Rýchlosť svetla vo vákuu- absolútna hodnota rýchlosti šírenia elektromagnetické vlny vo vákuu. Vo fyzike sa to označuje latinské písmeno c.
Rýchlosť svetla vo vákuu je základná konštanta, nezávislé od výberu inerciálneho referenčného systému.
Podľa definície je to presne tak 299 792 458 m/s (približná hodnota 300 tis. km/s).
Podľa špeciálnej teórie relativity je maximálna rýchlosťšíriť akékoľvek fyzické interakcie prenos energie a informácií.

Ako bola určená rýchlosť svetla

Prvýkrát bola rýchlosť svetla určená v r 1676 O. K. Roemer zmenou časových intervalov medzi zatmeniami Jupiterových satelitov.

Inštaloval ho v roku 1728 J. Bradley na základe ich pozorovaní aberácie svetla hviezd.

V roku 1849 A. I. L. Fizeau bol prvý, kto zmeral rýchlosť svetla v čase, keď svetlo prešlo presne známu vzdialenosť (základňu); Pretože index lomu vzduchu sa veľmi málo líši od 1, pozemné merania dávajú hodnotu, ktorá je veľmi blízka s.
Vo Fizeauovom experimente bol lúč svetla zo zdroja S, odrazený polopriepustným zrkadlom N, periodicky prerušovaný rotujúcim ozubeným kotúčom W, prechádzal okolo základne MN (asi 8 km) a odrazený od zrkadla M sa vracal späť na kotúč. . Svetlo dopadajúce na hrot nedosiahlo pozorovateľa a svetlo, ktoré dopadlo do medzery medzi hrotmi, bolo možné pozorovať cez okulár E. Čas prechodu svetla cez základňu bol určený zo známych rýchlostí rotácie okuláru E. disk. Fizeau získal hodnotu c = 313300 km/s.

V roku 1862 J. B. L. Foucault zrealizoval myšlienku vyjadrenú v roku 1838 D. Arago pomocou rýchlo rotujúceho (512 ot./s) zrkadla namiesto ozubeného kotúča. Od zrkadla sa lúč svetla nasmeroval na základňu a po návrate opäť dopadol na to isté zrkadlo, ktoré sa stihlo otočiť o určitý malý uhol. So základňou iba 20 metrov Foucault zistil, že rýchlosť svetlo sa rovná 29800080 ± 500 km/s. Schémy a základné myšlienky experimentov Fizeaua a Foucaulta boli opakovane použité v nasledujúcich prácach na určenie s.

Bernard Jeff

1. Námorný dôstojník meral rýchlosť svetla

Na jar roku 1879 New York Times informovali: „Nový jasná hviezda... práporčík námorná služba, absolvent Námornej akadémie v Annapolise, Albert A. Michelson, ktorý ešte nemá dvadsaťsedem rokov, dosiahol v oblasti optiky výnimočný úspech: meral rýchlosť svetla.“ V úvodníku s názvom Science to the People Daily Tribune napísal: „Miestne noviny Virginia City, baníckeho mesta v ďalekej Nevade, hrdo hlásia:“ Poručík Albert A. Michelson, syn Samuela Michelsona, majiteľa galantéria v našom meste zaujala celú krajinu pozoruhodným vedeckým úspechom: zmeral rýchlosť svetla.

O rýchlosti svetla sa uvažovalo a polemizovalo už od pradávna, no pred Michelsonom ju pozemskými prostriedkami dokázali zmerať len traja vedci (všetci boli Francúzi). Bol to veľmi starý a veľmi ťažký problém. Pred Michelsonom sa nikto na americkom kontinente ani nepokúsil zinscenovať tento náročný experiment.

Za posledné storočia však filozofi a vedci nazhromaždili pomerne rozsiahlu zásobu informácií o vlastnostiach svetla. Už 300 rokov pred Kristom, v časoch, keď Euklides vytvoril svoju geometriu, už grécki matematici vedeli veľa o svetle. Bolo známe, že svetlo sa šíri priamočiaro a že pri odraze od plochého zrkadla sa uhol dopadu lúča rovná uhlu odrazu. Starovekí vedci dobre poznali fenomén lomu svetla. Spočíva v tom, že svetlo, ktoré prechádza z jedného média, ako je vzduch, do média inej hustoty, ako je voda, sa láme.

Claudius Ptolemaios, astronóm a matematik z Alexandrie, zostavil tabuľky nameraných uhlov dopadu a lomu, ale zákon lomu svetla objavil až v roku 1621 holandský matematik z Leidenu Willebrord Snellius, ktorý zistil, že pomer sínusov uhol dopadu a uhol lomu je konštantný pre akékoľvek dve prostredia s rozdielnou hustotou.

Mnoho starovekých filozofov, vrátane veľkého Aristotela a Rimana štátnik Lucius Seneca, premýšľal o príčinách dúhy. Aristoteles veril, že farebné spektrum sa objavuje ako výsledok odrazu svetla kvapôčkami vody; Seneca sa držal približne rovnakého názoru a veril, že oblaky pozostávajúce z častíc vlhkosti sú akýmsi zrkadlom. Tak či onak, človek počas svojej histórie prejavoval záujem o povahu svetla, čo dokazujú mýty, legendy, filozofické spory a vedecké pozorovania, ktoré sa k nám dostali.

