Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός και με τι ισούται. Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός

Παρά το γεγονός ότι στη συνηθισμένη ζωή δεν χρειάζεται να υπολογίσουμε την ταχύτητα του φωτός, πολλοί ενδιαφέρονται για αυτή την ποσότητα από την παιδική ηλικία.


Παρακολουθώντας κεραυνούς κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, κάθε παιδί πιθανότατα προσπάθησε να καταλάβει τι προκάλεσε την καθυστέρηση μεταξύ του φλας και των κεραυνών. Προφανώς, το φως και ο ήχος έχουν διαφορετικές ταχύτητες. Γιατί συμβαίνει αυτό? Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός και πώς μπορεί να μετρηθεί;

Στην επιστήμη, η ταχύτητα του φωτός είναι η ταχύτητα με την οποία οι ακτίνες κινούνται στον αέρα ή στο κενό. Το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που γίνεται αντιληπτή από το ανθρώπινο μάτι. Είναι σε θέση να κινείται σε οποιοδήποτε περιβάλλον, κάτι που έχει άμεσο αντίκτυπο στην ταχύτητά του.

Από τα αρχαία χρόνια έγιναν προσπάθειες μέτρησης αυτής της ποσότητας. Οι επιστήμονες της αρχαιότητας πίστευαν ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν άπειρη. Την ίδια άποψη εξέφρασαν οι φυσικοί του 16ου-17ου αιώνα, αν και ακόμη και τότε ορισμένοι ερευνητές, όπως ο Robert Hooke και ο Galileo Galilei, υπέθεταν το πεπερασμένο.

Μια σημαντική ανακάλυψη στη μελέτη της ταχύτητας του φωτός συνέβη χάρη στον Δανό αστρονόμο Olaf Roemer, ο οποίος ήταν ο πρώτος που επέστησε την προσοχή στην καθυστέρηση στην έκλειψη του φεγγαριού του Δία Io σε σύγκριση με τους αρχικούς υπολογισμούς.

Στη συνέχεια, ο επιστήμονας προσδιόρισε την κατά προσέγγιση τιμή ταχύτητας στα 220 χιλιάδες μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Ο Βρετανός αστρονόμος Τζέιμς Μπράντλεϊ μπόρεσε να υπολογίσει αυτή την τιμή με μεγαλύτερη ακρίβεια, αν και έκανε ελαφρώς λάθος στους υπολογισμούς του.


Στη συνέχεια, έγιναν προσπάθειες για τον υπολογισμό της πραγματικής ταχύτητας του φωτός από επιστήμονες από διαφορετικές χώρες. Ωστόσο, μόνο στις αρχές της δεκαετίας του 1970, με την εμφάνιση των λέιζερ και των μέιζερ που είχαν σταθερή συχνότητα ακτινοβολίας, οι ερευνητές μπόρεσαν να κάνουν έναν ακριβή υπολογισμό και το 1983 η σύγχρονη τιμή με συσχέτιση για το σχετικό σφάλμα ελήφθη ως μια βάση.

Με απλά λόγια, η ταχύτητα του φωτός είναι ο χρόνος που χρειάζεται μια ηλιαχτίδα για να διανύσει μια συγκεκριμένη απόσταση. Συνηθίζεται να χρησιμοποιείται το δεύτερο ως μονάδα χρόνου και το μέτρο ως μονάδα απόστασης. Από τη σκοπιά της φυσικής, το φως είναι ένα μοναδικό φαινόμενο που έχει σταθερή ταχύτητα σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον.

Ας υποθέσουμε ότι ένα άτομο τρέχει με ταχύτητα 25 km/h και προσπαθεί να προλάβει ένα αυτοκίνητο που ταξιδεύει με ταχύτητα 26 km/h. Αποδεικνύεται ότι το αυτοκίνητο κινείται 1 km/h πιο γρήγορα από τον δρομέα. Με το φως όλα είναι διαφορετικά. Ανεξάρτητα από την ταχύτητα κίνησης του αυτοκινήτου και του ατόμου, η δέσμη θα κινείται πάντα σε σχέση με αυτά με σταθερή ταχύτητα.

Η ταχύτητα του φωτός εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ουσία στην οποία διαδίδονται οι ακτίνες. Στο κενό έχει σταθερή τιμή, αλλά σε ένα διαφανές περιβάλλον μπορεί να έχει διαφορετικούς δείκτες.

Στον αέρα ή στο νερό η τιμή του είναι πάντα μικρότερη από ό,τι στο κενό. Για παράδειγμα, στους ποταμούς και τους ωκεανούς η ταχύτητα του φωτός είναι περίπου τα ¾ της ταχύτητας στο διάστημα και στον αέρα με πίεση 1 ατμόσφαιρας είναι 2% μικρότερη από ό,τι στο κενό.


Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από την απορρόφηση των ακτίνων στο διαφανές χώρο και την επανεκπομπή τους από φορτισμένα σωματίδια. Το φαινόμενο ονομάζεται διάθλαση και χρησιμοποιείται ενεργά στην κατασκευή τηλεσκοπίων, διοπτρών και άλλου οπτικού εξοπλισμού.

