Cik ātri gaisma pārvietojas vakuumā

Gaismas ātrums vakuumā ir rādītājs, kas tiek plaši izmantots fizikā un savulaik ļāva veikt vairākus atklājumus, kā arī izskaidrot daudzu parādību būtību. Ir vairāki svarīgi punkti, kas jāizpēta, lai izprastu tēmu un saprastu, kā un kādos apstākļos šis rādītājs tika atklāts.

Kāds ir gaismas ātrums

Gaismas izplatīšanās ātrumu vakuumā uzskata par absolūtu vērtību, kas atspoguļo elektromagnētiskā starojuma izplatīšanās ātrumu. To plaši izmanto fizikā, un tam ir apzīmējums maza latīņu burta "s" formā (tas saka "tse").

Vakuumā gaismas ātrumu izmanto, lai noteiktu, cik ātri pārvietojas dažādas daļiņas.

Pēc lielākās daļas pētnieku un zinātnieku domām, gaismas ātrums vakuumā ir maksimālais iespējamais daļiņu kustības un dažāda veida starojuma izplatīšanās ātrums.

Kas attiecas uz parādību piemēriem, tie ir:

1. Redzama gaisma no jebkura avots.
2. Visu veidu elektromagnētiskais starojums (piemēram, rentgenstari un radioviļņi).
3. Gravitācijas viļņi (šeit dažu ekspertu viedokļi atšķiras).

Daudzu veidu daļiņas var pārvietoties tuvu gaismas ātrumam, bet nekad to nesasniedz.

Precīza gaismas ātruma vērtība

Zinātnieki daudzus gadus ir mēģinājuši noteikt, kas ir gaismas ātrums, taču precīzi mērījumi tika veikti pagājušā gadsimta 70. gados. Galu galā rādītājs bija 299 792 458 m/s ar maksimālo novirzi +/-1,2 m. Mūsdienās tā ir nemainīga fiziska vienība, jo attālums metro ir 1/299 792 458 sekundes, tas ir, cik ilgs laiks nepieciešams, lai gaisma vakuumā nobrauktu 100 cm.

Zinātniski formula gaismas ātruma noteikšanai.

Lai vienkāršotu aprēķinus, indikators ir vienkāršots līdz 300 000 000 m/s (3×108 m/s). Tas ir pazīstams ikvienam fizikas kursā skolā, tieši tur šajā formā mēra ātrumu.

Gaismas ātruma galvenā loma fizikā

Šis rādītājs ir viens no galvenajiem neatkarīgi no tā, kāda atskaites sistēma tiek izmantota pētījumā. Tas nav atkarīgs no viļņu avota kustības, kas arī ir svarīgi.

Nemainību postulēja Alberts Einšteins 1905. gadā. Tas notika pēc tam, kad cits zinātnieks Maksvels, kurš neatrada pierādījumus par gaismas ētera esamību, izvirzīja teoriju par elektromagnētismu.

Apgalvojums, ka cēloņsakarību nevar pārnest ar ātrumu, kas pārsniedz gaismas ātrumu, mūsdienās tiek uzskatīts par diezgan pamatotu.

Starp citu! Fiziķi nenoliedz, ka dažas daļiņas var pārvietoties ar ātrumu, kas pārsniedz aplūkoto rādītāju. Tomēr tos nevar izmantot informācijas nodošanai.

Vēsturiskās atsauces

Lai saprastu tēmas iezīmes un uzzinātu, kā noteiktas parādības tika atklātas, vajadzētu izpētīt dažu zinātnieku eksperimentus. 19. gadsimtā tika veikti daudzi atklājumi, kas vēlāk palīdzēja zinātniekiem, galvenokārt tie attiecās uz elektrisko strāvu un magnētiskās un elektromagnētiskās indukcijas parādībām.

Džeimsa Maksvela eksperimenti

Fiziķa pētījumi apstiprināja daļiņu mijiedarbību no attāluma. Pēc tam tas ļāva Vilhelmam Vēberam izstrādāt jaunu elektromagnētisma teoriju. Maksvels arī skaidri noteica magnētisko un elektrisko lauku fenomenu un noteica, ka tie var ģenerēt viens otru, veidojot elektromagnētiskos viļņus. Tieši šis zinātnieks pirmo reizi sāka lietot apzīmējumu "s", ko joprojām izmanto fiziķi visā pasaulē.

