Хотя в обыденной жизни редко кому приходится непосредственно рассчитывать, чему равна скорость света, интерес к данному вопросу проявляется еще в детстве. Удивительно, но все мы ежедневно сталкиваемся с признаком константы скорости распространения электромагнитных волн. Скорость света - это фундаментальная величина, благодаря которой вся Вселенная существует именно в том виде, какой мы ее знаем.
Наверняка, каждый, наблюдая в детстве за вспышкой молнии и последующим за ней раскатом грома, пытался понять, чем вызвана задержка между первым и вторым явлением. Несложные мысленные рассуждения быстро приводили к закономерному выводу: скорость света и звука различна. Это первое знакомство с двумя важными физическими величинами. Впоследствии кто-то получал необходимые знания и мог легко объяснить происходящее. Что же является причиной странного поведения грома? Ответ заключается в том, что скорость света, составляющая около 300 тыс. км/с, почти в миллион раз превышает скорость распространения в воздухе (330 м/с). Поэтому человек сначала видит от молнии и лишь через время слышит грохот грома. Например, если от эпицентра до наблюдателя 1 км, то свет преодолеет это расстояние за 3 микросекунды, а вот звуку понадобится целых 3 с. Зная скорость света и время задержки между вспышкой и громом, можно вычислить расстояние.
Попытки измерить ее предпринимались давно. Сейчас довольно забавно читать о проводимых экспериментах, однако, в те далекие времена, до появления точных приборов, все было более чем серьезно. При попытках узнать, какова скорость света, был проведен один интересный опыт. С одного конца вагона быстро перемещающегося поезда находился человек с точным хронометром, а с противоположной стороны его помощник по команде открывал заслонку лампы. Согласно задумке, хронометр должен был позволить определить скорость распространения фотонов света. Причем благодаря смене позиций лампы и хронометра (при сохраняющемся направлении движения поезда), удалось бы узнать, постоянна ли скорость света, или ее можно увеличить/уменьшить (в зависимости от направления луча, теоретически, быстрота движения поезда могла бы влиять на измеряемую в эксперименте скорость). Конечно, опыт не удался, так как скорость света и регистрация хронометром несопоставима.
Впервые максимально точное измерение было выполнено в 1676 году благодаря наблюдениям за Олаф Ремер обратил внимание, что реальное появление Ио и расчетные данные различались на 22 минуты. Когда планеты сближались, задержка уменьшалась. Зная расстояние, удалось вычислить скорость света. Она составила около 215 тыс. км/с. Затем, в 1926 году, Д. Бредли, изучая изменение видимых положений звезд (аберрацию), обратил внимание на закономерность. Точка размещения звезды менялась в зависимости от времени года. Следовательно, влияние оказывало положение планеты относительно Солнца. Можно привести аналогию - капли дождя. Без ветра они летят вертикально вниз, но стоит побежать - и их видимая траектория изменяется. Зная скорость вращения планеты вокруг Солнца, удалось вычислить скорость света. Она составила 301 тыс. км/с.
В 1849 году А. Физо провел следующий опыт: между источником света и зеркалом, удаленным на 8 км, находилось вращающееся Скорость его вращения увеличивали до тех пор, пока в следующем зазоре поток отраженного света не превращался в постоянный (немерцающий). Расчеты дали 315 тыс. км/с. Через три года Л. Фуко вращающимся зеркалом и получил 298 тыс. км/с.
Последующие опыты становились все точнее, учитывая преломление в воздухе и пр. В настоящее время актуальными считаются данные, полученные с помощью цезиевых часов и лазерного луча. Согласно им, равна 299 тыс. км/с.
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.
Человека всегда интересовала природа света, о чем свидетельствуют мифы, легенды, дошедшие до нас философские споры и научные наблюдения. Свет всегда был поводом для дискуссий древних философов, а попытки его изучения предпринимались еще во времена возникновения эвклидовой геометрии - за 300 лет до н.э. Уже тогда было известно о прямолинейности распространения света, равенстве углов падения и отражения, явлении преломления света, обсуждались причины возникновения радуги. Аристотель считал, что скорость света бесконечно велика, а значит, логически рассуждая, и света не подлежит обсуждению. Типичный случай, когда проблема своей глубиной опережает эпоху понимания ответа.
