Lumină lentă. Viteza luminii într-un mediu

Doctor în Științe Tehnice A. GOLUBEV.

La jumătatea anului trecut, în reviste a apărut un reportaj senzațional. Un grup de cercetători americani a descoperit că un impuls laser foarte scurt se deplasează de sute de ori mai repede într-un mediu special selectat decât în ​​vid. Acest fenomen părea absolut incredibil (viteza luminii într-un mediu este întotdeauna mai mică decât în ​​vid) și chiar a dat naștere la îndoieli cu privire la validitatea teoriei relativității speciale. Între timp, un obiect fizic superluminal - un impuls laser într-un mediu de amplificare - a fost descoperit pentru prima dată nu în 2000, ci cu 35 de ani mai devreme, în 1965, iar posibilitatea mișcării superluminale a fost discutată pe larg până la începutul anilor '70. Astăzi, discuția despre acest fenomen ciudat a izbucnit cu o vigoare reînnoită.

Exemple de mișcare „superluminală”.

La începutul anilor 1960, impulsurile de lumină scurte de mare putere au început să fie obținute prin trecerea unui bliț laser printr-un amplificator cuantic (un mediu cu o populație inversă).

Într-un mediu de amplificare, regiunea inițială a unui impuls de lumină determină emisia stimulată de atomi în mediul de amplificare, iar regiunea sa finală determină absorbția de energie de către aceștia. Ca rezultat, observatorului i se va părea că pulsul se mișcă mai repede decât lumina.

Experimentul Lijun Wong.

Un fascicul de lumină care trece printr-o prismă dintr-un material transparent (cum ar fi sticla) este refractat, adică experimentează dispersie.

Un impuls de lumină este un set de oscilații de diferite frecvențe.

Probabil că toată lumea – chiar și oamenii departe de fizică – știe că viteza maximă posibilă de mișcare a obiectelor materiale sau de propagare a oricăror semnale este viteza luminii în vid. Este marcat cu litera Cuși este de aproape 300 de mii de kilometri pe secundă; valoare exacta Cu= 299 792 458 m/s. Viteza luminii în vid este una dintre constantele fizice fundamentale. Imposibilitatea de a atinge viteze depășite Cu, rezultă din teoria relativității speciale (SRT) a lui Einstein. Dacă ar fi posibil să se demonstreze că transmisia de semnale cu viteză superluminală este posibilă, teoria relativității ar cădea. Până acum, acest lucru nu s-a întâmplat, în ciuda numeroaselor încercări de a respinge interzicerea existenței unor viteze mai mari decât Cu. Cu toate acestea, studii experimentale recente au scos la iveală unele fenomene foarte interesante, indicând că în condiții special create este posibilă observarea vitezelor superluminale fără a încălca principiile teoriei relativității.

Pentru început, să reamintim principalele aspecte legate de problema vitezei luminii. În primul rând: de ce este imposibil (în condiții normale) să depășești limita de lumină? Pentru că atunci se încalcă legea fundamentală a lumii noastre - legea cauzalității, potrivit căreia efectul nu poate depăși cauza. Nimeni nu a observat vreodată că, de exemplu, un urs a căzut mai întâi mort, iar apoi un vânător împușcat. La viteze care depășesc Cu, succesiunea evenimentelor este inversată, banda de timp este rebobinată. Acest lucru se poate observa cu ușurință din următorul raționament simplu.

Să presupunem că ne aflăm pe o anumită navă minune cosmică care se mișcă mai repede decât lumina. Apoi vom ajunge treptat din urmă cu lumina emisă de sursă în momente din ce în ce mai timpurii. În primul rând, am ajunge din urmă cu fotonii emiși, să zicem, ieri, apoi - emiși alaltăieri, apoi - o săptămână, o lună, un an în urmă și așa mai departe. Dacă sursa de lumină ar fi o oglindă care reflectă viața, atunci am vedea mai întâi evenimentele de ieri, apoi alaltăieri și așa mai departe. Am putea vedea, să zicem, un bătrân care se transformă treptat într-un bărbat de vârstă mijlocie, apoi într-un tânăr, într-un tânăr, într-un copil... Adică timpul s-ar întoarce, am trece din prezent la trecutul. Cauza și efectul ar fi apoi inversate.

Deși acest argument ignoră complet detaliile tehnice ale procesului de observare a luminii, din punct de vedere fundamental demonstrează clar că mișcarea cu o viteză superluminală duce la o situație imposibilă în lumea noastră. Cu toate acestea, natura a stabilit condiții și mai stricte: mișcarea este de neatins nu numai la viteza superluminală, ci și la o viteză egală cu viteza luminii - poți doar să te apropii de ea. Din teoria relativității rezultă că, odată cu creșterea vitezei de mișcare, apar trei circumstanțe: masa unui obiect în mișcare crește, dimensiunea acestuia scade în direcția mișcării și trecerea timpului pe acest obiect încetinește (de la punctul de vedere al unui observator extern „odihnitor). La viteze obișnuite, aceste modificări sunt neglijabile, dar pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, ele devin din ce în ce mai vizibile, iar în limită - la o viteză egală cu Cu, - masa devine infinit de mare, obiectul își pierde complet dimensiunea în direcția mișcării și timpul se oprește asupra lui. Prin urmare, niciun corp material nu poate atinge viteza luminii. Doar lumina în sine are o asemenea viteză! (Și, de asemenea, particula „tot-penetrează” - neutrinul, care, ca și fotonul, nu se poate mișca cu o viteză mai mică decât Cu.)

Acum despre viteza de transmisie a semnalului. Aici este potrivit să folosim reprezentarea luminii sub formă de unde electromagnetice. Ce este un semnal? Acestea sunt câteva informații care trebuie transmise. O undă electromagnetică ideală este o sinusoidă infinită de strict o frecvență și nu poate transporta nicio informație, deoarece fiecare perioadă a unui astfel de sinusoid o repetă exact pe cea anterioară. Viteza cu care se mișcă faza undei sinusoidale - așa-numita viteză de fază - poate depăși viteza luminii în vid în anumite condiții. Nu există restricții aici, deoarece viteza de fază nu este viteza semnalului - nu există încă. Pentru a crea un semnal, trebuie să faceți un fel de „semn” pe val. Un astfel de marcaj poate fi, de exemplu, o modificare a oricăruia dintre parametrii undei - amplitudine, frecvență sau fază inițială. Dar de îndată ce se face marcajul, unda își pierde sinusoiditatea. Ea devine modulată, constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu diferite amplitudini, frecvențe și faze inițiale - un grup de unde. Viteza de mișcare a semnului în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului care caracterizează propagarea grupului de unde de mai sus în ansamblu (a se vedea „Știința și viața” nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului, este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este o coincidență că aici este folosită expresia „în condiții normale”, deoarece în unele cazuri viteza de grup poate depăși și Cu sau chiar pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagarii semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal la o viteză mai mare decât Cu.