Pateicoties tam, lielākā daļa pētnieku jau tad sāka runāt par gaismas elektromagnētisko dabu. Maksvels, pētot elektromagnētisko ierosinājumu izplatīšanās ātrumu, nonāca pie secinājuma, ka šis rādītājs ir vienāds ar gaismas ātrumu, savulaik viņu šis fakts pārsteidza.

Pateicoties Maksvela pētījumiem, kļuva skaidrs, ka gaisma, magnētisms un elektrība nav atsevišķi jēdzieni. Šie faktori kopā nosaka gaismas raksturu, jo tā ir magnētiskā un elektriskā lauka kombinācija, kas izplatās telpā.

Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās shēma.

Miķelsons un viņa pieredze gaismas ātruma absolūtuma pierādīšanā

Pagājušā gadsimta sākumā lielākā daļa zinātnieku izmantoja Galileja relativitātes principu, saskaņā ar kuru tika uzskatīts, ka mehānikas likumi nemainās neatkarīgi no tā, kāds atskaites rāmis tiek izmantots. Bet tajā pašā laikā saskaņā ar teoriju elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumam vajadzētu mainīties, kad avots pārvietojas. Tas bija pretrunā gan Galileo postulātiem, gan Maksvela teorijai, kas bija iemesls pētījumu sākumam.

Tolaik lielākā daļa zinātnieku sliecās uz “ētera teoriju”, saskaņā ar kuru rādītāji nebija atkarīgi no tā avota ātruma, galvenais noteicošais faktors bija vides īpatnības.

Miķelsons atklāja, ka gaismas ātrums nav atkarīgs no mērīšanas virziena.

Tā kā Zeme kosmosā pārvietojas noteiktā virzienā, gaismas ātrums saskaņā ar ātrumu saskaitīšanas likumu atšķirsies, mērot dažādos virzienos. Bet Miķelsons neatrada nekādas atšķirības elektromagnētisko viļņu izplatīšanā neatkarīgi no tā, kādā virzienā tika veikti mērījumi.

Ētera teorija nevarēja izskaidrot absolūtās vērtības klātbūtni, kas vēl labāk parādīja tās maldību.

Alberta Einšteina īpašā relativitātes teorija

Kāds jauns zinātnieks tajā laikā iepazīstināja ar teoriju, kas ir pretrunā vairuma pētnieku idejām. Saskaņā ar to laikam un telpai ir tādas īpašības, kas nodrošina gaismas ātruma nemainīgumu vakuumā neatkarīgi no izvēlētā atskaites sistēmas. Tas izskaidroja Miķelsona neveiksmīgos eksperimentus, jo gaismas izplatīšanās ātrums nav atkarīgs no tā avota kustības.

[tds_council]Netiešs apstiprinājums Einšteina teorijas pareizībai bija "vienlaicības relativitāte", tās būtība ir parādīta attēlā.[/tds_council]

Piemērs tam, kā cilvēka atrašanās vieta ietekmē uztveri par gaismas izplatīšanos.

Kā iepriekš tika mērīts gaismas ātrums?

Mēģinājumi noteikt šo rādītāju ir bijuši daudzi, taču zemā zinātnes attīstības līmeņa dēļ to iepriekš bija problemātiski izdarīt. Tādējādi senatnes zinātnieki uzskatīja, ka gaismas ātrums ir bezgalīgs, bet vēlāk daudzi pētnieki šaubījās par šo postulātu, kas izraisīja vairākus mēģinājumus to noteikt:

