Šviesos greitis vakuume- absoliuti elektromagnetinių bangų sklidimo vakuume greičio vertė. Fizikoje jis žymimas lotyniška raide c.
Šviesos greitis vakuume yra pagrindinė konstanta, nepriklauso nuo inercinės atskaitos sistemos pasirinkimo.
Pagal apibrėžimą, tai tiksliai 299 792 458 m/s (apytikslė vertė 300 tūkst. km/s).
Pagal specialiąją reliatyvumo teoriją, yra maksimalus bet kokios fizinės sąveikos, perduodančios energiją ir informaciją, sklidimo greitis.

Kaip buvo nustatytas šviesos greitis?

Pirmą kartą šviesos greitis buvo nustatytas m 1676 O. K. Roemeris pasikeitus laiko intervalams tarp Jupiterio palydovų užtemimų.

1728 metais jį įrengė J. Bradley, remiantis jo pastebėjimais dėl žvaigždžių šviesos aberacijų.

1849 metais A. I. L. Fizeau pirmasis išmatavo šviesos greitį pagal laiką, per kurį šviesa nukeliauja tiksliai žinomą atstumą (bazę); Kadangi oro lūžio rodiklis labai mažai skiriasi nuo 1, antžeminiai matavimai suteikia vertę, labai artimą c.
Fizeau eksperimento metu šviesos spindulys iš šaltinio S, atspindėtas permatomo veidrodžio N, buvo periodiškai pertrauktas besisukančio dantyto disko W, prasilenkė pro pagrindą MN (apie 8 km) ir, atsispindėjęs nuo veidrodžio M, grįžo į diskas. Kai šviesa pataikė į dantį, ji nepasiekė stebėtojo, o į tarpą tarp dantų patekusią šviesą buvo galima stebėti per okuliarą E. Remiantis žinomais disko sukimosi greičiais, laikas, per kurį šviesa buvo nustatyta kelionė per bazę. Fizeau gavo vertę c = 313300 km/s.

1862 metais J. B. L. Foucaultįgyvendino 1838 metais D. Arago išsakytą idėją, vietoje dantyto disko panaudodamas greitai besisukantį (512 r/s) veidrodį. Atsispindėdamas nuo veidrodžio, šviesos spindulys buvo nukreiptas į pagrindą ir grįžus vėl nukrito ant to paties veidrodžio, kuris turėjo laiko pasisukti tam tikru mažu kampu. Turėdamas tik 20 m pagrindą, Foucault nustatė, kad greitis šviesos greitis lygus 29800080 ± 500 km/s. Fizeau ir Foucault eksperimentų schemos ir pagrindinės idėjos buvo ne kartą panaudotos vėlesniuose s apibrėžimo darbuose.

1676 m. danų astronomas Ole Römeris pirmą kartą apytiksliai įvertino šviesos greitį. Roemeris pastebėjo nedidelį Jupiterio mėnulių užtemimų trukmės neatitikimą ir padarė išvadą, kad Žemės judėjimas, artėjant prie Jupiterio arba tolstant nuo jo, pakeitė atstumą, kurį turėjo nukeliauti nuo mėnulių atsispindėjusi šviesa.

Išmatuodamas šio neatitikimo dydį, Roemeris apskaičiavo, kad šviesos greitis yra 219 911 kilometrų per sekundę. Vėlesniame 1849 m. eksperimente prancūzų fizikas Armandas Fizeau nustatė, kad šviesos greitis yra 312 873 kilometrai per sekundę.

Kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje, „Fizeau“ eksperimentinę sąranką sudarė šviesos šaltinis, permatomas veidrodis, atspindintis tik pusę ant jo krintančios šviesos, o likusioji dalis gali praeiti pro besisukantį krumpliaratį ir nejudantį veidrodį. Kai šviesa pateko į permatomą veidrodį, ji atsispindėjo ant krumpliaračio, kuris suskaidė šviesą į spindulius. Praėjęs per fokusavimo lęšių sistemą, kiekvienas šviesos spindulys atsispindėjo nuo nejudančio veidrodžio ir grįžo atgal į krumpliaratį. Tiksliai išmatavus greitį, kuriuo krumpliaratis blokavo atsispindėjusius spindulius, Fizeau sugebėjo apskaičiuoti šviesos greitį. Jo kolega Jeanas Foucault po metų patobulino šį metodą ir nustatė, kad šviesos greitis yra 297 878 ​​kilometrai per sekundę. Ši reikšmė mažai skiriasi nuo šiuolaikinės 299 792 kilometrų per sekundę vertės, kuri apskaičiuojama padauginus lazerio spinduliuotės bangos ilgį ir dažnį.

Fizeau eksperimentas

Kaip parodyta aukščiau esančiose nuotraukose, šviesa sklinda pirmyn ir grįžta atgal per tą patį tarpą tarp rato dantų, kai ratas sukasi lėtai (paveikslėlis apačioje). Jei ratas greitai sukasi (viršutinė nuotrauka), gretimas krumpliaratis blokuoja grįžtančią šviesą.