Ako väčšina starovekých vedcov (okrem Empedoklesa), aj Aristoteles veril, že rýchlosť svetla je nekonečne veľká. Bolo by prekvapujúce, keby si myslel opak. Takúto ohromnú rýchlosť nebolo možné zmerať žiadnou z vtedy existujúcich metód alebo nástrojov. Ale aj v neskorších dobách vedci o tom naďalej uvažovali a polemizovali. Asi pred 900 rokmi arabský vedec Avicenna navrhol, že hoci je rýchlosť svetla veľmi vysoká, musí byť konečná. To bol názor jedného z jeho súčasníkov, arabského fyzika Algazena, ktorý ako prvý vysvetlil podstatu súmraku. Ani jeden, ani druhý, samozrejme, nemali možnosť svoj názor potvrdiť experimentálne.

Galileova skúsenosť

Takéto spory by mohli pokračovať donekonečna. Na vyriešenie problému bola potrebná jasná, nevyvrátiteľná skúsenosť. Prvý, kto sa vydal na túto cestu, bol Talian Galileo Galilei, nápadný všestrannosťou svojho génia. Navrhol, aby dvaja ľudia stojaci na vrcholkoch kopcov vo vzdialenosti niekoľkých kilometrov od seba dávali signály pomocou bateriek vybavených uzávermi. Túto myšlienku, neskôr realizovanú vedcami Florentskej akadémie, vyjadril vo svojom diele „Rozhovory a matematické dôkazy o dvoch nových odvetviach vedy týkajúcich sa mechaniky a miestneho pohybu“ (publikované v Leidene v roku 1638).

Galileo má troch účastníkov rozhovoru. Prvý, Sagredo, sa pýta: „Ale aký druh a aký stupeň rýchlosti by mal byť tento pohyb? Mali by sme to považovať za okamžité alebo prebiehajúce v čase, ako všetky ostatné pohyby? Retrográd Simplicio okamžite odpovedá: „Každodenná skúsenosť ukazuje, že svetlo z plameňa výstrelov sa vtlačí do nášho oka bez akejkoľvek straty času, na rozdiel od zvuku, ktorý sa dostane do ucha po značnom čase.“ Sagredo proti tomu má dobrý dôvod: "Z tohto dobre známeho zážitku nemôžem vyvodiť žiadny iný záver okrem toho, že zvuk sa dostáva do našich uší v dlhých časových intervaloch ako svetlo."

Tu zasahuje Salviati (vyjadrujúci názor Galilea): „Tá malá evidencia týchto a iných podobných pozorovaní ma prinútila vymyslieť nejaký spôsob, ako sa uistiť, že osvetlenie, t.j. šírenie svetla je naozaj okamžité. Skúsenosť, ku ktorej som dospel, je nasledovná. Dve tváre každá držia oheň, uzavretý v lampe alebo niečom podobnom, ktorý sa dá otvoriť a zatvoriť pohybom ruky tak, aby bol spoločník úplne viditeľný; stojaci oproti sebe „vo vzdialenosti niekoľkých lakťov začnú účastníci trénovať zatváranie a otváranie paľby za plného pohľadu na spoločníka tak, že akonáhle jeden zbadá svetlo druhého, okamžite otvorí svoju.. Podarilo sa mi ho vyrobiť len na krátku vzdialenosť - menej ako jednu míľu - prečo som si nemohol byť istý, či sa objavenie opačného svetla skutočne objaví náhle. Ale ak sa to nestane náhle, potom v každom prípade extrémnou rýchlosťou."

Prostriedky, ktoré mal vtedy Galileo k dispozícii, samozrejme neumožňovali vyriešiť túto otázku tak ľahko a on si to plne uvedomoval. Kontroverzia pokračovala. Robert Boyle, slávny írsky vedec, ktorý dal prvý správna definícia chemický prvok, veril, že rýchlosť svetla je konečná a ďalší génius 17. storočia Robert Hooke veril, že rýchlosť svetla je príliš vysoká na to, aby sa dala určiť experimentálne. Na druhej strane astronóm Johannes Kepler a matematik René Descartes zaujali názor Aristotela.

Römer a mesiac Jupitera

Prvý prielom v tejto stene bol urobený v roku 1676. Stalo sa to do istej miery náhodou. Teoretický problém, ako sa už viackrát v dejinách vedy stalo, bol vyriešený v rámci čisto praktickej úlohy. Potreby rozširujúceho sa obchodu a rastúci význam navigácie podnietili Francúzsku akadémiu vied pracovať na spresňovaní geografických máp, čo si vyžadovalo najmä spoľahlivým spôsobom definície zemepisná dĺžka... Zemepisná dĺžka je určená spravodlivo jednoduchým spôsobom- s časovým rozdielom dvoch rôzne body glóbus, no vtedy ešte nevedeli vyrobiť dostatočne presné hodinky. Vedci navrhli použiť na určenie parížskeho času a času na palube lode nejaký nebeský jav, ktorý sa pozoruje každý deň v rovnakú hodinu. Podľa tohto javu si mohol navigátor alebo geograf nastaviť hodinky a zistiť parížsky čas. Takýmto javom, viditeľným odkiaľkoľvek na mori alebo na súši, je zatmenie jedného zo štyroch veľkých mesiacov Jupitera, ktoré objavil Galileo v roku 1609.

