Скорость света в км: Недопустимое название | Наука | Fandom

Содержание

Ученые рассказали, как человек сможет использовать сверхсветовую скорость :: Общество :: РБК

Кандидат физико-математических наук, доцент Московского физико-технического института, старший научный сотрудник Института космических исследований РАН Александр Родин прокомментировал открытие специалистов Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN), которые смогли развить сверхсветовую скорость.

В комментарии «РБК daily» А.Родин отметил, что к подобному открытию следует относиться с осторожностью.

В CERN допустили, что в скором времени может найтись опровержение теории относительности Эйнштейна. Возможно, физики обнаружили способность у частиц нейтрино двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Стоит отметить, что согласно теории относительности Эйнштейна такого не может быть, поскольку скорость света – предельная во Вселенной.

Во время экспериментов физики установили, что запущенные из специального ускорителя в Швейцарии субатомные частицы (нейтрино) достигли лаборатории в итальянском городе Гран-Сассо на 60 наносекунд быстрее скорости света, преодолев 732 км. Скорость света составляет 299 792 458 м/с.

«С одной стороны, это выглядит как полная чушь.

С другой, CERN — очень уважаемая команда. Но единственное, на что мы должны ориентироваться — официальное заявление, которого пока не было», — выразил мнение А.Родин. «Быть может, вся история окончится какой-нибудь шуткой», — предположил ученый.

«Если заявления не последует быстро, значит, никакого эффекта нет. Исследователи могли чего-то не учесть, не так проанализировать. Даже возможен сбой в электронике», — отметил российский эксперт.

Сколько составляет скорость света и звука? | Справка | Вопрос-Ответ

Cамой высокой скоростью считается скорость света в вакууме, т. е. пространстве, свободном от вещества. Учёным сообществом было принято её значение 299 792 458 м/с (или 1 079 252 848,8 км/ч). При этом самое точное измерение скорости света на основе эталонного метра, проведённое в 1975 году, показало, что она составляет 299 792 458 ± 1,2 м/с . Со скоростью света распространяется как сам видимый свет, так и другие виды электромагнитного излучения, например, радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты.

Скорость света в вакууме является фундаментальной физической постоянной, т. е. её значение не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем. Эта скорость не зависит ни от движения источника волн, ни от системы отсчёта наблюдателя.

Чему равна скорость звука?

Скорость звука отличается в зависимости от среды, в которой распространяются упругие волны. Вычислить скорость звука в вакууме невозможно, т. к. звук в таких условиях не может распространяться: в вакууме отсутствует упругая среда, и упругие механические колебания возникнуть не могут. Как правило, медленнее звук распространяется в газе, немного быстрее — в жидкости, наиболее быстро — в твёрдых телах.

Так, согласно Физической энциклопедии под редакцией Прохорова, скорость звука в некоторых газах при 0 °С и нормальном давлении (101325 Па) составляет (м/c):

Азот

334

Кислород

316

Воздух

331

Гелий

965

Водород

1284

Метан

430

Аммиак

415

Углекислый газ

259

Скорость звука в некоторых жидкостях при 20 °С равняется (м/c):

Вода

1490

 

Ацетон

1190

Бензол

1324

Спирт этиловый

1180

Ртуть

1453

Глицерин

1923

В твёрдой среде распространяются продольные и поперечные упругие волны, причём скорость продольных всегда больше, чем поперечных.

Скорость звука в некоторых твёрдых телах составляет (м/c):

              

Продольная волна

Поперечная волна

Бетон

4200-5300

3762

Железо

5835-5950

3180-3240

Золото

3200-3240

1200

Свинец

1960-2400

700-790

Цинк

4170-4210

2440

Серебро

3650-3700

1600-1690

Алюминиевый сплав

6320

3190

Смотрите также:

почему скорость света такая, какая есть? / Хабр


Вне зависимости от цвета, длины волны или энергии, скорость, с которой свет перемещается в вакууме, остаётся постоянной. Она не зависит от местоположения или направлений в пространстве и времени

Ничто во Вселенной не способно двигаться быстрее света в вакууме. 299 792 458 метров в секунду. Если это массивная частица, она может лишь приблизиться к этой скорости, но не достичь её; если это безмассовая частица, она всегда должна двигаться именно с этой скоростью, если дело происходит в пустом пространстве. Но откуда нам это известно и что тому причиной? На этой неделе наш читатель задаёт нам три связанных со скоростью света вопроса:

Почему скорость света конечна? Почему она именно такая, какая есть? Почему не быстрее и не медленнее?

Вплоть до XIX века у нас даже не было подтверждений этим данным.


Иллюстрация света, проходящего через призму и разделяющегося на чёткие цвета.

Если свет проходит через воду, призму или любую другую среду, он разделяется на разные цвета. Красный цвет преломляется не под тем углом, под которым это делает синий, из-за чего и возникает что-то типа радуги. Это можно наблюдать и вне видимого спектра; инфракрасный и ультрафиолетовый свет ведут себя так же. Это было бы возможно, только если скорость света в среде отличается для света разных длин волн/энергий. Но в вакууме, вне всякой среды, всякий свет перемещается с одной и той же конечной скоростью.


Разделение света на цвета происходит из-за разных скоростей движения света, зависящих от длины волны, через среду

До этого додумались только в середине XIX века, когда физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что на самом деле представляет собой свет: электромагнитную волну. Максвелл впервые поставил независимые явления электростатики (статичные заряды), электродинамики (движущиеся заряды и токи), магнитостатики (постоянные магнитные поля) и магнитодинамики (наведённые токи и переменные магнитные поля) на единую, объединённую платформу. Управляющие ею уравнения – уравнения Максвелла – позволяют вычислять ответ на простой вроде бы вопрос: какие типы электрических и магнитных полей могут существовать в пустом пространстве вне электрических или магнитных источников? Без зарядов и без токов можно было бы решить, что никакие – но уравнения Максвелла удивительным образом доказывают обратное.


Табличка с уравнениями Максвелла с обратной стороны его памятника

Ничто – одно из возможных решений; но возможно и другое – колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. У них есть определённые амплитуды. Их энергия определяется частотой колебаний полей. Они передвигаются с определённой скоростью, определяемой двумя константами: ε0 и µ0. Эти константы определяют величину электрического и магнитного взаимодействий в нашей Вселенной. Получаемое уравнение описывает волну. И, как у всякой волны, у неё есть скорость, 1/√ε0 µ0, которая оказывается равной c, скорости света в вакууме.


Колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся со скоростью света, определяют электромагнитное излучение

С теоретической точки зрения, свет – безмассовое электромагнитное излучение. По законам электромагнетизма он обязан двигаться со скоростью 1/√ε0 µ0, равной c – вне зависимости от остальных его свойств (энергии, импульса, длины волны). ε0 можно измерить, сделав и измерив конденсатор; µ0 точно определяется из ампера, единицы электрического тока, что и даёт нам c. Та же фундаментальная константа, впервые выведенная Максвеллом в 1865 году, с тех пор появлялась во многих других местах:

• Это скорость любой безмассовой частицы или волны, включая гравитационные.
• Это фундаментальная константа, соотносящая ваше движение в пространстве с вашим движением во времени в теории относительности.
• И это фундаментальная константа, связывающая энергию с массой покоя, E = mc2


Наблюдения Рёмера снабдили нас первыми измерениями скорости света, полученными при помощи геометрии и измерения времени, необходимого на то, чтобы свет прошёл расстояние, равное диаметру орбиты Земли.

Первые измерения этой величины были сделаны во время астрономических наблюдений. Когда луны Юпитера входят и выходят в положение затмения, они кажутся видимыми или невидимыми с Земли в определённой последовательности, зависящей от скорости света. Это привело к первому количественному измерению с в XVII веке, которое определили в 2,2 × 108 м/с. Отклонение звёздного света – из-за движения звезды и Земли, на которой установлен телескоп – тоже можно оценить численно. В 1729 году этот метод измерения с показал значение, отличающееся от современного всего на 1,4%. К 1970-м с определили равным 299 792 458 м/с с погрешностью всего в 0,0000002%, большая часть которой проистекала из невозможности точного определения метра или секунды. К 1983 году секунду и метр переопределили через с и универсальные свойства излучения атома. Теперь скорость света равна точно 299 792 458 м/с.


Атомный переход с орбитали 6S, δf1, определяет метр, секунду и скорость света

Так почему же скорость света не больше и не меньше? Объяснение такое же простое, как указанный на рис. Выше атом. Атомные переходы происходят так, как происходят, из-за фундаментальных квантовых свойств строительных блоков природы. Взаимодействия атомного ядра с электрическим и магнитными полями, создаваемыми электронами и другими частями атома приводят к тому, что разные энергетические уровни оказываются чрезвычайно близко друг к другу, но всё же немного отличаются: это называется сверхтонким расщеплением. В частности, частота перехода сверхтонкой структуры цезия-133 испускает свет совершенно определённой частоты. Время, за которое проходит 9 192 631 770 таких циклов, определяет секунду; расстояние, которое свет проходит за это время, равняется 299 792 458 метрам; скорость, с которой распространяется этот свет, определяет с.


Пурпурный фотон переносит в миллион раз больше энергии, чем жёлтый. Космический гамма-телескоп Ферми не показывает никаких задержек какого-либо из фотонов, пришедших к нам от гамма-всплеска, что подтверждает постоянство скорости света для всяких энергий

Чтобы поменять это определение, нужно, чтобы с этим атомным переходом или с идущим от него светом произошло что-то фундаментально отличное от его текущей природы. Этот пример также даёт нам ценный урок: если бы атомная физика и атомные переходы работали бы в прошлом или на дальних расстояниях по-другому, это было бы свидетельством изменения скорости света со временем. Пока что все проводимые нами измерения лишь накладывают дополнительные ограничения на постоянство скорости света, и эти ограничения весьма строги: изменение не превосходит 7% от текущего значения за последние 13,7 млрд лет. Если бы по какой-то из этих метрик скорость света оказалась не постоянной, или же она отличалась бы у разных типов света, это привело бы к крупнейшей научной революции со времён Эйнштейна. Вместо этого все свидетельства говорят в пользу Вселенной, в которой все законы физики всегда, везде, во всех направлениях, во все времена остаются одинаковыми, включая и физику самого света. В каком-то смысле это тоже достаточно революционные сведения.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Физики запретили звуку распространяться со скоростью более 36 км/c

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Физики вывели формулу, которая описывает предел скорости распространения звука. Максимальная скорость звука составила примерно 36 километров в секунду, а для ее вывода потребовались фундаментальные физические постоянные — отношение массы протона к массе электрона и постоянная тонкой структуры. Работа опубликована в Science Advances.

В отличие от света, который может распространяться в вакууме и имеет там наибольшую скорость, со звуком дела обстоят иначе. Сама по себе звуковая волна — это распространяющееся возмущение среды, поэтому без среды нет и звука. Известно, что звук быстрее движется в жидкостях или твердых телах, чем в газах. Чем ближе молекулы или атомы вещества находятся друг к другу и чем сильнее они взаимодействуют, тем быстрее они будут распространять колебания. Поэтому скорость звука тесно связана с параметрами среды, в которой звук распространяется и возникает вопрос о том, насколько быстро вообще может двигаться звуковая волна.