Αν λάβουμε υπόψη συγκεκριμένες ουσίες, τότε στο απεσταγμένο νερό η ταχύτητα του φωτός είναι 226 χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, στο οπτικό γυαλί - περίπου 196 χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Στο κενό, η ταχύτητα του φωτός ανά δευτερόλεπτο έχει σταθερή τιμή 299.792.458 μέτρα, δηλαδή λίγο περισσότερο από 299 χιλιάδες χιλιόμετρα. Στη σύγχρονη άποψη, είναι το απόλυτο. Με άλλα λόγια, κανένα σωματίδιο, κανένα ουράνιο σώμα δεν είναι ικανό να φτάσει την ταχύτητα που αναπτύσσει το φως στο διάστημα.

Ακόμα κι αν υποθέσουμε ότι ο Σούπερμαν θα εμφανιστεί και θα πετάξει με μεγάλη ταχύτητα, η δέσμη θα εξακολουθήσει να τρέχει μακριά του με μεγαλύτερη ταχύτητα.

Αν και η ταχύτητα του φωτός είναι η μέγιστη που μπορεί να επιτευχθεί στο χώρο κενού, πιστεύεται ότι υπάρχουν αντικείμενα που κινούνται πιο γρήγορα.

Για παράδειγμα, οι ηλιαχτίδες, οι σκιές ή οι φάσεις ταλάντωσης στα κύματα είναι ικανές για αυτό, αλλά με μια προειδοποίηση - ακόμα κι αν αναπτύξουν υπερταχύτητα, η ενέργεια και οι πληροφορίες θα μεταδοθούν σε κατεύθυνση που δεν συμπίπτει με την κατεύθυνση της κίνησής τους.


Όσο για το διαφανές μέσο, ​​υπάρχουν αντικείμενα στη Γη που είναι αρκετά ικανά να κινούνται ταχύτερα από το φως. Για παράδειγμα, εάν μια δέσμη που διέρχεται από γυαλί επιβραδύνει την ταχύτητά της, τότε τα ηλεκτρόνια δεν περιορίζονται στην ταχύτητα κίνησης, επομένως όταν περνούν μέσα από γυάλινες επιφάνειες μπορούν να κινηθούν ταχύτερα από το φως.

Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Vavilov–Cherenkov και παρατηρείται συχνότερα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ή στα βάθη των ωκεανών.

Αν και στην καθημερινή ζωή είναι σπάνιο να υπολογίσει κανείς απευθείας ποια είναι η ταχύτητα του φωτός, το ενδιαφέρον για αυτό το θέμα εκδηλώνεται στην παιδική ηλικία. Παραδόξως, όλοι συναντάμε καθημερινά το πρόσημο της σταθεράς ταχύτητας διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η ταχύτητα του φωτός είναι μια θεμελιώδης ποσότητα λόγω της οποίας ολόκληρο το Σύμπαν υπάρχει ακριβώς όπως το γνωρίζουμε.

Σίγουρα, όλοι, βλέποντας στην παιδική ηλικία μια αστραπή και τον επακόλουθο χειροκρότημα βροντής, προσπάθησαν να καταλάβουν τι προκάλεσε την καθυστέρηση μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου φαινομένου. Ο απλός διανοητικός συλλογισμός οδήγησε γρήγορα σε ένα λογικό συμπέρασμα: η ταχύτητα του φωτός και του ήχου διαφέρουν. Αυτή είναι η πρώτη εισαγωγή σε δύο σημαντικά φυσικά μεγέθη. Στη συνέχεια, κάποιος έλαβε τις απαραίτητες γνώσεις και μπορούσε εύκολα να εξηγήσει τι συνέβαινε. Τι προκαλεί την παράξενη συμπεριφορά της βροντής; Η απάντηση είναι ότι η ταχύτητα του φωτός, που είναι περίπου 300 χιλιάδες km/s, είναι σχεδόν ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα διάδοσης στον αέρα (330 m/s). Επομένως, ένα άτομο βλέπει πρώτα από κεραυνό και μόνο μετά από λίγο ακούει το βρυχηθμό της βροντής. Για παράδειγμα, εάν υπάρχει 1 km από το επίκεντρο μέχρι τον παρατηρητή, τότε το φως θα καλύψει αυτήν την απόσταση σε 3 μικροδευτερόλεπτα, αλλά ο ήχος θα πάρει έως και 3 δευτερόλεπτα. Γνωρίζοντας την ταχύτητα του φωτός και τον χρόνο καθυστέρησης μεταξύ του φλας και της βροντής, μπορείτε να υπολογίσετε την απόσταση.