De ce este așa? Deoarece obstacol în calea transmiterii oricărui semnal la o viteză mai mare decât Cu se aplică aceeași lege a cauzalității. Să ne imaginăm o astfel de situație. La un moment dat A, un fulger luminos (evenimentul 1) pornește un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar într-un punct la distanță B, sub acțiunea acestui semnal radio, are loc o explozie (evenimentul 2). Este clar că evenimentul 1 (flash) este cauza, iar evenimentul 2 (explozia) este efectul care apare mai târziu decât cauza. Dar dacă semnalul radio s-ar propaga cu o viteză superluminală, un observator în apropierea punctului B ar vedea mai întâi o explozie și abia apoi - aceasta a ajuns la el cu o viteză. Cu fulger de lumină, cauza exploziei. Cu alte cuvinte, pentru acest observator, evenimentul 2 s-ar fi petrecut înainte de evenimentul 1, adică efectul ar fi precedat cauza.

Este oportun să subliniem că „interdicția superluminală” a teoriei relativității se impune numai mișcării corpurilor materiale și transmiterii semnalelor. În multe situații este posibil să se deplaseze cu orice viteză, dar va fi mișcarea obiectelor nemateriale și a semnalelor. De exemplu, imaginați-vă două rigle destul de lungi situate în același plan, dintre care unul este situat orizontal, iar celălalt îl intersectează într-un unghi mic. Dacă prima linie este deplasată în jos (în direcția indicată de săgeată) cu viteză mare, punctul de intersecție al liniilor poate fi făcut să ruleze arbitrar rapid, dar acest punct nu este un corp material. Un alt exemplu: dacă luați o lanternă (sau, să zicem, un laser care dă un fascicul îngust) și descrieți rapid un arc în aer, atunci viteza liniară a punctului luminos va crește odată cu distanța și, la o distanță suficient de mare, va depăşi Cu. Punctul de lumină se va deplasa între punctele A și B la viteză superluminală, dar aceasta nu va fi o transmisie de semnal de la A la B, deoarece un astfel de punct de lumină nu conține nicio informație despre punctul A.

S-ar părea că problema vitezelor superluminale a fost rezolvată. Dar în anii 60 ai secolului XX, fizicienii teoreticieni au avansat ipoteza existenței particulelor superluminale, numite tahioni. Acestea sunt particule foarte ciudate: sunt posibile teoretic, dar pentru a evita contradicțiile cu teoria relativității, a trebuit să li se atribuie o masă imaginară de repaus. Masa imaginară fizic nu există, este o abstractizare pur matematică. Cu toate acestea, acest lucru nu a provocat prea multă îngrijorare, deoarece tahionii nu pot fi în repaus - ei există (dacă există!) numai la viteze care depășesc viteza luminii în vid, iar în acest caz masa tahionului se dovedește a fi reală. Există o analogie cu fotonii aici: un foton are masa de repaus zero, dar asta înseamnă pur și simplu că fotonul nu poate fi în repaus - lumina nu poate fi oprită.

Cel mai dificil lucru a fost, așa cum era de așteptat, să reconciliezi ipoteza tahionică cu legea cauzalității. Încercările făcute în această direcție, deși au fost destul de ingenioase, nu au dus la un succes evident. Nici nimeni nu a reușit să înregistreze experimental tahionii. Ca rezultat, interesul pentru tahioni ca particule elementare superluminale a dispărut treptat.

Cu toate acestea, în anii 60, s-a descoperit experimental un fenomen care i-a dus la început pe fizicieni în confuzie. Acest lucru este descris în detaliu în articolul lui A. N. Oraevsky „Superluminal waves in amplifying media” (UFN nr. 12, 1998). Aici rezumăm pe scurt esența problemei, trimițând cititorul interesat de detalii la articolul menționat.

La scurt timp după descoperirea laserelor, la începutul anilor 1960, a apărut problema obținerii unor impulsuri de lumină scurte (cu o durată de ordinul a 1 ns = 10 -9 s) de mare putere. Pentru a face acest lucru, un scurt impuls laser a fost trecut printr-un amplificator cuantic optic. Pulsul a fost împărțit de o oglindă de divizare a fasciculului în două părți. Unul dintre ele, mai puternic, a fost trimis la amplificator, iar celălalt s-a propagat în aer și a servit drept impuls de referință, cu care a fost posibil să se compare pulsul care a trecut prin amplificator. Ambele impulsuri au fost transmise fotodetectorilor, iar semnalele lor de ieșire au putut fi observate vizual pe ecranul osciloscopului. Era de așteptat ca impulsul de lumină care trece prin amplificator să experimenteze o oarecare întârziere în comparație cu impulsul de referință, adică viteza de propagare a luminii în amplificator să fie mai mică decât în ​​aer. Care a fost uimirea cercetătorilor când au descoperit că pulsul se propaga prin amplificator cu o viteză nu numai mai mare decât cea în aer, ci și de câteva ori mai mare decât viteza luminii în vid!

După ce și-au revenit din primul șoc, fizicienii au început să caute motivul unui rezultat atât de neașteptat. Nimeni nu a avut nici cea mai mică îndoială cu privire la principiile teoriei speciale a relativității și tocmai acesta este ceea ce a ajutat la găsirea explicației corecte: dacă principiile SRT sunt păstrate, atunci răspunsul ar trebui căutat în proprietățile mediului de amplificare. .

Fără să intrăm în detalii aici, menționăm doar că o analiză detaliată a mecanismului de acțiune a mediului de amplificare a clarificat complet situația. Ideea a fost o modificare a concentrației de fotoni în timpul propagării pulsului - o schimbare datorată unei modificări a câștigului mediului până la o valoare negativă în timpul trecerii părții din spate a pulsului, când mediul este deja absorbind energie, deoarece propria sa rezervă a fost deja epuizată datorită transferului ei către pulsul luminos. Absorbția nu provoacă o creștere, ci o scădere a impulsului și astfel impulsul este întărit în față și slăbit în spate. Să ne imaginăm că observăm pulsul cu ajutorul unui instrument care se mișcă cu viteza luminii în mediul unui amplificator. Dacă mediul ar fi transparent, am vedea un impuls înghețat în imobilitate. În mediul în care are loc procesul menționat mai sus, întărirea marginii de atac și slăbirea marginii de fugă a pulsului vor apărea observatorului în așa fel încât mediul, așa cum ar fi, a mutat pulsul înainte. . Dar din moment ce dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar impulsul îl depășește, atunci viteza impulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici chiar nu există nicio contradicție cu teoria relativității: doar că procesul de amplificare este de așa natură încât concentrația de fotoni care au ieșit mai devreme se dovedește a fi mai mare decât cei care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci anvelopa pulsului, în special maximul său, care se observă pe osciloscop.

Astfel, în timp ce în mediile obișnuite există întotdeauna o slăbire a luminii și o scădere a vitezei acesteia, determinate de indicele de refracție, în mediile active cu laser, se observă nu doar amplificarea luminii, ci și propagarea unui impuls cu viteză superluminală.