Fizeau rezultatai

Padėjęs veidrodį 8,64 kilometro atstumu nuo pavaros, Fizeau nustatė, kad grįžtančiam šviesos spinduliui blokuoti reikalingas krumpliaračio sukimosi greitis yra 12,6 apsisukimų per sekundę. Žinodamas šiuos skaičius, taip pat šviesos nuvažiuotą atstumą ir atstumą, kurį turėjo nuvažiuoti krumpliaratis, kad užblokuotų šviesos spindulį (lygus tarpo tarp rato dantų pločiui), jis apskaičiavo, kad šviesos spindulys užtruko. 0,000055 sekundės įveikti atstumą nuo pavaros iki veidrodžio ir atgal. Padalijus iš šio laiko bendrą 17,28 kilometro atstumą, kurį nukeliavo šviesa, Fizeau gavo 312873 kilometrų per sekundę greitį.

Foucault eksperimentas

1850 m. prancūzų fizikas Jeanas Foucault patobulino Fizeau techniką, pakeisdamas krumpliaratį besisukančiu veidrodžiu. Šviesa iš šaltinio stebėtoją pasiekė tik tada, kai veidrodis visiškai apsisuko 360° per laiko tarpą tarp šviesos pluošto išvykimo ir sugrįžimo. Naudodamas šį metodą, Foucault gavo 297878 kilometrų per sekundę šviesos greičio vertę.

Galutinis šviesos greičio matavimo akordas.

Lazerių išradimas leido fizikai išmatuoti šviesos greitį daug tiksliau nei bet kada anksčiau. 1972 m. Nacionalinio standartų ir technologijos instituto mokslininkai kruopščiai išmatavo lazerio spindulio bangos ilgį ir dažnį ir užfiksavo šviesos greitį, kuris yra šių dviejų kintamųjų sandauga, kuris yra 299 792 458 metrai per sekundę (186 282 mylios per sekundę). Viena iš šio naujo matavimo pasekmių buvo Generalinės svorių ir matų konferencijos sprendimas priimti kaip standartinį metrą (3,3 pėdos) atstumą, kurį šviesa nukeliauja per 1/299 792 458 sekundės. Taigi / šviesos greitis, svarbiausia pagrindinė fizikos konstanta, dabar apskaičiuojamas labai patikimai, o etaloninį matuoklį galima nustatyti daug tiksliau nei bet kada anksčiau.

Römerio atliktas šviesos greičio matavimas yra įrodymas, atrastas 1676 m. gruodžio 7 d., kad šviesos greitis yra baigtinis, tai yra, kad šviesa nekeliauja begaliniu greičiu, kaip manyta anksčiau. Pažiūrėkime, kaip jie bandė išmatuoti šviesos greitį prieš ir po Olafo Roemerio.

Šviesos greitis c) matuojamas ne vakuume. Jis turi tikslią fiksuotą vertę standartiniais vienetais. Pagal tarptautinį susitarimą 1983 m. metras yra apibrėžiamas kaip atstumas, kurį šviesa nukeliauja vakuume per 1/299 792 458 sekundės. Šviesos greitis yra lygiai 299792458 m/s. Colis apibrėžiamas kaip 2,54 centimetro. Todėl nemetriniais vienetais šviesos greitis taip pat turi tikslią reikšmę. Šis apibrėžimas prasmingas tik todėl, kad šviesos greitis vakuume yra pastovus, ir šis faktas turi būti patvirtintas eksperimentiškai. Taip pat būtina eksperimentiškai nustatyti šviesos greitį tokiose terpėse kaip vanduo ir oras.

Iki XVII amžiaus buvo tikima, kad šviesa sklinda akimirksniu. Tai patvirtino Mėnulio užtemimo stebėjimai. Esant baigtiniam šviesos greičiui, turėtų būti delsa tarp Žemės padėties Mėnulio atžvilgiu ir Žemės šešėlio padėties Mėnulio paviršiuje, tačiau tokio vėlavimo nerasta. Dabar žinome, kad šviesos greitis yra per didelis, kad pastebėtume vėlavimą.

Apie šviesos greitį buvo spėliojama ir diskutuojama nuo seniausių laikų, tačiau tik trims mokslininkams (visiems prancūzams) pavyko jį išmatuoti žemiškomis priemonėmis. Tai buvo labai sena ir labai sudėtinga problema.

Tačiau per praėjusius šimtmečius filosofai ir mokslininkai sukaupė gana daug informacijos apie šviesos savybes. 300 metų prieš Kristų, tais laikais, kai Euklidas kūrė savo geometriją, graikų matematikai jau daug žinojo apie šviesą. Buvo žinoma, kad šviesa sklinda tiesia linija ir kad atsispindėjus nuo plokštuminio veidrodžio pluošto kritimo kampas yra lygus atspindžio kampui. Senovės mokslininkai puikiai žinojo šviesos lūžio reiškinį. Tai slypi tame, kad šviesa, pereinanti iš vienos terpės, pavyzdžiui, oro, į kitokio tankio terpę, pavyzdžiui, vandenį, lūžta.

Klaudijus Ptolemėjus, astronomas ir matematikas iš Aleksandrijos, sudarė išmatuotų kritimo ir lūžio kampų lenteles, tačiau šviesos lūžio dėsnį tik 1621 m. atrado olandų matematikas iš Leideno Willebrord Snellius, kuris atrado, kad kritimo kampas ir lūžio kampas yra pastovūs bet kurioms dviem skirtingo tankio terpėms.