Ученые из Лондонского университета королевы Марии, Кэмбриджского университета и Института физики высоких давлений под руководством Вадима Бражкина (Vadim Brazhkin) смогли вывести предел для скорости звука, сравнили его с экспериментальными скоростями в разных средах и выяснили, где звук может распространяться быстрее всего.

Слева — зависимость скорости звука от атомной массы, сплошная линия — теоретическая зависимость, синие точки — эксперимент, красная точка — предел скорости. Справа — экспериментальные значения скоростей звука 124 твердых тел (круги) и 9 жидкостей (ромбики)

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Они использовали два разных подхода для того, чтобы вывести формулу для скорости звука. В первом варианте авторы рассматривали упругие свойства среды, в которой распространяется звук, а во втором случае смотрели на нее как на колебательную систему. Оба подхода показали, что скорость звука зависит от масс электрона и произведения массы протона на атомную массу, а первый указал еще и на зависимость от постоянной тонкой структуры. А итоговая формула имеет вид:

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Где α — постоянная тонкой структуры, me — масса электрона, m=Amp — произведение атомной массы на массу протона, c — скорость света в вакууме. Такой набор величин неслучаен: масса протона и атомная масса характеризуют атомы, которые участвуют в распространении звуковой волны, а масса электрона и постоянная тонкой структуры отвечают за их электромагнитное взаимодействие. Если атомная масса равна единице, то предельная скорость звука получается равной примерно 36 километров в секунду.

Ученые получили зависимость скорости звука от атомной массы и сравнили ее с экспериментальными результатами для 36 разных элементов. Несмотря на большой разброс в экспериментальных данных, линейный коэффициент корреляции Пирсона оказался равным −0,71, что говорит о значительной корреляции между теорией и экспериментом. Кроме этого, авторы проверяли свой результат не только для веществ, состоящими из одинаковых атомов, но и для соединений, и даже для жидкостей. Средняя скорость звука для всех рассмотренных веществ совпала с теоретической с точностью 14 процентов.

Если сравнить теоретический предел скорости звука с самой большой наблюдаемой экспериментально величиной (скоростью звука в алмазе), то окажется, что они отличаются почти в два раза (36 километров в секунду в теории и примерно 18,35 в алмазе). Поэтому остается открытым вопрос о существовании среды, в которой скорость звука близка к предельному значению. Моделирование показало, что такая среда — это металлический водород, который находится при очень высоком давлении. В определенной конфигурации и при давлении выше 600 гигапаскалей скорость звука в таком веществе оказывается больше предельной.

Пока возможность экспериментального измерения скорости звука в металлическом водороде, как и его существование остаются под вопросом, ученые исследуют другие интересные среды. Например, скорость звука в гелиосферной мантии удалось определить с помощью «Вояджеров», а Физики из синхротронного центра DESY не только измерили скорость звука в алмазе, но и сняли распространение ударной волны с помощью рентгеновского излучения.

Оксана Борзенкова

§ 16 учебника К.Ю Богданова для 11 класса

§ 17. скорость света

Скорость света в вакууме, приближённо равная 3·108 м/с, является фундаментальной физической константой. Скорость света в любом веществе всегда меньше скорости света в вакууме.  

Свет – это электромагнитные волны с длиной волны в диапазоне между 380 и 760 нм, воспринимаемые человеческим глазом. Раздел физики, изучающий свойства света и его взаимодействие с веществом, называют оптикой.    

Впервые скорость света измерил датский астроном О. Рёмер в 1676 году. Регистрируя моменты времени, когда спутник Юпитера Ио выходит из тени Юпитера, Рёмер и его предшественники заметили отклонения от периодичности. При отдалении Земли от Юпитера моменты выхода Ио из тени Юпитера задерживались, по сравнению с предсказанными, и максимальная задержка составляла 1320 с, которая была необходима для распространения света через орбиту Земли (рис. 17а). Во времена Рёмера диаметр орбиты Земли считался равным примерно 292 000 000 км. Разделив это расстояние на 1320 секунд, Рёмер получил, что скорость света равна 222 000 км/с. Теперь известно, что максимальное запаздывание затмений Ио равно 996 с, а диаметр орбиты Земли составляет 300 000 000 км. Если внести эти поправки то, получается, что скорость света равна 300 000 км/с.

Скорость света в лабораторных условиях (без астрономических наблюдений) впервые была измерена французским физиком А.И.Л. Физо в 1849 году с помощью установки, изображённой на рис. 17б. В этой установке луч света от источника 1 падал на полупроницаемое зеркало 2 и отражался от него в сторону другого зеркала 3, находящегося на расстоянии 8,66 км. Луч, отражённый от зеркала 3, снова падал на полупроницаемое зеркало 2, проходил через него и попадал в глаз наблюдателя, 5. Между зеркалами 2 и 3 размещалось зубчатое колесо, 4, которое можно было вращать с заданной скоростью. При этом зубцы вращающегося колеса разбивали луч света на последовательность коротких вспышек – импульсов света.

В опытах Физо колесо вращали со всё возрастающей скоростью, и наступал такой момент, когда световой импульс, пройдя через промежуток между его зубцами и отразившись от зеркала 3, задерживался переместившимся за это время зубцом. В этом случае наблюдатель ничего не видел. При дальнейшем ускорении вращения зубчатого колеса свет снова появлялся, становился все ярче и, наконец, достигал максимальной интенсивности. На зубчатом колесе в опытах Физо, было 720 зубцов, а максимальной интенсивности свет достигал при 25 оборотах в секунду. На основании этих данных Физо вычислил скорость света, которая оказалась равной 312000 км/с.  

 Современные исследования показали, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, равная 299 792 458 м/с. Скорость света обозначается буквой c – первой буквой латинского слова celeritas, означающего «быстрота». Как показали опыты, скорость света в вакууме не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя. Поэтому за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 секунды. Знание точной величины скорости света имеет большое практическое значение, например, для определения расстояний с помощью радиолокации в геодезии и в системах слежения за искусственными спутниками Земли и межпланетными космическими станциями.

Скорость света была измерена в различных прозрачных средах (воздухе, воде и др.), и оказалась, что во всех веществах она меньше, чем в вакууме. В природе со скоростью света распространяются не только собственно видимый свет, но и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.).

Вопросы для повторения:

·        Кто и как впервые измерил скорость света?

·        Как Физо измерил скорость света.

·        Чему приближённо равна скорость света?

·        Как соотносится скорость света в вакууме со скоростью света в остальных прозрачных средах?

 

 


 

Рис. 17. (а) — схематическое изображение Юпитера (1) и его спутника Ио (2), входящего и выходящего из тени (3), а также Земли (4) при её вращении вокруг Солнца; (б) – установка Физо для измерения скорости света (1, источник света; 2, полупрозрачное зеркало; 3, зеркало; 4, зубчатое колесо; 5, глаз наблюдателя).

Скорость света в км

 

Скоростью света называют постоянную физическую величину, обозначающую быстроту распространения электромагнитных волн в безвоздушном пространстве. Если изъясняться простым языком, скорость света обозначает время, за которое луч света проходит определенный отрезок расстояния. На практике принято указывать скорость света в метрах в секунду. То есть в определенной среде свет всегда будет иметь постоянную скорость.

 

Как рассчитали скорость света?

 

Ученые разных стран на протяжение нескольких веков пытались достоверно измерить данную величину. Первым, кто попытался примерно рассчитать это значение, стал датский астроном О. Ремер. Исследуя затмение спутника Юпитера Ио, он сделал точные расчеты его наступления, но, к сожалению, практические данные разошлись с теорией, вот тогда ученый впервые и определил скорость света. Он выражал скорость света в метрах в секунду, по его подсчетам величина составила 220 метров за одну секунду. Затем расчет провел британский астроном Т. Бредли, его данные оказались немного ближе к истине, но все же имели некоторую погрешность.

 

И только на закате XX века, в 1970-х годах, удалось достоверно рассчитать данный параметр. Прорыв напрямую связан с появлением высокочастотных лазеров со стабильным излучением. Только в 1983 году было принято то значение постоянной, которым мы пользуемся сегодня: 300 тысяч км в секунду или, если выразить скорость света в км в час, 1,08 млрд.

 

Скорость света километров в час = 1,08 млрд км.

 

 

Определение скорости света

 

Чтобы достоверно определить скорость света, нужно определить среду, в которой движется луч. Скорость света в км в секунду является постоянной величиной в вакууме, собственно, именно так полагают физики используя эту константу. Но в среде воздуха или воды значение скорости оказывается меньше. Все дело в том, что пространство поглощает некоторое количество солнечного света, а затем повторно излучает его. Данное явление называют рефракцией. Поэтому в дистиллированной воде скорость света составляет 226 тысяч км в секунду, в оптическом стекле примерно 196 тысяч км в секунду.

 

Есть ли что-то, что движется быстрее скорости света?

 

Ранее считалось, что скорость света в км в час является предельной, по-другому, ни одна частица или тело не способно развить скорость быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако прогресс в физике показал, что все же есть объекты, способные развивать большую скорость. К таковым сегодня относят солнечные зайчики или электроны, которые не замедляют свое движение, проходя через стекло. Данная аномалия получила название «эффект Вавилова-Черенкова», и встречается в ядерных реакторах или на серьезных морских глубинах. Именно благодаря измерению скорости света получилось сделать массу открытий в области физики, провести исследования на дне океанов, узнать больше о частницах с энергиями, которые не выдает даже адронный коллайдер. Кроме того, скорость света дала возможность сделать прорыв в медицине — лучевая терапия тому доказательство.

Учёные замедлили свет до 180 км/ч и на мгновение «остановили» его

Свет является неотъемлемым элементом квантовых коммуникаций, но у него есть один существенный недостаток. Он перемещается с огромной скоростью (примерно 300 тыс. км/с) и не имеет устойчивого состояния, в котором его можно было бы хранить. Группа учёных Венского университета технологий сумела продемонстрировать, что эта проблема может быть решена. Причём не только в не получивших ещё широкого применения сложных квантовых системах, но и в обычных оптоволоконных сетях, которыми мы уже пользуемся сегодня.

В обычные стеклянные волокна изобретатели инжектировали добавки, что позволило замедлить свет до 180 км/ч. Даже многие поезда ездят быстрее. Кроме того, учёным удалось на мгновение полностью остановить свет и потом возобновить его движение. Это важное достижение, приближающее создание так называемого квантового Интернета на базе оптоволокна, в котором квантовая информация может «телепортироваться» на огромные расстояния.

Ещё из школьного курса физики нам известно, что скорость света немного снижается при прохождении лучей через среду, отличную от вакуума, например, воду или стекло. Оно замедляется вследствие взаимодействия фотонов с атомами материала. В эксперименте этот эффект многократно усилили. Этого удалось добиться за счёт добавления атомов цезия в сверхтонкое стекловолокно. При прохождении лазерного луча через среду происходит поглощение энергии фотонов, что обеспечивает переход из состояния низкой энергии в состояние высокой энергии. Но поглощённый свет в любой момент может неконтролируемо «выбрасываться», что не несёт никакой практической пользы. Поэтому учёные применили дополнительный управляющий лазер, который обеспечивает перевод атомов в третье состояние. Благодаря этим трём квантовым состояниям учёные получили контроль над созданными структурами и теперь имеют возможность хранить фотоны некоторое время (около двух микросекунд). «Захваченные» фотоны через две микросекунды были возвращены в обычное оптоволокно, сохранив свои свойства, что является очень важным условием для обеспечения квантовых коммуникаций.

