Jak rychle se světlo šíří ve vakuu

Rychlost světla ve vakuu je ukazatel, který je ve fyzice široce používán a svého času umožnil řadu objevů a také vysvětlil podstatu mnoha jevů. Existuje několik důležitých bodů, které je třeba prostudovat, abychom porozuměli tématu a pochopili, jak a za jakých podmínek byl tento indikátor objeven.

Jaká je rychlost světla

Rychlost šíření světla ve vakuu je považována za absolutní hodnotu, odrážející rychlost šíření elektromagnetického záření. Je široce používán ve fyzice a má označení ve formě malého latinského písmene „s“ (říká „tse“).

Ve vakuu se rychlost světla používá k určení, jak rychle se pohybují různé částice.

Podle většiny výzkumníků a vědců je rychlost světla ve vakuu maximální možná rychlost pohybu částic a šíření různých druhů záření.

Pokud jde o příklady jevů, jsou to:

1. Viditelné světlo z jakéhokoli zdroj.
2. Všechny typy elektromagnetického záření (jako jsou rentgenové záření a rádiové vlny).
3. Gravitační vlny (zde se názory některých odborníků liší).

Mnoho druhů částic se může pohybovat blízko rychlosti světla, ale nikdy jí nedosáhnou.

Přesná hodnota rychlosti světla

Vědci se mnoho let pokoušeli zjistit, jaká je rychlost světla, ale přesná měření byla provedena v 70. letech minulého století. Nakonec ukazatel byl 299 792 458 m/s s maximální odchylkou +/-1,2 m. Dnes je to neměnná fyzikální jednotka, protože vzdálenost v metru je 1/299 792 458 sekundy, tak dlouho trvá, než světlo ve vakuu urazí 100 cm.

Vědecký vzorec pro určení rychlosti světla.

Pro zjednodušení výpočtů, indikátor je zjednodušen na 300 000 000 m/s (3×108 m/s). Zná to každý na kurzu fyziky ve škole, právě tam se v této podobě měří rychlost.

Základní role rychlosti světla ve fyzice

Tento ukazatel je jedním z hlavních, bez ohledu na to, který referenční systém je ve studii použit. Nezáleží na pohybu zdroje vlnění, což je také důležité.

Invariance byla postulována Albertem Einsteinem v roce 1905. Stalo se tak poté, co jiný vědec, Maxwell, který nenašel důkazy o existenci světélkujícího éteru, předložil teorii o elektromagnetismu.

Tvrzení, že kauzální účinek nelze přenášet rychlostí přesahující rychlost světla, je dnes považováno za zcela rozumné.

Mimochodem! Fyzici nepopírají, že některé z částic se mohou pohybovat rychlostí přesahující uvažovaný ukazatel. Nelze je však použít k přenosu informací.

Historické odkazy

Chcete-li porozumět rysům tématu a zjistit, jak byly určité jevy objeveny, měli byste studovat experimenty některých vědců. V 19. století došlo k mnoha objevům, které později pomohly vědcům, týkaly se především elektrického proudu a jevů magnetické a elektromagnetické indukce.

Experimenty Jamese Maxwella

Fyzikův výzkum potvrdil interakci částic na dálku. Následně to Wilhelmu Weberovi umožnilo vyvinout novou teorii elektromagnetismu. Maxwell také jasně stanovil fenomén magnetických a elektrických polí a určil, že se mohou navzájem generovat a vytvářet elektromagnetické vlny. Právě tento vědec začal jako první používat označení „s“, které dodnes používají fyzici po celém světě.

Díky tomu většina badatelů již tehdy začala hovořit o elektromagnetické povaze světla. Maxwell při studiu rychlosti šíření elektromagnetických vzruchů došel k závěru, že tento ukazatel se rovná rychlosti světla, svého času byl touto skutečností překvapen.

Díky Maxwellovu výzkumu vyšlo najevo, že světlo, magnetismus a elektřina nejsou samostatné pojmy. Společně tyto faktory určují povahu světla, protože jde o kombinaci magnetického a elektrického pole, které se šíří prostorem.

Schéma šíření elektromagnetických vln.

Michelson a jeho zkušenosti s dokazováním absolutnosti rychlosti světla

Na začátku minulého století většina vědců používala Galileův princip relativity, podle kterého se věřilo, že zákony mechaniky se nemění, bez ohledu na to, která vztažná soustava se používá. Zároveň by se ale podle teorie měla při pohybu zdroje měnit rychlost šíření elektromagnetických vln. To bylo v rozporu jak s postuláty Galilea, tak s Maxwellovou teorií, což byl důvod pro zahájení výzkumu.

V té době se většina vědců přikláněla k „teorii éteru“, podle níž ukazatele nezávisely na rychlosti jeho zdroje, hlavním určujícím faktorem byly vlastnosti prostředí.

Michelson zjistil, že rychlost světla nezávisí na směru měření.

Protože se Země pohybuje v kosmickém prostoru určitým směrem, bude se rychlost světla podle zákona o sčítání rychlostí při měření v různých směrech lišit. Michelson ale nenašel žádný rozdíl v šíření elektromagnetických vln, bez ohledu na to, kterým směrem byla měření provedena.