Οι προσπάθειες μέτρησής του έχουν γίνει εδώ και πολύ καιρό. Τώρα είναι πολύ αστείο να διαβάζεις για τα πειράματα που πραγματοποιούνται, ωστόσο, σε εκείνους τους μακρινούς χρόνους, πριν από την εμφάνιση των οργάνων ακριβείας, όλα ήταν κάτι παραπάνω από σοβαρά. Ενώ προσπαθούσαμε να μάθουμε ποια είναι η ταχύτητα του φωτός, πραγματοποιήθηκε ένα ενδιαφέρον πείραμα. Στο ένα άκρο του αυτοκινήτου ενός τρένου που κινούνταν γρήγορα, βρισκόταν ένας άνδρας με ακριβές χρονόμετρο, και στην απέναντι πλευρά ο βοηθός του στην ομάδα άνοιξε το κλείστρο της λάμπας. Σύμφωνα με την ιδέα, το χρονοόμετρο έπρεπε να καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της ταχύτητας διάδοσης των φωτονίων του φωτός. Επιπλέον, αλλάζοντας τις θέσεις του λαμπτήρα και του χρονομέτρου (διατηρώντας την κατεύθυνση κίνησης του τρένου), θα ήταν δυνατό να διαπιστώσουμε εάν η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή ή αν μπορεί να αυξηθεί/μειωθεί (ανάλογα με η κατεύθυνση της δέσμης, θεωρητικά, η ταχύτητα του τρένου θα μπορούσε να επηρεάσει την ταχύτητα που μετρήθηκε στο πείραμα). Φυσικά, το πείραμα απέτυχε, αφού η ταχύτητα του φωτός και η καταγραφή από ένα χρονοόμετρο είναι ασύγκριτες.

Για πρώτη φορά, η πιο ακριβής μέτρηση έγινε το 1676 χάρη στις παρατηρήσεις του Olaf Roemer παρατήρησε ότι η πραγματική εμφάνιση της Io και τα υπολογισμένα δεδομένα διέφεραν κατά 22 λεπτά. Καθώς οι πλανήτες πλησίαζαν, η καθυστέρηση μειώθηκε. Γνωρίζοντας την απόσταση, ήταν δυνατό να υπολογιστεί η ταχύτητα του φωτός. Ήταν περίπου 215 χιλιάδες km/s. Στη συνέχεια, το 1926, ο D. Bradley, ενώ μελετούσε τις αλλαγές στις φαινομενικές θέσεις των άστρων (εκτροπή), επέστησε την προσοχή σε ένα μοτίβο. Η θέση του αστεριού άλλαζε ανάλογα με την εποχή του χρόνου. Κατά συνέπεια, η θέση του πλανήτη σε σχέση με τον Ήλιο είχε επίδραση. Μπορεί να δοθεί μια αναλογία - σταγόνες βροχής. Χωρίς άνεμο, πετούν κάθετα προς τα κάτω, αλλά μόλις τρέχουν αλλάζει η φαινομενική τροχιά τους. Γνωρίζοντας την ταχύτητα περιστροφής του πλανήτη γύρω από τον Ήλιο, ήταν δυνατό να υπολογιστεί η ταχύτητα του φωτός. Ανήλθε σε 301 χιλιάδες km/s.

Το 1849, ο A. Fizeau διεξήγαγε το ακόλουθο πείραμα: μεταξύ μιας φωτεινής πηγής και ενός καθρέφτη, σε απόσταση 8 km, υπήρχε ένας περιστρεφόμενος, η ταχύτητα περιστροφής του αυξήθηκε μέχρι που στο επόμενο κενό η ροή του ανακλώμενου φωτός μετατράπηκε σε σταθερή (χωρίς τρεμόπαιγμα). Οι υπολογισμοί έδωσαν 315 χιλιάδες km/s. Τρία χρόνια αργότερα, ο L. Foucault χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη και έλαβε 298 χιλιάδες km/s.

Τα επόμενα πειράματα έγιναν ολοένα και πιο ακριβή, λαμβάνοντας υπόψη τη διάθλαση στον αέρα κ.λπ. Επί του παρόντος, τα δεδομένα που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας ένα ρολόι καισίου και μια δέσμη λέιζερ θεωρούνται σχετικά. Σύμφωνα με αυτούς, είναι ίσο με 299 χιλιάδες km/s.

Το θέμα του τρόπου μέτρησης, καθώς και της ταχύτητας του φωτός, ενδιαφέρει τους επιστήμονες από την αρχαιότητα. Αυτό είναι ένα πολύ συναρπαστικό θέμα, το οποίο από αμνημονεύτων χρόνων ήταν αντικείμενο επιστημονικής συζήτησης. Πιστεύεται ότι μια τέτοια ταχύτητα είναι πεπερασμένη, ανέφικτη και σταθερή. Είναι ανέφικτο και σταθερό, όπως το άπειρο. Ταυτόχρονα, είναι πεπερασμένο. Αποδεικνύεται ότι είναι ένα ενδιαφέρον φυσικό και μαθηματικό παζλ. Υπάρχει μία επιλογή για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Εξάλλου, η ταχύτητα του φωτός εξακολουθούσε να μετράται.