Medzi vedcami zaoberajúcimi sa touto problematikou bol aj mladý dánsky astronóm Ole Roemer, ktorého štyri roky predtým pozval francúzsky astronóm Jean Picard, aby pracoval v novom parížskom observatóriu.

Rovnako ako iní astronómovia tej doby, aj Roemer vedel, že obdobie medzi dvoma zatmeniami satelitu najbližšie k Jupiteru sa počas roka mení; pozorovania z toho istého bodu oddelené obdobím šiestich mesiacov poskytujú maximálny rozdiel 1320 sekúnd. Týchto 1320 sekúnd bolo pre astronómov záhadou a nikto pre nich nenašiel uspokojivé vysvetlenie. Zdalo sa, že existuje nejaký vzťah medzi obežnou dobou satelitu a polohou Zeme na obežnej dráhe vzhľadom na Jupiter. A teraz Roemer, ktorý dôkladne skontroloval všetky tieto pozorovania a výpočty, nečakane jednoducho vyriešil hádanku.

Roemer predpokladal, že 1320 sekúnd (alebo 22 minút) je čas, ktorý svetlo potrebuje na to, aby prekonalo vzdialenosť z obežnej dráhy Zeme k Jupiteru do polohy najďalej od Jupitera, kde sa Zem nachádza o šesť mesiacov neskôr. Inými slovami, dodatočná vzdialenosť, ktorú prejde svetlo odrazené od Jupiterovho satelitu, sa rovná priemeru obežnej dráhy Zeme (obr. 1).

Ryža. 1. Roemerov spôsob uvažovania.
Doba obehu satelitu najbližšie k Jupiteru je približne 42,5 hodiny. Preto musel byť satelit zakrytý Jupiterom (alebo opustiť pásmo zatmenia) každých 42,5 hodiny. Ale počas šiestich mesiacov, keď sa Zem vzďaľuje od Jupitera, boli zatmenia pozorované zakaždým s čoraz väčším oneskorením v porovnaní s predpokladanými dátumami. Roemer dospel k záveru, že svetlo sa nešíri okamžite, ale má konečnú rýchlosť; preto jej pri vzďaľovaní sa od Jupitera na jeho obežnej dráhe okolo Slnka trvá stále viac času, kým dosiahne Zem.

V čase Röhmera sa priemer obežnej dráhy Zeme považoval za približne 182 000 000 míľ (292 000 000 km). Po vydelení tejto vzdialenosti 1320 sekundami zistil Roemer rýchlosť svetla 138 000 míľ (222 000 km) za sekundu.

Na prvý pohľad sa môže zdať, že získať číselný výsledok s takouto chybou (takmer 80 000 km za sekundu) nie je veľká zásluha. Ale premýšľajte o tom, čo Roemer dosiahol. Prvýkrát v histórii ľudstva sa dokázalo, že pohyb, považovaný za nekonečne rýchly, je prístupný poznaniu a meraniu.

Navyše, od prvého pokusu získal Roemer hodnotu správne poradie... Ak vezmeme do úvahy, že vedci stále pracujú na objasnení priemeru zemskej dráhy a načasovania zatmenia Jupiterových satelitov, potom Roehmerova chyba neprekvapí. Teraz vieme, že maximálne oneskorenie zatmenia satelitu nie je 22 minút, ako si myslel Roemer, ale približne 16 minút 36 sekúnd a priemer obežnej dráhy Zeme sa približne rovná nie 292 000 000 km, ale 300 000 000 km. Ak zavedieme tieto úpravy do Röhmerovho výpočtu, ukáže sa, že rýchlosť svetla je 300 000 km za sekundu a tento výsledok sa blíži k najpresnejšiemu údaju, ktorý vedci našej doby získali.

Základnou požiadavkou dobrej hypotézy je robiť na jej základe správne predpovede. Na základe ním vypočítanej rýchlosti svetla dokázal Roemer presne predpovedať niektoré zatmenia niekoľko mesiacov vopred. Napríklad v septembri 1676 predpovedal, že v novembri sa Jupiterov mesiac objaví približne o desať minút neskôr. Malý satelit Roemera nesklamal a objavil sa v predpovedanom čase s presnosťou jednej sekundy. Ale parížskych filozofov nepresvedčilo ani toto potvrdenie Roemerovej teórie. Isaac Newton a veľký holandský astronóm a fyzik Christian Huygens však prišli na podporu Dána. A o nejaký čas neskôr, v januári 1729, anglický astronóm James Bradley trochu iným spôsobom dospel k rovnakému záveru ako Roemer. Nebol priestor na pochybnosti. Roemer ukončil medzi vedcami populárny názor, že svetlo sa šíri okamžite, bez ohľadu na vzdialenosť.

