Світло - одне з ключових понять оптичної фізики. Світло є електромагнітним випромінюванням, доступним людському оку.
Довгі десятиліття найкращі уми билися над проблемою визначення, з якою швидкістю рухається світло і чому вона дорівнює, а також усіх супутніх розрахунків. У 1676 у колі фізиків відбулася революція. Данський астроном, на ім'я Оле Ремер, спростував твердження, що світло поширюється всесвітом з необмеженою швидкістю.
В 1676 Оле Ремер визначив, що швидкість світла у вакуумі становить 299792458 м/с.
Для зручності цю цифру почали округлювати. Номіналом, що дорівнює 300000 м/c, користуються досі.
Це правило в звичайних для нас умовах стосується всіх об'єктів без винятку, у тому числі рентгенівських променів, світлових і гравітаційних хвиль відчутного для наших очей спектру.
Сучасні фізики, що вивчають оптику, довели, що значення швидкості світла має декілька характеристик:
- сталість;
- недосяжність;
- кінцівка.
Швидкість світла у різних середовищах
Слід пам'ятати, що фізична константа безпосередньо залежить від навколишнього середовища, особливо від показника заломлення. У зв'язку з цим точна величина здатна змінюватись, адже вона обумовлена частотами.
Формула обчислення швидкості світла записується як з = 3 * 10^8 м/с.
(У т. ч. світлових); одна з фундам. фіз. постійних; є граничною швидкістю поширення будь-яких фіз. впливів (див. Відносності теорія)і інваріантна при переході від однієї системи відліку до іншої.
С. с. у середовищі с"залежить від показника заломлення середовища n, різного для різних частот v ( Дисперсія світла):. Ця залежність призводить до відмінності груповий швидкостівід фазової швидкостісвітла в середовищі, якщо мова йде не про монохроматич. світлі (для С. с. у вакуумі ці дві величини збігаються). Експериментально визначаючи с", завжди вимірюють групову С. с. або т.з. скорість сигналу, або швидкість передачі енергії, тільки в деяких спец. випадках не дорівнює груповій.
Вперше С. с. визначив у 1676 О. К. Ремер (О. Ch. Roemer) щодо зміни проміжків часу між затемненнями супутників Юпітера. У 1728 її встановив Дж. Брадлей (J. Bradley), виходячи зі своїх спостережень аберації світла зірок. У 1849 А. І. Л. Фізо (А. Н. L. Fizeau) першим виміряв С. с. за часом проходження світлом точно відомої відстані (бази); Оскільки показник заломлення повітря дуже мало відрізняється від 1, то наземні виміри дають величину, дуже близьку до с. У досвіді Фізо пучок світла від джерела S(рис. 1), відбитий напівпрозорим дзеркалом N, періодично переривався обертовим зубчастим диском W, проходив базу MN(бл. 8 км) н, відбившись від дзеркала М, повертався до диска Потрапляючи на зубець, світло не досягало спостерігача, а світло, що потрапило в проміжок між зубцями, можна було спостерігати через окуляр. Е. За відомими швидкостями обертання диска визначався час проходження світлом бази. Фізо отримав значення з = 313300 км/с. с) дзеркало. Відбиваючись від дзеркала, пучок світла прямував на базу і після повернення знову потрапляв на це ж дзеркало, що встигло повернутися на деякий малий кут (рис. 2). При базі всього 20 м Фуко знайшов, що С. с. дорівнює 298 000 500 км/с. Схеми та осн. ідеї дослідів Фізо та Фуко були багаторазово використані в наступних роботах з визначення С. с. Отримане А. Майкельсон (A. Michelson) (див. Майкельсон досвід) У 1926 значення км/с було тоді найточнішим і увійшло інтернац. таблиці фіз. величин.
Мал. 1. Визначення швидкості світла методом Фізо.
Мал. 2. Визначення швидкості світла методом дзеркала, що обертається (методом Фуко): S - джерело світла; R - дзеркало, що швидко обертається; З - нерухоме увігнуте дзеркало, центр якого збігається з віссю обертання Я (тому світло, відбите З, завжди потрапляє назад на R); М-напівпрозоре дзеркало; L – об'єктив; Е – окуляр; RС - точно виміряна відстань (база). Пунктиром показано положення R, що змінилося під час проходження світлом шляху RС і назад, і зворотний хід пучка променів через об'єктив L, який збирає відбитий пучок у точці S", а не знову в точці S, як це було б при нерухомому дзеркалі Л. Швидкість світла встановлюють, вимірюючи зсув SS".