Στην αρχαιότητα, οι στοχαστές πίστευαν ότι ταχύτητα του φωτός- αυτή είναι μια άπειρη ποσότητα. Η πρώτη εκτίμηση αυτού του δείκτη δόθηκε το 1676. Όλαφ Ρόμερ. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του, η ταχύτητα του φωτός ήταν περίπου 220 χιλιάδες km/s. Αυτή δεν ήταν μια απολύτως ακριβής τιμή, αλλά κοντά στην αληθινή.

Το πεπερασμένο και η εκτίμηση της ταχύτητας του φωτός επιβεβαιώθηκαν μισό αιώνα αργότερα.

Στο μέλλον, ο επιστήμονας FizeauΉταν δυνατός ο προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός από το χρόνο που χρειάστηκε η δέσμη για να διανύσει μια ακριβή απόσταση.

Διεξήγαγε ένα πείραμα (βλέπε σχήμα), κατά το οποίο μια δέσμη φωτός αναχώρησε από την πηγή S, ανακλήθηκε από τον καθρέφτη 3, διακόπηκε από τον οδοντωτό δίσκο 2 και πέρασε τη βάση (8 km). Στη συνέχεια αντανακλάται από τον καθρέφτη 1 και επέστρεψε στο δίσκο. Το φως έπεσε στο κενό μεταξύ των δοντιών και μπορούσε να παρατηρηθεί μέσω του προσοφθάλμιου φακού 4. Ο χρόνος που χρειαζόταν η δέσμη για να ταξιδέψει μέσα από τη βάση προσδιορίστηκε ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής του δίσκου. Η τιμή που λήφθηκε από το Fizeau ήταν: c = 313300 km/s.

Η ταχύτητα διάδοσης της δέσμης σε οποιοδήποτε συγκεκριμένο μέσο είναι μικρότερη από αυτή την ταχύτητα στο κενό. Επιπλέον, για διαφορετικές ουσίες αυτός ο δείκτης λαμβάνει διαφορετικές τιμές. Μετά από λίγα χρόνια Φουκώαντικατέστησε το δίσκο με έναν ταχέως περιστρεφόμενο καθρέφτη. Οι οπαδοί αυτών των επιστημόνων χρησιμοποίησαν επανειλημμένα τις μεθόδους και τα ερευνητικά τους σχέδια.

Οι φακοί είναι η βάση των οπτικών οργάνων. Ξέρετε πώς υπολογίζεται; Μπορείτε να το μάθετε διαβάζοντας ένα από τα άρθρα μας.

Μπορείτε να βρείτε πληροφορίες σχετικά με το πώς να ρυθμίσετε ένα οπτικό σκοπευτικό που αποτελείται από τέτοιους φακούς. Διαβάστε το υλικό μας και δεν θα έχετε ερωτήσεις σχετικά με το θέμα.

Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό;

Η πιο ακριβής μέτρηση της ταχύτητας του φωτός δείχνει το σχήμα 1.079.252.848,8 χιλιόμετρα την ώρα ή 299.792.458 m/s. Αυτός ο αριθμός ισχύει μόνο για συνθήκες που δημιουργούνται σε κενό.

Αλλά για την επίλυση προβλημάτων, συνήθως χρησιμοποιείται ο δείκτης 300.000.000 m/s. Στο κενό, η ταχύτητα του φωτός σε μονάδες Planck είναι 1. Έτσι, η φωτεινή ενέργεια ταξιδεύει 1 μονάδα μήκους Planck σε 1 μονάδα χρόνου Planck. Εάν δημιουργηθεί κενό σε φυσικές συνθήκες, τότε οι ακτίνες Χ, τα κύματα φωτός στο ορατό φάσμα και τα βαρυτικά κύματα μπορούν να ταξιδέψουν με τέτοιες ταχύτητες.

Υπάρχει ξεκάθαρη άποψη μεταξύ των επιστημόνων ότι τα σωματίδια με μάζα μπορούν να πάρουν ταχύτητα όσο το δυνατόν πιο κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αλλά δεν είναι σε θέση να επιτύχουν και να υπερβούν τον δείκτη. Η υψηλότερη ταχύτητα, κοντά στην ταχύτητα του φωτός, καταγράφηκε κατά τη μελέτη των κοσμικών ακτίνων και κατά την επιτάχυνση ορισμένων σωματιδίων σε επιταχυντές.

Η ταχύτητα του φωτός σε οποιοδήποτε μέσο εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης αυτού του μέσου.

Αυτός ο δείκτης μπορεί να είναι διαφορετικός για διαφορετικές συχνότητες. Η ακριβής μέτρηση της ποσότητας είναι σημαντική για τον υπολογισμό άλλων φυσικών παραμέτρων. Για παράδειγμα, για τον προσδιορισμό της απόστασης κατά τη διέλευση φωτεινών ή ραδιοφωνικών σημάτων σε οπτική εμβέλεια, ραντάρ, φωτεινή εμβέλεια και άλλες περιοχές.