Unii fizicieni au încercat să demonstreze experimental prezența mișcării superluminale în efectul tunel, unul dintre cele mai uimitoare fenomene din mecanica cuantică. Acest efect constă în faptul că o microparticulă (mai precis, un microobiect care prezintă atât proprietățile unei particule, cât și proprietățile unei unde în diferite condiții) este capabilă să pătrundă așa-numita barieră de potențial - un fenomen care este complet imposibil. în mecanica clasică (în care o astfel de situație ar fi analogă: o minge aruncată într-un perete ar ajunge pe cealaltă parte a peretelui, sau mișcarea ondulatorie dată de o frânghie legată de perete s-ar transmite unei frânghii legate de perete). peretele de pe cealaltă parte). Esența efectului de tunel în mecanica cuantică este următoarea. Dacă un micro-obiect cu o anumită energie întâlnește în drum o zonă cu o energie potențială care depășește energia micro-obiectului, această zonă este o barieră pentru el, a cărei înălțime este determinată de diferența de energie. Dar micro-obiectul „se scurge” prin barieră! Această posibilitate îi este dată de cunoscuta relație de incertitudine Heisenberg, scrisă pentru energia și timpul de interacțiune. Dacă interacțiunea micro-obiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de cert, atunci energia micro-obiectului, dimpotrivă, va fi caracterizată de incertitudine, iar dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, atunci acesta din urmă încetează să mai fie un obstacol de netrecut pentru micro-obiect. Este rata de penetrare prin bariera potențială care a devenit subiectul cercetării unui număr de fizicieni care cred că poate depăși Cu.

În iunie 1998, la Köln a avut loc un simpozion internațional despre problemele mișcărilor superluminale, unde au fost discutate rezultatele obținute în patru laboratoare - la Berkeley, Viena, Köln și Florența.

Și în sfârșit, în 2000, au fost raportate două noi experimente în care au apărut efectele propagării superluminale. Una dintre ele a fost realizată de Lijun Wong și colegii de muncă la un institut de cercetare din Princeton (SUA). Rezultatul său este că un impuls de lumină care intră într-o cameră plină cu vapori de cesiu își mărește viteza cu un factor de 300. S-a dovedit că partea principală a pulsului părăsește peretele îndepărtat al camerei chiar înainte ca pulsul să intre în cameră prin peretele frontal. O astfel de situație contrazice nu numai bunul simț, ci, în esență, și teoria relativității.

Raportul lui L. Wong a provocat discuții intense în rândul fizicienilor, dintre care majoritatea nu sunt înclinați să vadă în rezultatele obținute o încălcare a principiilor relativității. Provocarea, cred ei, este de a explica corect acest experiment.

În experimentul lui L. Wong, pulsul de lumină care intră în cameră cu vapori de cesiu a avut o durată de aproximativ 3 μs. Atomii de cesiu pot fi în șaisprezece stări posibile de mecanică cuantică, numite „subniveluri magnetice hiperfine ale stării fundamentale”. Folosind pomparea cu laser optic, aproape toți atomii au fost aduși la doar una dintre aceste șaisprezece stări, corespunzătoare temperaturii aproape zero absolute pe scara Kelvin (-273,15 o C). Lungimea camerei de cesiu a fost de 6 centimetri. În vid, lumina parcurge 6 centimetri în 0,2 ns. După cum au arătat măsurătorile, pulsul de lumină a trecut prin camera cu cesiu într-un timp cu 62 ns mai scurt decât în ​​vid. Cu alte cuvinte, timpul de tranzit al unui puls printr-un mediu de cesiu are semnul „minus”! Într-adevăr, dacă scădem 62 ns din 0,2 ns, obținem un timp „negativ”. Această „întârziere negativă” în mediu – un salt de timp de neînțeles – este egală cu timpul în care pulsul ar face 310 treceri prin cameră în vid. Consecința acestei „inversări de timp” a fost că impulsul care părăsește camera a reușit să se îndepărteze de ea cu 19 metri înainte ca impulsul de intrare să ajungă la peretele apropiat al camerei. Cum poate fi explicată o situație atât de incredibilă (cu excepția cazului în care, desigur, nu există nicio îndoială cu privire la puritatea experimentului)?

Judecând după discuția în desfășurare, încă nu a fost găsită o explicație exactă, dar nu există nicio îndoială că proprietățile neobișnuite de dispersie ale mediului joacă un rol aici: vaporii de cesiu, constând din atomi excitați de lumina laser, este un mediu cu dispersie anormală. . Să ne amintim pe scurt despre ce este vorba.

Dispersia unei substanțe este dependența de indicele de refracție de fază (obișnuit). n pe lungimea de undă a luminii l. Cu dispersia normală, indicele de refracție crește odată cu scăderea lungimii de undă, iar acesta este cazul în sticlă, apă, aer și toate celelalte substanțe transparente la lumină. În substanțele care absorb puternic lumina, cursul indicelui de refracție se inversează cu o modificare a lungimii de undă și devine mult mai abruptă: cu o scădere a l (o creștere a frecvenței w), indicele de refracție scade brusc și într-un anumit interval de lungimi de undă. devine mai mică decât unitatea (viteza de fază V f > Cu). Aceasta este dispersia anormală, în care modelul de propagare a luminii într-o substanță se schimbă radical. viteza de grup V cp devine mai mare decât viteza de fază a undelor și poate depăși viteza luminii în vid (și, de asemenea, devine negativă). L. Wong indică această împrejurare drept motivul care stă la baza posibilității de a explica rezultatele experimentului său. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că condiția V gr > Cu este pur formal, deoarece conceptul de viteză de grup a fost introdus pentru cazul dispersiei mici (normale), pentru medii transparente, când un grup de unde aproape că nu își schimbă forma în timpul propagării. În regiunile de dispersie anormală, totuși, pulsul luminos este rapid deformat și conceptul de viteză de grup își pierde sensul; in acest caz se introduc conceptele de viteza semnalului si viteza de propagare a energiei, care in mediile transparente coincid cu viteza de grup, in timp ce in mediile cu absorbtie raman mai mici decat viteza luminii in vid. Dar iată ce este interesant la experimentul lui Wong: un impuls de lumină, care trece printr-un mediu cu dispersie anormală, nu se deformează - își păstrează exact forma! Și aceasta corespunde ipotezei că impulsul se propagă cu viteza grupului. Dar dacă da, atunci se dovedește că nu există absorbție în mediu, deși dispersia anormală a mediului se datorează tocmai absorbției! Wong însuși, recunoscând că multe rămân neclare, crede că ceea ce se întâmplă în configurația sa experimentală poate fi explicat clar ca o primă aproximare, după cum urmează.

Un impuls de lumină este format din mai multe componente cu lungimi de undă (frecvențe) diferite. Figura prezintă trei dintre aceste componente (valuri 1-3). La un moment dat, toate cele trei unde sunt în fază (maximele lor coincid); aici ei, adunându-se, se întăresc reciproc și formează un impuls. Pe măsură ce undele se propagă mai departe în spațiu, ele sunt defazate și astfel se „sting” unele pe altele.