1. Galileo izmantoja lukturīšus. Lai aprēķinātu gaismas viļņu izplatīšanās ātrumu, viņš un viņa palīgs atradās uz kalniem, kuru attālums tika noteikts precīzi. Tad viens no dalībniekiem atvēra laternu, otram tas bija jādara, tiklīdz viņš ieraudzīja gaismu. Bet šī metode nedeva rezultātus lielā viļņu izplatīšanās ātruma un nespējas precīzi noteikt laika intervālu dēļ.
2. Olafs Rēmers, astronoms no Dānijas, novēroja Jupiteru. Kad Zeme un Jupiters atradās pretējos punktos savā orbītā, Io (Jupitera mēness) aptumsums aizkavējās par 22 minūtēm, salīdzinot ar pašu planētu. Pamatojoties uz to, viņš secināja, ka gaismas viļņu izplatīšanās ātrums nav bezgalīgs un tam ir ierobežojums. Pēc viņa aprēķiniem, šis rādītājs bija aptuveni 220 000 km sekundē.
   Gaismas ātruma noteikšana pēc Rēmera.
3. Ap to pašu laika posmu angļu astronoms Džeimss Bredlijs atklāja gaismas aberācijas fenomenu, kad Zemes kustības ap Sauli, kā arī rotācijas ap savu asi dēļ, kuras dēļ zvaigžņu novietojums debesīs. un attālums līdz tiem pastāvīgi mainās.Pateicoties šīm iezīmēm, zvaigznes katru gadu apraksta elipsi. Pamatojoties uz aprēķiniem un novērojumiem, astronoms aprēķināja ātrumu, tas bija 308 000 km sekundē.
   gaismas aberācija
4. Luiss Fizo bija pirmais, kurš nolēma noteikt precīzu indikatoru, izmantojot laboratorijas eksperimentu. Viņš uzstādīja stiklu ar spoguļa virsmu 8633 m attālumā no avota, taču, tā kā attālums ir neliels, precīzus laika aprēķinus veikt nebija iespējams. Tad zinātnieks uzstādīja zobratu, kas periodiski pārklāja gaismu ar zobiem. Mainot riteņa ātrumu, Fizeau noteica, ar kādu ātrumu gaismai nebija laika izslīdēt starp zobiem un atgriezties atpakaļ. Pēc viņa aprēķiniem, ātrums bijis 315 tūkstoši kilometru sekundē.
   Luisa Fizo pieredze.

Gaismas ātruma mērīšana

To var izdarīt vairākos veidos. Nav vērts tos detalizēti analizēt, katram būs nepieciešama atsevišķa pārskatīšana. Tāpēc visvieglāk ir saprast šķirnes:

1. Astronomiskie mērījumi. Šeit visbiežāk tiek izmantotas Rēmera un Bredlija metodes, jo tās ir pierādījušas savu efektivitāti un gaisa, ūdens īpašības un citas vides īpašības neietekmē veiktspēju. Kosmosa vakuuma apstākļos mērījumu precizitāte palielinās.
2. dobuma rezonanse vai dobuma efekts - tas ir zemas frekvences stāvošu magnētisko viļņu fenomena nosaukums, kas rodas starp planētas virsmu un jonosfēru. Izmantojot īpašas formulas un datus no mērīšanas iekārtām, nav grūti aprēķināt daļiņu ātruma vērtību gaisā.
3. Interferometrija - pētījumu metožu kopums, kurā veidojas vairāku veidu viļņi.Tā rezultātā rodas traucējumu efekts, kas ļauj veikt daudzus gan elektromagnētisko, gan akustisko vibrāciju mērījumus.

Ar speciālas iekārtas palīdzību var veikt mērījumus, neizmantojot īpašus paņēmienus.

Vai ir iespējams superlumināls ātrums?

Pamatojoties uz relativitātes teoriju, indikatora pārsniegums ar fizikālajām daļiņām pārkāpj cēloņsakarības principu. Pateicoties tam, ir iespējams pārraidīt signālus no nākotnes uz pagātni un otrādi. Taču tajā pašā laikā teorija nenoliedz, ka var būt daļiņas, kas kustas ātrāk, kamēr tās mijiedarbojas ar parastajām vielām.

Šāda veida daļiņas sauc par tahioniem. Jo ātrāk viņi pārvietojas, jo mazāk enerģijas tie nes.

Video nodarbība: Fizo eksperiments. Gaismas ātruma mērīšana. Fizikas 11 klase.

Gaismas ātrums vakuumā ir nemainīga vērtība, uz to balstās daudzas fizikas parādības. Tās definīcija kļuva par jaunu pavērsienu zinātnes attīstībā, jo tā ļāva izskaidrot daudzus procesus un vienkāršoja vairākus aprēķinus.