Roemer dokázal, že hoci je rýchlosť svetla veľmi vysoká, predsa len je konečná a dá sa zmerať. Niektorí učenci však stále neboli úplne spokojní, aj keď pripisovali zásluhy za Roehmerov úspech. Meranie rýchlosti svetla jeho metódou vychádzalo z astronomických pozorovaní a trvalo dlho. Meranie chceli uskutočniť aj v laboratóriu čisto pozemskými prostriedkami, bez opustenia našej planéty, aby boli všetky podmienky experimentu pod kontrolou. Francúzsky fyzik Maren Marsenne, súčasník a priateľ Descartesa, dokázal pred tridsiatimi piatimi rokmi zmerať rýchlosť zvuku. Prečo nemôžete urobiť to isté so svetlom?

Prvé meranie pozemskými prostriedkami

Vyriešenie tohto problému si však muselo počkať takmer dve storočia. V roku 1849 francúzsky fyzik Armand Hippolyte Louis Fizeau prišiel na pomerne jednoduchý spôsob. Na obr. 2 je znázornená zjednodušená schéma jeho inštalácie. Fizeau nasmeroval svetelný lúč zo zdroja do zrkadla V, potom sa tento lúč odrážal na zrkadle A... Jedno zrkadlo bolo inštalované v Suresnes, v dome Fizeauovho otca, a druhé na Montmartre v Paríži; vzdialenosť medzi zrkadlami bola približne 8,66 km. Medzi zrkadlami A a V bolo umiestnené ozubené koleso, ktoré sa dalo otáčať danou rýchlosťou (princíp stroboskopu). Zuby kolovratu prerušili svetelný lúč a rozbili ho na impulzy. Týmto spôsobom bol odoslaný reťazec krátkych zábleskov.

Ryža. 2. Inštalácia Fizeau.
174 rokov po tom, čo Roemer vypočítal rýchlosť svetla z pozorovaní zatmení mesiaca Jupiter, Fizeau skonštruoval zariadenie na meranie rýchlosti svetla v pozemských podmienkach. Výbava C rozbil lúč svetla na záblesky. Fizeau meral čas, za ktorý svetlo prešlo vzdialenosť C do zrkadla A a späť, rovných 17,32 km. Slabinou tejto metódy bolo, že okamih najväčšieho jasu svetla určoval pozorovateľ okom. Takéto subjektívne pozorovania nie sú dostatočne presné.

Keď bolo ozubené koleso nehybné a vo svojej pôvodnej polohe, pozorovateľ mohol vidieť svetlo zo zdroja cez medzeru medzi dvoma zubami. Potom sa koleso dalo do pohybu s čoraz väčšou rýchlosťou a prišiel okamih, keď sa svetelný impulz, ktorý prechádzal medzerou medzi zubami, vrátil späť a odrážal sa od zrkadla. A, a bol zdržaný ostňom. V tomto prípade pozorovateľ nič nevidel. S ďalším zrýchľovaním otáčania ozubeného kolesa sa svetlo opäť objavilo, rozjasnilo a nakoniec dosiahlo maximálnu intenzitu. Ozubené koleso používané Fizeauom malo 720 zubov a svetlo dosahovalo maximálnu intenzitu pri 25 otáčkach za sekundu. Na základe týchto údajov Fizeau vypočítal rýchlosť svetla nasledovne. Svetlo prejde vzdialenosť medzi zrkadlami a späť za čas, kým sa koleso otáča z jednej medzery medzi zubami do druhej, t.j. v 1/25 × 1/720, čo je 1/18 000 sekundy. Prejdená vzdialenosť sa rovná dvojnásobku vzdialenosti medzi zrkadlami, t.j. 17,32 km. Rýchlosť svetla je teda 17,32 * 18 000, čiže asi 312 000 km za sekundu.

Foucaultovo zdokonalenie

Keď Fizeau oznámil výsledok svojho merania, vedci spochybnili spoľahlivosť tohto kolosálneho údaja, podľa ktorého sa svetlo dostane zo Slnka na Zem za 8 minút a okolo Zeme môže preletieť za osminu sekundy. Zdalo sa neuveriteľné, že človek mohol zmerať takú obrovskú rýchlosť s takými primitívnymi prístrojmi. Prejde svetlo medzi Fizeauovými zrkadlami viac ako osem kilometrov za 1/36 000 sekundy? Nemožné, povedali mnohí. Údaj, ktorý získal Fizeau, bol však veľmi blízko výsledku Röhmera. To by sotva mohla byť náhoda.

O trinásť rokov neskôr, zatiaľ čo skeptici stále pochybovali a robili ironické poznámky, Jean Bernard Léon Foucault, syn parížskeho vydavateľa, ktorý sa svojho času chystal stať sa lekárom, určil rýchlosť svetla trochu inak. S Fizeauom spolupracoval niekoľko rokov a veľa premýšľal o tom, ako zlepšiť svoje skúsenosti. Namiesto ozubeného kolesa použil Foucault otočné zrkadlo.