Каких-то 900 лет назад Авиценна предположил, что какой бы большой ни была скорость света она, все-таки, имеет конечную величину. Такого мнения был не только он, но никому не удавалось доказать это экспериментально. Гениальный Галилео Галилей предложил эксперимент механистического понимания проблемы: два человека, стоящие на расстоянии нескольких километров друг от друга, подают сигналы, открывая заслонку фонаря. Как только второй участник увидит свет от первого фонаря, он открывает свою заслонку и первый участник фиксирует время получения ответного светового сигнала. Затем расстояние увеличивается и все повторяется. Ожидалось зафиксировать увеличение задержки и на этой основе выполнить расчет скорости света. Эксперимент закончился ничем, потому как «все было не внезапно, но чрезвычайно быстро».
Первым измерил скорость света в вакууме в 1676 году астроном Оле Ремер - он воспользовался открытием Галилея: тот обнаружил в 1609 году четыре у которых в течение полугода разница времени между двумя затмениями спутника составляла 1320 секунд. Пользуясь астрономическими сведениями своего времени Ремер получил значение скорости света равным 222000 км в секунду. Потрясающим оказалось то, что сам метод измерения невероятно точен - применение ныне известных данных диаметра Юпитера и времени запаздывания затемнения спутника дает скорость света в вакууме, на уровне современных значений, полученных другими способами.
Поначалу к опытам Ремера была только одна претензия - необходимо было провести измерения земными средствами. Прошло почти 200 лет, и Луи Физо построил остроумную установку, в которой луч света отражался от зеркала на расстоянии более 8 км и приходил обратно. Тонкость была в том, что он проходил по дороге туда-обратно через впадины зубчатого колеса, и если скорость вращения колеса увеличивать, то настанет момент, когда свет перестанет быть виден. Остальное - дело техники. Результат измерения - 312000 км в секунду. Мы сейчас видим, что Физо был еще ближе к истине.
Следующий шаг в измерении скорости света сделал Фуко, который заменил зубчатое колесо Это позволило уменьшить габариты установки и увеличить точность измерения до 288000 км в секунду. Не меньшей важности был и проделанный Фуко эксперимент, в котором он определил скорость света в среде. Для этого между зеркалами установки была помещена труба с водой. В этом опыте было установлено уменьшение скорости света при его распространении в среде в зависимости от коэффициента преломления.
Во второй половине 19-го века наступило время Майкельсона, который посвятил 40 лет своей жизни измерениям в области света. Венцом его работы стала установка, на которой он измерил скорость света в вакууме используя вакуумированную металлическую трубу длиной более полутора километров. Другим фундаментальным достижением Майкельсона было доказательство того факта, что для любой длины волны скорость света в вакууме одинаковая и в качестве современного эталона составляет 299792458+/- 1.2 м/c. Такие измерения проводились на основании уточненных значений эталонного метра, определение которого утверждено с 1983 г. в качестве международного стандарта.
Мудрый Аристотель был неправ, но чтобы это доказать понадобилось почти 2000 лет.
Скорость света в различных средах различается значительно. Сложность состоит в том, что человеческий глаз не видит его во всем спектральном диапазоне. Природа происхождения световых лучей интересовала ученых еще в древности. Первые попытки расчета скорости света были предприняты еще за 300 лет до н.э. В тот период ученые определили, что волна распространяется по прямой линии.
Быстрый ответ
Им удалось описать математическими формулами свойства и света и траекторию его движения. стала известной через 2 тысячи лет после проведения первых исследований.
Что такое световой поток?
Световой луч представляет собой электромагнитную волну в сочетании с фотонами. Под фотонами понимают простейшие элементы, которые также называют квантами электромагнитного излучения. Световой поток во всех спектрах невидим. Он не перемещается в пространстве в традиционном понимании этого слова. Для описания состояния электромагнитной волны с квантовыми частицами введено понятие показателя преломления оптической среды.
Световой поток переносится в пространстве в виде луча с малым поперечным сечением. Способ движения в пространстве выведен геометрическими методами. Это прямолинейный пучок, который на границе с различными средами начинает преломляться, формируя криволинейную траекторию. Ученые доказали, что максимальная скорость создается в вакууме, в других средах скорость движения может различаться в разы. Учеными разработана система, световой луч и выведенная величина в которой является основной для выведения и отсчета некоторых единиц СИ.