Daugelis senovės filosofų, įskaitant didįjį Aristotelį ir Romos valstybės veikėją Liucijus Seneką, galvojo apie vaivorykštės atsiradimo priežastis. Aristotelis manė, kad spalvos atsiranda dėl šviesos atspindžio vandens lašeliuose; Maždaug tos pačios nuomonės laikėsi ir Seneka, manydama, kad debesys, susidedantys iš drėgmės dalelių, yra savotiškas veidrodis. Vienaip ar kitaip, žmogus per visą savo istoriją domėjosi šviesos prigimtimi, tai liudija mus pasiekę mitai, legendos, filosofiniai ginčai ir moksliniai pastebėjimai.

Kaip ir dauguma senovės mokslininkų (išskyrus Empedoklį), Aristotelis manė, kad šviesos greitis yra begalinis. Būtų keista, jei jis manytų kitaip. Juk tokio didžiulio greičio nebuvo galima išmatuoti jokiais tuomet egzistuojančiais metodais ar instrumentais. Tačiau net ir vėlesniais laikais mokslininkai apie tai galvojo ir ginčijosi. Maždaug prieš 900 metų arabų mokslininkas Avicena išreiškė prielaidą, kad nors šviesos greitis yra labai didelis, jis turi būti baigtinis. Taip manė ir vienas iš jo amžininkų, arabų fizikas Alhazenas, kuris pirmasis paaiškino prieblandos prigimtį. Nei vienas, nei kitas, žinoma, neturėjo galimybės patvirtinti savo nuomonės eksperimentiškai.

Galilėjaus eksperimentas

Tokie ginčai gali tęstis neribotą laiką. Norint išspręsti problemą, reikėjo aiškios, nepaneigiamos patirties. Pirmasis šiuo keliu žengė italas Galilėjus Galilėjus, stebinantis savo genialumo universalumu. Jis pasiūlė, kad du žmonės, stovintys ant kalvų, kelių kilometrų atstumu vienas nuo kito, siųstų signalus naudodami žibintus su langinėmis. Šią mintį, vėliau įgyvendintą Florencijos akademijos mokslininkų, jis išreiškė savo darbe „Pokalbiai ir matematiniai įrodymai apie dvi naujas mokslo šakas, susijusias su mechanika ir lokaliniu judėjimu“ (paskelbtas Leidene 1638 m.).

„Galileo“ kalbasi trys pašnekovai. Pirmasis, Sagredo, klausia: „Bet kokio ir kokio greičio turėtų būti šis judėjimas? Ar turėtume tai laikyti momentiniu ar įvykusiu laiku, kaip ir visus kitus judesius? Simplicio, retrogradas, iškart atsako: „Kasdienė patirtis rodo, kad šūvių liepsnos šviesa įspaudžiama į mūsų akį neprarandant laiko, priešingai nei garsas, kuris ausį pasiekia po ilgo laiko. Sagredo tam prieštarauja pagrįstai: „Iš šios gerai žinomos patirties negaliu padaryti jokios kitos išvados, išskyrus tai, kad garsas mūsų ausis pasiekia ilgesniais intervalais nei šviesa.

Čia įsikiša Salviatis (išreikšdamas Galilėjaus nuomonę): „Nedideli šių ir kitų panašių stebėjimų įrodymai privertė susimąstyti apie kokį nors būdą, kaip neabejotinai įsitikinti, kad apšvietimas, t.y. Šviesos sklidimas yra tikrai akimirksniu. Eksperimentas, kurį sugalvojau, yra toks. Kiekvienas du asmenys laiko ugnį, įspraustą į žibintą ar kažką panašaus, kurį galima atidaryti ir uždaryti rankos judesiu, matant palydovą; stovėdami vienas priešais „kelių alkūnių atstumu, dalyviai pradeda pratinti uždaryti ir atidaryti ugnį visapusiškai matydami savo kompanioną taip, kad vos vienas pastebėjęs kito šviesą iš karto atidarytų savąją. Man pavyko jį pagaminti tik nedideliu atstumu – mažiau vienos mylios – todėl negalėjau būti tikras, ar priešingos šviesos atsiradimas tikrai įvyko staiga. Bet jei tai neįvyksta staiga, bet kuriuo atveju – itin dideliu greičiu.

Tuo metu Galileo turimos priemonės, žinoma, neleido taip lengvai išspręsti šio klausimo, ir jis tai puikiai žinojo. Diskusijos tęsėsi. Robertas Boyle'as, garsus airių mokslininkas, kuris pirmą kartą teisingai apibrėžė cheminį elementą, tikėjo, kad šviesos greitis yra baigtinis, o kitas XVII amžiaus genijus Robertas Hukas manė, kad šviesos greitis yra per didelis, kad jį būtų galima nustatyti eksperimentiniu būdu. . Kita vertus, astronomas Johannesas Kepleris ir matematikas René Descartes'as laikėsi Aristotelio požiūrio.