Ryža. 3. Foucaultova inštalácia.
Po niekoľkých vylepšeniach Michelson použil toto zariadenie na určenie rýchlosti svetla. V tomto zariadení je ozubené koleso (pozri obr. 2) nahradené otočným ploché zrkadlo C... Ak zrkadlo C nehybne alebo veľmi pomaly sa otáča, svetlo sa odráža na priesvitnom zrkadle B v smere vyznačenom plnou čiarou. Keď sa zrkadlo rýchlo otáča, odrazený lúč sa posunie do polohy označenej bodkovanou čiarou. Pohľadom cez okulár mohol pozorovateľ zmerať posun lúča. Toto meranie mu dalo dvojnásobnú hodnotu uhla α, t.j. uhol natočenia zrkadla, z ktorého vychádzal lúč svetla C do konkávneho zrkadla A a späť na C... Poznať rýchlosť otáčania zrkadla C, vzdialenosť od A predtým C a uhol natočenia zrkadla C počas tejto doby bolo možné vypočítať rýchlosť svetla.

Foucault sa tešil povesti talentovaného výskumníka. V roku 1855 mu bola udelená Copleyova medaila od Kráľovskej spoločnosti Anglicka za skúsenosti s kyvadlom, ktoré bolo dôkazom rotácie Zeme na osi. Zostrojil aj prvý gyroskop vhodný pre praktické využitie... Nahradenie ozubeného kolesa otočným zrkadlom vo Fizeauovom experimente (takúto myšlienku navrhol už v roku 1842 Dominico Arago, ale nebola realizovaná) umožnila skrátiť dráhu svetelného lúča z viac ako 8 kilometrov na 20 m. Otočné zrkadlo (obr. 3) vychyľovalo spätný lúč pod malým uhlom, čo umožnilo vykonať potrebné merania na výpočet rýchlosti svetla. Výsledok získaný Foucaultom bol 298 000 km/sec, t.j. cca 17 000 km menšiu hodnotu získal Fizeau. (V inom experimente Foucault umiestnil medzi odrážajúce a rotujúce zrkadlá potrubie naplnené vodou, aby určil rýchlosť šírenia svetla vo vode. Ukázalo sa, že rýchlosť šírenia svetla vo vzduchu je väčšia.)

O desať rokov neskôr Marie Alfredo Cornu, profesor experimentálnej fyziky na Parížskej vysokej škole polytechnická škola, opäť sa vrátila k ozubenému kolesu, ale už mala 200 zubov. Cornuov výsledok bol blízky tomu predchádzajúcemu. Dostal údaj 300 000 km za sekundu. Stalo sa tak v roku 1872, keď mladého Michelsona, študenta posledného ročníka námornej akadémie v Annapolise, požiadali na skúške z optiky, aby porozprával o Foucaultovom prístroji na meranie rýchlosti svetla. Vtedy nikoho nenapadlo, že v učebniciach fyziky, z ktorých budú študovať budúce generácie študentov, bude Michelsonovi pridelených veľa viac priestoru než Fizeau alebo Foucault.

Dávno predtým, ako vedci zmerali rýchlosť svetla, museli tvrdo pracovať, aby definovali samotný pojem „svetlo“. Ako jeden z prvých na to myslel Aristoteles, ktorý považoval svetlo za akúsi pohyblivú substanciu šíriacu sa v priestore. Jeho starorímsky kolega a nasledovník Lucretius Carus trval na atómovej štruktúre svetla.

TO XVII storočia vytvorili dve hlavné teórie podstaty svetla – korpuskulárne a vlnové. Newton patril medzi prívržencov prvého. Podľa jeho názoru všetky svetelné zdroje vyžarujú najmenšie častice. V procese "letu" tvoria svetelné čiary - lúče. Jeho oponent, holandský vedec Christian Huygens, trval na tom, že svetlo je druh vlnenia.

V dôsledku stáročných sporov dospeli vedci ku konsenzu: obe teórie majú právo na život a svetlo je okom viditeľný spektrum elektromagnetických vĺn.

Trochu histórie. Ako sa merala rýchlosť svetla

Väčšina starovekých vedcov bola presvedčená, že rýchlosť svetla je nekonečná. Výsledky štúdií Galilea a Hooka však priznali svoj limit, ktorý v 17. storočí jednoznačne potvrdil vynikajúci dánsky astronóm a matematik Olaf Roemer.


Svoje prvé merania urobil pozorovaním zatmení Io, satelitu Jupitera v okamihu, keď sa Jupiter a Zem nachádzali s protiľahlé strany vzhľadom na slnko. Roemer zaznamenal, že keď sa Zem vzdialila od Jupitera na vzdialenosť rovnajúcu sa priemeru obežnej dráhy Zeme, čas oneskorenia sa zmenil. Maximálna hodnota bola 22 minút. V dôsledku výpočtov dostal rýchlosť 220 000 km / s.