Немного исторических фактов
Примерно около 900 лет назад Авиценой было выдвинуто предположение, что независимо от номинала величины скорость света имеет конечное значение. Галилео Галилей пытался опытным путем вычислить скорость светового потока. С помощью двух фонариков экспериментаторы пытались засечь время, за которое световой пучок от одного объекта будет виден другому. Но такой эксперимент выявился неудачным. Скорость оказалась столь высока, что им не удалось засечь время задержки.
Галилео Галилей обратил внимание на то, что у Юпитера промежуток между затмениями четырех его спутников составил 1320 секунд. На основе этих открытий в 1676 году астроном из Дании Оле Ремер рассчитал скорость распространения светового пучка, как значение 222 тысячи км/сек. На тот период данное измерение было наиболее точным, но его не могли проверить земными мерками.
Через 200 лет Луизи Физо смог вычислить скорость движения светового луча опытным путем. Он создал специальную установку с зеркалом и зубчатым механизмом, который вращался на огромной скорости. Световой поток отражался от зеркала и через 8 км возвращался назад. При увеличении скорости колеса возникал тот момент, когда зубчатый механизм перекрывал луч. Таким образом, скорость луча была установлена, как 312 тысяч километров в секунду.
Фуко усовершенствовал это оборудование, уменьшив параметры за счет замены зубчатого механизма плоским зеркалом. У него точность измерений получилась наиболее приближенной к современному эталону и составила 288 тысяч метров в секунду. Фуко предпринял попытки рассчитать скорость света в инородной среде, взяв за основу воду. Физику удалось сделать вывод, что данная величина не постоянная и зависит от особенностей преломления в данной среде.
Вакуум представляет собой пространство, свободное от вещества. Скорость света в вакууме в системе Си обозначена латинской буквой C. Она является недостижимой. Ни один предмет нельзя разогнать до такого значения. Физики только предполагают, что может произойти с объектами, если они разгонятся до такой степени. Скорость распространения светового луча обладает постоянными характеристиками, она:
- постоянная и конечная;
- недостижимая и неизменная.
Знание этой константы позволяет вычислить, с какой максимальной скоростью объекты могут перемещаться в космосе. Величина распространения луча света признана фундаментальной постоянной. Она используется для характеристик пространства времени. Это предельно допустимое значение для движущихся частиц. Какая скорость света в вакууме? Современную величину получили посредством лабораторных измерений и математических подсчетов. Она равна 299.792.458 метров в секунду с точностью до ± 1,2 м/с . Во многих дисциплинах, в том числе в школьных, при решении задач используются приближенных вычисления. Берется показатель, равный 3 108 м/с.
Световые волны видимого человеку спектра и рентгеновские волны возможно разогнать до показаний, приближающихся до скорости распространения света. Они не могут сравняться с этой константой, а также превысить ее значение. Константа выведена на основе отслеживания поведения космических лучей в момент разгона их в специальных ускорителях. Она зависит от той инерциальной среды, в которой происходит распространение луча. В воде прохождение света ниже на 25%, а воздухе будет зависеть от температуры и давления на момент вычислений.
Все расчеты проведены с использованием теории относительности и закону причинности, выведенному Энштейном. Физик считает, что если объекты достигнут скорости 1 079 252 848,8 километров/час и превысят ее, то произойдут необратимые изменения в строении нашего мира, система поломается. Время начнет отсчитываться в обратном порядке, нарушая порядок событий.
На основе скорости светового луча выведено определение метра. Под ним понимают участок, который успевает пройти световой луч за 1/299792458 секунды. Не следует смешивать данное понятие с эталоном. Эталон метра - это специальное техническое устройство на кадмиевой основе со штриховкой, позволяющее видеть данное расстояние физически.
(в т. ч. световых); одна из фундам. физ. постоянных; представляет собой предельную скорость распространения любых физ. воздействий (см. Относительности теория )и инвариантна при переходе от одной системы отсчёта к другой.
С. с. в среде с" зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот v (Дисперсия света): . Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости света в среде, если речь идёт не о монохроматич. свете (для С. с. в вакууме эти две величины совпадают). Экспериментально определяя с" , всегда измеряют групповую С. с. либо т. н. с к о р о с т ь сигнала, или скорость передачи энергии, только в нек-рых спец. случаях не равную групповой.
Впервые С. с. определил в 1676 О. К. Рёмер (О. Ch. Roemer) по изменению
промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 её установил
Дж. Брадлей (J. Bradley), исходя из своих наблюдений аберрации света звёзд.