Интересно отметить, что квантовое соединение между абонентами является безопасным с точки зрения защиты информации, так как перехватить сообщение и остаться при этом незамеченным не получится согласно фундаментальным законам квантовой физики.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Что такое скорость света?

С древних времен философы и ученые пытались понять свет. Помимо попыток определить его основные свойства (то есть из чего он состоит — частицы или волны и т. Д.), Они также пытались провести конечные измерения того, насколько быстро он движется. С конца 17 века ученые занимались именно этим, и с возрастающей точностью.

Таким образом они получили лучшее понимание механики света и той важной роли, которую он играет в физике, астрономии и космологии.Проще говоря, свет движется с невероятной скоростью и является самым быстрым движущимся объектом во Вселенной. Его скорость считается постоянной и непреодолимой преградой и используется как средство измерения расстояния. Но как быстро он движется?

Скорость света (

c ):

Свет движется с постоянной скоростью 1 079 252 848,8 (1,07 миллиарда) км в час. Получается 299 792 458 м / с, или около 670 616 629 миль в час (миль в час). Чтобы представить это в перспективе, если бы вы могли путешествовать со скоростью света, вы могли бы облететь земной шар примерно семь с половиной раз за одну секунду.Между тем, человеку, летящему со средней скоростью около 800 км / ч (500 миль в час), потребуется более 50 часов, чтобы облететь планету только один раз.

Иллюстрация, показывающая расстояние, на которое свет проходит между Землей и Солнцем. Предоставлено: LucasVB / Public Domain

Чтобы представить это в астрономической перспективе, среднее расстояние от Земли до Луны составляет 384 398,25 км (238 854 мили). Таким образом, свет проходит это расстояние примерно за секунду. Между тем, среднее расстояние от Солнца до Земли составляет ~ 149 597 886 км (92 955 817 миль), что означает, что свету требуется всего около 8 минут, чтобы совершить это путешествие.

Тогда неудивительно, почему скорость света является метрикой, используемой для определения астрономических расстояний. Когда мы говорим, что такая звезда, как Проксима Центавра, находится от нас на расстоянии 4,25 световых лет, мы говорим, что для того, чтобы добраться туда с постоянной скоростью 1,07 миллиарда км в час (670 616 629 миль в час), потребуется около 4 лет и 3 месяцев. Но как мы пришли к этому весьма специфическому измерению «скорости света»?

История обучения:

До 17 века ученые не были уверены, распространяется ли свет с конечной скоростью или мгновенно.Со времен древних греков до средневековых исламских ученых и ученых раннего Нового времени дискуссии продолжались. Первое количественное измерение было проведено только после работы датского астронома Оле Рёмера (1644-1710).

В 1676 году Рёмер заметил, что периоды внутренней луны Юпитера Ио оказались короче, когда Земля приближалась к Юпитеру, чем когда она удалялась от него. Из этого он пришел к выводу, что свет движется с конечной скоростью, и подсчитал, что для пересечения диаметра орбиты Земли требуется около 22 минут.

Проф. Альберт Эйнштейн читает 11-ю лекцию Джозии Уилларда Гиббса в Технологическом институте Карнеги 28 декабря 1934 года, где он изложил свою теорию того, что материя и энергия — одно и то же в разных формах. Предоставлено: AP Photo

Христиан Гюйгенс использовал эту оценку и объединил ее с оценкой диаметра орбиты Земли, чтобы получить оценку 220 000 км / с. Исаак Ньютон также говорил о расчетах Ремера в своей основополагающей работе Opticks (1706).Приняв поправку к расстоянию между Землей и Солнцем, он подсчитал, что свету потребуется семь или восемь минут, чтобы перейти от одного к другому. В обоих случаях они были с относительно небольшим отрывом.

Более поздние измерения, выполненные французскими физиками Ипполитом Физо (1819–1896) и Леоном Фуко (1819–1868), уточнили эти измерения, получив значение 315000 км / с (192 625 миль / с). А ко второй половине 19 века ученые осознали связь между светом и электромагнетизмом.

Это было выполнено физиками, измеряющими электромагнитные и электростатические заряды, которые затем обнаружили, что числовое значение очень близко к скорости света (измеренной Физо). Основываясь на своей собственной работе, которая показала, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве, немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер предположил, что свет является электромагнитной волной.

Следующий великий прорыв произошел в начале 20-го века / В своей статье 1905 года, озаглавленной « О электродинамике движущихся тел», Альберт Эйнштейн утверждал, что скорость света в вакууме, измеренная неускоряющимся наблюдателем, равна одинаково во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или наблюдателя.

Лазер, светящий через стакан с водой, показывает, сколько изменений скорости (в милях в час) он претерпевает при переходе от воздуха к стеклу, к воде и обратно. Предоставлено: Боб Кинг

Используя этот принцип и принцип относительности Галилея в качестве основы, Эйнштейн вывел специальную теорию относительности, в которой скорость света в вакууме ( c ) была фундаментальной константой. До этого ученые пришли к общему мнению, что пространство заполнено «светоносным эфиром», который отвечает за его распространение — т.е.е. этот свет, проходящий через движущуюся среду, будет увлекаться ею.

Это, в свою очередь, означало, что измеренная скорость света будет простой суммой его скорости через среды плюс скорость этой среды. Однако теория Эйнштейна фактически сделала бесполезной концепцию неподвижного эфира и произвела революцию в представлениях о пространстве и времени.

Он не только продвинул идею о том, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета, но также представил идею о том, что большие изменения происходят, когда вещи движутся со скоростью, близкой к скорости света.К ним относятся пространственно-временная рамка движущегося тела, которое, кажется, замедляется и сжимается в направлении движения при измерении в системе координат наблюдателя (то есть замедление времени, когда время замедляется по мере приближения скорости света).

Его наблюдения также согласовали уравнения Максвелла для электричества и магнетизма с законами механики, упростили математические вычисления, отказавшись от посторонних объяснений, используемых другими учеными, и согласились с непосредственно наблюдаемой скоростью света.

Во второй половине 20-го века все более точные измерения с использованием лазерных инферометров и методов объемного резонанса позволят еще больше уточнить оценки скорости света. К 1972 году группа из Национального бюро стандартов США в Боулдере, штат Колорадо, использовала технику лазерного инферометра, чтобы получить признанное в настоящее время значение 299 792 458 м / с.

Роль в современной астрофизике:

Теория Эйнштейна о том, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и инерциальной системы отсчета наблюдателя, с тех пор постоянно подтверждается многими экспериментами.Он также устанавливает верхний предел скорости, с которой все безмассовые частицы и волны (включая свет) могут перемещаться в вакууме.

Одним из следствий этого является то, что космологи теперь рассматривают пространство и время как единую единую структуру, известную как пространство-время, в которой скорость света может использоваться для определения значений для обоих (например, «световые годы», «световые минуты», и «световые секунды»). Измерение скорости света также стало важным фактором при определении скорости космического расширения.

Начиная с 1920-х годов с наблюдений Леметра и Хаббла, ученые и астрономы осознали, что Вселенная расширяется с точки своего происхождения. Хаббл также заметил, что чем дальше галактика, тем быстрее она движется. В том, что сейчас называется параметром Хаббла, скорость, с которой расширяется Вселенная, рассчитывается до 68 км / с на мегапарсек.

Это явление, предположительно означающее, что некоторые галактики действительно могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света, может накладывать ограничения на то, что наблюдается в нашей Вселенной.По сути, галактики, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света, должны пересечь «космологический горизонт событий», где они больше не видны нам.

Кроме того, к 1990-м годам измерения красного смещения далеких галактик показали, что расширение Вселенной ускоряется в течение последних нескольких миллиардов лет. Это привело к появлению теорий, подобных «Темной энергии», где невидимая сила движет расширением самого пространства, а не объекты, движущиеся через него (таким образом, не накладывая ограничений на скорость света или нарушая теорию относительности).

Наряду с специальной и общей теорией относительности, современное значение скорости света в вакууме стало основой космологии, квантовой физики и Стандартной модели физики элементарных частиц. Он остается постоянным, когда говорят о верхнем пределе, при котором могут перемещаться безмассовые частицы, и остается недостижимым барьером для частиц, имеющих массу.

Возможно, когда-нибудь мы найдем способ превзойти скорость света. Хотя у нас нет практических представлений о том, как это может произойти, разумные деньги, похоже, тратятся на технологии, которые позволят нам обойти законы пространства-времени, либо путем создания пузырей деформации (иначе говоря.Варп-Драйв Алькубьерре), или прокладывать через него туннели (также известные как червоточины).

До этого времени нам просто нужно будет довольствоваться Вселенной, которую мы видим, и продолжать исследовать ту ее часть, которая доступна обычными методами.

Мы написали много статей о скорости света для «Вселенной сегодня». Вот «Какова скорость света?», «Как галактики удаляются быстрее света?», «Как космос может перемещаться быстрее, чем скорость света?» И «Нарушение скорости света».

Вот отличный калькулятор, который позволяет вам преобразовывать множество различных единиц скорости света, и вот калькулятор относительности, если вы хотите путешествовать со скоростью, близкой к скорости света.

Astronomy Cast также имеет эпизод, в котором рассматриваются вопросы о скорости света — Вопросы-шоу: Относительность, Относительность и многое другое.

Источники:

Как это:

Нравится Загрузка …

Физика света и цвета — скорость света

Где-то в космическом пространстве, в миллиардах световых лет от Земли, горит исходный свет, связанный с Большим взрывом Вселенной. новая земля, продолжая двигаться наружу.В отличие от другой формы электромагнитного излучения, происходящего на Земле, радиоволны из первого прямого эфира The Lucy Show транслируют премьер где-то в глубоком космосе, хотя и значительно уменьшены по амплитуде.

Основная концепция, лежащая в основе обоих событий, включает скорость света (и все другие формы электромагнитного излучения), которую ученые тщательно изучили, и теперь выражается как постоянное значение, обозначаемое в уравнениях символом c .Не совсем константа, а максимальная скорость в вакууме, скорость света, составляющая почти 300 000 километров в секунду, может быть изменена путем изменения среды или с помощью квантовой интерференции.

Свет, движущийся в однородном веществе или среде, распространяется по прямой линии с относительно постоянной скоростью, если он не преломляется, не отражается, не дифрагирует или не возмущается каким-либо другим образом. Этот общепризнанный научный факт не является продуктом атомной эры или даже эпохи Возрождения, а был первоначально продвинут древнегреческим ученым Евклидом где-то около 350 г. до н.э. в его историческом трактате Optica .Однако интенсивность света (и другого электромагнитного излучения) обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел дважды заданное расстояние, интенсивность падает в четыре раза.