Вимірювання С. с. у 19 ст. зіграли велику роль у , додатково підтвердивши хвильову теорію світла. Виконане Фуко в 1850 р. порівняння С. с. однієї і тієї ж частоти v в повітрі та воді показало, що швидкість у воді відповідно до передбачення хвильової теорії. Було також встановлено зв'язок оптики з теорією електромагнетизму: виміряна С. с. збіглася зі швидкістю ел-магн. хвиль, обчисленої з відношення ел-магн. і ел-статич. одиниць електрич. заряду [досвіди В. Вебера (W. Weber) та Ф. Кольрауша (F. Kohlrausch) у 1856 та наступні більш точні виміри Дж. К. Максвелла (J. С. Maxwell)]. Цей збіг став одним із відправних пунктів при створенні Максвеллом в 1864-73 ел-магн. теорії світла.
У совр. вимірах С. с. використовується модернізація. метод Фізо (модуляц. метод) із заміною зубчастого колеса на ел-оптич., ., інтерференційний або к--л. інший модулятор світла, що повністю перериває або послаблює світловий пучок (див. Модуляція світла).Приймачем випромінювання служить фотоелемент плі фотоелектронний помножувач. Застосування лазераяк джерело світла, УЗ-модулятора зі стабілізаторів. частотою та підвищення точності вимірювання довжини бази дозволили знизити похибки вимірювань та отримати значення км/с. Крім прямих вимірів С. с. за часом проходження відомої бази широко застосовуються непрямі методи, що дають велику точність. Так, за допомогою мікрохвильового вакуумування. [К. Фрум (К. Froome), 1958] за довжини хвилі випромінювання = 4 см отримано значення км/с. Із ще меншою похибкою визначається С. с. як приватне від поділу незалежно знайдених і атомарних або v молекулярних спектральних ліній. К. Івенсон (К. Evenson) та його співробітники в 1972 за цезієвим стандартом частоти (див. Квантові стандарти частоти) знайшли з точністю до 11-го знака частоту випромінювання СН 4 -лазера, а за криптоновим стандартом частоти - його довжину хвилі (бл. 3,39 мкм) і отримали ± 0,8 м/с. Рішенням Генеральної асамблеї Міжнародного комітету з чисельних даних для науки і техніки - КОДАТА (1973), що проаналізувала всі наявні дані, їх достовірність та похибка, С. с. у вакуумі прийнято вважати рівною 299792458 ±1,2 м/с.
Якомога точніше вимір величини з надзвичайно важливим у загальнотеоретич. плані і визначення значення др. фіз. величин, а й на практич. цілей. До них, зокрема, відноситься визначення відстаней за часом проходження радіо-або світлових сигналів радіолокації, оптичної локації, світлодіодометрії, у системах стеження ШСЗ та ін.
Літ.:Вафіаді Ст Р., Попов Ю. Ст, Швидкість світлата її значення у науці та техніці, Мінськ, 1970; Тейлор Ст, Паркер Ст, Лангенберг Д., Фундаментальні константи та квантова, пров. з англ., М., 1972. А. М. Бонч-Бруєвич.
Хоча у повсякденному житті рідко кому доводиться безпосередньо розраховувати, чому дорівнює швидкість світла, інтерес до цього питання проявляється ще дитинстві. Дивно, але ми щодня стикаємося з ознакою константи швидкості поширення електромагнітних хвиль. Швидкість світла - це фундаментальна величина, завдяки якій весь Всесвіт існує саме в тому вигляді, який ми його знаємо.
Напевно, кожен, спостерігаючи в дитинстві за спалахом блискавки і наступним за нею гуркотом грому, намагався зрозуміти, чим викликана затримка між першим і другим явищем. Нескладні уявні міркування швидко призводили до закономірного висновку: швидкість світла та звуку різна. Це перше знайомство із двома важливими фізичними величинами. Згодом хтось отримував необхідні знання і міг легко пояснити те, що відбувається. Що є причиною дивного поведінки грому? Відповідь у тому, що швидкість світла, що становить близько 300 тис. км/с, майже мільйон разів перевищує швидкість поширення повітря (330 м/с). Тому людина спочатку бачить від блискавки і лише згодом чує гуркіт грому. Наприклад, якщо від епіцентру до спостерігача 1 км, то світло подолає цю відстань за 3 мікросекунди, а от звуку знадобиться цілих 3 с. Знаючи швидкість світла та час затримки між спалахом та громом, можна обчислити відстань.