Römeris ir Jupiterio palydovas

Pirmą kartą ši siena buvo įlaužta 1676 m. Tai įvyko tam tikru mastu atsitiktinai. Teorinė problema, kaip jau ne kartą buvo nutikę mokslo istorijoje, buvo išspręsta atliekant grynai praktinę užduotį. Plečiančios prekybos poreikiai ir auganti navigacijos svarba paskatino Prancūzijos mokslų akademiją pradėti tobulinti geografinius žemėlapius, o tam visų pirma reikėjo patikimesnio būdo geografinei ilgumai nustatyti. Ilguma nustatoma gana paprastai – pagal laiko skirtumą dviejuose skirtinguose Žemės rutulio taškuose, tačiau tuo metu jie dar nemokėjo pagaminti pakankamai tikslių laikrodžių. Mokslininkai pasiūlė naudoti kokį nors dangaus reiškinį, stebimą kiekvieną dieną tą pačią valandą, kad nustatytų Paryžiaus laiką ir laiką laive. Iš šio reiškinio navigatorius ar geografas galėjo nustatyti laikrodį ir sužinoti Paryžiaus laiką. Toks reiškinys, matomas iš bet kurios jūros ar sausumos vietos, yra vieno iš keturių didelių Jupiterio palydovų užtemimas, kurį Galilėjus atrado 1609 m.

Tarp mokslininkų, dirbančių šiuo klausimu, buvo jaunas danų astronomas Ole Roemeris, kurį prieš ketverius metus prancūzų astronomas Jeanas Picardas pakvietė dirbti naujoje Paryžiaus observatorijoje.

Kaip ir kiti to meto astronomai, Roemeris žinojo, kad laikotarpis tarp dviejų artimiausio Jupiterio mėnulio užtemimų kinta visus metus; stebėjimai iš to paties taško, atskirti šešiais mėnesiais, suteikia didžiausią skirtumą 1320 sekundžių. Šios 1320 sekundžių astronomams buvo paslaptis, ir niekas negalėjo rasti joms patenkinamo paaiškinimo. Atrodė, kad tarp palydovo orbitos periodo ir Žemės padėties orbitoje Jupiterio atžvilgiu yra kažkoks ryšys. Taigi Roemeris, kruopščiai patikrinęs visus šiuos pastebėjimus ir skaičiavimus, netikėtai tiesiog įminė mįslę.

Roemeris padarė prielaidą, kad 1320 sekundžių (arba 22 minutės) yra laikas, per kurį šviesa nukeliauja nuo Žemės padėties, esančios arčiausiai Jupiterio jos orbitoje iki tolimiausios nuo Jupiterio padėties, kur Žemė atsiduria po šešių mėnesių. Kitaip tariant, papildomas atstumas, kurį nuvažiuoja nuo Jupiterio mėnulio atsispindėjusi šviesa, yra lygus Žemės orbitos skersmeniui (1 pav.).

Ryžiai. 1. Roemerio samprotavimų schema.
Arčiausiai Jupiterio esančio palydovo orbitos periodas yra maždaug 42,5 valandos. Todėl palydovą Jupiteris turėjo uždengti (arba palikti užtemimo juostą) kas 42,5 valandos. Tačiau per šešis mėnesius, kai Žemė pasitraukė nuo Jupiterio, užtemimai buvo stebimi kiekvieną kartą su vis didesniu vėlavimu, palyginti su prognozuotomis datomis. Roemeris padarė išvadą, kad šviesa sklinda ne akimirksniu, o turi ribotą greitį; todėl reikia vis daugiau laiko pasiekti Žemę, kai ji juda savo orbita aplink Saulę ir tolsta nuo Jupiterio.

Römerio laikais buvo manoma, kad Žemės orbitos skersmuo buvo maždaug 182 000 000 mylių (292 000 000 km). Padalinęs šį atstumą iš 1320 sekundžių, Roemeris nustatė, kad šviesos greitis yra 138 000 mylių (222 000 km) per sekundę.

Iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti, kad gauti skaitinį rezultatą su tokia paklaida (beveik 80 000 km per sekundę) nėra didelis pasiekimas. Tačiau pagalvokite apie tai, ką Roemeris pasiekė. Pirmą kartą žmonijos istorijoje buvo įrodyta, kad judėjimas, kuris buvo laikomas be galo greitu, yra prieinamas žinioms ir matavimams.

Be to, pirmuoju bandymu Roemeris gavo teisingos eilės vertę. Jei atsižvelgsime į tai, kad mokslininkai vis dar aiškinasi Žemės orbitos skersmenį ir Jupiterio palydovų užtemimų laiką, Roemerio klaida nenustebins. Dabar žinome, kad didžiausias palydovo užtemimo delsimas yra ne 22 minutės, kaip manė Roemeris, o maždaug 16 minučių 36 sekundės, o Žemės orbitos skersmuo yra maždaug ne 292 000 000 km, o 300 000 000 km. Jei šios Roemerio skaičiavimo pataisos būtų padarytos, paaiškėtų, kad šviesos greitis yra 300 000 km per sekundę, o šis rezultatas yra artimas tiksliausiam mūsų laikų mokslininkų gautam skaičiui.