Οι σύγχρονοι επιστήμονες χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους για να προσδιορίσουν την ταχύτητα του φωτός. Ορισμένοι ειδικοί χρησιμοποιούν αστρονομικές μεθόδους, καθώς και μεθόδους μέτρησης που χρησιμοποιούν πειραματική τεχνολογία. Η βελτιωμένη μέθοδος Fizeau χρησιμοποιείται πολύ συχνά. Σε αυτή την περίπτωση, ο γρανάζι αντικαθίσταται με διαμορφωτή φωτός, ο οποίος εξασθενεί ή διακόπτει τη δέσμη φωτός. Ο δέκτης εδώ είναι ένας φωτοηλεκτρικός πολλαπλασιαστής ή φωτοκύτταρο. Η πηγή φωτός μπορεί να είναι ένα λέιζερ, το οποίο βοηθά στη μείωση του σφάλματος μέτρησης. Προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτόςΣύμφωνα με το χρόνο διέλευσης της βάσης, μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας άμεσες ή έμμεσες μεθόδους, οι οποίες επίσης επιτρέπουν σε κάποιον να αποκτήσει ακριβή αποτελέσματα.

Ποιοι τύποι χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ταχύτητας του φωτός;

1. Η ταχύτητα διάδοσης του φωτός στο κενό είναι απόλυτη τιμή. Οι φυσικοί το δηλώνουν με το γράμμα «γ». Αυτή είναι μια θεμελιώδης και σταθερή αξία που δεν εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος αναφοράς και χαρακτηρίζει το χρόνο και τον χώρο στο σύνολό του. Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι αυτή η ταχύτητα είναι η μέγιστη ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων.

   Φόρμουλα ταχύτητας ελαφρούστο κενό:

   s = 3 * 10^8 = 299792458 m/s

   εδώ το c είναι ένας δείκτης της ταχύτητας του φωτός στο κενό.

2. Οι επιστήμονες το έχουν αποδείξει ταχύτητα φωτός στον αέρασχεδόν συμπίπτει με την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

Από τα σχολικά μας χρόνια, γνωρίζαμε ότι η ταχύτητα του φωτός, σύμφωνα με τους νόμους του Αϊνστάιν, είναι ένα ανυπέρβλητο μέγιστο στο Σύμπαν. Το φως διανύει την απόσταση από τον Ήλιο στη Γη σε 8 λεπτά, που είναι περίπου 150.000.000 km. Χρειάζονται μόνο 6 ώρες για να φτάσουν στον Ποσειδώνα, αλλά τα διαστημικά σκάφη χρειάζονται δεκαετίες για να καλύψουν τέτοιες αποστάσεις. Αλλά δεν γνωρίζουν όλοι ότι η τιμή της ταχύτητας μπορεί να κυμαίνεται σημαντικά ανάλογα με το μέσο από το οποίο περνά το φως.

Φόρμουλα ταχύτητας ελαφρού

Γνωρίζοντας την ταχύτητα του φωτός στο κενό (c ≈ 3*10 8 m/s), μπορούμε να την προσδιορίσουμε σε άλλα μέσα με βάση τον δείκτη διάθλασής τους n. Ο τύπος για την ίδια την ταχύτητα του φωτός μοιάζει με τους νόμους της μηχανικής από τη φυσική, ή μάλλον, τον προσδιορισμό της απόστασης χρησιμοποιώντας το χρόνο και την ταχύτητα ενός αντικειμένου.

Για παράδειγμα, παίρνουμε γυαλί του οποίου ο δείκτης διάθλασης είναι 1,5. Χρησιμοποιώντας τον τύπο για την ταχύτητα του φωτός v = c \ n βρίσκουμε ότι η ταχύτητα σε αυτό το μέσο είναι περίπου 200.000 km/s. Αν πάρουμε ένα υγρό όπως το νερό, τότε η ταχύτητα διάδοσης των φωτονίων (σωματιδίων φωτός) σε αυτό είναι ίση με 226.000 km/s με δείκτη διάθλασης 1,33.

Φόρμουλα για την ταχύτητα του φωτός στον αέρα

Ο αέρας είναι επίσης ένα μέσο. Κατά συνέπεια, έχει το λεγόμενο Αν στο κενό τα φωτόνια δεν συναντούν εμπόδια στην πορεία τους, τότε στο μέσο περνούν λίγο χρόνο διεγείροντας ατομικά σωματίδια. Όσο πιο πυκνό είναι το περιβάλλον, τόσο περισσότερος χρόνος χρειάζεται για να εμφανιστεί αυτός ο ενθουσιασμός. Ο δείκτης διάθλασης (n) στον αέρα είναι 1.000292. Και αυτό δεν ξεφεύγει πολύ από το όριο των 299.792.458 m/s.

Αμερικανοί επιστήμονες κατάφεραν να επιβραδύνουν την ταχύτητα του φωτός σχεδόν στο μηδέν. Περισσότερα από 1/299.792.458 δευτ. το φως δεν μπορεί να υπερνικήσει την ταχύτητα. Το θέμα είναι ότι το φως είναι το ίδιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα με τις ακτίνες Χ, τα ραδιοκύματα ή τη θερμότητα. Η μόνη διαφορά είναι η διαφορά μεταξύ μήκους κύματος και συχνότητας.

Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι το φωτόνιο δεν έχει μάζα, και αυτό δείχνει την απουσία χρόνου για αυτό το σωματίδιο. Με απλά λόγια, για ένα φωτόνιο που γεννήθηκε πριν από πολλά εκατομμύρια, ή και δισεκατομμύρια χρόνια, δεν έχει περάσει ούτε ένα δευτερόλεπτο.

Αναπαράσταση καλλιτέχνη ενός διαστημόπλοιου που κάνει το άλμα στην «ταχύτητα του φωτός». Πίστωση: NASA/Ερευνητικό Κέντρο Glenn.

Από την αρχαιότητα, οι φιλόσοφοι και οι επιστήμονες προσπαθούσαν να κατανοήσουν το φως. Εκτός από την προσπάθεια να προσδιορίσουν τις βασικές του ιδιότητες (δηλαδή αν είναι σωματίδιο ή κύμα κ.λπ.), προσπάθησαν επίσης να κάνουν πεπερασμένες μετρήσεις για το πόσο γρήγορα κινείται. Από τα τέλη του 17ου αιώνα, οι επιστήμονες κάνουν ακριβώς αυτό και με αυξανόμενη ακρίβεια.

Με αυτόν τον τρόπο, απέκτησαν καλύτερη κατανόηση της μηχανικής του φωτός και του πώς παίζει σημαντικό ρόλο στη φυσική, την αστρονομία και την κοσμολογία. Με απλά λόγια, το φως ταξιδεύει με απίστευτες ταχύτητες και είναι το πιο γρήγορα κινούμενο αντικείμενο στο σύμπαν. Η ταχύτητά του είναι ένα σταθερό και αδιαπέραστο φράγμα και χρησιμοποιείται ως μέτρο απόστασης. Αλλά πόσο γρήγορα κινείται;

Ταχύτητα φωτός (ες):

Το φως κινείται με σταθερή ταχύτητα 1.079.252.848,8 km/h (1,07 δισεκατομμύρια). Το οποίο αποδεικνύεται ότι είναι 299.792.458 m/s. Ας βάλουμε τα πάντα στη θέση τους. Αν μπορούσατε να ταξιδέψετε με την ταχύτητα του φωτός, θα μπορούσατε να κάνετε κύκλους γύρω από την υδρόγειο περίπου επτάμισι φορές το δευτερόλεπτο. Εν τω μεταξύ, θα χρειαζόταν ένα άτομο που πετάει με μέση ταχύτητα 800 km/h περισσότερες από 50 ώρες για να κάνει τον περίπλου του πλανήτη.

Μια απεικόνιση που δείχνει την απόσταση που διανύει το φως μεταξύ της Γης και του Ήλιου. Πίστωση: LucasVB/Δημόσιος Τομέας.

Ας το δούμε αυτό από αστρονομική άποψη, η μέση απόσταση από έως 384.398,25 km. Επομένως, το φως διανύει αυτήν την απόσταση σε περίπου ένα δευτερόλεπτο. Εν τω μεταξύ, ο μέσος όρος είναι 149.597.886 χλμ., πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζονται μόνο περίπου 8 λεπτά για να πραγματοποιήσει το φως αυτό το ταξίδι.

Δεν είναι λοιπόν περίεργο γιατί η ταχύτητα του φωτός είναι η μέτρηση που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των αστρονομικών αποστάσεων. Όταν λέμε ότι ένα αστέρι όπως το , είναι 4,25 έτη φωτός μακριά, εννοούμε ότι το να ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα 1,07 δισεκατομμυρίων km/h θα χρειαζόταν περίπου 4 χρόνια και 3 μήνες για να φτάσει εκεί. Πώς φτάσαμε όμως σε αυτή την πολύ συγκεκριμένη τιμή για την ταχύτητα του φωτός;

Ιστορικό σπουδών:

Μέχρι τον 17ο αιώνα, οι επιστήμονες ήταν βέβαιοι ότι το φως ταξίδευε με πεπερασμένη ταχύτητα ή ακαριαία. Από την εποχή των αρχαίων Ελλήνων έως τους μεσαιωνικούς Ισλαμικούς θεολόγους και τους σύγχρονους μελετητές, υπήρξε συζήτηση. Αλλά μέχρι που εμφανίστηκε το έργο του Δανού αστρονόμου Ole Roemer (1644-1710), στο οποίο πραγματοποιήθηκαν οι πρώτες ποσοτικές μετρήσεις.

Το 1676, ο Römer παρατήρησε ότι οι περίοδοι του πιο εσώτερου φεγγαριού του Δία Io εμφανίζονταν μικρότερες όταν η Γη πλησίαζε προς τον Δία από ό,τι όταν απομακρυνόταν. Από αυτό κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το φως ταξιδεύει με πεπερασμένη ταχύτητα και υπολογίζεται ότι χρειάζονται περίπου 22 λεπτά για να διασχίσει τη διάμετρο της τροχιάς της Γης.