Спроби виміряти її робилися давно. Зараз досить забавно читати про експерименти, проте, в ті далекі часи, до появи точних приладів, все було більш ніж серйозно. При спробах дізнатися, яка швидкість світла, було проведено один цікавий досвід. З одного кінця вагона поїзда, що швидко переміщався, знаходилася людина з точним хронометром, а з протилежного боку його помічник по команді відкривав заслінку лампи. За задумом, хронометр мав дозволити визначити швидкість поширення фотонів світла. Причому завдяки зміні позицій лампи і хронометра (при збереженні напрямку руху поїзда), вдалося б дізнатися, чи постійна швидкість світла, чи її можна збільшити/зменшити (залежно від напрямку променя, теоретично, швидкість руху поїзда могла б впливати на швидкість, що вимірюється в експерименті ). Звичайно, досвід не вдався, оскільки швидкість світла та реєстрація хронометром непорівнянна.
Вперше максимально точний вимір було виконано в 1676 завдяки спостереженням за Олаф Ремер звернув увагу, що реальна поява Іо і розрахункові дані розрізнялися на 22 хвилини. Коли планети наближалися, затримка зменшувалася. Знаючи відстань, вдалося вирахувати швидкість світла. Вона становила близько 215 тис. км/с. Потім, у 1926 році, Д. Бредлі, вивчаючи зміну видимих положень зірок (аберацію), звернув увагу на закономірність. Точка розміщення зірки змінювалася залежно від пори року. Отже, вплив справляло становище планети щодо Сонця. Можна навести аналогію – краплі дощу. Без вітру вони летять вертикально вниз, але варто побігти – і їхня видима траєкторія змінюється. Знаючи швидкість обертання планети навколо Сонця, вдалося обчислити швидкість світла. Вона становила 301 тис. км/с.
У 1849 році А. Фізо провів наступний досвід: між джерелом світла і дзеркалом, віддаленим на 8 км, знаходилося Швидкість його обертання збільшували доти, поки в наступному зазорі потік відбитого світла не перетворювався на постійний (немиготливий). Розрахунки дали 315 тис. Км/с. Через три роки Л. Фуко дзеркалом, що обертається, і отримав 298 тис. км/с.
Наступні досліди ставали дедалі точнішими, враховуючи заломлення в повітрі та ін. В даний час актуальними вважаються дані, отримані за допомогою цезієвого годинника та лазерного променя. Відповідно до них, дорівнює 299 тис. км/с.
Обмеження швидкості на більшості автострад від 90 до 110 км. Хоча у вакуумі космічного простору немає дорожніх покажчиків, але й там є обмеження швидкості – це 10,8 млрд кілометрів на годину.
Найбільша швидкість у природі
Це найбільша швидкість світла у природі. Вчені зазвичай наводять швидкість світла за кілометри за секунду - 300 000 кілометрів за секунду. Світло складається з фотонів. Саме вони можуть літати з такою шаленою швидкістю.
Своєрідні частинки - фотони
Вчені називають фотони частинками. Але це дуже своєрідні частки. У них немає маси спокою, тобто у звичайному сенсі у них немає ваги. Важко собі уявити щось таке реальне, що було б чистою енергією і не містило б ні крихти речовини. Фотони є така реальність. порівняти граничну швидкість фотонів з тими швидкостями, які звикли вважати великими.
Космічний корабель, що летить зі швидкістю світла, для стороннього спостерігача не мав би лінійних розмірів. Візьмемо, наприклад, ракету "Піонер", побудовану для польотів за межами Сонячної системи. Так ось, покидаючи межі Сонячної системи, «Піонер» мав швидкість 60 кілометрів на секунду. Не погано! Відстань від Нью-Йорка до Сан-Франциско міг би покрити за півтори хвилини. Але в порівнянні зі швидкістю фотона в 300 000 кілометрів на секунду, швидкість «Піонера» виглядає просто черепашою. Або подивимося, з якою швидкістю переміщається у просторі Сонце.
Матеріали на тему:
Чому світять зірки?
Зате час, що ви читаєте цю пропозицію, Сонце, Земля та інші вісім планет нашої Сонячної системи мчать навколо Чумацького Шляху, як карусельні конячки, зі швидкістю 230 кілометрів на секунду (при цьому самі ми зовсім не помічаємо, що летимо з такою неймовірною швидкістю). Але ця величезна швидкість дуже мала в порівнянні зі швидкістю світла і становить близько одного відсотка.