Pagrindinis geros hipotezės reikalavimas yra tai, kad ją būtų galima naudoti teisingoms prognozėms. Remdamasis savo šviesos greičio skaičiavimu, Römeris sugebėjo tiksliai numatyti tam tikrus užtemimus prieš kelis mėnesius. Pavyzdžiui, 1676 m. rugsėjį jis numatė, kad lapkritį Jupiterio palydovas pasirodys maždaug dešimt minučių pavėlavęs. Mažytis palydovas Roemerio nenuvylė ir pasirodė numatytu laiku vienos sekundės tikslumu. Tačiau Paryžiaus filosofų neįtikino net šis Roemerio teorijos patvirtinimas. Tačiau Isaacas Newtonas ir didysis olandų astronomas ir fizikas Christiaanas Huygensas palaikė daną. Ir po kiek laiko, 1729 m. sausį, anglų astronomas Jamesas Bradley, kiek kitaip, padarė tokią pačią išvadą kaip ir Roemeris. Nebuvo vietos abejonėms. Roemeris panaikino vyraujantį mokslininkų įsitikinimą, kad šviesa sklinda akimirksniu, nepaisant atstumo.

Roemeris įrodė, kad nors šviesos greitis yra labai didelis, jis vis dėlto yra baigtinis ir gali būti išmatuotas. Tačiau, pagerbdami Roemerio pasiekimus, kai kurie mokslininkai vis tiek nebuvo visiškai patenkinti. Šviesos greičio matavimas jo metodu buvo pagrįstas astronominiais stebėjimais ir užtruko ilgai. Jie norėjo atlikti matavimus laboratorijoje grynai žemiškomis priemonėmis, neperžengdami mūsų planetos ribų, kad būtų kontroliuojamos visos eksperimentinės sąlygos. Prancūzų fizikas Marinas Marsenas, amžininkas ir Dekarto draugas, prieš trisdešimt penkerius metus sugebėjo išmatuoti garso greitį. Kodėl mes negalime to padaryti su šviesa?

Pirmas matmuo žemiškomis priemonėmis

Tačiau šios problemos sprendimo teko laukti beveik du šimtmečius. 1849 metais prancūzų fizikas Armandas Hippolyte'as Louisas Fizeau sugalvojo gana paprastą metodą. Fig. 2 paveiksle parodyta supaprastinta montavimo schema. Fizeau nukreipė šviesos spindulį iš šaltinio į veidrodį IN, tada šis spindulys atsispindėjo veidrodyje A. Vienas veidrodis buvo įrengtas Suresnes mieste, tėvo Fizeau namuose, o kitas – Monmartre Paryžiuje; atstumas tarp veidrodžių buvo maždaug 8,66 km. Tarp veidrodžių A Ir IN buvo padėta pavara, kuri gali suktis tam tikru greičiu (strobo principas). Besisukančio rato dantys nutraukė šviesos spindulį, suskaidydami jį į impulsus. Tokiu būdu buvo siunčiama trumpų blyksnių virtinė.

Ryžiai. 2. Fizeau montavimas.
Praėjus 174 metams po to, kai Roemeris apskaičiavo šviesos greitį, remdamasis Jupiterio mėnulio užtemimų stebėjimais, Fizeau sukonstravo prietaisą šviesos greičiui matuoti antžeminėmis sąlygomis. Pavara C suskaidė šviesos spindulį į blyksnius. Fizeau išmatavo laiką, per kurį šviesa nukeliautų atstumą C prie veidrodžio A ir atgal, lygus 17,32 km. Šio metodo silpnybė buvo ta, kad didžiausio šviesos ryškumo momentą stebėtojas nustatė akimis. Tokie subjektyvūs pastebėjimai nėra pakankamai tikslūs.

Kai krumpliaratis stovėjo ir buvo pradinėje padėtyje, stebėtojas galėjo matyti šviesą iš šaltinio per tarpą tarp dviejų dantų. Tada ratas pajudėjo vis didesniu greičiu ir atėjo momentas, kai šviesos impulsas, praėjęs pro tarpą tarp dantų, grįžo atsispindėjęs nuo veidrodžio. A, ir buvo atidėtas dėl danties. Šiuo atveju stebėtojas nieko nematė. Kai krumpliaratis sukasi toliau, šviesa vėl pasirodė, ryškėjo ir galiausiai pasiekė maksimalų intensyvumą. Fizeau naudota krumpliaratis turėjo 720 dantų, o maksimalų šviesos intensyvumą pasiekė 25 apsisukimai per sekundę. Remdamasis šiais duomenimis, Fizeau apskaičiavo šviesos greitį taip. Šviesa nukeliauja atstumą tarp veidrodėlių ir atgal per tą laiką, per kurį ratas pasisuka iš vieno tarpo tarp dantų į kitą, t.y. už 1/25? 1/720, tai yra 1/18000 sekundės. Nuvažiuotas atstumas lygus dvigubam atstumui tarp veidrodžių, t.y. 17,32 km. Taigi šviesos greitis yra 17,32 · 18 000 arba apie 312 000 km per sekundę.