Когда свет, проходящий через воздух, попадает в другую среду, такую ​​как стекло или вода, скорость и длина волны света уменьшаются (см. Рисунок 2), хотя частота остается неизменной. Свет распространяется со скоростью примерно 300 000 километров в секунду в вакууме, который имеет показатель преломления 1. 0, но он замедляется до 225 000 километров в секунду в воде (показатель преломления 1,3; см. Рисунок 2) и до 200 000 километров в секунду в стекле (показатель преломления 1,5). В алмазе с довольно высоким показателем преломления 2,4 скорость света снижается до относительного ползания (125 000 километров в секунду), что примерно на 60 процентов меньше его максимальной скорости в вакууме.

Из-за огромных путешествий, которые свет проходит в космическом пространстве между галактиками (см. Рис. 1) и внутри Млечного Пути, расстояние между звездами измеряется не в километрах, а в световых годах, расстояние, которое свет пройдет за год. .Световой год равен 9,5 триллиона километров или примерно 5,9 триллиона миль. Расстояние от Земли до следующей ближайшей звезды за пределами нашего Солнца, Proxima Centauri , составляет примерно 4,24 световых года. Для сравнения: диаметр галактики Млечный Путь составляет около 150 000 световых лет, а расстояние до галактики Андромеды составляет примерно 2,21 миллиона световых лет. Это означает, что свет, покидающий галактику Андромеды 2,21 миллиона лет назад, как раз достигает Земли, если только он не был задержан отражением небесных тел или преломлением обломков.

Когда астрономы смотрят в ночное небо, они наблюдают смесь реального времени, недавнего прошлого и древней истории. Например, в период, когда пионеры вавилоняне, арабские астрологи и греческие астрономы описывали звездные созвездия, Скорпион ( Скорпион для астрологов) все еще имел хлыст скорпиона. Хвостовая звезда и другие звезды в этом созвездии появлялись в небе как новые звезды между 500 и 1000 годами до нашей эры, но более не видны сегодняшним астрономам.Хотя некоторые из звезд, которые наблюдаются в ночном небе Земли, уже давно погибли, световые волны, которые несут их изображения, все еще достигают человеческих глаз и телескопов. Фактически, свет от их разрушения (и тьма их отсутствия) еще не пересек огромные расстояния глубокого космоса из-за недостаточного времени.

Эмпедокл из Акрагаса, живший около 450 г. до н.э., был одним из первых известных философов, которые предположили, что свет распространяется с конечной скоростью.Спустя почти тысячелетие, примерно в 525 году нашей эры, римский ученый и математик Аниций Боэций попытался задокументировать скорость света, но, будучи обвиненным в измене и колдовстве, был обезглавлен за свои научные усилия. С самого первого применения китайцами черного пороха для фейерверков и сигналов человек задавался вопросом о скорости света. Поскольку вспышка света и цвета предшествовали взрывному звуку на несколько секунд, не требовалось серьезных вычислений, чтобы понять, что скорость света явно превышает скорость звука.

Скорость света в прозрачных материалах

Узнайте, как скорость света уменьшается пропорционально показателю преломления материала, когда свет попадает в новую прозрачную среду, такую ​​как воздух, вода или стекло.

Китайские секреты взрывчатых веществ проникли на Запад в середине XIII века, и вместе с ними возникли вопросы о скорости света. До этого периода другие исследователи, должно быть, рассматривали вспышку молнии, за которой позже последовал удар грома, типичный для грозы, но не предлагали правдоподобных научных объяснений природы задержки.Арабский ученый Альхазен был первым серьезным ученым-оптиком, который предположил (около 1000 г. н.э.), что свет имеет конечную скорость, а к 1250 г. британский пионер оптики Роджер Бэкон написал, что скорость света конечна, хотя и очень велика. Тем не менее, широко распространенное мнение большинства ученых того периода заключалось в том, что скорость света бесконечна и не может быть измерена.

В 1572 году знаменитый датский астроном Тихо Браге первым описал сверхновую, которая произошла в созвездии Кассиопеи .Наблюдая за тем, как в небе внезапно появляется «новая звезда», которая медленно усиливается в яркости, а затем исчезает из поля зрения в течение 18 месяцев, астроном был озадачен, но заинтригован. Эти новые небесные видения заставили Браге и его современников подвергнуть сомнению широко распространенное представление о совершенной и неизменной вселенной, имеющей бесконечную скорость света. Трудно было отвергнуть веру в то, что свет имеет бесконечную скорость, хотя некоторые ученые начали сомневаться в скорости света в шестнадцатом веке.Еще в 1604 году немецкий физик Иоганнес Кеплер предположил, что скорость света мгновенная. В своих опубликованных заметках он добавил, что космический вакуум не замедляет скорость света, затрудняя, ​​в ограниченной степени, поиски его современниками эфира, который якобы заполнял пространство и нес свет.

Вскоре после изобретения и некоторых относительно грубых усовершенствований телескопа датский астроном Оле Ремер (в 1676 году) стал первым ученым, сделавшим строгую попытку оценить скорость света.Изучая спутник Юпитера Ио и его частые затмения, Ремер смог предсказать периодичность периода затмений для Луны (рис. 3). Однако через несколько месяцев он заметил, что его прогнозы постепенно становились менее точными по мере увеличения временных интервалов, достигая максимальной ошибки около 22 минут (довольно большое расхождение, учитывая, как далеко свет проходит за этот промежуток времени). Затем, как ни странно, его прогнозы снова стали более точными через несколько месяцев, и цикл повторился.Работая в Парижской обсерватории, Ремер вскоре понял, что наблюдаемые различия были вызваны вариациями расстояния между Землей и Юпитером из-за орбитальных путей планет. Когда Юпитер удалялся от Земли, свету приходилось перемещаться на большее расстояние, и ему требовалось дополнительное время, чтобы достичь Земли. Применяя относительно неточные расчеты расстояний между Землей и Юпитером, доступные в тот период, Ремер смог оценить скорость света примерно в 137 000 миль (или 220 000 километров) в секунду.Рисунок 3 иллюстрирует репродукцию оригинальных рисунков Ремера, описывающих его методологию, использованную для определения скорости света.

Работа Ремера всколыхнула научное сообщество, и многие исследователи начали пересматривать свои предположения о бесконечной скорости света. Сэр Исаак Ньютон, например, написал в своем знаменательном трактате 1687 года Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Математические принципы естественной философии): «Поскольку теперь очевидно из явлений спутников Юпитера, подтвержденных наблюдениями различных астрономов, этот свет распространяется последовательно, и ему требуется около семи или восьми минут, чтобы пройти от Солнца до Земли », что на самом деле является очень точной оценкой правильной скорости света.Уважаемое мнение и широко распространенная репутация Ньютона сыграли важную роль в запуске научной революции и помогли начать новые исследования ученых, которые теперь признали скорость света конечной.

Следующим в очереди, кто дал полезную оценку скорости света, был британский физик Джеймс Брэдли. В 1728 году, через год после смерти Ньютона, Брэдли оценил скорость света в вакууме примерно в 301 000 километров в секунду, используя звездные аберрации. Эти явления проявляются в явном изменении положения звезд из-за движения Земли вокруг Солнца.Степень звездной аберрации можно определить по отношению орбитальной скорости Земли к скорости света. Измеряя угол звездной аберрации и применяя эти данные к орбитальной скорости Земли, Брэдли смог прийти к удивительно точной оценке.

В 1834 году сэр Чарльз Уитстон, изобретатель калейдоскопа и пионер в науке о звуке, попытался измерить скорость электричества. Уитстон изобрел устройство, в котором использовались вращающиеся зеркала и емкостный разряд через лейденскую банку, чтобы генерировать и синхронизировать движение искр по почти восьми милям провода.К сожалению, его расчеты (и, возможно, его приборы) были ошибочными до такой степени, что Уитстон оценил скорость электричества в 288 000 миль в секунду, ошибка, которая заставила его поверить в то, что электричество движется быстрее света. Позднее исследования Уитстона были расширены французским ученым Домиником Франсуа Жаном Араго. Хотя ему не удалось завершить свою работу до того, как в 1850 году у него ухудшилось зрение, Араго правильно предположил, что в воде свет распространяется медленнее, чем в воздухе.

Тем временем во Франции конкурирующие ученые Арман Физо и Жан-Бернар-Леон Фуко независимо друг от друга попытались измерить скорость света, не полагаясь на небесные явления, воспользовавшись открытиями Араго и расширив конструкцию инструмента с вращающимся зеркалом Уитстона. В 1849 году Физо сконструировал устройство, которое направило луч света через зубчатое колесо (вместо вращающегося зеркала), а затем на неподвижное зеркало, расположенное на расстоянии 5,5 миль. Вращая колесо с большой скоростью, он смог направить луч через промежуток между двумя зубьями на обратном пути и поймать отраженные лучи в соседнем промежутке на обратном пути.Вооружившись скоростью вращения колес и расстоянием, пройденным импульсным светом, Физо смог вычислить скорость света. Он также обнаружил, что в воздухе свет распространяется быстрее, чем в воде (подтверждая гипотезу Араго), и этот факт позже подтвердил его соотечественник Фуко путем экспериментов.

Фуко использовал быстро вращающееся зеркало, приводимое в движение турбиной сжатого воздуха, для измерения скорости света. В его устройстве (см. Рис. 4) узкий луч света проходит через апертуру, а затем через стеклянное окно (действующее также как светоделитель) с мелкой градуированной шкалой, прежде чем попасть на быстро вращающееся зеркало.Свет, отраженный от вращающегося зеркала, направляется через батарею стационарных зеркал по зигзагообразной схеме, предназначенной для увеличения длины пути инструмента примерно до 20 метров без соответствующего увеличения размера. За то время, которое потребовалось свету, чтобы отразиться через серию зеркал и вернуться к вращающемуся зеркалу, произошло небольшое смещение положения зеркала. Затем свет, отраженный от смещенного положения вращающегося зеркала, следует по новому пути обратно к источнику и попадает в микроскоп, установленный на приборе. Крошечный сдвиг света можно было увидеть в микроскоп и зарегистрировать. Путем анализа данных, собранных в ходе его эксперимента, Фуко смог вычислить скорость света как 298 000 километров в секунду (примерно 185 000 миль в секунду).

Световой путь в устройстве Фуко был достаточно коротким, чтобы его можно было использовать при измерении скорости света в среде, отличной от воздуха. Он обнаружил, что скорость света в воде или стекле составляет лишь около двух третей от скорости света в воздухе, и он также пришел к выводу, что скорость света через данную среду обратно пропорциональна показателю преломления.Этот замечательный результат согласуется с предсказаниями о поведении света, полученными сотнями лет назад из волновой теории распространения света.

Следуя указаниям Фуко, американский физик польского происхождения по имени Альберт А. Михельсон попытался повысить точность метода и успешно измерил скорость света в 1878 году с помощью более совершенной версии прибора вдоль облицовки стены высотой 2000 футов. берега реки Северн в Англии. Вкладывая средства в высококачественные линзы и зеркала для фокусировки и отражения луча света по гораздо более длинному пути, чем тот, который использовал Фуко, Майкельсон рассчитал конечный результат 186 355 миль в секунду (299 909 километров в секунду), допуская возможную ошибку около 30 миль в секунду.Из-за возросшей сложности его экспериментальной конструкции точность измерений Майкельсона была более чем в 20 раз выше, чем у Фуко.