În regiunea de dispersie anormală (în interiorul celulei de cesiu), unda care a fost mai scurtă (unda 1) devine mai lungă. În schimb, valul care a fost cel mai lung dintre cele trei (unda 3) devine cel mai scurt.

În consecință, fazele undelor se schimbă și ele în consecință. Când undele au trecut prin celula de cesiu, fronturile lor de undă sunt restaurate. După ce au suferit o modulare de fază neobișnuită într-o substanță cu dispersie anormală, cele trei unde considerate se regăsesc din nou în fază la un moment dat. Aici se adună din nou și formează un puls de exact aceeași formă cu cel care intră în mediul de cesiu.

De obicei, în aer, și într-adevăr în orice mediu transparent normal dispersiv, un impuls luminos nu își poate menține forma cu acuratețe atunci când se propagă pe o distanță îndepărtată, adică toate componentele sale nu pot fi în fază în niciun punct îndepărtat de-a lungul căii de propagare. Și în condiții normale, un impuls de lumină într-un astfel de punct îndepărtat apare după ceva timp. Cu toate acestea, din cauza proprietăților anormale ale mediului utilizat în experiment, pulsul din punctul îndepărtat s-a dovedit a fi fazat în același mod ca la intrarea în acest mediu. Astfel, pulsul luminos se comportă ca și cum ar fi avut o întârziere negativă în drumul său către un punct îndepărtat, adică ar fi ajuns la el nu mai târziu, ci mai devreme decât a trecut de mediu!

Majoritatea fizicienilor sunt înclinați să asocieze acest rezultat cu apariția unui precursor de intensitate scăzută în mediul dispersiv al camerei. Faptul este că în descompunerea spectrală a pulsului, spectrul conține componente de frecvențe arbitrar înalte cu amplitudine neglijabilă, așa-numitul precursor, care merge înaintea „partea principală” a pulsului. Natura stabilirii și forma precursorului depind de legea dispersiei în mediu. Având în vedere acest lucru, succesiunea evenimentelor din experimentul lui Wong se propune să fie interpretată după cum urmează. Valul care vine, „întinde” prevestitorul în fața sa, se apropie de cameră. Înainte ca vârful undei de intrare să lovească peretele apropiat al camerei, precursorul inițiază apariția unui impuls în cameră, care ajunge la peretele îndepărtat și este reflectat din acesta, formând o „undă inversă”. Acest val, se propagă de 300 de ori mai repede Cu, ajunge la peretele apropiat și întâlnește valul de intrare. Vârfurile unui val se întâlnesc cu jgheaburile altuia, astfel încât se anulează reciproc și nu rămâne nimic. Se pare că valul de intrare „returnează datoria” atomilor de cesiu, care i-au „împrumutat” energie la celălalt capăt al camerei. Cineva care urmărea doar începutul și sfârșitul experimentului ar vedea doar un puls de lumină care „sărea” înainte în timp, mișcându-se mai repede Cu.

L. Wong crede că experimentul său nu este în concordanță cu teoria relativității. Declarația despre imposibilitatea vitezei superluminale, crede el, este aplicabilă numai obiectelor cu o masă de repaus. Lumina poate fi reprezentată fie sub formă de unde, cărora conceptul de masă este în general inaplicabil, fie sub formă de fotoni cu o masă în repaus, după cum se știe, egală cu zero. Prin urmare, viteza luminii în vid, potrivit lui Wong, nu este limita. Cu toate acestea, Wong admite că efectul pe care l-a descoperit nu face posibilă transmiterea informațiilor la o viteză mai mare decât Cu.

„Informațiile de aici sunt deja conținute în vârful pulsului”, spune P. Milonni, fizician la Laboratorul Național Los Alamos din SUA.

Majoritatea fizicienilor cred că noua lucrare nu aduce o lovitură zdrobitoare principiilor fundamentale. Dar nu toți fizicienii cred că problema este rezolvată. Profesorul A. Ranfagni, de la grupul de cercetare italian care a efectuat un alt experiment interesant în 2000, spune că întrebarea este încă deschisă. Acest experiment, realizat de Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni și Rocco Ruggeri, a constatat că undele radio cu unde centimetrice se propagă în aerul obișnuit cu o viteză care depășește Cu cu 25%.

Rezumând, putem spune următoarele. Lucrările din ultimii ani arată că, în anumite condiții, viteza superluminală poate avea loc într-adevăr. Dar ce se mișcă exact cu viteza superluminală? Teoria relativității, așa cum sa menționat deja, interzice o astfel de viteză pentru corpurile materiale și pentru semnalele care transportă informații. Cu toate acestea, unii cercetători sunt foarte persistenti în încercările lor de a demonstra depășirea barierei luminoase în mod specific pentru semnale. Motivul pentru aceasta constă în faptul că în teoria relativității speciale nu există o justificare matematică riguroasă (bazată, să zicem, pe ecuațiile lui Maxwell pentru un câmp electromagnetic) pentru imposibilitatea de a transmite semnale la o viteză mai mare decât Cu. O astfel de imposibilitate în SRT este stabilită, s-ar putea spune, pur aritmetic, pe baza formulei Einstein de adunare a vitezelor, dar în mod fundamental acest lucru este confirmat de principiul cauzalității. Însuși Einstein, luând în considerare problema transmiterii semnalului superluminal, a scris că în acest caz „... suntem forțați să considerăm posibil un mecanism de transmitere a semnalului, atunci când se folosește acțiunea realizată precedă cauza. Dar, deși aceasta rezultă dintr-un mod pur logic. punctul de vedere nu conține, în opinia mea, nicio contradicție, el contrazice totuși caracterul întregii experiențe noastre atât de mult încât imposibilitatea de a presupune V > c pare a fi suficient de dovedit. „Principiul cauzalității este piatra de temelie care stă la baza imposibilității transmiterii semnalului superluminal. Și această piatră, aparent, va împiedica toate căutările de semnale superluminale, fără excepție, indiferent cât de mult ar dori experimentatorii să detecteze astfel de semnale. semnale pentru că aceasta este natura lumii noastre.

În concluzie, trebuie subliniat că toate cele de mai sus se aplică în mod specific lumii noastre, Universului nostru. O astfel de rezervare a fost făcută pentru că în ultima perioadă au apărut noi ipoteze în astrofizică și cosmologie care permit existența multor Universuri ascunse de noi, conectate prin tuneluri topologice - jumperi. Acest punct de vedere este împărtășit, de exemplu, de cunoscutul astrofizician N. S. Kardashev. Pentru un observator din exterior, intrările în aceste tuneluri sunt marcate de câmpuri gravitaționale anormale, similare găurilor negre. Mișcările în astfel de tuneluri, așa cum sugerează autorii ipotezelor, vor face posibilă ocolirea limitării vitezei de mișcare impusă în spațiul obișnuit de viteza luminii și, în consecință, realizarea ideii de a crea un mașina timpului... lucruri. Și, deși până acum astfel de ipoteze amintesc prea mult de intrigile din science fiction, cu greu ar trebui să respingem categoric posibilitatea fundamentală a unui model multi-element al structurii lumii materiale. Un alt lucru este că toate aceste Universuri, cel mai probabil, vor rămâne construcții pur matematice ale fizicienilor teoreticieni care trăiesc în Universul nostru și încearcă să găsească lumi închise pentru noi cu puterea gândurilor lor...