Foucault tobulėjimas

Kai Fizeau paskelbė savo matavimo rezultatą, mokslininkai suabejojo ​​šios kolosalios figūros patikimumu, pagal kurią šviesa Žemę pasiekia iš Saulės per 8 minutes ir gali apskrieti Žemę per aštuntąją sekundės dalį. Atrodė neįtikėtina, kad žmogus tokiais primityviais instrumentais gali išmatuoti tokį milžinišką greitį. Šviesa tarp Fizeau veidrodžių nukeliauja daugiau nei aštuonis kilometrus per 1/36 000 sekundės? Neįmanoma, sakė daugelis. Tačiau Fizeau gautas skaičius buvo labai artimas Roemerio rezultatui. Vargu ar tai gali būti tik atsitiktinumas.

Po trylikos metų, skeptikams vis dar abejojant ir ironizuojant, Jeanas Bernardas Leonas Foucault, Paryžiaus leidėjo sūnus, vienu metu besiruošiantis tapti gydytoju, šviesos greitį nustatė kiek kitaip. Jis keletą metų dirbo su Fizeau ir daug galvojo, kaip pagerinti savo patirtį. Vietoj krumpliaračio Foucault naudojo besisukantį veidrodį.

Ryžiai. 3. Foucault instaliacija.
Po kai kurių patobulinimų Michelsonas panaudojo šį prietaisą šviesos greičiui nustatyti. Šiame įrenginyje krumpliaratis (žr. 2 pav.) pakeičiamas besisukančiu plokščiu veidrodžiu C. Jei veidrodis C nejuda arba sukasi labai lėtai, šviesa atsispindi permatomame veidrodyje B ištisine linija nurodyta kryptimi. Kai veidrodis sukasi greitai, atsispindėjęs spindulys pasislenka į punktyrinės linijos nurodytą padėtį. Žiūrėdamas pro okuliarą, stebėtojas galėjo išmatuoti spindulio poslinkį. Šis matavimas jam davė dvigubai didesnį kampą?, t.y. veidrodžio sukimosi kampas tuo metu, kai sklinda šviesos spindulys C prie įgaubto veidrodžio A ir atgal į C. Žinodami veidrodžio sukimosi greitį C, atstumas nuo A prieš C ir veidrodžio pasukimo kampas C Per tą laiką buvo galima apskaičiuoti šviesos greitį.

Foucault turėjo talentingo tyrinėtojo reputaciją. 1855 metais jis buvo apdovanotas Anglijos karališkosios draugijos Copley medaliu už eksperimentą su švytuokle, pateikusiu įrodymą apie Žemės sukimąsi apie savo ašį. Jis taip pat sukūrė pirmąjį giroskopą, tinkamą praktiniam naudojimui. Fizeau eksperimente pakeitus krumpliaratį besisukančiu veidrodžiu (šią idėją dar 1842 m. pasiūlė Dominico Arago, tačiau ji nebuvo įgyvendinta) leido sutrumpinti šviesos spindulio nueinamą kelią nuo daugiau nei 8 kilometrų iki 20 m. veidrodis (3 pav.) nukreipė grįžtamąjį spindulį nedideliu kampu, todėl buvo galima atlikti reikiamus matavimus šviesos greičiui apskaičiuoti. Foucault gautas rezultatas buvo 298 000 km/sek, t.y. maždaug 17 000 km mažiau nei „Fizeau“ gauta vertė. (Kitame eksperimente Foucault įdėjo vandens vamzdelį tarp atspindinčio ir besisukančio veidrodžio, kad nustatytų šviesos greitį vandenyje. Paaiškėjo, kad šviesos greitis ore yra didesnis.)

Po dešimties metų Paryžiaus École Polytechnique Supérieure eksperimentinės fizikos profesorė Marie Alfred Cornu vėl grįžo prie krumpliaračio, bet jau turėjo 200 dantų. Cornu rezultatas buvo artimas ankstesniam. Jis gavo 300 000 km per sekundę greitį. Taip atsitiko 1872 m., kai jaunasis Michelsonas, Anapolio jūrų akademijos paskutinio kurso studentas, per optikos egzaminą buvo paprašytas pakalbėti apie Foucault šviesos greičio matavimo aparatą. Tada niekam neatėjo į galvą, kad fizikos vadovėliuose, iš kurių mokysis būsimos studentų kartos, Michelsonui bus skirta daug daugiau vietos nei Fizeau ar Foucault.

1879 m. pavasarį „New York Times“ pranešė: „Amerikos mokslo horizonte pasirodė nauja ryški žvaigždė. Karinio jūrų laivyno tarnybos jaunesnysis leitenantas, Anapolio karinio jūrų laivyno akademijos absolventas Albertas A. Michelsonas, kuriam dar nėra dvidešimt septynerių, pasiekė išskirtinių laimėjimų optikos srityje: išmatavo šviesos greitį. Redakciniame straipsnyje „Mokslas žmonėms“ dienraštis „Daily Tribune“ rašė: „Virdžinijos miesto, kalnakasių miestelio tolimoje Nevadoje, vietinis laikraštis išdidžiai praneša: „Antrasis leitenantas Albertas A. Michelsonas, Samuelio Michelsono sūnus, sausųjų prekių parduotuvė savininkas mūsų mieste, patraukė visos šalies dėmesį nepaprastu mokslo pasiekimu: išmatavo šviesos greitį.