Ο καθηγητής Άλμπερτ Αϊνστάιν στην 11η Διάλεξη του Josiah Willard Gibbs στο Carnegie Institute of Technology στις 28 Δεκεμβρίου 1934, όπου εξηγεί τη θεωρία του ότι η ύλη και η ενέργεια είναι το ίδιο πράγμα σε διαφορετικές μορφές. Πηγή: AP Photo

Ο Christiaan Huygens χρησιμοποίησε αυτή την εκτίμηση και τη συνδύασε με μια εκτίμηση της διαμέτρου της τροχιάς της Γης για να φτάσει σε εκτίμηση 220.000 km/s. Ο Ισαάκ Νεύτων ανέφερε επίσης τους υπολογισμούς του Roemer στο θεμελιώδες έργο του 1706 Optics. Προσαρμόζοντας την απόσταση μεταξύ της Γης και του Ήλιου, υπολόγισε ότι το φως θα χρειαζόταν επτά ή οκτώ λεπτά για να ταξιδέψει από το ένα στο άλλο. Και στις δύο περιπτώσεις υπήρξε ένα σχετικά μικρό σφάλμα.

Μεταγενέστερες μετρήσεις από τους Γάλλους φυσικούς Hippolyte Fizeau (1819-1896) και Léon Foucault (1819-1868) βελτίωσαν αυτά τα στοιχεία, οδηγώντας σε μια τιμή 315.000 km/s. Και από το δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν τη σύνδεση μεταξύ φωτός και ηλεκτρομαγνητισμού.

Αυτό το πέτυχαν οι φυσικοί μετρώντας ηλεκτρομαγνητικά και ηλεκτροστατικά φορτία. Στη συνέχεια ανακάλυψαν ότι η αριθμητική τιμή ήταν πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός (όπως μετρήθηκε από τον Fizeau). Με βάση τη δική του εργασία, η οποία έδειξε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται στον κενό χώρο, ο Γερμανός φυσικός Wilhelm Eduard Weber πρότεινε ότι το φως ήταν ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

Η επόμενη μεγάλη ανακάλυψη ήρθε στις αρχές του 20ου αιώνα. Στην εργασία του με τίτλο «On the Electrodynamics of Moving Bodies», ο Albert Einstein δηλώνει ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, που μετράται από έναν παρατηρητή που έχει σταθερή ταχύτητα, είναι ίδια σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς και είναι ανεξάρτητη από την κίνηση του πηγή ή τον παρατηρητή.

Μια ακτίνα λέιζερ που λάμπει μέσα από ένα ποτήρι νερό δείχνει πόσες αλλαγές υφίσταται καθώς περνά από αέρα σε ποτήρι σε νερό και πίσω στον αέρα. Πίστωση: Bob King.

Χρησιμοποιώντας αυτή τη δήλωση και ως βάση την αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου, ο Αϊνστάιν εξήγαγε την ειδική θεωρία της σχετικότητας, στην οποία η ταχύτητα του φωτός στο κενό (c) είναι μια θεμελιώδης σταθερά. Πριν από αυτό, η συμφωνία μεταξύ των επιστημόνων ήταν ότι ο χώρος ήταν γεμάτος με έναν «φωτεινό αιθέρα», ο οποίος ήταν υπεύθυνος για τη διάδοσή του - δηλ. το φως που κινείται μέσα από ένα κινούμενο μέσο θα ακολουθήσει στην ουρά του μέσου.

Αυτό με τη σειρά του σημαίνει ότι η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός θα είναι το απλό άθροισμα της ταχύτητάς του μέσω ενός μέσου συν την ταχύτητα αυτού του μέσου. Ωστόσο, η θεωρία του Αϊνστάιν κατέστησε άχρηστη την έννοια του ακίνητου αιθέρα και άλλαξε την έννοια του χώρου και του χρόνου.

Όχι μόνο προώθησε την ιδέα ότι η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια σε όλα τα αδρανειακά πλαίσια, αλλά πρότεινε επίσης ότι συμβαίνουν σημαντικές αλλαγές όταν τα πράγματα κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αυτά περιλαμβάνουν το χωροχρονικό πλαίσιο ενός κινούμενου σώματος που φαίνεται να επιβραδύνεται και την κατεύθυνση της κίνησης όταν η μέτρηση είναι από την οπτική γωνία του παρατηρητή (δηλαδή, σχετικιστική χρονική διαστολή, όπου ο χρόνος επιβραδύνεται καθώς πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός) .

Οι παρατηρήσεις του συμφωνούν επίσης με τις εξισώσεις του Maxwell για τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό με τους νόμους της μηχανικής, απλοποιούν τους μαθηματικούς υπολογισμούς αποφεύγοντας τα άσχετα επιχειρήματα άλλων επιστημόνων και συνάδουν με την άμεση παρατήρηση της ταχύτητας του φωτός.