В 1849 А. И. Л. Физо (А. Н. L. Fizeau) первым измерил С. с. по времени
прохождения светом точно известного расстояния (базы); т. к. показатель
преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают
величину, весьма близкую к с. В опыте Физо пучок света от источника S
(рис. 1), отражённый полупрозрачным зеркалом N
, периодически
прерывался вращающимся зубчатым диском W
, проходил базу MN
(ок. 8 км) н, отразившись от зеркала М
, возвращался к диску. Попадая
на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами
свет можно было наблюдать через окуляр Е
. По известным скоростям
вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил
значение с = 313300 км/с В 1862 Ж. Б. Л. Фуко (J. В. L. Foucault)
реализовал высказанную в 1838 идею Д. Араго (D. Arago), применив вместо
зубчатого диска быстровращающееся (512 об/с) зеркало. Отражаясь от зеркала,
пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на это же
зеркало, успевшее повернуться на нек-рый малый угол (рис. 2). При базе
всего в 20 м Фуко нашёл, что С. с. равна 298000
500 км/с. Схемы и осн. идеи опытов Физо и Фуко были многократно использованы
в последующих работах по определению С. с. Полученное А. Майкельсоном (A.
Michelson) (см. Майкельсона опыт
)в 1926 значение
км/с было тогда самым точным и вошло в интернац. таблицы физ. величин.
Рис. 1. Определение скорости света методом Физо .
Рис. 2. Определение скорости света методом вращающегося зеркала (методом Фуко): S - источник света; R - быстровращающееся зеркало; С - неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения Я (поэтому свет, отражённый С, всегда попадает обратно на R); М-полупрозрачное зеркало; L - объектив; Е - окуляр; RС - точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RС и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отражённый пучок в точке S", а не вновь в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале Л. Скорость света устанавливают, измеряя смещение SS" .
Измерения С. с. в 19 в. сыграли большую роль в , дополнительно подтвердив волновую теорию света. Выполненное Фуко в 1850 сравнение С. с. одной и той же частоты v в воздухе и воде показало, что скорость в воде в соответствии с предсказанием волновой теории. Была также установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная С. с. совпала со скоростью эл--магн. волн, вычисленной из отношения эл--магн. и эл--статич. единиц электрич. заряда [опыты В. Вебера (W. Weber) и Ф. Кольрауша (F. Kohlrausch) в 1856 и последующие более точные измерения Дж. К. Максвелла (J. С. Maxwell)]. Это совпадение явилось одним из отправных пунктов при создании Максвеллом в 1864-73 эл--магн. теории света.
В совр. измерениях С. с. используется модернизиров. метод Физо (модуляц. метод) с заменой зубчатого колеса на эл--оптич., ., интерференционный или к--л. иной модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок (см. Модуляция света ).Приёмником излучения служит фотоэлемент пли фотоэлектронный умножитель .Применение лазера в качестве источника света, УЗ-модулятора со стабилизиров. частотой и повышение точности измерения длины базы позволили снизить погрешности измерений и получить значение км/с. Помимо прямых измерений С. с. по времени прохождения известной базы, широко применяются косвенные методы, дающие большую точность. Так, с помощью микроволнового вакуумиров. [К. Фрум (К. Froome), 1958] при длине волны излучения = 4 см получено значение км/с. С ещё меньшей погрешностью определяется С. с. как частное от деления независимо найденных и v атомарных или молекулярных спектральных линий . К. Ивенсон (К. Evenson) и его сотрудники в 1972 по цезиевому стандарту частоты (см. Квантовые стандарты частоты )нашли с точностью до 11-го знака частоту излучения СН 4 -лазера, а по криптоновому стандарту частоты - его длину волны (ок. 3,39 мкм) и получили ± 0,8 м/с. Решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным данным для науки и техники - КОДАТА (1973), проанализировавшей все имеющиеся данные, их достоверность и погрешность, С. с. в вакууме принято считать равной 299792458 ±1,2 м/с.
Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретич. плане и для определения значении др. физ. величин, но и для практич. целей. К ним, в частности, относится определение расстояний по времени прохождения радио-или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии , в системах слежения ИСЗ и др.
Лит.: Вафиади В. Г., Попов Ю. В., Скорость света и ее значение в науке и технике, Минск, 1970; Тейлор В., Паркер В., Лангенберг Д., Фундаментальные константы и квантовая , пер. с англ., М., 1972. А. М. Бонч-Бруевич .