Vedeți într-o cameră pe același subiect

Serios, cum? Cum se măsoară cea mai mare viteză în Universîn condițiile noastre modeste, pământești? Nu mai trebuie să ne încurcăm asupra acestui lucru - la urma urmei, timp de câteva secole, atât de mulți oameni au lucrat la această problemă, dezvoltând metode de măsurare a vitezei luminii. Să începem povestea în ordine.

viteza luminii este viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid. Este notat cu litera latină c. Viteza luminii este de aproximativ 300.000.000 m/s.

La început, nimeni nu s-a gândit deloc la problema măsurării vitezei luminii. Există lumină - asta e grozav. Apoi, în epoca antichității, opinia că viteza luminii era infinită, adică instantanee, a dominat printre filozofii științifici. Atunci a fost Evul mediu odată cu Inchiziția, când principala întrebare a oamenilor gânditori și progresiști ​​era întrebarea „Cum să nu intri în foc?” Și numai în epocă RenaştereȘi Iluminarea opiniile oamenilor de știință s-au generat și, bineînțeles, au divizat.

Asa de, Descartes, KeplerȘi Fermă erau de aceeași părere cu oamenii de știință din antichitate. Dar el credea că viteza luminii este finită, deși foarte mare. De fapt, el a făcut prima măsurătoare a vitezei luminii. Mai exact, a făcut prima încercare de a o măsura.

experiența lui Galileo

Experienţă Galileo Galilei a fost genial prin simplitatea sa. Omul de știință a efectuat un experiment pentru a măsura viteza luminii, înarmat cu mijloace simple improvizate. La o mare și binecunoscută distanță unul de celălalt, pe diferite dealuri, Galileo și asistentul lui stăteau cu felinare aprinse. Unul dintre ei a deschis obloanele lanternei, iar al doilea a trebuit să facă la fel când a văzut lumina primului felinar. Cunoscând distanța și timpul (întârzierea înainte ca asistentul să deschidă lanterna), Galileo se aștepta să calculeze viteza luminii. Din nefericire, pentru ca acest experiment să reușească, Galileo și asistentul său au fost nevoiți să aleagă dealuri aflate la distanță de câteva milioane de kilometri. Aș dori să vă reamintesc că puteți completând o aplicație pe site.

Experimentele Roemer și Bradley

Primul experiment de succes și surprinzător de precis în determinarea vitezei luminii a fost experiența astronomului danez. Olaf Römer. Roemer a aplicat metoda astronomică de măsurare a vitezei luminii. În 1676, a observat luna Io a lui Jupiter printr-un telescop și a descoperit că ora eclipsei satelitului se schimbă pe măsură ce Pământul se îndepărtează de Jupiter. Timpul maxim de întârziere a fost de 22 de minute. Presupunând că Pământul se îndepărtează de Jupiter la o distanță de diametrul orbitei Pământului, Roemer a împărțit valoarea aproximativă a diametrului la timpul de întârziere și a primit o valoare de 214.000 de kilometri pe secundă. Desigur, un astfel de calcul a fost foarte dur, distanțele dintre planete erau cunoscute doar aproximativ, dar rezultatul s-a dovedit a fi relativ aproape de adevăr.

Experiența Bradley. În 1728 James Bradley a estimat viteza luminii observând aberația stelelor. aberaţie este o schimbare a poziției aparente a unei stele cauzată de mișcarea pământului pe orbita sa. Cunoscând viteza Pământului și măsurând unghiul de aberație, Bradley a obținut o valoare de 301.000 de kilometri pe secundă.

Experiența lui Fizeau

Rezultatul experimentului lui Roemer și Bradley a fost tratat cu neîncredere de lumea științifică de atunci. Cu toate acestea, rezultatul lui Bradley a fost cel mai precis de peste o sută de ani, până în 1849. În acel an, omul de știință francez Armand Fizeau a măsurat viteza luminii folosind metoda obturatorului rotativ, fără a observa corpuri cerești, dar aici pe Pământ. De fapt, aceasta a fost prima metodă de laborator după Galileo care a măsurat viteza luminii. Mai jos este o diagramă a configurației sale de laborator.

Lumina, reflectată de oglindă, a trecut prin dinții roții și a fost reflectată de o altă oglindă, aflată la 8,6 kilometri distanță. Viteza roții a fost mărită până când lumina a fost vizibilă în următorul gol. Calculele lui Fizeau au dat un rezultat de 313.000 de kilometri pe secundă. Un an mai târziu, un experiment similar cu o oglindă rotativă a fost efectuat de Léon Foucault, care a obținut rezultatul de 298.000 de kilometri pe secundă.

Odată cu apariția maserelor și laserelor, oamenii au noi oportunități și modalități de a măsura viteza luminii, iar dezvoltarea teoriei a făcut posibilă și calcularea vitezei luminii indirect, fără a face măsurători directe.

Cea mai precisă valoare pentru viteza luminii

Omenirea a acumulat o vastă experiență în măsurarea vitezei luminii. Până în prezent, valoarea cea mai precisă a vitezei luminii este considerată a fi valoarea 299 792 458 de metri pe secundă primit în 1983. Este interesant că măsurarea suplimentară, mai precisă a vitezei luminii s-a dovedit a fi imposibilă din cauza erorilor de măsurare. metri. Acum valoarea contorului este legată de viteza luminii și este egală cu distanța pe care o parcurge lumina în 1/299.792.458 de secunde.

În cele din urmă, ca întotdeauna, vă sugerăm să vizionați un videoclip informativ. Prieteni, chiar dacă vă confruntați cu o astfel de sarcină precum măsurarea independentă a vitezei luminii cu mijloace improvizate, puteți apela în siguranță la autorii noștri pentru ajutor. puteți completa o cerere pe site-ul Corespondenței. Vă dorim un studiu plăcut și ușor!

Lumina a ocupat în orice moment un loc important în supraviețuirea oamenilor și în crearea unei civilizații avansate pe care o vedem astăzi. Viteza luminii de-a lungul istoriei dezvoltării umane a entuziasmat mintea întâi filosofilor și naturaliștilor, iar apoi a oamenilor de știință și fizicienilor. Aceasta este constanta fundamentală a existenței universului nostru.

Mulți oameni de știință în diferite momente au căutat să afle care este propagarea luminii în diferite medii. De cea mai mare importanță pentru știință a fost calculul valorii pe care o are viteza luminii în vid. Acest articol vă va ajuta să înțelegeți această problemă și să aflați o mulțime de lucruri interesante despre modul în care se comportă lumina în vid.