Πόσο μοιάζουν η ύλη και η ενέργεια;

Στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα, οι ολοένα και πιο ακριβείς μετρήσεις που χρησιμοποιούν συμβολόμετρα λέιζερ και κοιλότητες συντονισμού βελτίωσαν περαιτέρω τις εκτιμήσεις της ταχύτητας του φωτός. Μέχρι το 1972, μια ομάδα στο Εθνικό Γραφείο Προτύπων των ΗΠΑ στο Boulder του Κολοράντο, χρησιμοποίησε συμβολομετρία λέιζερ για να φτάσει στην αποδεκτή τιμή των 299.792.458 m/s.

Ρόλος στη σύγχρονη αστροφυσική:

Η θεωρία του Αϊνστάιν ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό δεν εξαρτάται από την κίνηση της πηγής και το αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς του παρατηρητή έχει επιβεβαιωθεί από τότε σταθερά από πολλά πειράματα. Θέτει επίσης ένα ανώτατο όριο στην ταχύτητα με την οποία όλα τα σωματίδια χωρίς μάζα και τα κύματα (συμπεριλαμβανομένου του φωτός) μπορούν να ταξιδέψουν στο κενό.

Ένα αποτέλεσμα αυτού είναι ότι οι κοσμολογίες βλέπουν τώρα τον χώρο και τον χρόνο ως μια ενιαία δομή γνωστή ως χωροχρόνος, στην οποία η ταχύτητα του φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της τιμής και των δύο (δηλ. έτη φωτός, λεπτά φωτός και δευτερόλεπτα φωτός). Η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός μπορεί επίσης να είναι ένας σημαντικός παράγοντας για τον προσδιορισμό της επιτάχυνσης της διαστολής του Σύμπαντος.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1920, με τις παρατηρήσεις του Lemaître και του Hubble, οι επιστήμονες και οι αστρονόμοι συνειδητοποίησαν ότι το Σύμπαν διαστέλλεται από το σημείο προέλευσής του. Το Hubble παρατήρησε επίσης ότι όσο πιο μακριά βρίσκεται ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα κινείται. Αυτό που τώρα ονομάζεται σταθερά Hubble είναι η ταχύτητα με την οποία διαστέλλεται το Σύμπαν, είναι ίση με 68 km/s ανά megaparsec.

Πόσο γρήγορα διαστέλλεται το Σύμπαν;

Αυτό το φαινόμενο, που παρουσιάζεται ως θεωρία, σημαίνει ότι ορισμένοι γαλαξίες μπορεί στην πραγματικότητα να κινούνται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, γεγονός που θα μπορούσε να θέσει ένα όριο σε αυτό που παρατηρούμε στο σύμπαν μας. Ουσιαστικά, οι γαλαξίες που ταξιδεύουν ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός θα διέσχιζαν τον «κοσμολογικό ορίζοντα γεγονότων» όπου δεν είναι πλέον ορατοί σε εμάς.

Επιπλέον, μέχρι τη δεκαετία του 1990, οι μετρήσεις της μετατόπισης στο κόκκινο των μακρινών γαλαξιών έδειξαν ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται τα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό οδήγησε στη θεωρία της «Σκοτεινής Ενέργειας», όπου μια αόρατη δύναμη οδηγεί τη διαστολή του ίδιου του χώρου, αντί των αντικειμένων που κινούνται μέσα από αυτόν (χωρίς να τίθεται όριο στην ταχύτητα του φωτός ή να σπάει τη σχετικότητα).

Μαζί με την ειδική και τη γενική σχετικότητα, η σύγχρονη τιμή για την ταχύτητα του φωτός στο κενό έχει εξελιχθεί από την κοσμολογία, την κβαντομηχανική και το Καθιερωμένο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Παραμένει σταθερό όταν πρόκειται για το ανώτερο όριο στο οποίο μπορούν να κινηθούν τα σωματίδια χωρίς μάζα και παραμένει ένα ανέφικτο φράγμα για τα σωματίδια με μάζα.

Μάλλον κάποια μέρα θα βρούμε τρόπο να υπερβούμε την ταχύτητα του φωτός. Αν και δεν έχουμε πρακτικές ιδέες για το πώς μπορεί να συμβεί αυτό, φαίνεται ότι το «έξυπνο χρήμα» στην τεχνολογία θα μας επιτρέψει να παρακάμψουμε τους νόμους του χωροχρόνου, είτε δημιουργώντας φυσαλίδες στημονιού (γνωστός και ως Alcubierre warp drive) είτε περνώντας σήραγγα μέσω αυτού (γνωστός και ως. σκουληκότρυπες).

Τι είναι οι σκουληκότρυπες;

Μέχρι τότε, θα πρέπει απλώς να είμαστε ικανοποιημένοι με το Σύμπαν που βλέπουμε και να επιμείνουμε στην εξερεύνηση του τμήματος που μπορεί να φτάσει κανείς χρησιμοποιώντας συμβατικές μεθόδους.

Ο τίτλος του άρθρου που διαβάσατε «Πόση είναι η ταχύτητα του φωτός;».