Éterová teorie nedokázala vysvětlit přítomnost absolutní hodnoty, což ještě lépe ukázalo její omyl.

Speciální teorie relativity Alberta Einsteina

Mladý vědec v té době představil teorii, která je v rozporu s představami většiny badatelů. Čas a prostor mají podle ní takové charakteristiky, které zajišťují neměnnost rychlosti světla ve vakuu bez ohledu na zvolenou vztažnou soustavu. To vysvětlilo neúspěšné Michelsonovy experimenty, protože rychlost šíření světla nezávisí na pohybu jeho zdroje.

[tds_council]Nepřímým potvrzením správnosti Einsteinovy ​​teorie byla „relativnost simultánnosti“, její podstata je znázorněna na obrázku.[/tds_council]

Příklad toho, jak poloha člověka ovlivňuje jeho vnímání šíření světla.

Jak se dříve měřila rychlost světla?

Mnoho pokusů o stanovení tohoto ukazatele bylo učiněno, ale vzhledem k nízké úrovni rozvoje vědy to bylo dříve problematické. Starověcí vědci tedy věřili, že rychlost světla je nekonečná, ale později mnoho badatelů o tomto postulátu pochybovalo, což vedlo k řadě pokusů o jeho určení:

1. Galileo používal baterky. Pro výpočet rychlosti šíření světelných vln byli se svým asistentem na kopcích, jejichž vzdálenost byla přesně určena. Poté jeden z účastníků otevřel lucernu, druhý musel udělat totéž, jakmile spatřil světlo. Ale tato metoda nepřinesla výsledky kvůli vysoké rychlosti šíření vln a neschopnosti přesně určit časový interval.
2. Olaf Roemer, astronom z Dánska, si při pozorování Jupiteru všiml rysu. Když byly Země a Jupiter na svých oběžných drahách v opačných bodech, bylo zatmění Io (měsíc Jupiteru) o 22 minut později ve srovnání se samotnou planetou. Na základě toho usoudil, že rychlost šíření světelných vln není nekonečná a má limit. Podle jeho výpočtů to bylo přibližně 220 000 km za sekundu.
   Určení rychlosti světla podle Roemera.
3. Přibližně ve stejném období objevil anglický astronom James Bradley fenomén světelné aberace, kdy vlivem pohybu Země kolem Slunce, stejně jako rotací kolem své osy, díky níž se poloha hvězd na obloze a vzdálenost k nim se neustále mění.Díky těmto vlastnostem hvězdy během každého roku popisují elipsu. Na základě výpočtů a pozorování astronom vypočítal rychlost, bylo to 308 000 km za vteřinu.
   aberace světla
4. Louis Fizeau byl první, kdo se rozhodl určit přesný ukazatel pomocí laboratorního experimentu. Instaloval sklo se zrcadlovým povrchem ve vzdálenosti 8633 m od zdroje, ale protože vzdálenost je malá, nebylo možné provést přesné časové výpočty. Poté vědec postavil ozubené kolo, které pravidelně zakrývalo světlo zuby. Změnou rychlosti kola Fizeau určil, jakou rychlostí světlo nestihlo proklouznout mezi zuby a vrátit se zpět. Podle jeho výpočtů byla rychlost 315 tisíc kilometrů za vteřinu.
   Zkušenosti Louise Fizeaua.

Měření rychlosti světla

To lze provést několika způsoby. Nemá cenu je podrobně rozebírat, každý bude vyžadovat samostatnou recenzi. Proto je nejjednodušší porozumět odrůdám:

1. Astronomická měření. Zde se nejčastěji používají metody Roemera a Bradleyho, protože prokázaly svou účinnost a vlastnosti vzduchu, vody a další vlastnosti prostředí neovlivňují výkon. V podmínkách vesmírného vakua se přesnost měření zvyšuje.
2. dutinová rezonance nebo dutinový efekt - tak se nazývá fenomén nízkofrekvenčních stojatých magnetických vln, které vznikají mezi povrchem planety a ionosférou. Pomocí speciálních vzorců a údajů z měřicích zařízení není obtížné vypočítat hodnotu rychlosti částic ve vzduchu.
3. Interferometrie - soubor výzkumných metod, při kterých se tvoří více druhů vln.To má za následek interferenční efekt, který umožňuje provádět četná měření jak elektromagnetických, tak akustických vibrací.

Pomocí speciálního zařízení lze měření provádět bez použití speciálních technik.

Je možná nadsvětelná rychlost?

Na základě teorie relativity přebytek indikátoru fyzikálními částicemi porušuje princip kauzality. Díky tomu je možné přenášet signály z budoucnosti do minulosti a naopak. Teorie ale zároveň nepopírá, že mohou existovat částice, které se pohybují rychleji, a přitom interagují s běžnými látkami.

Tento typ částic se nazývá tachyony. Čím rychleji se pohybují, tím méně energie nesou.

Videolekce: Fizeauův experiment. Měření rychlosti světla. třída fyziky 11.

Rychlost světla ve vakuu je konstantní hodnota, na ní je založeno mnoho jevů ve fyzice. Jeho definice se stala novým milníkem ve vývoji vědy, protože umožnila vysvětlit mnoho procesů a zjednodušila řadu výpočtů.