Lumina și problema vitezei

Lumina în fizica modernă joacă un rol cheie, deoarece, după cum sa dovedit, este imposibil să depășim valoarea vitezei sale în acest stadiu al dezvoltării civilizației noastre. A fost nevoie de mulți ani pentru a măsura viteza luminii. Înainte de aceasta, oamenii de știință au făcut o mulțime de cercetări, încercând să răspundă la cea mai importantă întrebare „care este viteza de propagare a luminii în vid?”.
În acest moment, oamenii de știință au demonstrat că viteza luminii (CPC) are următoarele caracteristici:

• ea este constantă;
• ea este neschimbată;
• ea este de neatins;
• ea este finită.

Notă! Viteza luminii în momentul actual în dezvoltarea științei este o valoare absolut de neatins. Fizicienii au doar câteva presupuneri despre ceea ce se întâmplă cu un obiect care atinge ipotetic valoarea vitezei de propagare a unui flux de lumină în vid.

Viteza luminii

De ce este atât de important cât de repede se deplasează lumina în vid? Răspunsul este simplu. La urma urmei, vidul este în spațiu. Prin urmare, după ce am aflat ce indicator digital are viteza luminii în vid, vom putea înțelege cu ce viteză maximă posibilă este posibil să ne deplasăm prin întinderile sistemului solar și nu numai.
Particulele elementare care transportă lumină în universul nostru sunt fotonii. Iar viteza cu care se mișcă lumina în vid este considerată o valoare absolută.

Notă! SRS se referă la viteza cu care se mișcă undele electromagnetice. Interesant este că lumina reprezintă simultan particule elementare (fotoni) și o undă. Aceasta rezultă din teoria undelor corpusculare. Potrivit acesteia, în anumite situații, lumina se comportă ca o particulă, iar în altele, ca o undă.

În acest moment, propagarea luminii în spațiu (vid) este considerată o constantă fundamentală, care nu depinde de alegerea cadrului de referință inerțial utilizat. Această valoare se referă la constantele fundamentale fizice. În acest caz, valoarea CPC caracterizează în general proprietățile de bază ale geometriei spațiu-timp.
Ideile moderne caracterizează CPC ca o constantă, care este valoarea maximă admisă pentru mișcarea particulelor, precum și propagarea interacțiunii lor. În fizică, această cantitate este notată cu litera latină „c”.

Istoria studiului problemei

În vremuri străvechi, în mod surprinzător, chiar și gânditorii antici se întrebau despre propagarea luminii în universul nostru. Atunci s-a crezut că aceasta este o valoare infinită. Prima estimare a fenomenului fizic al vitezei luminii a fost dată de Olaf Remer abia în 1676. Conform calculelor sale, propagarea luminii a fost de aproximativ 220 mii km/s.

Notă! Olaf Remer a dat o valoare aproximativă, dar, după cum s-a dovedit mai târziu, nu foarte departe de cea reală.

Valoarea corectă a vitezei cu care se deplasează lumina în vid a fost determinată abia la jumătate de secol după Olaf Roemer. Acest lucru a fost făcut de fizicianul francez A.I.L. Fizeau prin efectuarea unui experiment special.

Experimentul Fizeau

El a putut să măsoare acest fenomen fizic măsurând timpul necesar fasciculului pentru a călători printr-o zonă specifică și măsurată cu precizie.
Experiența a arătat astfel:

• sursa S a emis un flux luminos;
• s-a reflectat din oglindă (3);
• după aceea, fluxul luminos a fost întrerupt prin intermediul unui disc dinţat (2);
• apoi a trecut de baza, a cărei distanță era de 8 km;
• după aceea, fluxul de lumină a fost reflectat de oglindă (1) și a mers înapoi pe disc.

În timpul experimentului, fluxul de lumină a căzut în golurile dintre dinții discului și a putut fi observat prin ocular (4). Fizeau a determinat timpul de trecere a fasciculului din viteza de rotație a discului. În urma acestui experiment, a obţinut valoarea c = 313.300 km/s.
Dar acesta nu este sfârșitul cercetării care a fost dedicată acestei probleme. Formula finală pentru calcularea unei constante fizice a apărut datorită multor oameni de știință, inclusiv Albert Einstein.

Einstein și vid: rezultatele finale ale calculului

Astăzi, fiecare persoană de pe Pământ știe că valoarea maximă admisă pentru mișcarea obiectelor materiale, precum și orice semnal, este considerată a fi viteza luminii în vid. Valoarea exactă a acestui indicator este de aproape 300 de mii de km/s. Pentru a fi precis, viteza luminii în vid este de 299.792.458 m/s.
Teoria conform căreia este imposibil să se depășească această valoare a fost prezentată de celebrul fizician al trecutului Albert Einstein în teoria sa specială a relativității sau SRT.

Notă! Teoria relativității a lui Einstein este considerată de neclintit până când există dovezi reale că transmisia semnalului este posibilă la viteze care depășesc CPC în vid.

Teoria relativității a lui Einstein

Dar astăzi, unii cercetători au descoperit fenomene care pot servi drept condiție prealabilă pentru faptul că SRT-ul lui Einstein poate fi schimbat. În anumite condiții speciale date, este posibil să urmăriți apariția vitezelor superluminale. Este interesant că în acest caz nu are loc încălcarea teoriei relativității.

De ce nu te poți mișca mai repede decât lumina?

Până în prezent, există câteva „capcane” în această problemă. De exemplu, de ce în condiții normale constanta CPC nu poate fi depășită? Conform teoriei acceptate, în această situație va fi încălcat principiul fundamental al structurii lumii noastre, și anume legea cauzalității. El susține că efectul, prin definiție, nu este capabil să-și depășească cauza. Figurat vorbind, nu se poate ca la început ursul să cadă mort și abia apoi să se audă împușcătura vânătorului care l-a împușcat. Dar dacă CPC este depășit, atunci evenimentele ar trebui să înceapă să aibă loc în ordine inversă. Ca urmare, timpul își va începe mersul invers.

Deci, care este viteza de propagare a unui fascicul de lumină?

După numeroase studii care au fost citate pentru a determina valoarea exactă a ceea ce este CPC, s-au obținut numere specifice. Astăzi c = 1.079.252.848,8 km/h sau 299.792.458 m/s. iar în unitățile Planck, acest parametru este definit ca unul. Aceasta înseamnă că energia luminii călătorește cu 1 unitate Planck de lungime într-o unitate de timp Planck.

Notă! Aceste cifre sunt valabile doar pentru condițiile care există în vid.

Formula valorii constante

Dar în fizică, pentru un mod mai simplu de rezolvare a problemelor, se folosește o valoare rotunjită - 300.000.000 m/s.
Această regulă în condiții normale se aplică tuturor obiectelor, precum și razelor X, undelor gravitaționale și luminoase din spectrul vizibil pentru noi. În plus, oamenii de știință au demonstrat că particulele cu masă se pot apropia de viteza unui fascicul de lumină. Dar ei sunt incapabili să o atingă sau să o depășească.