O 50 rokov neskôr, v roku 1728, vďaka objavu aberácie anglický astronóm J. Bradley „spresnil“ tento údaj na 308 000 km/s. Neskôr rýchlosť svetla zmerali francúzski astrofyzici François Argo a Leon Foucault, ktorí na „výjazde“ dostali 298 000 km/s. Ešte presnejšiu techniku ​​merania navrhol tvorca interferometra, slávny americký fyzik Albert Michelson.

Michelsonov experiment pri určovaní rýchlosti svetla

Experimenty trvali od roku 1924 do roku 1927 a pozostávali z 5 sérií pozorovaní. Podstata experimentu bola nasledovná. Na Mount Wilson v okolí Los Angeles bol inštalovaný zdroj svetla, zrkadlo a rotačný oktaedrický hranol a po 35 km odrazové zrkadlo na Mount San Antonio. Najprv svetlo cez šošovku a štrbinu dopadalo na hranol otáčajúci sa pomocou vysokorýchlostného rotora (rýchlosťou 528 ot./s).

Účastníci experimentov si mohli nastaviť rýchlosť otáčania tak, aby bol obraz svetelného zdroja v okuláre dobre viditeľný. Keďže bola známa vzdialenosť medzi vrcholmi a frekvencia rotácie, Michelson určil hodnotu rýchlosti svetla - 299796 km/s.

Pre rýchlosť svetla sa vedci definitívne rozhodli v druhej polovici 20. storočia, kedy vznikli masery a lasery, vyznačujúce sa najvyššou stabilitou frekvencie žiarenia. Začiatkom 70-tych rokov klesla chyba merania na 1 km/s. Výsledkom bolo, že na odporúčanie XV. Generálnej konferencie pre váhy a miery, ktorá sa konala v roku 1975, sa rozhodlo predpokladať, že rýchlosť svetla vo vákuu sa teraz rovná 299792,458 km/s.

Je rýchlosť svetla pre nás dosiahnuteľná?

Je zrejmé, že prieskum vzdialených kútov vesmíru je nemysliteľný bez vesmírnych lodí letiacich veľkou rýchlosťou. Žiaduce pri rýchlosti svetla. Ale je to možné?

Svetelná rýchlostná bariéra je jedným z dôsledkov teórie relativity. Ako viete, zvýšenie rýchlosti vyžaduje zvýšenie energie. Rýchlosť svetla by vyžadovala takmer nekonečnú energiu.

Bohužiaľ, fyzikálne zákony sú kategoricky proti. V rýchlosti vesmírna loď pri rýchlosti 300 000 km/s sa častice letiace smerom k nemu, napríklad atómy vodíka, premenia na smrtiaci zdroj silného žiarenia rovnajúceho sa 10 000 sievert/s. Je to približne rovnaké, ako keď ste vo vnútri Veľkého hadrónového urýchľovača.

Podľa vedcov z Johns Hopkins University neexistuje v prírode primeraná ochrana pred takýmto monštruóznym kozmickým žiarením. Erózia z účinkov medzihviezdneho prachu dokončí zničenie lode.

Ďalším problémom s rýchlosťou svetla je dilatácia času. Zároveň sa výrazne predĺži staroba. Zorné pole tiež prejde zakrivením, v dôsledku čoho trajektória lode prejde akoby vnútri tunela, na konci ktorého posádka uvidí žiarivý záblesk. Za loďou zostane úplná tma.

Takže v blízkej budúcnosti bude musieť ľudstvo obmedziť svoje vysokorýchlostné „chute do jedla“ na 10 % rýchlosti svetla. To znamená, že najbližšej hviezde k Zemi – Proxima Centauri (4,22 svetelných rokov) bude trvať let asi 40 rokov.


Vesmír sa zúčastňuje experimentov

Metóda, ktorou Le Verrier zaujal predstavivosť vedcov. Pohyb Neptúna bol pozorne sledovaný a čoskoro zistil také významné rozdiely medzi pozorovanými a teoretickými dráhami novej hviezdy, že to bolo možné vysvetliť len existenciou inej planéty nachádzajúcej sa za Neptúnom!

18. februára 1930 mladý astronóm Clyde Tombaugh z Lovell Observatory v Amerike konečne objavil (vo vzdialenosti takmer trojnásobku polomeru obežnej dráhy Neptúna) nová planéta Slnečná sústava pomenovaný Pluto... Tombaugh tým potvrdil výpočty slávnych teoretických astronómov Percivala Lovella a Williama Pickeringa.

Skutočne, ako povedal slávny francúzsky optik a astronóm François Arago, „... mentálne oči môžu nahradiť silné teleskopy...“.

V slnečnej sústave je deväť veľkých planét: Merkúr, Venuša, Zem, Mars, Jupiter, Saturn, Urán, Neptún, Pluto. Medzi Marsom a Jupiterom je veľké množstvo malých planét nazývaných asteroidy. Astronómovia však pokračujú v hľadaní nových planét.