В конце 1800-х годов большинство ученых все еще считало, что свет распространяется в космосе с использованием носителя, называемого эфиром . Майкельсон объединился с ученым Эдвардом Морли в 1887 году, чтобы разработать экспериментальный метод обнаружения эфира путем наблюдения относительных изменений скорости света, когда Земля завершила свой оборот вокруг Солнца.Для достижения этой цели они разработали интерферометр, который разделяет луч света и перенаправляет отдельные лучи двумя разными путями, каждый длиной более 10 метров, используя сложную матрицу зеркал. Майкельсон и Морли рассудили, что если Земля движется через эфирную среду, луч, отражающийся взад и вперед перпендикулярно потоку эфира, должен проходить дальше, чем луч, отражающийся параллельно эфиру. Результатом будет задержка одного из световых лучей, которую можно было бы обнаружить, когда лучи были рекомбинированы посредством интерференции.

Экспериментальная установка, построенная Майкельсоном и Морли, была массивной (см. Рис. 5). Установленный на медленно вращающейся каменной плите площадью более пяти квадратных футов и толщиной 14 дюймов, инструмент был дополнительно защищен находящейся под ним лужей ртути, которая действовала как амортизатор без трения, устраняя вибрации Земли. После того, как плита была приведена в движение, достигнув максимальной скорости 10 оборотов в час, потребовалось несколько часов, чтобы снова остановиться. Свет, проходящий через светоделитель и отраженный системой зеркал, исследовался с помощью микроскопа на предмет интерференционных полос, но они никогда не наблюдались.Однако Майкельсон использовал свой интерферометр, чтобы точно определить скорость света на уровне 186 320 миль в секунду (299 853 километра в секунду), значение, которое оставалось стандартом в течение следующих 25 лет. Неспособность обнаружить изменение скорости света с помощью эксперимента Майкельсона-Морли положила начало прекращению споров об эфире, которые были окончательно положены теориями Альберта Эйнштейна в начале двадцатого века.

В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою Специальную теорию относительности , а в 1915 году — Общую теорию относительности .Первая теория относилась к движению объектов с постоянной скоростью относительно друг друга, а вторая фокусировалась на ускорении и его связи с гравитацией. Поскольку они оспаривали многие давние гипотезы, такие как закон движения Исаака Ньютона, теории Эйнштейна были революционной силой в физике. Идея относительности воплощает идею о том, что скорость объекта может быть определена только относительно положения наблюдателя. Например, человек, идущий внутри авиалайнера, кажется, движется со скоростью около одной мили в час в системе отсчета самолета (который сам движется со скоростью 600 миль в час).Однако наблюдателю на земле кажется, что человек движется со скоростью 601 миля в час.

Эйнштейн в своих расчетах предположил, что скорость света, движущегося между двумя системами отсчета, остается одинаковой для наблюдателей в обоих местах. Поскольку наблюдатель в одном кадре использует свет для определения положения и скорости объектов в другом кадре, это меняет способ, которым наблюдатель может соотносить положение и скорость объектов. Эйнштейн использовал эту концепцию, чтобы вывести несколько важных формул, описывающих, как объекты в одной системе отсчета выглядят, если смотреть с другой, которая движется равномерно относительно первой.Его результаты привели к некоторым необычным выводам, хотя эффекты становятся заметными только тогда, когда относительная скорость объекта приближается к скорости света. Таким образом, основные выводы из фундаментальных теорий Эйнштейна и его часто упоминаемого уравнения относительности:

E = mc 2

можно резюмировать следующим образом:

  • Длина объекта уменьшается относительно наблюдателя, поскольку скорость этого объекта увеличивается.

  • Когда система отсчета перемещается, временные интервалы становятся короче.Другими словами, космический путешественник, движущийся со скоростью света или близкой к ней, мог покинуть Землю на многие годы и вернуться, пережив промежуток времени всего в несколько месяцев.

  • Масса движущегося объекта увеличивается с увеличением его скорости, и по мере приближения скорости к скорости света масса приближается к бесконечности. По этой причине широко распространено мнение, что путешествие со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, потому что для ускорения бесконечной массы потребуется бесконечное количество энергии.

Хотя теория Эйнштейна повлияла на весь мир физики, она имела особенно важные последствия для тех ученых, которые изучали свет. Теория объяснила, почему эксперимент Майкельсона-Морли не дал ожидаемых результатов, препятствуя дальнейшим серьезным научным исследованиям природы эфира как среды-носителя. Он также продемонстрировал, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме, и что эта скорость является постоянной и неизменной величиной.Тем временем ученые-экспериментаторы продолжали применять все более изощренные инструменты, чтобы установить правильное значение скорости света и уменьшить ошибку в ее измерении.

Измерения скорости света
08 ç 32
Дата Исследователь Метод Оценка
Километры
/ секунда
Гал. Крытые фонари 333.5
1676 Оле Ремер Спутники Юпитера 220,000
1726
1834 Чарльз Уитстон Вращающееся зеркало 402,336
1838 9022 9010 9010 9010 9010 9010 9010 9010 9010 Arame 1849 Armand Fizeau Вращающееся колесо 315,000
1862 Leon Foucault
1868 Джеймс Клерк Максвелл Теоретические расчеты 284,000
1875 9022 902 Mirror
1879 Альберт Майкельсон Вращающееся зеркало 299,910
1888
1889 Эдвард Беннетт Роза Электрические измерения 300,000
1890s Spectrum 109 301,800
1907 Эдвард Беннетт Роза и Ноа Дорси Электрические измерения 299,788 299,788 32 299,788 32 Электрические измерения 299,795
1926 Альберт Майкельсон Вращающееся зеркало (интерферометр) 299,79822 9022 299,79822 9022 299,79822 9022 Затвор ячейки Керра 299,778
1932–1935 Майкельсон и Пиз Вращающееся зеркало 109 32 1947 Louis Essen Резонатор полости 299,792
1949 Carl I. Аслаксон Шоран Радар 299,792,4
1951 Кейт Дэви Фрум 902 Эвенсон Laser 299 792,457
1978 Peter Woods and коллеги Laser 9010.4588
Таблица 1

В конце XIX века достижения в области радио- и микроволновых технологий предоставили новые подходы к измерению скорости света. В 1888 году, более чем через 200 лет после первых наблюдений за небесными телами Ремера, немецкий физик Генрих Рудольф Герц измерил скорость радиоволн. Герц получил значение около 300 000 километров в секунду, подтвердив теорию Джеймса Клерка Максвелла о том, что радиоволны и свет являются формами электромагнитного излучения.Дополнительные доказательства были собраны в 1940-х и 1950-х годах, когда британские физики Кейт Дэви Фрум и Луи Эссен использовали радио и микроволны, соответственно, для более точного измерения скорости электромагнитного излучения.

Максвеллу также приписывают определение скорости света и других форм электромагнитного излучения не путем измерения, а путем математического вывода. Во время своих попыток найти связь между электричеством и магнетизмом Максвелл предположил, что изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, обратное следствие закона Фарадея.Он предположил, что электромагнитные волны состоят из комбинированных колеблющихся электрических и магнитных волн, и рассчитал скорость этих волн в пространстве как:

Скорость (V) = 1 / (ε • µ) 1/2

где ε — диэлектрическая проницаемость , и µ, — проницаемость свободного пространства, — две константы, которые можно измерить с относительно высокой степенью точности. В результате получается значение, которое близко приближается к измеренной скорости света.

В 1891 году, продолжая свои исследования скорости света и астрономии, Майкельсон создал крупномасштабный интерферометр с помощью рефракционного телескопа в обсерватории Лик в Калифорнии. Его наблюдения были основаны на задержке во времени прихода света при просмотре далеких объектов, таких как звезды, которые можно количественно проанализировать, чтобы измерить как размер небесных тел, так и скорость света. Почти 30 лет спустя Майкельсон перенес свои эксперименты в обсерваторию Маунт Вильсон и применил те же методы к 100-дюймовому телескопу, крупнейшему в то время в мире.

Включив восьмиугольное вращающееся зеркало в свой экспериментальный проект, Майкельсон получил значение скорости света 299 845 километров в секунду. Хотя Майкельсон умер до завершения своих экспериментов, его коллега в Mount Wilson, Фрэнсис Г. Пиз, продолжал использовать новаторскую технику для проведения исследований в 1930-е годы. Используя модифицированный интерферометр, Пиз провел множество измерений в течение нескольких лет и, наконец, определил, что правильное значение скорости света составляет 299 774 километра в секунду, что является самым близким измерением, достигнутым на тот момент.Несколько лет спустя, в 1941 году, научное сообщество установило стандарт скорости света. Это значение, 299 773 километра в секунду, было основано на компиляции самых точных измерений того периода. На рисунке 6 представлено графическое представление измерений скорости света за последние 200 лет.

К концу 1960-х годов лазеры стали стабильным исследовательским инструментом с четко определенными частотами и длинами волн. Быстро стало очевидно, что одновременное измерение частоты и длины волны даст очень точное значение скорости света, подобное экспериментальному подходу, проведенному Китом Дэви Фрумом с использованием микроволн в 1958 году.Несколько исследовательских групп в США и других странах измерили частоту 633-нанометровой линии от гелий-неонового лазера, стабилизированного йодом, и получили очень точные результаты. В 1972 году Национальный институт стандартов и технологий применил лазерную технологию для измерения скорости на уровне 299 792 458 метров в секунду (186 282 мили в секунду), что в конечном итоге привело к переопределению измерителя благодаря очень точной оценке скорости света.

Начиная с прорыва Ремера в 1676 году, скорость света была измерена по крайней мере 163 раза с использованием самых разных методов более чем 100 исследователями (см. Таблицу 1 для компиляции методов, исследователей и дат).По мере совершенствования научных методов и устройств пределы ошибок оценок сужались, хотя скорость света существенно не изменилась со времени расчетов Ремера семнадцатого века. Наконец, в 1983 году, более чем через 300 лет после первой серьезной попытки измерения, скорость света была определена Семнадцатым Всеобщим конгрессом по мерам и весам как 299 792,458 километров в секунду. Таким образом, измеритель определяется как расстояние, которое свет проходит за интервал времени 1/299 792 458 секунд.Однако в целом (даже во многих научных расчетах) скорость света округляется до 300 000 километров (или 186 000 миль) в секунду. Получение стандартного значения скорости света было важно для создания международной системы единиц, которая позволила бы ученым со всего мира сравнивать свои данные и расчеты.

Существует умеренное противоречие по поводу того, существуют ли доказательства того, что скорость света замедлялась со времен Большого взрыва, когда он мог двигаться значительно быстрее, как предполагают некоторые исследователи.Хотя представленные и опровергнутые аргументы увековечивают эту дискуссию, большинство ученых по-прежнему утверждают, что скорость света постоянна. Физики отмечают, что реальная скорость света, измеренная Ремером и его последователями, существенно не изменилась, а скорее указывают на ряд усовершенствований в научном оборудовании, связанных с повышением точности измерений, используемых для определения скорости света. Сегодня расстояние между Юпитером и Землей известно с высокой степенью точности, как и диаметр Солнечной системы и орбитальные траектории планет. Когда исследователи применяют эти данные для доработки расчетов, сделанных за последние несколько столетий, они получают значения скорости света, сопоставимые с теми, которые были получены с помощью более современных и сложных приборов.