Notă! Viteza maximă, apropiată de viteza luminii, a fost obținută în studiul razelor cosmice accelerate în acceleratoare speciale.

Este de remarcat faptul că această constantă fizică depinde de mediul în care este măsurată și anume indicele de refracție. Prin urmare, rata sa reală poate varia în funcție de frecvențe.

Cum se calculează valoarea unei constante fundamentale

Până în prezent, există diferite metode pentru determinarea SRS. Poate fi:

• metode astronomice;
• metoda Fizeau imbunatatita. Aici, roata dințată este înlocuită cu un modulator modern.

Notă! Oamenii de știință au demonstrat că indicatorii CPC în aer și în vid sunt aproape aceiași. Și este mai puțin de aproximativ 25% apă.

Următoarea formulă este utilizată pentru a calcula cantitatea de propagare a unui fascicul de lumină.

Formula pentru calcularea vitezei luminii

Această formulă este potrivită pentru calculele de vid.

Concluzie

Lumina în lumea noastră este foarte importantă și momentul în care oamenii de știință pot demonstra posibilitatea existenței unor viteze superluminale poate schimba complet lumea noastră familiară. Ce va însemna această descoperire pentru oameni este chiar greu de evaluat. Dar cu siguranță va fi o descoperire incredibilă!

Cum să alegeți și să instalați senzori de volum pentru controlul automat al luminii
Surse de alimentare cu tranzistori reglabile de casă: asamblare, aplicare practică

Viteza luminii este valoarea absolută a vitezei de propagare a undelor electromagnetice în vid. În fizică, este desemnat în mod tradițional prin litera latină „c” (pronunțată ca [tse]). Viteza luminii în vid este o constantă fundamentală, independentă de alegerea cadrului de referință inerțial (ISR). Se referă la constantele fizice fundamentale care caracterizează nu doar corpurile individuale, ci și proprietățile spațiu-timpului ca întreg. Conform conceptelor moderne, viteza luminii în vid este viteza limită a particulelor și propagarea interacțiunilor. De asemenea, important este faptul că această valoare este absolută. Acesta este unul dintre postulatele SRT.

În vid (gol)

În 1977, a fost posibil să se calculeze viteza aproximativă a luminii, egală cu 299.792.458 ± 1,2 m / s, calculată pe baza unui contor de referință din 1960. În prezent, se crede că viteza luminii în vid este o constantă fizică fundamentală, prin definiție exact egală cu 299.792.458 m/s, sau aproximativ 1.079.252.848,8 km/h. Valoarea exactă se datorează faptului că din 1983 standardul contorului este distanța parcursă de lumină în vid într-un interval de timp egal cu 1/299.792.458 secunde. Viteza luminii este indicată cu litera c.

Experiența fundamentală a lui Michelson pentru SRT a arătat că viteza luminii în vid nu depinde de viteza sursei de lumină și nici de viteza observatorului. În natură, următoarele se propagă cu viteza luminii:

lumina vizibilă reală

alte tipuri de radiații electromagnetice (unde radio, raze X etc.)

Din teoria relativității speciale rezultă că accelerarea particulelor cu masa în repaus până la viteza luminii este imposibilă, deoarece acest eveniment ar încălca principiul fundamental al cauzalității. Adică, excesul vitezei luminii de către semnal sau mișcarea masei la o astfel de viteză este exclus. Cu toate acestea, teoria nu exclude mișcarea particulelor în spațiu-timp cu viteză superluminală. Particulele ipotetice care se deplasează la viteze superluminale se numesc tahioni. Matematic, tahionii se potrivesc cu ușurință în transformarea Lorentz - acestea sunt particule cu o masă imaginară. Cu cât viteza acestor particule este mai mare, cu atât transportă mai puțină energie și invers, cu atât viteza lor este mai aproape de viteza luminii, cu atât energia lor este mai mare - la fel ca energia particulelor obișnuite, energia tahionilor tinde spre infinit atunci când apropiindu-se de viteza luminii. Aceasta este consecința cea mai evidentă a transformării Lorentz, care nu permite particulei să accelereze la viteza luminii - este pur și simplu imposibil să îi dai particulei o cantitate infinită de energie. Trebuie înțeles că, în primul rând, tahionii sunt o clasă de particule și nu doar un fel de particule și, în al doilea rând, nicio interacțiune fizică nu se poate propaga mai repede decât viteza luminii. De aici rezultă că tahionii nu încalcă principiul cauzalității - nu interacționează în niciun fel cu particulele obișnuite, iar diferența dintre vitezele lor, de asemenea, nu poate fi egală cu viteza luminii.

Particulele obișnuite care se mișcă mai încet decât lumina se numesc tardyons. Tardioanele nu pot atinge viteza luminii, ci se pot apropia de ea doar cât de aproape doresc, deoarece în acest caz energia lor devine infinit de mare. Toate tardiunile au o masă de repaus, spre deosebire de fotonii și gravitonii fără masă, care se mișcă întotdeauna cu viteza luminii.

În unitățile Planck, viteza luminii în vid este 1, adică lumina parcurge 1 unitate Planck de lungime pe unitatea de timp Planck.

Într-un mediu transparent

Viteza luminii într-un mediu transparent este viteza cu care lumina se deplasează într-un mediu diferit de vid. Într-un mediu cu dispersie, se disting faza și viteza de grup.

Viteza de fază raportează frecvența și lungimea de undă a luminii monocromatice într-un mediu (λ=c/ν). Această viteză este de obicei (dar nu neapărat) mai mică de c. Raportul dintre viteza de fază a luminii în vid și viteza luminii într-un mediu se numește indicele de refracție al mediului. Viteza de grup a luminii într-un mediu de echilibru este întotdeauna mai mică de c. Cu toate acestea, în mediile neechilibrate poate depăși c. În acest caz, totuși, marginea anterioară a pulsului se mișcă în continuare cu o viteză care nu depășește viteza luminii în vid.

Armand Hippolyte Louis Fizeau a demonstrat prin experiență că mișcarea unui mediu în raport cu un fascicul de lumină poate afecta și viteza de propagare a luminii în acest mediu.

Negarea postulatului despre viteza maximă a luminii

În ultimii ani, au apărut adesea rapoarte că în așa-numita teleportare cuantică, interacțiunea se propagă mai repede decât viteza luminii. De exemplu, la 15 august 2008, echipa de cercetare a Dr. Nicolas Gisin de la Universitatea din Geneva, care studiază stările de fotoni legați separate de 18 km în spațiu, ar fi arătat că „interacțiunea dintre particule se realizează la o viteză de aproximativ de o sută de mii de ori mai mare decât viteza lui Sveta”. Așa-numitul paradox al lui Hartmann – viteza superluminală în efectul de tunel – a fost, de asemenea, discutat mai devreme.