Teoretické prognózy ukázali, že kým nebeských telies v slnečnej sústave nie je ovplyvnená príťažlivosťou vzdialených hviezd a iných planetárnych systémov našej galaxie. Slnko by malo "prilákať" malé a veľké planéty... Gravitačná sila Slnka sa rozprestiera na vzdialenosť 200-tisíc krát väčšiu ako je dráha zo Zeme k Slnku!

Nemôže sa stať, že v takom rozsiahlom priestore neboli žiadne husté nebeské telesá, hoci hľadanie desiatej planéty slnečnej sústavy pomocou najsilnejších moderných ďalekohľadov nebolo doteraz korunované úspechom ...

Ako vidíme, nebeská mechanika vždy potvrdzuje zákony pozemskej mechaniky odvodené Newtonom. Pohyb nebeských telies, ako sa ukázalo v časoch Newtona, umožňuje nielen kontrolovať zákon univerzálna gravitácia, ale tiež dáva výskumníkom skvelý spôsob určenie rýchlosti svetla.

Je zvláštne, že Galileo o takejto metóde neuhádol a na tento účel ponúka iba experiment s lampášmi. Dvaja ľudia stoja vo veľkej vzdialenosti od seba s lampášmi v rukách a označujú čas, za ktorý svetlo náhle zapáleného lampáša prekoná vzdialenosť medzi nimi. Experiment je, žiaľ, úplne neuskutočniteľný kvôli príliš vysokej rýchlosti svetla ...

Ako sa merala rýchlosť svetla?

V septembri 1676 mladý Dán Olaf Roemer, ktorý pracoval na parížskom observatóriu, predložil Francúzskej akadémii vied správu, v ktorej opísal, ako možno pomocou rotácie Zeme okolo Slnka určiť rýchlosť svetla.

Römer počas svojho výskumu pozoroval pohyb jedného z mesiacov Jupitera. Čas úplnej revolúcie satelitu okolo planéty bol prísne konštantný a astronómom dobre známy. Roemer poznamenal: ak je Zem pri svojej rotácii okolo Slnka v bode svojej obežnej dráhy najďalej od Jupitera, potom astronómovia pozorujú vstup satelitu do tieňa Jupitera o 22 minút neskôr ako v okamihu, keď je Zem najbližšie k Jupiteru. Roemer uhádol dôvod zvláštneho javu – svetlo potrebuje 22 minút na to, aby prekonalo vzdialenosť od najbližšieho bodu k bodu obežnej dráhy Zeme, ktorý je od Jupitera najďalej. Keď poznáme čas, ktorý na to svetlo strávi, a vypočítame priemer obežnej dráhy Zeme, môžeme ľahko určiť rýchlosť svetla!

Toto bol pravdepodobne jeden z prvých prípadov v histórii vedy, keď vedec použil vesmír ako obrovské prírodné laboratórium ...

Römer získal hodnoty rýchlosti svetla, ktoré sú jeden a pol krát menšie moderné významy túto hodnotu. Ale za to ho možno len ťažko viniť: vieme, akými prístrojmi meral čas jeho veľký súčasník Galileo Galilei.

Astronomickú metódu merania rýchlosti svetla fyzici vo veľkej miere používali počas troch storočí, ktoré uplynuli od pozorovaní a výpočtov Roehmera. Teraz je všeobecne akceptovanou hodnotou rýchlosť svetla vo vákuu, ktorá sa rovná 299,79 tisíc kilometrov za sekundu.

V 19. storočí sa naučili určovať rýchlosť svetla na Zemi. Americký fyzik Albert Michelson dosiahol v týchto experimentoch vysokú dokonalosť. Jeho komplexné masívne zariadenie s mnohými zrkadlami predlžujúcimi dráhu svetla bolo umiestnené na kamennej doske s plochou 1,5 m 2 a hrúbkou 30 cm. Aby nedochádzalo k čo najmenším otrasom zariadenia, podpera dosky bola vyplnená ortuť.

Michelson zistil, že rýchlosť svetla nezávisí od smeru lúča, šírenie svetla nie je ovplyvnené rotáciou Zeme. Výnimočná dôkladnosť Michelsonových experimentov, dosiahnutá v r začiatkom XIX storočia vysoká presnosť pri určovaní skutočný význam rýchlosť svetla možno podnietila Alberta Einsteina, aby zvážil rýchlosť svetla v samotnom vákuu vysoká rýchlosťčo je možné v prírode. Táto myšlienka je jedným z najdôležitejších postulátov teórie relativity, ktorú vytvoril Einstein - najvšeobecnejšia moderná teória pohybu, do ktorého boli ako špeciálny prípad zahrnuté Newtonove zákony.

Je známe, že rýchlosť svetla vo vákuu je konečná a dosahuje ≈300 000 km/s. Všetky údaje sú založené na týchto údajoch. moderná fyzika a všetky moderné vesmírne teórie. Ale až donedávna boli vedci presvedčení, že rýchlosť svetla je nekonečná a my okamžite vidíme, čo sa deje v najvzdialenejších kútoch vesmíru.