Соавторы

Кеннет Р. Спринг — научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Томас Дж. Феллерс , Лоуренс Д. Цукерман и Майкл В. Дэвидсон — Национальное сильное магнитное поле Лаборатория, 1800 г. Восток Поль Дирак Др., Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

Почему скорость света равна скорости света?

Если вы посетите Парижскую обсерваторию на левом берегу Сены, вы увидите мемориальную доску на ее стене, сообщающую, что скорость света была впервые измерена там в 1676 году. Странно, что этот результат был получен случайно. Оле Рёмер, датчанин, работавший помощником итальянского астронома Джованни Доменико Кассини, пытался объяснить определенные расхождения в затмениях одной из лун Юпитера.Рёмер и Кассини обсуждали возможность того, что свет имеет конечную скорость (обычно считалось, что он движется мгновенно). В конце концов, после некоторых приблизительных расчетов, Ремер пришел к выводу, что световым лучам нужно 10 или 11 минут, чтобы пересечь расстояние, «равное половине диаметра земной орбиты».

Сам Кассини сомневался в этой идее. Он утверждал, что если проблема заключается в конечной скорости, а свету действительно нужно время, чтобы обойти его, такая же задержка должна быть видна при измерениях других спутников Юпитера — а это не так.Последовавшие за этим споры прекратились только в 1728 году, когда английский астроном Джеймс Брэдли нашел альтернативный способ измерения. И, как подтвердили многие последующие эксперименты, оценка, сделанная на основе первоначальных наблюдений Ремера, была примерно на 25% неверной. Теперь мы зафиксировали скорость света в вакууме, равную 299 792,458 километров в секунду.

Почему именно эта скорость, а не что-то другое? Или, другими словами, откуда взялась скорость света?

Электромагнитная теория дала первое важное открытие 150 лет назад. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что, когда электрическое и магнитное поля меняются во времени, они взаимодействуют, образуя бегущую электромагнитную волну. Максвелл вычислил скорость волны из своих уравнений и обнаружил, что это в точности известная скорость света. Это убедительно свидетельствовало о том, что свет был электромагнитной волной, что вскоре было окончательно подтверждено.

Еще один прорыв произошел в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн показал, что c , скорость света в вакууме, является универсальным ограничением скорости.Согласно его специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее. Итак, благодаря Максвеллу и Эйнштейну, мы знаем, что скорость света удивительным образом связана с рядом других (на первый взгляд совершенно разных) явлений.

Но ни одна из теорий полностью не объясняет, что определяет эту скорость. Что может? Согласно новым исследованиям, секрет c можно найти в природе пустого пространства.

До появления квантовой теории электромагнетизм был законченной теорией света.Он остается чрезвычайно важным и полезным, но поднимает вопрос. Чтобы вычислить скорость света в вакууме, Максвелл использовал эмпирически измеренные значения двух констант, которые определяют электрические и магнитные свойства пустого пространства. Назовите их соответственно Ɛ 0 и μ 0 .

Дело в том, что в вакууме непонятно, что эти числа должны что-то значить. В конце концов, электричество и магнетизм на самом деле возникают из-за поведения заряженных элементарных частиц, таких как электроны.Но если мы говорим о пустом пространстве, там не должно быть никаких частиц, не так ли?

Вот где вступает квантовая физика. В продвинутой версии, называемой квантовой теорией поля, вакуум никогда не бывает пустым. Это «вакуумное состояние», самая низкая энергия квантовой системы. Это арена, на которой квантовые флуктуации порождают исчезающие энергии и элементарные частицы.

Что такое квантовая флуктуация? Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что всегда есть некоторая неопределенность, связанная с физическими измерениями.Согласно классической физике, мы можем точно знать положение и импульс, например, покоящегося бильярдного шара. Но это именно то, что отрицает принцип неопределенности. По словам Гейзенберга, мы не можем точно знать и то, и другое одновременно. Как будто мяч слегка дрожит или дрожит по сравнению с фиксированными значениями, которые, как мы думаем, у него есть. Эти колебания слишком малы, чтобы иметь большое значение в человеческом масштабе; но в квантовом вакууме они производят крошечные всплески энергии или (что эквивалентно) материи в форме элементарных частиц, которые быстро появляются и исчезают.

Лейкс очарован связью между классическим электромагнетизмом и квантовыми флуктуациями

Эти недолговечные явления могут показаться призрачной формой реальности. Но у них действительно есть измеримые эффекты, в том числе электромагнитные. Это потому, что эти мимолетные возбуждения квантового вакуума проявляются в виде пар частиц и античастиц с равным и противоположным электрическим зарядом, таких как электроны и позитроны. Электрическое поле, приложенное к вакууму, искажает эти пары, вызывая электрический отклик, а магнитное поле воздействует на них, создавая магнитный отклик.Такое поведение дает нам возможность вычислить , а не просто измерить электромагнитные свойства квантового вакуума и, исходя из них, получить значение c .

В 2010 году физик Герд Лойхс и его коллеги из Института науки о свете Макса Планка в Германии сделали именно это. Они использовали виртуальные пары в квантовом вакууме для вычисления электрической постоянной Ɛ 0 . Их значительно упрощенный подход дал значение в 10 раз по сравнению с правильным значением, используемым Максвеллом, — обнадеживающий знак! Это вдохновило Марселя Урбана и его коллег из Университета Париж-Юг вычислить c на основе электромагнитных свойств квантового вакуума. В 2013 году они сообщили, что их подход дал правильное числовое значение.

Результат удовлетворительный. Но это не окончательно. Во-первых, Урбану и его коллегам пришлось сделать несколько необоснованных предположений. Потребуется полный анализ и несколько экспериментов, чтобы доказать, что c действительно может быть получено из квантового вакуума. Тем не менее, Лейкс говорит мне, что его по-прежнему восхищает связь между классическим электромагнетизмом и квантовыми флуктуациями, и он работает над строгим анализом в рамках полной квантовой теории поля.В то же время Урбан и его коллеги предлагают новые эксперименты для проверки связи. Поэтому есть основания надеяться, что c , наконец, будет основано на более фундаментальной теории. А потом — тайна раскрыта?

Ну, это зависит от вашей точки зрения.

Скорость света, конечно, всего лишь одна из нескольких «фундаментальных» или «универсальных» физических констант. Считается, что они применимы ко всей вселенной и остаются неизменными с течением времени. Гравитационная постоянная G, например , определяет силу гравитации во Вселенной.В малых масштабах постоянная Планка h определяет размер квантовых эффектов, а крошечный заряд электрона e является основной единицей электричества.

Числовые значения этих и других констант известны с невероятной точностью. Например, ч измеряется как 6,626070040 × 10 −34 джоуль-секунда (с точностью до 10 -6 %!). Но все эти количества вызывают массу тревожных вопросов. Действительно ли они постоянны? В каком смысле они «фундаментальны»? Почему у них есть эти особые ценности? Что они на самом деле говорят нам о физической реальности вокруг нас?

Вопрос о том, действительно ли «константы» постоянны во Вселенной, — это древний философский спор.Аристотель считал, что Земля устроена иначе, чем небо. Коперник считал, что наш локальный кусочек Вселенной ничем не отличается от любой другой ее части. Сегодня наука следует современной точке зрения Коперника, предполагая, что законы физики одинаковы везде в пространстве-времени. Но предположение все это есть. Его необходимо протестировать, особенно для G и c, , чтобы убедиться, что мы не неверно интерпретируем то, что наблюдаем в далекой вселенной.

Нобелевский лауреат Поль Дирак высказал предположение, что G может изменяться со временем.В 1937 году космологические соображения привели его к предположению, что оно уменьшается примерно на одну десятую миллиардную долю в год. Он был прав? Возможно нет. Наблюдения за астрономическими телами под действием силы тяжести не показывают этого уменьшения, и пока нет никаких признаков того, что G изменяется в пространстве. Его измеренное значение точно описывает орбиты планет и траектории космических аппаратов по всей Солнечной системе, а также далекие космические события. Радиоастрономы недавно подтвердили, что G , как мы его знаем, правильно описывает поведение пульсара (быстро вращающийся остаток сверхновой) на расстоянии 3750 световых лет от нас.Точно так же, похоже, нет достоверных свидетельств того, что c изменяется в пространстве или времени.

Итак, предположим, что эти константы действительно постоянны. Они фундаментальны? Некоторые из них более фундаментальны, чем другие? Что мы вообще подразумеваем под словом «фундаментальный» в этом контексте? Один из способов подойти к этому вопросу — спросить, каков наименьший набор констант, из которого могут быть получены другие. Были предложены наборы от двух до 10 констант, но одним полезным выбором было всего три: h, c и G, вместе представляют теорию относительности и квантовую теорию.

только безразмерные константы действительно являются «фундаментальными», потому что они не зависят от какой-либо системы измерения

В 1899 году Макс Планк, основавший квантовую физику, исследовал отношения между h, c и G и тремя основными аспектами или измерениями физической реальности: пространство , время , и масса. Каждая измеряемая физическая величина определяется своим числовым значением и размерами. Мы не указываем c просто как 300 000, а как 300 000 километров в секунду, или 186 000 миль в секунду, или 0.984 фута в наносекунду. Числа и единицы измерения сильно различаются, но размеры те же: длина, деленная на время. Таким же образом G и h имеют, соответственно, размеры [длина 3 / (масса x время 2 )] и [масса x длина 2 / время]. Из этих соотношений Планк вывел «натуральные» единицы, комбинации h , c и G , которые дают планковскую длину, массу и время 1,6 x 10 -35 метра, 2,2 x 10 -8 килограмма, и 5.4 x 10 -44 секунды. Среди их замечательных свойств эти устройства Planck дают представление о квантовой гравитации и ранней Вселенной.

Но некоторые константы вообще не содержат измерений . Это так называемые безразмерные константы — чистые числа, такие как отношение массы протона к массе электрона. Это просто число 1836,2 (которое считается немного странным, потому что мы не знаем, почему оно такое большое). По словам физика Майкла Даффа из Имперского колледжа Лондона, только безразмерные константы являются действительно «фундаментальными», поскольку они не зависят от какой-либо системы измерения.С другой стороны, размерные константы «представляют собой просто человеческие конструкции, количество и значения которых различаются от одного выбора единиц к другому».

Пожалуй, самой интригующей из безразмерных констант является постоянная тонкой структуры α. Впервые он был определен в 1916 году, когда квантовая теория была объединена с теорией относительности для объяснения деталей или «тонкой структуры» атомарного спектра водорода. Теоретически α — это скорость электрона, вращающегося вокруг ядра водорода, деленная на c. Имеет значение 0,0072973525698, или почти точно 1/137.

Сегодня, в рамках квантовой электродинамики (теории взаимодействия света и материи), α определяет силу электромагнитной силы, действующей на электрон. Это придает ему огромную роль. Наряду с гравитацией, сильными и слабыми ядерными взаимодействиями электромагнетизм определяет, как работает Вселенная. Но никто еще не объяснил значение 1/137, число без явных предшественников или значимых связей. Лауреат Нобелевской премии физик Ричард Фейнман писал, что α было «загадкой с тех пор, как было открыто… магическое число, которое приходит к нам без понимания человеком.Можно сказать, что это число написала «рука Бога», и «мы не знаем, как Он толкнул свой карандаш».