data	Autoriai	Metodas	km/s	Klaida
1676	Olausas Roemeris	Jupiterio mėnuliai	214 000
1726	Jamesas Bradley	Žvaigždžių aberacija	301 000
1849	Armandas Fizeau	Pavara	315 000
1862	Leonas Foucault	Besisukantis veidrodis	298 000	± 500
1879	Albertas Michelsonas	Besisukantis veidrodis	299 910	± 50
1907	Rosa, Dorsay	EM konstantos	299 788	± 30
1926	Albertas Michelsonas	Besisukantis veidrodis	299 796	± 4
1947	Esenas, Gordenas-Smitas	Tūrinis rezonatorius	299 792	± 3
1958	K.D.Froome'as	Radijo interferometras	299 792.5	±0,1
1973	Evanson ir kt	Lazerinis interferometras	299 792.4574	±0,001
1983	CGPM	Priimta vertė	299 792.458	0

Filipas Gibbsas , 1997

Jei radote klaidą, pažymėkite teksto dalį ir spustelėkite Ctrl + Enter.

Peržiūrų: 162

Šviesos greitis yra atstumas, kurį šviesa nukeliauja per laiko vienetą. Ši vertė priklauso nuo medžiagos, kurioje sklinda šviesa.

Vakuume šviesos greitis yra 299 792 458 m/s. Tai didžiausias greitis, kurį galima pasiekti. Sprendžiant uždavinius, kuriems nereikia ypatingo tikslumo, ši reikšmė imama lygi 300 000 000 m/s. Daroma prielaida, kad vakuume šviesos greičiu sklinda visų tipų elektromagnetinė spinduliuotė: radijo bangos, infraraudonoji spinduliuotė, matoma šviesa, ultravioletinė spinduliuotė, rentgeno spinduliai, gama spinduliuotė. Jis pažymėtas raide Su .

Kaip buvo nustatytas šviesos greitis?

Senovėje mokslininkai tikėjo, kad šviesos greitis yra begalinis. Vėliau šiuo klausimu prasidėjo diskusijos tarp mokslininkų. Kepleris, Dekartas ir Fermatas sutiko su senovės mokslininkų nuomone. Galilėjus ir Hukas manė, kad nors šviesos greitis yra labai didelis, jis vis tiek turi baigtinę vertę.

Galilėjus Galilėjus

Vienas pirmųjų, pabandęs išmatuoti šviesos greitį, buvo italų mokslininkas Galilėjus Galilėjus. Eksperimento metu jis ir jo padėjėjas buvo ant skirtingų kalvų. Galilėjus atidarė savo žibinto langines. Tuo metu, kai asistentas pamatė šią šviesą, jis turėjo atlikti tuos pačius veiksmus su savo žibintu. Laikas, per kurį šviesa nukeliavo nuo „Galileo“ iki asistento ir atgal, pasirodė toks trumpas, kad „Galileo“ suprato, kad šviesos greitis yra labai didelis ir jo neįmanoma išmatuoti tokiu trumpu atstumu, nes šviesa keliauja beveik akimirksniu. O jo užfiksuotas laikas rodo tik žmogaus reakcijos greitį.

Šviesos greitį pirmą kartą 1676 metais nustatė danų astronomas Olafas Roemeris, naudodamas astronominius atstumus. Naudodamas teleskopą Jupiterio mėnulio Io užtemimui stebėti, jis atrado, kad Žemei tolstant nuo Jupiterio, kiekvienas paskesnis užtemimas įvyksta vėliau, nei buvo apskaičiuota. Didžiausias delsimas, kai Žemė pasislenka į kitą Saulės pusę ir nutolsta nuo Jupiterio atstumu, lygiu Žemės orbitos skersmeniui, yra 22 valandos. Nors tuo metu tikslus Žemės skersmuo nebuvo žinomas, mokslininkas jo apytikslę reikšmę padalino iš 22 valandų ir gavo apie 220 000 km/s vertę.

Olafas Roemeris

Roemerio gautas rezultatas sukėlė mokslininkų nepasitikėjimą. Tačiau 1849 m. prancūzų fizikas Armandas Hippolyte'as Louisas Fizeau išmatavo šviesos greitį, naudodamas besisukančio užrakto metodą. Jo eksperimento metu šviesa iš šaltinio prasiskverbė tarp besisukančio rato dantų ir buvo nukreipta į veidrodį. Atsispindėjęs nuo jo, jis grįžo atgal. Padidėjo rato sukimosi greitis. Pasiekus tam tikrą reikšmę, nuo veidrodžio atsispindėjęs spindulys buvo atidėtas judančio danties, o stebėtojas tuo momentu nieko nematė.