Швидкість світла та предмети
Якщо розігнати звичайний предмет до світлової швидкості, з ним почнуть відбуватися незвичайні пригоди. При досягненні тілом таких швидкостей спостерігач відзначить зміну лінійних розмірів та маси предмета. Навіть час почне змінюватись. Космічний корабель, що летить зі швидкістю 90 відсотків швидкості світла, зменшиться у розмірі приблизно наполовину. При збільшенні швидкості він зменшуватиметься все сильніше і сильніше, поки при досягненні швидкості світла він не втратить свої лінійні розміри.
У 1676 році датський астроном Оле Ремер зробив першу грубу оцінку швидкості світла. Ремер помітив слабку розбіжність у тривалості затемнень супутників Юпітера і зробив висновок, що рух Землі, або наближається до Юпітера, або віддаляється від нього, змінювала відстань, що доводилося проходити світла, відбитому від супутників.
Вимірявши величину цієї розбіжності, Ромер підрахував, що швидкість світла становить 219 911 кілометрів на секунду. У пізнішому експерименті 1849 року французький фізик Арман Фізо отримав, що швидкість світла дорівнює 312873 кілометрів на секунду.
Як показано на малюнку вгорі, експериментальна установка Фізо складалася з джерела світла, напівпрозорого дзеркала, яке відображає тільки половину світла, що падає на нього, дозволяючи решті проходити далі обертового зубчастого колеса і нерухомого дзеркала. Коли світло потрапляло на напівпрозоре дзеркало, воно відбивалося на зубчасте колесо, яке поділяло світло на пучки. Пройшовши через систему лінз, що фокусують, кожен світловий пучок відбивався від нерухомого дзеркала і повертався назад до зубчастого колеса. Провівши точні вимірювання швидкості обертання, коли зубчасте колесо блокувало відбиті пучки, Физо зміг обчислити швидкість світла. Його колега Жан Фуко через рік удосконалив цей метод і отримав, що швидкість світла становить 297 878 кілометрів на секунду. Це значення мало відрізняється від сучасної величини 299792 кілометрів в секунду, яка обчислюється шляхом перемноження довжини хвилі і частоти лазерного випромінювання.
Експеримент Фізо
Як показано на малюнках вгорі, світло проходить вперед і повертається назад через той самий проміжок між зубцями колеса в тому випадку, якщо воно обертається повільно (нижній малюнок). Якщо колесо обертається швидко (верхній малюнок), сусідній зубець блокує світло, що повертається.
Результати Фізо
Розмістивши дзеркало на відстані 8,64 кілометра від зубчастого колеса, Фізо визначив, що швидкість обертання зубчастого колеса, необхідна для блокування світлового пучка, що повертається, становила 12,6 оборотів в секунду. Знаючи ці цифри, а також відстань, пройдену світлом, і відстань, яка мала пройти зубчасте колесо, щоб блокувати світловий пучок (рівну ширині проміжку між зубцями колеса), він обчислив, що світловому пучку знадобилося 0,000055 секунди на те, щоб пройти відстань від зубчастого колеса до дзеркала та назад. Розділивши на цей час загальну відстань 17,28 кілометра, пройдену світлом, Фізо отримав для його швидкості значення 312 873 кілометри на секунду.
Експеримент Фуко
У 1850 році французький фізик Жан Фуко вдосконалив техніку Фізо, замінивши зубчасте колесо на дзеркало, що обертається. Світло з джерела доходило до спостерігача тільки в тому випадку, коли дзеркало робило повний оборот на 360° за проміжок часу між відправленням та поверненням світлового променя. Використовуючи цей метод, Фуко отримав для швидкості світла значення 297 878 кілометрів на секунду.
Фінальний акорд у вимірах швидкості світла.
Винахід лазерів дало можливість фізикам виміряти швидкість світла з набагато більшою точністю, ніж будь-коли раніше. У 1972 році вчені з Національного інституту стандартів та технології ретельно виміряли довжину хвилі та частоту лазерного променя та зафіксували швидкість світла, добуток цих двох змінних, на величині 299792458 метрів за секунду (186282 милі за секунду). Одним із наслідків цього нового виміру було рішення Генеральної конференції заходів та ваги прийняти як еталонний метр (3,3 фута) відстань, яка світло проходить за 1/299792458 секунди. Таким чином/швидкість світла, найбільш важлива фундаментальна постійна у фізиці, зараз обчислюється з дуже високою достовірністю, а еталонний метр може бути визначений набагато точніше, ніж будь-коли раніше.