Analiza științifică a semnificației acestor rezultate și a rezultatelor similare arată că, în principiu, ele nu pot fi utilizate pentru transmiterea superluminală a vreunui semnal sau mișcare a materiei.

Istoricul măsurătorilor vitezei luminii

Oamenii de știință antici, cu rare excepții, considerau că viteza luminii este infinită. În vremurile moderne, această problemă a devenit subiect de discuție. Galileo și Hooke au presupus că este finit, deși foarte mare, în timp ce Kepler, Descartes și Fermat încă apărau infinitatea vitezei luminii.

Prima estimare a vitezei luminii a fost dată de Olaf Römer (1676). El a observat că atunci când Pământul și Jupiter se află pe părțile opuse ale Soarelui, eclipsele lunii Io a lui Jupiter sunt întârziate cu 22 de minute în comparație cu calculele. Din aceasta a obținut o valoare pentru viteza luminii de aproximativ 220.000 km/sec - inexactă, dar apropiată de valoarea adevărată. O jumătate de secol mai târziu, descoperirea aberației a făcut posibilă confirmarea caracterului finit al vitezei luminii și rafinarea estimării acesteia.

Viteza luminii este distanța pe care o parcurge lumina pe unitatea de timp. Această valoare depinde de mediul în care se propagă lumina.

În vid, viteza luminii este de 299.792.458 m/s. Aceasta este cea mai mare viteză care poate fi atinsă. La rezolvarea problemelor care nu necesită o precizie specială, această valoare este luată egală cu 300.000.000 m/s. Se presupune că toate tipurile de radiații electromagnetice se propagă cu viteza luminii în vid: unde radio, radiații infraroșii, lumină vizibilă, radiații ultraviolete, raze X, radiații gamma. Desemnează-l cu o literă Cu .

Cum se determină viteza luminii?

În antichitate, oamenii de știință credeau că viteza luminii era infinită. Ulterior, în comunitatea științifică au început discuții pe această temă. Kepler, Descartes și Fermat au fost de acord cu opinia oamenilor de știință antici. Și Galileo și Hooke credeau că, deși viteza luminii este foarte mare, aceasta are totuși o valoare finită.

Galileo Galilei

Unul dintre primii care a măsurat viteza luminii a fost omul de știință italian Galileo Galilei. În timpul experimentului, el și asistentul său au fost pe diferite dealuri. Galileo deschise amortizorul lanternei lui. În acel moment, când asistentul a văzut această lumină, a trebuit să facă același lucru cu lanterna lui. Timpul pentru care lumina a călătorit de la Galileo la asistent și înapoi s-a dovedit a fi atât de scurt, încât Galileo și-a dat seama că viteza luminii este foarte mare și este imposibil să o măsurați la o distanță atât de mică, deoarece lumina se propagă aproape instantaneu. . Iar timpul înregistrat de el arată doar viteza de reacție a unei persoane.

Viteza luminii a fost determinată pentru prima dată în 1676 de astronomul danez Olaf Römer folosind distanțe astronomice. Observând cu un telescop eclipsa lunii Io a lui Jupiter, el a descoperit că, pe măsură ce Pământul se îndepărtează de Jupiter, fiecare eclipsă ulterioară vine mai târziu decât a fost calculat. Întârzierea maximă, atunci când Pământul se deplasează pe cealaltă parte a Soarelui și se îndepărtează de Jupiter la o distanță egală cu diametrul orbitei Pământului, este de 22 de ore. Deși la acea vreme diametrul exact al Pământului nu era cunoscut, omul de știință și-a împărțit valoarea aproximativă la 22 de ore și a venit cu o valoare de aproximativ 220.000 km/s.

Olaf Römer

Rezultatul obținut de Römer a provocat neîncredere în rândul oamenilor de știință. Dar în 1849 fizicianul francez Armand Hippolyte Louis Fizeau a măsurat viteza luminii folosind metoda obturatorului rotativ. În experimentul său, lumina dintr-o sursă a trecut între dinții unei roți care se învârte și a fost direcționată către o oglindă. Reflectat de la el, s-a întors înapoi. Viteza roții a crescut. Când a atins o anumită valoare, fasciculul reflectat de oglindă a fost întârziat de dintele mutat, iar observatorul în acel moment nu a văzut nimic.

Experiența lui Fizeau

Fizeau a calculat viteza luminii după cum urmează. Lumina merge pe drum L de la roată la oglindă într-un timp egal cu t1 = 2L/s . Timpul necesar roții pentru a face o jumătate de rotație este t 2 \u003d T / 2N , Unde T - perioada de rotație a roții, N - numarul de dinti. Frecvența de rotație v = 1/T . Vine momentul în care observatorul nu vede lumina t1 = t2 . De aici obținem formula pentru determinarea vitezei luminii:

c = 4LNv

După ce a calculat această formulă, Fizeau a stabilit că Cu = 313.000.000 m/s. Acest rezultat a fost mult mai precis.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

În 1838, fizicianul și astronomul francez Dominique François Jean Arago a propus utilizarea metodei oglinzilor rotative pentru a calcula viteza luminii. Această idee a fost pusă în practică de către fizicianul, mecanicul și astronomul francez Jean Bernard Léon Foucault, care a obținut în 1862 valoarea vitezei luminii (298.000.000 ± 500.000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

În 1891, rezultatul astronomului american Simon Newcomb s-a dovedit a fi cu un ordin de mărime mai precis decât rezultatul lui Foucault. Ca urmare a calculelor sale Cu = (99 810 000±50 000) m/s.

Studiile fizicianului american Albert Abraham Michelson, care a folosit o instalație cu o oglindă octaedrică rotativă, au făcut posibilă determinarea mai precisă a vitezei luminii. În 1926, omul de știință a măsurat timpul în care lumina a parcurs distanța dintre vârfurile a doi munți, egală cu 35,4 km, și a primit Cu = (299 796 000±4 000) m/s.

Cea mai precisă măsurătoare a fost făcută în 1975. În același an, Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri a recomandat ca viteza luminii să fie considerată egală cu 299.792.458 ± 1,2 m/s.

Ceea ce determină viteza luminii

Viteza luminii în vid nu depinde de cadrul de referință sau de poziția observatorului. Rămâne constantă, egală cu 299.792.458 ± 1,2 m/s. Dar în diferite medii transparente această viteză va fi mai mică decât viteza sa în vid. Orice mediu transparent are o densitate optică. Și cu cât este mai sus, cu atât lumina se propaga mai lent în ea. Deci, de exemplu, viteza luminii în aer este mai mare decât viteza sa în apă, iar în sticla optică pură este mai mică decât în ​​apă.

Dacă lumina trece de la un mediu mai puțin dens la unul mai dens, viteza acesteia scade. Și dacă trecerea de la un mediu mai dens la unul mai puțin dens, atunci viteza, dimpotrivă, crește. Aceasta explică de ce fasciculul de lumină este deviat la limita tranziției a două medii.