Fizeau patirtis

Fizeau apskaičiavo šviesos greitį taip. Šviesa eina savo keliu L nuo rato iki veidrodžio per laiką, lygų t 1 = 2L/c . Laikas, per kurį ratas apsisuka ½ lizdo, yra t 2 = T/2N , Kur T - rato sukimosi laikotarpis, N - dantų skaičius. Sukimosi dažnis v = 1/T . Akimirka, kai stebėtojas nemato šviesos, atsiranda tada, kai t 1 = t 2 . Iš čia gauname šviesos greičio nustatymo formulę:

c = 4LNv

Atlikęs skaičiavimus pagal šią formulę, Fizeau tai nustatė Su = 313 000 000 m/s. Šis rezultatas buvo daug tikslesnis.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

1838 m. prancūzų fizikas ir astronomas Dominique'as François Jean Arago pasiūlė šviesos greičiui apskaičiuoti naudoti besisukančio veidrodžio metodą. Šią idėją praktiškai įgyvendino prancūzų fizikas, mechanikas ir astronomas Jeanas Bernardas Leonas Foucault, 1862 metais gavęs šviesos greičio reikšmę (298 000 000±500 000) m/s.

Dominique'as Francois Jeanas Arago

1891 m. amerikiečių astronomo Simono Newcombo rezultatas pasirodė esąs eilės tvarka tikslesnis nei Foucault rezultatas. Dėl jo skaičiavimų Su = (99 810 000±50 000) m/s.

Amerikiečių fiziko Alberto Abraomo Michelsono, kuris naudojo sąranką su besisukančiu aštuonkampiu veidrodžiu, atliktas tyrimas leido dar tiksliau nustatyti šviesos greitį. 1926 m. mokslininkas išmatavo laiką, per kurį šviesa nukeliauti tarp dviejų kalnų viršūnių, lygų 35,4 km, ir gavo Su = (299 796 000±4 000) m/s.

Tiksliausias matavimas atliktas 1975 metais. Tais pačiais metais Generalinė svorių ir matų konferencija rekomendavo šviesos greitį laikyti lygiu 299 792 458 ± 1,2 m/s.

Nuo ko priklauso šviesos greitis?

Šviesos greitis vakuume nepriklauso nei nuo atskaitos sistemos, nei nuo stebėtojo padėties. Jis išlieka pastovus, lygus 299 792 458 ± 1,2 m/s. Tačiau įvairiose skaidriose terpėse šis greitis bus mažesnis nei jo greitis vakuume. Bet kuri skaidri terpė turi optinį tankį. Ir kuo jis didesnis, tuo šviesos greitis jame sklinda lėčiau. Pavyzdžiui, šviesos greitis ore yra didesnis už greitį vandenyje, o gryname optiniame stikle – mažesnis nei vandenyje.

Jei šviesa iš ne tokios tankios terpės pereina į tankesnę, jos greitis mažėja. Ir jei perėjimas įvyksta iš tankesnės terpės į mažiau tankią, greitis, atvirkščiai, didėja. Tai paaiškina, kodėl šviesos spindulys nukreipiamas ties perėjimo riba tarp dviejų terpių.

Senovėje daugelis mokslininkų laikė, kad šviesos greitis yra begalinis. Italų fizikas Galilėjus Galilėjus buvo vienas pirmųjų, pabandęs jį išmatuoti.

Pirmieji bandymai

XVII amžiaus pradžioje Galilėjus ėmėsi eksperimento, kurio metu du žmonės su uždengtais žibintais stovėjo tam tikru atstumu vienas nuo kito. Vienas žmogus davė šviesą, o kitas, vos pamatęs, atidarė savo žibintą. „Galileo“ bandė fiksuoti laiką tarp blyksnių, tačiau idėja buvo nesėkminga dėl per mažo atstumo. Šviesos greičio tokiu būdu išmatuoti nepavyko.

1676 m. danų astronomas Ole Roemeris tapo pirmuoju žmogumi, įrodžiusiu, kad šviesa sklinda ribotu greičiu. Jis tyrinėjo Jupiterio mėnulių užtemimus ir pastebėjo, kad jie įvyksta anksčiau arba vėliau nei tikėtasi (anksčiau, kai Žemė yra arčiau Jupiterio, o vėliau, kai Žemė yra toliau). Rumeris logiškai manė, kad vėlavimas įvyko dėl laiko, reikalingo įveikti distanciją.

Dabartiniame etape

Vėlesniais šimtmečiais daugelis mokslininkų dirbo siekdami nustatyti šviesos greitį naudodami patobulintus prietaisus, išrasdami vis tikslesnius skaičiavimo metodus. Prancūzų fizikas Hippolyte'as Fizeau pirmuosius neastronominius matavimus atliko 1849 m. Naudota technika buvo sukamoji pavara, per kurią buvo praleidžiama šviesa, ir veidrodžių sistema, išdėstyta dideliu atstumu.

Tikslesni greičio skaičiavimai buvo atlikti 1920 m. Amerikiečių fiziko Alberto Michelsono eksperimentai vyko Pietų Kalifornijos kalnuose, naudojant aštuonkampį besisukantį veidrodinį aparatą. 1983 metais Tarptautinė svorių ir matų komisija oficialiai pripažino šviesos greitį vakuume, kurį šiandien skaičiuodami naudoja visi pasaulio mokslininkai. Jis yra 299 792 458 m/s (186,282 mylios/sek). Taigi per vieną sekundę šviesa nukeliauja atstumą, lygų Žemės pusiaujui, 7,5 karto.

Panašūs straipsniai