Будь то «рука Бога» или какой-то действительно фундаментальный физический процесс, который сформировал константы, именно их очевидный произвол сводит физиков с ума. Почему эти цифры? Разве они не могли быть другими?

Один из способов справиться с этим тревожным чувством непредвиденной ситуации — противостоять ему лицом к лицу. Этот путь ведет нас к антропному принципу, философской идее о том, что то, что мы наблюдаем во Вселенной, должно быть совместимо с тем фактом, что мы, люди, собрались здесь, чтобы наблюдать это.Немного другое значение для α изменило бы Вселенную; например, сделав невозможным производство углерода в звездных процессах, что означает, что наша собственная жизнь, основанная на углероде, не будет существовать. Короче говоря, причина того, что мы видим ценности, заключается в том, что, если бы они были очень разными, нас бы не было рядом, чтобы увидеть их. QED. Такие соображения использовались для ограничения α диапазоном от 1/170 до 1/80, поскольку все, что находится за пределами этого диапазона, исключило бы наше собственное существование.

Но эти аргументы также оставляют открытой возможность того, что существуют другие вселенные, в которых константы другие.И хотя может случиться так, что эти вселенные неприветливы для разумных наблюдателей, все же стоит представить, что можно было бы увидеть, если бы один смог посетить .

Например, а что если бы c было быстрее? Свет кажется нам довольно быстрым, потому что нет ничего быстрее. Но это все равно создает значительные задержки на больших расстояниях. Космос настолько обширен, что могут пройти целые эоны, прежде чем звездный свет достигнет нас. Поскольку наши космические корабли намного медленнее света, это означает, что мы никогда не сможем отправить их к звездам.С другой стороны, временная задержка превращает телескопы в машины времени, позволяя нам видеть далекие галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.

есть что-то очень интригующее в том, насколько четко построены законы нашей собственной Вселенной.

Если бы c было, скажем, в 10 раз больше, многое бы изменилось. Земные коммуникации улучшатся. Мы сократили задержку передачи радиосигналов на большие расстояния в космосе. НАСА получит лучший контроль над своими беспилотными космическими кораблями и исследователями планет.С другой стороны, более высокая скорость помешает нам заглянуть в историю Вселенной.

Или представьте себе медленный свет, настолько вялый, что мы могли бы наблюдать, как он медленно выходит из лампы и заполняет комнату. Хотя в повседневной жизни это не принесет многого, спасительная благодать состоит в том, что наши телескопы вернут нас к самому Большому взрыву. (В некотором смысле в лаборатории был достигнут «медленный свет». В 1999 году исследователи довели лазерный свет до скорости велосипеда, а затем и до полной остановки, пропустив его через облако сверххолодных атомов.)

Об этих возможностях интересно думать — и они вполне могут быть реальными в соседних вселенных. Но есть кое-что очень интригующее в том, насколько жестко построены законы нашей собственной Вселенной. Леукс указывает, что привязка c к квантовому вакууму показала бы, что примечательно, что квантовые флуктуации «тонко встроены» в классический электромагнетизм, хотя теория электромагнетизма предшествовала открытию квантовой области на 35 лет. Эта связь также станет ярким примером того, как квантовые эффекты влияют на всю Вселенную.

И если существует множество вселенных, разворачивающихся по разным законам, с использованием разных констант, антропных рассуждений вполне может быть достаточно, чтобы объяснить, почему мы наблюдаем определенные закономерности, которые обнаруживаем в нашем собственном мире. В каком-то смысле это было бы просто удачей розыгрыша. Но я не уверен, что это поможет изгнать тайну из существующего положения вещей.

Предположительно, разные части мультивселенной должны были бы соединиться друг с другом определенным образом, следуя своим собственным законам — и, по-видимому, в свою очередь, можно было бы вообразить разные способы взаимодействия этих вселенных.Почему мультивселенная должна работать именно так, а не так? Возможно, интеллекту не может преодолеть чувство произвольности вещей. Здесь мы близки к старой философской загадке, почему есть что-то, а не ничего. Это тайна, в которую, возможно, не проникнет ни один свет.

Перевести скорость света в Километры в час

1 Скорость света = 1079252848,8 Километров в час 10 Скорость света = 10792528488 Километров в час 2500 Скорость света = 2698132122000 Километров в час
2 Скорость света = 2158505697.6 Километров в час 20 Скорость света = 21585056976 Километров в час 5000 Скорость света = 5396264244000 Километров в час
3 Скорость света = 3237758546,4 Километров в час 30 Скорость света = 32377585464 Километров в час 10000 Скорость света = 10792528488000 Километров в час
4 Скорость света = 4317011395.2 Километров в час 40 Скорость света = 43170113952 Километров в час 25000 Скорость света = 26981321220000 Километров в час
5 Скорость света = 5396264244 Километров в час 50 Скорость света = 53962642440 Километров в час 50000 Скорость света = 53962642440000 Километров в час
6 Скорость света = 6475517092. 8 Километров в час 100 Скорость света = 107925284880 Километров в час 100000 Скорость света = 1,0792528488 × 10 14 Километров в час
7 Скорость света = 7554769941,6 Километров в час 250 Скорость света = 269813212200 Километров в час 250000 Скорость света = 2.698132122 × 10 14 Километров в час
8 Скорость света = 8634022790,4 Километров в час 500 Скорость света = 539626424400 Километров в час 500000 Скорость света = 5,396264244 × 10 14 Километров в час
9 Скорость света = 9713275639,2 Километров в час 1000 Скорость света = 1079252848800 Километров в час 1000000 Скорость света = 1.0792528488 × 10 15 Километров в час

Фильмы НАСА показывают, как быстро свет распространяется от Земли до Луны, Марса

  • Скорость света в вакууме составляет около 186 282 мили в секунду (299 792 километра в секунду).
  • Ученый из НАСА показал, сколько времени требуется свету, чтобы путешествовать вокруг Земли, а также между планетой, ее луной и Марсом.
  • Физические анимации показывают, насколько быстрым (и медленным) может быть ограничение скорости Вселенной.

Серия новых анимаций, созданных ученым НАСА, показывает, насколько резкой и мучительно медленной может быть скорость света.

Скорость света — это максимальная скорость, с которой любой материальный объект может перемещаться в космосе. Это, конечно, исключает существование теоретических коротких путей в ткани космоса, называемых червоточинами (и возможность пройти через них, не будучи разрушенными).

В абсолютно пустом вакууме частица света, называемая фотоном, может двигаться 186 282 мили в секунду (299 792 километра в секунду), или около 670.6 миллионов миль в час (1,079 миллиарда километров в час).

Это невероятно быстро. Однако скорость света может быть удручающе низкой, если вы пытаетесь связаться с другими планетами или достичь их, особенно с любыми мирами за пределами нашей солнечной системы.

Подробнее : Астрономы обнаружили «холодную суперземлю» менее чем в 6 световых годах от нас — и это может быть первая каменистая планета, которую мы сфотографируем за пределами Солнечной системы.

Чтобы изобразить ограничение скорости движения Космос таким образом, чтобы его мог понять каждый, Джеймс О’Донохью, ученый-планетолог из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, взял на себя задачу оживить его.

«Моя анимация была сделана так, чтобы максимально мгновенно показать весь контекст того, что я пытаюсь передать», — сказал О’Донохью Business Insider через Twitter. «Когда я делал поправки к экзаменам, я рисовал сложные концепции вручную, просто чтобы по-настоящему понять, поэтому я этим и занимаюсь здесь».

О’Донохью сказал, что он только недавно научился создавать эти анимации — его первые сообщения были для пресс-релиза НАСА об исчезающих кольцах Сатурна. После этого он перешел к анимации других сложных для понимания космических концепций, включая видео, иллюстрирующее скорости вращения и размеры планет.Он сказал, что одно «собрало миллионы просмотров», когда он разместил его в Твиттере.

В последней работе О’Донохью рассматриваются три различных сценария скорости света, чтобы показать, насколько быстрыми (и насколько болезненно медленными) могут быть фотоны.

Как быстро свет распространяется относительно Земли

Одна из первых анимаций О’Донохью показывает, насколько быстро свет движется относительно Земли.

Земля находится на расстоянии 24 901 мили от центра.Если бы в нашем мире не было атмосферы (воздух преломляет и немного замедляет свет), фотон, скользящий по его поверхности, мог бы преодолевать экватор почти 7,5 раз в секунду.

На этом изображении скорость света кажется довольно высокой, хотя фильм также показывает, насколько она конечна.

Как быстро свет проходит между Землей и Луной

Вторая анимация О’Донохью делает большой шаг назад от Земли и включает в себя Луну.

В среднем, расстояние между нашей планетой и ее большим естественным спутником составляет около 238 855 миль (384 400 км).

Это означает, что весь лунный свет, который мы видим, имеет возраст 1,255 секунды, а путь туда и обратно между Землей и Луной со скоростью света занимает около 2,51 секунды.

Это время увеличивается с каждым днем, поскольку Луна удаляется от Земли со скоростью примерно 1,5 дюйма (3,8 см) в год. (Луна постоянно истощает вращательную энергию Земли за счет океанских приливов, увеличивая свою орбиту на все большее и большее расстояние.)

Как быстро свет проходит между Землей и Марсом

Третья анимация скорости света О’Донохью иллюстрирует проблему, с которой многие планетологи сталкиваются ежедневно.

Когда НАСА пытается поговорить или загрузить данные с космического корабля, такого как зонд InSight на Марсе, оно может сделать это только со скоростью света. Это слишком медленно, чтобы управлять космическим кораблем в «живом режиме», как с дистанционно управляемым автомобилем.Таким образом, команды должны быть тщательно продуманы, заранее упакованы и нацелены на точное место в пространстве в точное время, чтобы они не пропустили свою цель.

Подробнее : НАСА может слышать «преследующий» звук пыльных дьяволов, несущихся по Марсу с помощью своего нового посадочного модуля стоимостью 830 миллионов долларов

Самый быстрый разговор между Землей и Марсом — это когда планеты находятся на ближайшем расстоянии указывают друг на друга, событие, называемое ближайшим приближением, происходит примерно раз в два года.В среднем это расстояние в лучшем случае составляет около 33,9 миллиона миль (54,6 миллиона километров).

Как видно из 60-секундного клипа полного фильма О’Донохью на YouTube, свету требуется 3 минуты 2 секунды, чтобы пройти между Землей и Марсом при самом близком приближении. Это шесть минут и четыре секунды для полета туда и обратно со скоростью света.

Но в среднем Марс находится примерно в 158 миллионах миль от Земли, так что средняя обратная связь занимает около 28 минут и 12 секунд.

Чем дальше вы идете, тем угнетающе становится скорость света

Иллюстрация «нанокрапа» Breakthrough Starshot, который направляется к звездной системе Альфа Центавра с помощью мощного лазерного луча. Фонд прорыва

Преодоление конечной скорости света становится еще более сложной задачей для таких космических аппаратов, как New Horizons, который сейчас находится на расстоянии более 4 миллиардов миль от Земли, и космических кораблей Voyager 1 и 2, каждый из которых достиг космоса между звездами.

Ситуация становится прямо-таки удручающей, когда вы начинаете смотреть за пределы солнечной системы. Ближайшая из известных экзопланет Проксима b находится на расстоянии около 4,2 световых лет от нас (на расстоянии около 24,7 триллионов миль или 39,7 триллионов километров).

