первое истинное измерение скорости света было сделано в 1676 году человеком по имени Оле Ремер (Rømer). Ремер наблюдал спутник Юпитера Ио, самый внутренний из Галилейских спутников. Как заметил наблюдатель на Земле, Ио внезапно исчезает, когда движется в тень Юпитера, и внезапно появляется, когда выходит из тени Юпитера (обратно в солнечный свет).
Ремер был заинтересован в том, чтобы предсказать, когда Ио появится из тени Юпитера. Его целью было использовать эти наблюдения для более точного определения орбитального периода Ио; он изначально не пытался определить скорость света.
Ремер заметил, что время между затмениями Ио стало короче, когда Земля приблизилась к Юпитеру, и стало длиннее, когда Земля и Юпитер разошлись. Он понял, что расхождения между наблюдаемым и рассчитанным временем появления Ио могут быть объяснены конечной скоростью света. Поскольку в ходе наблюдений Ремера Земля удалялась от Юпитера, отраженному свету от Ио потребовалось бы немного больше времени, чтобы достичь Земли, и это повлияло бы на точное время, в которое наблюдалось появление Ио из тени Юпитера.
Основываясь на этих наблюдениях, Ремер подсчитал, что потребуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Объединение этого значения с более ранними измерениями большой полуоси Земли (орбитального радиуса) дает скорость света около 210 000 километров в секунду. Это примерно на 30% ниже, чем современное значение для скорости света, но, учитывая ее древность, метод измерения и неопределенность 17-го века в точных размерах планетарных орбит, это значение удивительно близко к современному значению в 299 792 458 километров в секунду.
Умы Средневековья: как впервые измерили скорость света
Географические координаты — это две числовые величины — широта и долгота. С широтой все относительно просто: надо измерить высоту над горизонтом какого-то известного нам светила. В Северном полушарии это, скорее всего, будет Полярная звезда, в Южном — одна из звезд Южного Креста. Днем широту можно определить по Солнцу, но погрешность при этом существенно больше — светило имеет довольно большой размер, за ним сложно следить из-за яркости, а границы его видимого диска размываются под действием земной атмосферы. Тем не менее, это относительно несложная задача.
Который час
С долготой гораздо заковыристее. Земля вращается вокруг своей оси, и узнать, где мы находимся, можно, зная точное время в этой точке и время в каком-то месте, долгота которого нам известна. В литературе обычно пишут «нулевой меридиан», это, в общем-то, правильно, поскольку речь идет о том же самом. Если с местным временем все достаточно просто, то с нулевым меридианом гораздо сложнее.
Часов, способных показывать точное время того места, откуда их увезли, в эпоху Великих географических открытий еще не было. Тогда высокоточной техникой считался часовой механизм, оснащенный минутной стрелкой. Первые хронометры, пригодные для определения долготы, появились в середине XVIII века, а до этого мореплавателям приходилось обходиться без них.
Что такое скорость света, чему она равна и как её измеряют?
Космос
О существовании такого понятия как «скорость света» многие знают еще с раннего детства. Большому количество людей известно, что свет движется очень быстро. Но не все знают подробно о явлении.
Многие обращали внимание на то, что во время грозы существует задержка между вспышкой молнии и звуком грома. Вспышка, как правило, доходит до нас быстрее. Это значит, что она имеет большую быстроту, чем звук. С чем это связано? Что такое скорость света и как её измеряют?
Что такое скорость света?
Давайте для начала разберемся, что такое скорость света. По-научному, это такая величина, которая показывает, насколько быстро перемещаются лучи в вакууме или в воздухе. Также нужно знать, что такое свет. Это излучение, которое воспринимается человеческим глазом. От условий окружения зависит быстрота, а также другие свойства, например, преломление.
Свет от Луны до Земли
Что такое скорость света своими словами?
Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой).
Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.
Чему равна скорость света?
При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.
Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.
Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.
Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.
Телескоп рефрактор – схема
В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.
Самое точное значение скорости света
Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.
Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.
Чему равна скорость света в вакууме?
Поскольку в вакууме на свет не влияют различные условия, то его скорость не меняется так, как на Земле. Скорость света в вакууме равна 299 792 километрам в секунду. Такой показатель является предельным. Считается, что ничто в мире не может двигаться быстрее, даже космические тела, которые движутся довольно быстро.
К примеру, истребитель, Боинг Х-43, который превышает скорость звука практически в 10 раз (более 11 тысяч км/ч), летит медленнее, чем луч. Последний движется более, чем на 96 тысяч километров в час быстрее.
Как измеряли скорость света?
Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.
Измерение скорости света
Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.
Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.
Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.
Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.
Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.
Как измеряли скорость света?
Опыт Рёмера и Брэдли
Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.
Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.
Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.
В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.
Опыт Физо
Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.
Опыт Физо
Принцип опыта прост. Луч света был направлен 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, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.
Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.
Возможна ли сверхсветовая скорость?
Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.
Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.
Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.