Ľudia začali premýšľať o tom, čo je svetlo v staroveku. Svetlo z plameňa sviečky, ktoré sa okamžite šíri po miestnosti, záblesky bleskov na oblohe, pozorovanie komét a iných kozmických telies na nočnej oblohe dávalo pocit, že rýchlosť svetla je nekonečná. Skutočne je ťažké uveriť, že napríklad pri pohľade na Slnko ho nepozorujeme v jeho súčasnom stave, ale v stave, v akom to bolo asi pred 8 minútami.

Niektorí ľudia však stále spochybňovali zdanlivo osvedčenú pravdu o nekonečnosti rýchlosti svetla. Jedným z týchto ľudí bol Isaac Bengman, ktorý sa v roku 1629 pokúsil uskutočniť experiment na určenie konečnej rýchlosti svetla. Nemal, samozrejme, žiadne počítače, žiadne vysoko citlivé lasery, žiadne veľmi presné hodiny. Namiesto toho sa vedec rozhodol odpáliť. Po naplnení nádoby výbušninou rozdielna vzdialenosť Nainštaloval som od nej veľké zrkadlá a požiadal som pozorovateľov, aby určili, v ktorom zo zrkadiel sa záblesk z výbuchu objaví ako prvý. Vzhľadom na to, že za jednu sekundu je svetlo schopné obehnúť Zem 7,5-krát, môžete hádať, že experiment skončil neúspechom.

O niečo neskôr navrhol svoj experiment notoricky známy Galileo, ktorý tiež spochybňoval nekonečnosť rýchlosti svetla. Na jeden kopec postavil svojho pomocníka s lampášom a on sám sa postavil s lampášom na druhý. Keď Galileo zdvihol veko zo svojej lampy, jeho asistent okamžite zdvihol veko z protiľahlej lampy. Samozrejme, tento experiment tiež nemohol byť korunovaný úspechom. Jediné, čo mohol Galileo tušiť, bolo, že rýchlosť svetla je oveľa rýchlejšia ako ľudská reakcia.

Ukazuje sa, že jediným východiskom bola účasť na experimente telies, ktoré boli od Zeme dosť vzdialené, ale ktoré bolo možné pozorovať pomocou vtedajších ďalekohľadov. Takýmito objektmi sú Jupiter a jeho mesiace. V roku 1676 sa astronóm Ole Roemer pokúsil určiť zemepisnú dĺžku medzi rôznymi bodmi na geografická mapa... Využil na to systém na pozorovanie zatmenia jedného z mesiacov Jupitera – Io. Ole Roemer uskutočnil svoj výskum z ostrova neďaleko Kodane, zatiaľ čo ďalší astronóm Giovanni Domenico Cassini pozoroval rovnaké zatmenie z Paríža. Porovnaním času začiatku zatmenia medzi Parížom a Kodaňou vedci určili rozdiel v zemepisnej dĺžke. Niekoľko rokov po sebe Cassini pozoroval Jupiterove mesiace z rovnakého miesta na Zemi a všimol si, že čas medzi zatmeniami satelitov sa skracuje, keď je Zem bližšie k Jupiteru, a dlhší, keď je Zem ďalej od Jupitera. Na základe svojich pozorovaní navrhol, že rýchlosť svetla je konečná. Bolo to absolútne správne rozhodnutie, ale Cassani z nejakého dôvodu čoskoro ustúpil od svojich slov. Roemer však túto myšlienku prijal s nadšením a dokonca sa mu podarilo zostaviť chytré vzorce, ktoré zohľadňujú priemer Zeme a obežnú dráhu Jupitera. V dôsledku toho vypočítal, že svetlu trvalo asi 22 minút, kým prešlo priemerom obežnej dráhy Zeme okolo Slnka. Jeho výpočty boli nesprávne: podľa moderných údajov prejde svetlo túto vzdialenosť za 16 minút a 40 sekúnd. Ak by boli Oleove výpočty presné, rýchlosť svetla by bola 135 000 km/s.

Neskôr na základe Röhnerových výpočtov Christian Huyens do vzorcov dosadil presnejšie údaje o priemere Zeme a obežnej dráhe Jupitera. Vďaka tomu dostal rýchlosť svetla rovných 220 000 km/s, čo je oveľa bližšie k správnej hodnote.

Ale nie všetci vedci vypočítali hypotézu o konečnosti rýchlosti svetla správne. Vedecká debata pokračovala až do roku 1729, kedy bol objavený fenomén svetelnej aberácie, ktorý potvrdil predpoklad, že rýchlosť svetla je konečná a umožnil presnejšie zmerať jej hodnotu.

Je to zaujímavé: moderní vedci a historici dospeli k záveru, že s najväčšou pravdepodobnosťou boli vzorce Roemera a Huyensa správne. Chyba bola v údajoch o dráhe Jupitera a priemere Zeme. Ukazuje sa, že sa nemýlili dvaja astronómovia, ale ľudia, ktorí im poskytli informácie o dráhe a priemere.

Hlavná fotografia: depositphotos.com

Ak nájdete chybu, vyberte časť textu a stlačte Ctrl + Enter.