Тем не менее, самый быстрый из всех космических аппаратов — это солнечный зонд НАСА Parker Solar Probe со скоростью около 213 200 миль в час; при такой скорости потребуется 13 211 лет, чтобы достичь Проксимы b.

Проект Breakthrough Starshot российско-американского миллиардера предлагает способ решения этой проблемы скорости.План, рассчитанный на несколько десятилетий, состоит в том, чтобы построить и пролететь мимо таких экзопланет с помощью сверхмощных лазерных лучей и пролететь мимо таких экзопланет, в идеале с запланированной крейсерской скоростью 20% скорости света. Тем не менее, вся концепция все еще является теоретической, может в конечном итоге не работать и работать на малой скорости света.

Пространство невозможно. Хотя Вселенной около 13,77 миллиарда лет, ее край находится на расстоянии 45,34 миллиарда световых лет в любом направлении и увеличивается из-за расширения.

Это слишком велико, чтобы проиллюстрировать простой анимацией.Однако одна иллюстрация приближается: это изображение, созданное музыкантом Пабло Карлосом Будасси, которое объединяет логарифмические карты Вселенной из Принстона и изображения из НАСА, чтобы запечатлеть все это на одном снимке.

Эта история обновлена.

Вот почему скорость света равна скорости света

Скорость света в вакууме составляет 299 792 458 метров в секунду — цифра, к которой ученые наконец пришли в 1975 году, — но зачем останавливаться на этой цифре? А какое это имеет значение?

Ответы на эти вопросы отправят нас в удивительное путешествие через пространство, время, физику и измерения, и история еще не совсем рассказана. Современные исследования впервые за столетия ставят под сомнение скорость света.

Для начала, немного истории: в начале 17 века, общее мнение заключалось в том, что у света нет скорости, что он просто появляется мгновенно, присутствует он или нет.

В 1600-х годах эта идея подверглась серьезным испытаниям. Во-первых, голландским ученым Исааком Бекманом в 1629 году, который установил серию зеркал вокруг взрывов пороха, чтобы увидеть, заметили ли наблюдатели какую-либо разницу в том, когда появляются вспышки света.

К несчастью для Бекмана и прогресса науки, результаты были неубедительными, но затем в 1676 году датский астроном Оле Рёмер заметил странные изменения времени затмений одной из лун Юпитера в течение года.

Может ли это быть из-за того, что свету требовалось больше времени, чтобы отойти от Юпитера, когда Земля находилась дальше? Рёмер так думал, и его грубые расчеты показали, что скорость света составляет около 220 000 километров в секунду — неплохая оценка, особенно если учесть, что данные о размерах планет, которые он имел, не были такими уж точными.

Дальнейшие эксперименты с лучами света на нашей планете приблизили ученых к правильному числу, а затем в середине 1800-х годов физик Джеймс Клерк Максвелл представил свои уравнения Максвелла — способы измерения электрических и магнитных полей в вакууме.

Уравнения Максвелла фиксировали электрические и магнитные свойства пустого пространства, и, отметив, что скорость безмассовой волны электромагнитного излучения очень близка к предполагаемой скорости света, Максвелл предположил, что они могут точно совпадать.

Оказывается, Максвелл был прав, и мы впервые смогли измерить скорость света на основе других констант во Вселенной.

В то же время работа Максвелла убедительно показала, что свет сам по себе является электромагнитной волной, и после того, как эта идея была подтверждена, Альберт Эйнштейн в 1905 году подхватил ее как часть своей специальной теории относительности.

Сегодня скорость света, или c , как ее обычно называют, считается краеугольным камнем специальной теории относительности — в отличие от пространства и времени, скорость света постоянна, независимо от наблюдателя.

Более того, эта константа лежит в основе большей части того, что мы понимаем о Вселенной. Он соответствует скорости гравитационной волны, и да, это тот же c , который находится в знаменитом уравнении E = mc 2 .

Однако Максвелл и Эйнштейн не только знают, что такое скорость света. Ученые измерили его, отражая лазеры от объектов и наблюдая за тем, как гравитация действует на планеты, и все эти эксперименты дали одну и ту же цифру.

Однако история на этом не заканчивается, благодаря квантовой теории, той области физики, которая намекает, что Вселенная может быть не такой постоянной, как мы думаем.

Квантовая теория поля утверждает, что вакуум никогда не бывает пустым: он заполнен элементарными частицами, которые быстро появляются и исчезают. Согласно гипотезе, эти частицы создают на своем пути электромагнитную рябь и потенциально могут вызывать изменения скорости света.

Исследования этих идей продолжаются, и мы пока не знаем наверняка, так или иначе.На данный момент скорость света остается такой же, как и на протяжении веков, постоянной и фиксированной … но наблюдайте за этим пространством.

Как мы узнаем, что у нас правильная скорость света?

По сравнению с межгалактическим пространством наша галактика гравитационно плотная. По сравнению с межзвездным пространством наша Солнечная система гравитационно плотна. Мы знаем, что световые волны изгибаются при гравитационном сжатии пространства. Откуда мы знаем, что наша «скорость света в вакууме» не ниже в солнечном пространстве из-за того, что все соседние объекты создают сопротивление, чем в межгалактическом пространстве, которое по сравнению с ним разрежено гравитацией?


На этой фотографии показана установка лазерной локации Геофизической и астрономической обсерватории в. .. [+] Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Обсерватория помогает НАСА отслеживать орбитальные спутники. На этом изображении нижний из двух зеленых лучей исходит от специального трекера лунного разведывательного орбитального аппарата. Другой лазер исходит из другой наземной системы на объекте. Оба луча направлены на Луну — в частности, на LRO на орбите вокруг Луны. Кредит изображения: НАСА

Вы правы, что наша галактика представляет собой гораздо более плотную популяцию вещества, чем межгалактическое пространство, и что наша солнечная система также представляет собой более плотное скопление вещества, чем пространство между звездами в нашей галактике.Однако это звучит так, как будто вы думаете о силе гравитационного поля (которая, безусловно, коррелирует с плотностью материи) как об атмосфере материала, через которую должен пройти свет.

Итак, если свет действительно проходит через плотный материал (например, воздух или воду), свет действительно замедляется. Это замедление связано с показателем преломления материала, который является техническим термином, применяемым к тому, насколько свет изгибается, когда попадает в этот материал. Итак, свет, идущий от воздуха к воде, имеет определенный изгиб, который мы можем измерить, и этот изгиб говорит нам, насколько медленнее свет будет проходить через воду.Вы можете проделать тот же эксперимент с воздухом. Свет в воздухе в 1.0003 раза медленнее света в вакууме, что полностью замедляет его с 299 792 458 метров в секунду до 299 702 547 метров в секунду. Это замедление на 89 911 метров в секунду, что кажется большим, но составляет всего три десятитысячных скорости света. Свет в воде идет еще медленнее — показатель преломления воды составляет 1,33, поэтому скорость света в воде замедляется на 74 384 595 метров в секунду. Если у вас достаточно плотный материал, свет может значительно замедлиться.

Луч света преломляется в пластиковом блоке. Изображение предоставлено: общественное достояние, через пользователя Викимедиа . .. [+] ajizai

Но если вы находитесь в вакууме, показатель преломления равен 1; в вакууме скорость света не меняется. По определению, в вакууме нет материала, с которым мог бы столкнуться свет. Солнечная система плотная, но она насыщена материалом в очень определенных местах — если немного расширить вашу метафору, по сравнению с межпланетным пространством планета очень плотная.Но он наполнен материей, физическими частями вас и меня, камнями и атмосферой. За пределами области влияния нашей атмосферы вы очень быстро оказываетесь в вакууме.

Это не означает, что присутствие объекта с сильным гравитационным полем не влияет на свет — это определенно влияет, но способ, которым сильное гравитационное поле влияет на свет, немного отличается от замедления, которое вы получаете от прохождения через густое вещество. Гравитация изменяет форму пространства, окружающего объект, и, поскольку свет всегда распространяется по локально прямым линиям, это искажение влияет на свет.Чем больше гравитационных объектов между источником света и детектором, тем длиннее путь, по которому должен пройти свет. Однако, если вы знаете массы и расположение гравитационно тяжелых объектов, вы можете рассчитать точную форму пространства, через которое свет должен будет пройти, и, следовательно, сколько времени потребуется, чтобы пройти между любыми двумя точками.

Но как мы узнаем, что скорость правильная? Есть ранний эксперимент, в котором этот вопрос был решен, не выходя из нашей собственной планеты.Вы можете выстрелить лазером в длинную трубку, расстояние до которой вам известно довольно точно (эту вы можете измерить физически). Чтобы измерить скорость света, вы сначала отражаете свет от вращающегося 8-стороннего зеркала, а затем отправляете его по трубке с зеркалами на каждом конце. Когда свет отражается от вашей трубки и обратно на вращающееся зеркало, зеркало будет немного повернуто, а это означает, что свет отражается под немного другим углом, чем входил. Чем меньше скорость света, тем больше время, когда зеркало должно повернуться, тем больше разница в углах. Этот эксперимент, проведенный Майкельсоном, Пизом и Пирсоном в 1930-х годах, успешно определил скорость света с точностью до 11000 метров в секунду! Довольно хорошо.

Аппарат, использованный физиками Альбертом А. Майкельсоном, Фредом Пизом и астрономом Фрэнсисом Пирсоном в 1930-35 … [+] определении скорости света. Он состоит из вакуумной камеры длиной в милю 3 фута в долине Южной Калифорнии, содержащей оптическую систему с двумя большими вогнутыми зеркалами на обоих концах.Внутри вакуумной камеры луч света от дуговой лампы отражается от восьмиугольного зеркала, вращающегося со скоростью 512 оборотов в секунду, затем делает десять проходов через трубку, после чего возвращается и снова отражается от той же поверхности зеркала. Во время прохождения светового луча десять миль зеркало поворачивается на небольшой угол, поэтому отраженный луч имеет небольшой угол с выходящим лучом. Аппарат измеряет этот угол, который пропорционален времени пролета луча. Трубка откачивается до давления около 10 Торр.Э. К. Николс разработал оптику. Майкельсон умер в 1931 году, выполнив только 36 из 233 серий измерений, но Пиз и Пирсон продолжили. Точность эксперимента была ограничена проблемами геологической нестабильности и конденсации, но в 1935 году был получен результат 299,774 ± 11 км / с, наиболее точное измерение скорости света на тот момент. Использование изображения: общественное достояние.

Есть еще один способ проверить скорость света, немного подальше от дома. Мы можем проводить испытания силы тяжести на Земле и, используя уравнения Ньютона, можем вычислить массу Земли.Имея массу Земли и продолжительность месяца, мы можем вычислить массу Луны, так что мы можем определить точную форму пространства между Землей и Луной. Имея все эти элементы на своих местах, мы должны быть в состоянии предсказать, сколько времени потребуется лучу света, чтобы отлететь от Земли наружу (и, возможно, вернуться обратно, если мы проверяем скорость света). Если свет возвращается и возвращается обратно в течение времени, которое вы ожидаете с учетом формы пространства, значит, свет ведет себя так, как мы думаем, что он должен.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *