Mikä on valon nopeus? Miksi valon nopeus on vakio sormillasi™

> valon nopeus

Ota selvää mikä valonnopeus tyhjiössä on fysiikan perusvakio. Lue mikä on valon etenemisnopeus m/s, laki, mittakaava.

Valon nopeus tyhjiössä– yksi fysiikan perusvakioista.

Oppimistavoite

• Vertaa valon nopeutta väliaineen taitekertoimeen.

Pääasiat

• Suurin mahdollinen valonnopeuden indikaattori on valo tyhjiössä (ennallaan).
• C on valon nopeuden symboli tyhjiössä. Saavuttaa 299 792 458 m/s.
• Kun valo pääsee väliaineeseen, sen nopeus hidastuu taittumisen vuoksi. Laskettu kaavalla v = c/n.

Ehdot

• Valon erityinen nopeus: suhteellisuusperiaatteen ja valonnopeuden pysyvyyden yhteensovittaminen.
• Taitekerroin on valon nopeuden suhde ilmassa/tyhjiössä toiseen väliaineeseen.

Valon nopeus

Valon nopeus toimii vertailukohtana määrittelemään jotain erittäin nopeaksi. Mutta mikä se on?

Valosäde liikkuu maasta kuuhun valopulssin kulumiseen vaaditussa ajassa - 1,255 s keskimääräisellä kiertoradalla

Vastaus on yksinkertainen: puhumme fotonien ja valohiukkasten nopeudesta. Mikä on valon nopeus? Valon nopeus tyhjiössä saavuttaa 299 792 458 m/s. Tämä on universaali vakio, jota voidaan soveltaa fysiikan eri aloilla.

Otetaan yhtälö E = mc 2 (E on energia ja m on massa). Se on massaenergian ekvivalentti, joka käyttää valon nopeutta tilan ja ajan sitomiseen. Täältä löydät paitsi selityksen energialle myös tunnistaa nopeuden esteitä.

Valon aallonnopeutta tyhjiössä käytetään aktiivisesti eri tarkoituksiin. Esimerkiksi erityinen suhteellisuusteoria väittää, että tämä on luonnollinen nopeusrajoitus. Mutta tiedämme, että nopeus riippuu väliaineesta ja taituksesta:

v = c/n (v on väliaineen läpi kulkevan valon todellinen nopeus, c on valon nopeus tyhjiössä ja n on taitekerroin). Ilman taitekerroin on 1,0003 ja näkyvän valon nopeus on 90 km/s hitaampi kuin sekuntia.

Lorentzin kerroin

Nopeasti liikkuvilla esineillä on tiettyjä ominaisuuksia, jotka ovat ristiriidassa klassisen mekaniikan kannan kanssa. Esimerkiksi pitkät kontaktit ja aika laajenevat. Yleensä nämä vaikutukset ovat minimaalisia, mutta näkyvät paremmin näin suurilla nopeuksilla. Lorentzin kerroin (γ) on tekijä, jossa aikalaajeneminen ja pituuden supistuminen tapahtuvat:

y = (1 - v 2/c 2) -1/2 y = (1 - v 2/c 2) -1/2 y = (1 - v 2/c 2) -1/2.

Pienillä nopeuksilla v 2 /c 2 lähestyy arvoa 0 ja γ suunnilleen = 1. Kuitenkin, kun nopeus lähestyy arvoa c, γ kasvaa äärettömään.

epigrafi
Opettaja kysyy: Lapset, mikä on nopein asia maailmassa?
Tanechka sanoo: Nopein sana. Sanoin vain, ettet tule takaisin.
Vanechka sanoo: Ei, valo on nopein.
Heti kun painoin kytkintä, huone muuttui heti valoisaksi.
Ja Vovochka vastustaa: Maailman nopein asia on ripuli.
Olin kerran niin kärsimätön, etten sanonut sanaakaan
Minulla ei ollut aikaa sanoa mitään tai sytyttää valoa.

Oletko koskaan miettinyt, miksi valon nopeus on suurin, rajallinen ja vakio universumissamme? Tämä on erittäin mielenkiintoinen kysymys, ja heti spoilerina paljastan siihen vastauksen kauhean salaisuuden - kukaan ei tiedä tarkalleen miksi. Valon nopeus otetaan, ts. henkisesti hyväksytty vakiolle ja tälle postulaatille, samoin kuin ajatukselle, että kaikki inertiaaliset viitekehykset ovat tasa-arvoisia, Albert Einstein rakensi erityisen suhteellisuusteoriansa, joka on raivonnut tutkijoita sata vuotta ja salli Einsteinin pitää kielensä. ulos maailmalle rankaisematta ja virnistää haudassaan sian mittojen yli, jonka hän istutti koko ihmiskunnan päälle.

Mutta miksi se itse asiassa on niin vakio, niin maksimaalinen ja niin lopullinen, siihen ei ole vastausta, tämä on vain aksiooma, ts. uskoon otettu lausunto, joka on vahvistettu havainnoilla ja terveellä järjellä, mutta ei loogisesti tai matemaattisesti pääteltävissä mistään. Ja on melko todennäköistä, että se ei ole niin totta, mutta kukaan ei ole vielä kyennyt kumoamaan sitä millään kokemuksella.

Minulla on tästä asiasta omia ajatuksiani, niistä lisää myöhemmin, mutta toistaiseksi, pidetään se yksinkertaisena, sormissasi™ Yritän vastata ainakin yhteen osaan - mitä valonnopeus tarkoittaa "vakio".

Ei, en kyllästy teitä ajatuskokeiluilla siitä, mitä tapahtuisi, jos laittaisitte ajovalot päälle valonnopeudella lentävässä raketissa jne., se on nyt vähän ohi aiheen.

Jos katsot hakuteosta tai Wikipediasta, valon nopeus tyhjiössä määritellään fyysiseksi perusvakioksi, joka tarkalleen yhtä suuri kuin 299 792 458 m/s. No, se on karkeasti sanottuna noin 300 000 km/s, mutta jos juuri oikein- 299 792 458 metriä sekunnissa.

Näyttäisi siltä, ​​mistä tällainen tarkkuus tulee? Mikä tahansa matemaattinen tai fysikaalinen vakio, mikä tahansa, jopa Pi, jopa luonnollisen logaritmin kanta e, jopa gravitaatiovakio G tai Planckin vakio h, sisältävät aina jonkin verran numerot desimaalipilkun jälkeen. Pi:ssä tunnetaan tällä hetkellä noin 5 biljoonaa näistä desimaaleista (vaikka vain ensimmäisillä 39 numerolla on fyysinen merkitys), gravitaatiovakio määritellään nykyään G ~ 6,67384(80)x10 -11 ja vakio Plank h~ 6,62606957(29)x10 -34 .

Valon nopeus tyhjiössä on sileä 299 792 458 m/s, ei senttiä enempää, ei nanosekuntiakaan vähemmän. Haluatko tietää, mistä tämä tarkkuus tulee?

Kaikki alkoi muinaisten kreikkalaisten tapaan. Tiede sinänsä, sanan nykyisessä merkityksessä, ei ollut olemassa heidän joukossaan. Muinaisen Kreikan filosofeja kutsuttiin filosofeiksi, koska he ensin keksivät jotain paskaa päässään, ja sitten he yrittivät loogisten johtopäätösten (ja joskus todellisten fyysisten kokeiden) avulla todistaa tai kumota sen. Tosielämän fyysisten mittausten ja ilmiöiden käyttöä he pitivät kuitenkin "toisen luokan" todisteena, jota ei voi verrata suoraan päästä saatuihin ensiluokkaisiin loogisiin johtopäätöksiin.

Ensimmäisenä valon oman nopeuden olemassaoloa ajattelevana pidetään filosofia Empidoklesta, joka totesi, että valo on liikettä ja liikkeellä täytyy olla nopeutta. Häntä vastusti Aristoteles, joka väitti, että valo on yksinkertaisesti jonkun läsnäolo luonnossa, ja siinä kaikki. Eikä mikään liiku missään. Mutta se on jotain muuta! Eukleides ja Ptolemaios uskoivat yleisesti, että valo säteilee silmistämme ja putoaa sitten esineiden päälle, ja siksi me näemme ne. Lyhyesti sanottuna muinaiset kreikkalaiset olivat niin tyhmiä kuin voivat, kunnes samat muinaiset roomalaiset valloittivat heidät.

Keskiajalla useimmat tutkijat uskoivat edelleen, että valon etenemisnopeus on ääretön, heidän joukossaan olivat esimerkiksi Descartes, Kepler ja Fermat.

Mutta jotkut, kuten Galileo, uskoivat, että valolla oli nopeutta ja siksi sitä voitiin mitata. Galileon kokeilu, joka sytytti lampun ja antoi valoa useiden kilometrien päässä Galileosta sijaitsevalle avustajalle, on laajalti tunnettu. Nähtyään valon avustaja sytytti lamppunsa, ja Galileo yritti mitata viivettä näiden hetkien välillä. Hän ei luonnollisesti onnistunut, ja lopulta hänen oli pakko kirjoittaa kirjoituksiinsa, että jos valolla on nopeus, niin se on äärimmäisen suuri, eikä sitä voida mitata ihmisen ponnisteluilla, ja siksi sitä voidaan pitää äärettömänä.

Ensimmäinen dokumentoitu valonnopeuden mittaus on tanskalaisen tähtitieteilijän Olaf Roemerin ansiota vuonna 1676. Tänä vuonna tähtitieteilijät, jotka olivat aseistautuneet saman Galileon kaukoputkella, tarkkailivat aktiivisesti Jupiterin satelliitteja ja jopa laskivat niiden pyörimisjaksoja. Tutkijat ovat määrittäneet, että Jupiteria lähinnä olevan kuun, Ion, kiertoaika on noin 42 tuntia. Roemer kuitenkin huomasi, että joskus Io ilmestyy Jupiterin takaa 11 minuuttia odotettua aikaisemmin ja joskus 11 minuuttia myöhemmin. Kuten kävi ilmi, Io ilmestyy aikaisemmin niillä jaksoilla, jolloin Auringon ympäri kiertävä Maa lähestyy Jupiteria vähimmäisetäisyydellä ja on 11 minuuttia jäljessä, kun Maa on kiertoradan vastakkaisessa paikassa ja on siksi kauempana Jupiter.

Jakamalla tyhmästi maan kiertoradan halkaisijan (ja se oli jo enemmän tai vähemmän tiedossa noina aikoina) 22 minuutilla, Roemer sai valon nopeudeksi 220 000 km/s, mikä jätti todellisen arvon noin kolmanneksella.

Vuonna 1729 englantilainen tähtitieteilijä James Bradley tarkkaili parallaksi(pienellä sijainnin poikkeamalla) tähti Etamin (Gamma Draconis) havaitsi vaikutuksen valon poikkeavuuksia, eli muutos meitä lähimpien tähtien sijainnissa taivaalla, joka johtuu Maan liikkeestä Auringon ympäri.

Bradleyn löytämän valopoikkeaman vaikutuksesta voidaan myös päätellä, että valolla on rajallinen etenemisnopeus, johon Bradley tarttui laskemalla sen olevan noin 301 000 km/s, mikä on jo 1 %:n tarkkuudella. arvo, joka tunnetaan nykyään.

Tätä seurasivat kaikki muiden tutkijoiden suorittamat selventävät mittaukset, mutta koska uskottiin, että valo on aalto, eikä aalto voi levitä itsestään, jotain on "kiihdytettävä", ajatus aallon olemassaolosta. luminiferous eetteri” syntyi, jonka löytö amerikkalainen epäonnistui surkeasti fyysikko Albert Michelson. Hän ei löytänyt valoa sisältävää eetteriä, mutta vuonna 1879 hän selkeytti valon nopeuden 299 910 ± 50 km/s.

Samoihin aikoihin Maxwell julkaisi teoriansa sähkömagnetismista, mikä tarkoittaa, että valon nopeutta tuli mahdolliseksi paitsi suoraan mitata, myös johtaa sähköisen ja magneettisen permeabiliteetin arvoista, mikä tehtiin selventämällä valon nopeutta. Valon nopeus 299 788 km/s vuonna 1907.

Lopuksi Einstein julisti, että valon nopeus tyhjiössä on vakio eikä se riipu mistään. Päinvastoin, kaikki muu - nopeuksien lisääminen ja oikeiden referenssijärjestelmien löytäminen, aikalaajenemisen ja etäisyyksien muutosten vaikutukset suurilla nopeuksilla liikkuessa ja monet muut suhteelliset vaikutukset riippuvat valon nopeudesta (koska se sisältyy kaikkiin kaavoihin kuin vakio). Lyhyesti sanottuna, kaikki maailmassa on suhteellista, ja valon nopeus on määrä, jonka suhteen kaikki muut asiat maailmassamme ovat suhteellisia. Tässä meidän pitäisi ehkä antaa kämmen Lorentzille, mutta älkäämme olko kaupallisia, Einstein on Einstein.

Tämän vakion arvon tarkka määrittäminen jatkui koko 1900-luvun, ja vuosikymmenen välein tiedemiehet löysivät yhä enemmän numerot desimaalipilkun jälkeen valonnopeudella, kunnes heidän päässään alkoi nousta epämääräisiä epäilyksiä.

Määrittäessään yhä tarkemmin, kuinka monta metriä valo kulkee tyhjiössä sekunnissa, tutkijat alkoivat ihmetellä, mitä me mittaamme metreinä? Loppujen lopuksi metri on vain platina-iridium-sauvan pituus, jonka joku unohti johonkin Pariisin museoon!

Ja aluksi ajatus vakiomittarin käyttöönotosta vaikutti hienolta. Jotta ranskalaiset eivät kärsisi jaardeista, jaloista ja muista vinoista syistä, vuonna 1791 ranskalaiset päättivät ottaa vakiopituudeksi kymmenen miljoonasosan etäisyydestä pohjoisnavalta päiväntasaajaan Pariisin läpi kulkevaa pituuspiiriä pitkin. He mittasivat tämän etäisyyden tuolloin saatavilla olevalla tarkkuudella, valettiin tikku platina-iridium-seoksesta (tarkemmin sanottuna ensin messingistä, sitten platinasta ja sitten platina-iridiumista) ja asetettiin se tähän pariisilaiseen paino- ja mittakammioon. näyte. Mitä pidemmälle mennään, sitä enemmän käy ilmi, että maan pinta muuttuu, mantereet muuttavat muotoaan, meridiaanit siirtyvät ja he ovat unohtaneet kymmenen miljoonan osan ja alkaneet laskea kepin pituutta metriksi. joka on pariisilaisen "mausoleumin" kristalliarkussa.

Tällainen epäjumalanpalvelus ei sovi oikealle tiedemiehelle, tämä ei ole Punainen tori (!), ja vuonna 1960 päätettiin yksinkertaistaa mittarin käsite täysin ilmeiseksi määritelmäksi - mittari on täsmälleen yhtä suuri kuin 1 650 763,73 aallonpituutta, jotka lähetetään elektronit elementin Krypton-86 virittymättömän isotoopin energiatasojen 2p10 ja 5d5 välillä tyhjiössä. No, kuinka paljon selvempää?

Tätä jatkui 23 vuotta, samalla kun valon nopeutta tyhjiössä mitattiin kasvavalla tarkkuudella, kunnes vuonna 1983 vihdoin sitkeimmätkin retrogradit ymmärsivät, että valon nopeus on tarkin ja ihanteellisin vakio, ei jonkinlainen. kryptonin isotoopista. Ja kaikki päätettiin kääntää ylösalaisin (tarkemmin, jos sitä ajattelee, päätettiin kääntää kaikki takaisin ylösalaisin), nyt valon nopeus Kanssa on todellinen vakio, ja metri on matka, jonka valo kulkee tyhjiössä (1/299 792 458) sekunnissa.

Valonnopeuden todellisen arvon selvittäminen jatkuu tänään, mutta mielenkiintoista on se, että jokaisen uuden kokeen yhteydessä tutkijat eivät selvennä valonnopeutta, vaan mittarin todellista pituutta. Ja mitä tarkemmin valonnopeus havaitaan tulevina vuosikymmeninä, sitä tarkemman mittarin lopulta saamme.

Eikä päinvastoin.

No, nyt palataan lampaihimme. Miksi valon nopeus universumimme tyhjiössä on suurin, äärellinen ja vakio? Näin minä sen ymmärrän.

Kaikki tietävät, että äänen nopeus metallissa ja melkein missä tahansa kiinteässä kappaleessa on paljon suurempi kuin äänen nopeus ilmassa. Tämä on erittäin helppo tarkistaa; laita vain korvasi kiskoon, niin kuulet lähestyvän junan äänet paljon aikaisemmin kuin ilmassa. Miksi niin? On selvää, että ääni on olennaisesti sama, ja sen etenemisnopeus riippuu väliaineesta, niiden molekyylien konfiguraatiosta, joista tämä väliaine koostuu, sen tiheydestä, sen kidehilan parametreista - lyhyesti sanottuna sen välineen nykyinen tila, jonka kautta ääni välitettiin.

Ja vaikka ajatus valopitoisesta eetteristä on hylätty pitkään, tyhjiö, jonka läpi sähkömagneettiset aallot etenevät, ei ole absoluuttista mitään, vaikka se näyttää meille kuinka tyhjältä.

Ymmärrän, että analogia on hieman kaukaa haettu, mutta se on totta sormissasi™ sama! Juuri saatavilla olevana analogiana, enkä missään nimessä suorana siirtymänä yhdestä fysikaalisten lakien joukosta muihin, pyydän teitä vain kuvittelemaan, että sähkömagneettisten (ja yleensä kaikkien, mukaan lukien gluoni- ja gravitaatiovärähtelyjen) etenemisnopeus, aivan kuten teräksen äänen nopeus on "ommeltu" kiskoon. Täältä tanssitaan.

UPD: Muuten, kehotan "tähdellä merkittyjä lukijoita" kuvittelemaan, pysyykö valon nopeus vakiona "vaikeassa tyhjiössä". Esimerkiksi uskotaan, että lämpötilojen 10–30 K energioissa tyhjiö lakkaa yksinkertaisesti kiehumasta virtuaalihiukkasista ja alkaa "kiehua pois", ts. avaruuden kangas hajoaa palasiksi, Planckin suureet hämärtyvät ja menettävät fyysisen merkityksensä jne. Olisiko valon nopeus tällaisessa tyhjiössä silti yhtä suuri c, vai merkitseekö tämä uuden "relativistisen tyhjiön" teorian alkua korjauksilla, kuten Lorentzin kertoimet äärimmäisillä nopeuksilla? En tiedä, en tiedä, aika näyttää...

Valon nopeus eri medioissa vaihtelee huomattavasti. Vaikeus on, että ihmissilmä ei näe sitä koko spektrialueella. Valosäteiden alkuperä on kiinnostanut tutkijoita muinaisista ajoista lähtien. Ensimmäiset yritykset laskea valon nopeutta tehtiin jo 300 eaa. Tuolloin tutkijat päättelivät, että aalto eteni suoraviivaisesti.

Nopea vastaus

He onnistuivat kuvaamaan matemaattisilla kaavoilla valon ominaisuuksia ja sen liikeradan. tuli tunnetuksi 2 tuhatta vuotta ensimmäisen tutkimuksen jälkeen.

Mikä on valovirta?

Valosäde on sähkömagneettinen aalto yhdistettynä fotoniin. Fotoneilla tarkoitetaan yksinkertaisimpia elementtejä, joita kutsutaan myös sähkömagneettisen säteilyn kvanteiksi. Valovirta kaikissa spektreissä on näkymätöntä. Se ei liiku avaruudessa sanan perinteisessä merkityksessä. Kvanttihiukkasten sähkömagneettisen aallon tilan kuvaamiseksi otetaan käyttöön käsite optisen väliaineen taitekerroin.

Valovirta siirretään avaruudessa pienen poikkileikkauksen omaavan säteen muodossa. Avaruudessa liikkumisen menetelmä johdetaan geometrisilla menetelmillä. Tämä on suoraviivainen säde, joka eri väliaineiden rajalla alkaa taittaa muodostaen kaarevan liikeradan. Tutkijat ovat osoittaneet, että suurin nopeus syntyy tyhjiössä, muissa ympäristöissä liikkeen nopeus voi vaihdella merkittävästi. Tiedemiehet ovat kehittäneet järjestelmän, jossa valonsäde ja johdettu arvo ovat perustana tiettyjen SI-yksiköiden johtamiselle ja lukemiselle.

Muutama historiallinen tosiasia

Noin 900 vuotta sitten Avicena ehdotti, että valonnopeudella on nimellisarvosta riippumatta rajallinen arvo. Galileo Galilei yritti kokeellisesti laskea valon nopeuden. Kokeilijat yrittivät mitata kahden taskulampun avulla aikaa, jonka aikana yhdestä kohteesta tuleva valonsäde olisi näkyvissä toiselle. Mutta tällainen kokeilu osoittautui epäonnistuneeksi. Nopeus oli niin suuri, että he eivät pystyneet havaitsemaan viiveaikaa.

Galileo Galilei huomasi, että Jupiterin neljän satelliitin pimennysten välinen tauko oli 1320 sekuntia. Näiden löytöjen perusteella tanskalainen tähtitieteilijä Ole Roemer laski vuonna 1676 valonsäteen etenemisnopeudeksi 222 tuhatta km/s. Tuolloin tämä mittaus oli tarkin, mutta sitä ei voitu varmistaa maallisin standardein.

200 vuoden kuluttua Louise Fizeau pystyi laskemaan valonsäteen nopeuden kokeellisesti. Hän loi erityisen asennuksen peilillä ja vaihdemekanismilla, joka pyörii suurella nopeudella. Valovirta heijastui peilistä ja palasi takaisin 8 km:n jälkeen. Pyörän nopeuden noustessa ilmaantui hetki, jolloin vaihdemekanismi tukkisi palkin. Siten säteen nopeudeksi asetettiin 312 tuhatta kilometriä sekunnissa.

Foucault paransi tätä laitetta vähentämällä parametreja korvaamalla vaihdemekanismin litteällä peilillä. Hänen mittaustarkkuus osoittautui lähinnä nykyaikaista standardia ja oli 288 tuhatta metriä sekunnissa. Foucault yritti laskea valon nopeutta vieraassa väliaineessa käyttäen pohjana vettä. Fyysikko pystyi päättelemään, että tämä arvo ei ole vakio ja riippuu taitekyvyn ominaisuuksista tietyssä väliaineessa.

Tyhjiö on aineesta vapaa tila. Valon nopeus tyhjiössä C-järjestelmässä on merkitty latinalaisella kirjaimella C. Se on saavuttamaton. Mitään tuotetta ei voi ylikellottaa sellaiseen arvoon. Fyysikot voivat vain kuvitella, mitä esineille voi tapahtua, jos ne kiihtyvät niin paljon. Valosäteen etenemisnopeudella on vakioominaisuudet, se on:

• vakio ja lopullinen;
• saavuttamaton ja muuttumaton.

Tämän vakion tunteminen antaa meille mahdollisuuden laskea suurin nopeus, jolla esineet voivat liikkua avaruudessa. Valosäteen etenemismäärä tunnustetaan perusvakioksi. Sitä käytetään luonnehtimaan aika-avaruutta. Tämä on suurin sallittu arvo liikkuville hiukkasille. Mikä on valon nopeus tyhjiössä? Virta-arvo saatiin laboratoriomittauksilla ja matemaattisilla laskelmilla. Hän yhtä suuri kuin 299 792 458 metriä sekunnissa tarkkuudella ± 1,2 m/s. Monilla tieteenaloilla, myös kouluissa, ongelmien ratkaisemiseen käytetään likimääräisiä laskelmia. Otetaan osoitin, joka on 3 108 m/s.

Ihmisen näkyvän spektrin valoaallot ja röntgenaallot voidaan kiihdyttää valon nopeutta lähestyviin lukemiin. Ne eivät voi olla yhtä suuria kuin tämä vakio tai ylittää sen arvoa. Vakio johdettiin perustuen kosmisten säteiden käyttäytymisen seurantaan niiden kiihtymishetkellä erityisissä kiihdyttimissä. Se riippuu inertiaväliaineesta, jossa säde etenee. Vedessä valonläpäisy on 25% pienempi, ja ilmassa se riippuu lämpötilasta ja paineesta laskentahetkellä.

Kaikki laskelmat suoritettiin käyttäen suhteellisuusteoriaa ja Einsteinin johtamaa kausaalisuuden lakia. Fyysikko uskoo, että jos esineet saavuttavat nopeuden 1 079 252 848,8 kilometriä tunnissa ja ylittävät sen, maailmamme rakenteessa tapahtuu peruuttamattomia muutoksia ja järjestelmä hajoaa. Aika alkaa laskea, mikä häiritsee tapahtumien järjestystä.

Mittarin määritelmä on johdettu valonsäteen nopeudesta. Se ymmärretään alueeksi, jonka valonsäde onnistuu kulkemaan 1/299792458 sekunnissa. Tätä käsitettä ei pidä sekoittaa standardiin. Mittarin standardi on erityinen kadmiumpohjainen varjostettu tekninen laite, jonka avulla voit fyysisesti nähdä tietyn etäisyyden.

Taiteilijan esitys avaruusaluksesta, joka hyppää "valon nopeuteen". Kiitos: NASA/Glenn Research Center.

Muinaisista ajoista lähtien filosofit ja tiedemiehet ovat pyrkineet ymmärtämään valoa. Sen lisäksi, että yritettiin määrittää sen perusominaisuudet (eli onko se hiukkanen vai aalto jne.), he pyrkivät myös tekemään äärellisiä mittauksia siitä, kuinka nopeasti se liikkuu. 1600-luvun lopulta lähtien tiedemiehet ovat tehneet juuri niin ja yhä tarkkuudella.

Näin tehdessään he saivat paremman käsityksen valon mekaniikasta ja siitä, kuinka sillä on tärkeä rooli fysiikassa, tähtitiedossa ja kosmologiassa. Yksinkertaisesti sanottuna valo kulkee uskomattomilla nopeuksilla ja on universumin nopeimmin liikkuva kohde. Sen nopeus on vakio ja läpäisemätön este ja sitä käytetään etäisyyden mittana. Mutta kuinka nopeasti se liikkuu?

Valon nopeus (s):

Valo liikkuu vakionopeudella 1 079 252 848,8 km/h (1,07 miljardia). Mikä osoittautuu 299 792 458 m/s. Laitetaan kaikki paikoilleen. Jos voisit matkustaa valon nopeudella, voisit kiertää maapallon noin seitsemän ja puoli kertaa sekunnissa. Samaan aikaan keskimääräisellä 800 km/h nopeudella lentävältä ihmiseltä kestäisi yli 50 tuntia kiertää planeetta.

Kuva, joka näyttää etäisyyden, jonka valo kulkee Maan ja Auringon välillä. Luotto: LucasVB/Public Domain.

Katsotaanpa tätä tähtitieteellisestä näkökulmasta, keskimääräinen etäisyys välillä 384 398,25 km. Siksi valo kulkee tämän matkan noin sekunnissa. Samaan aikaan keskiarvo on 149 597 886 km, mikä tarkoittaa, että valo kestää vain noin 8 minuuttia.

Ei siis ihme, miksi valon nopeus on metri, jota käytetään astronomisten etäisyyksien määrittämiseen. Kun sanomme, että tähti, kuten , on 4,25 valovuoden päässä, tarkoitamme, että matkustaminen vakionopeudella 1,07 miljardia km/h kestäisi noin 4 vuotta ja 3 kuukautta päästä sinne. Mutta kuinka päädyimme tähän hyvin erityiseen valonnopeuden arvoon?

Opiskeluhistoria:

1600-luvulle asti tiedemiehet olivat varmoja siitä, että valo eteni rajallisella nopeudella tai hetkessä. Muinaisten kreikkalaisten ajoista keskiaikaisiin islamilaisiin teologeihin ja nykyajan tutkijoihin on käyty keskustelua. Mutta kunnes ilmestyi tanskalaisen tähtitieteilijän Ole Roemerin (1644-1710) työ, jossa suoritettiin ensimmäiset kvantitatiiviset mittaukset.

Vuonna 1676 Römer havaitsi, että Jupiterin sisimmän kuun Ion jaksot näyttivät lyhyemmiltä, ​​kun Maa lähestyi Jupiteria, kuin silloin, kun se oli poistumassa. Tästä hän päätteli, että valo kulkee äärellisellä nopeudella ja kestää noin 22 minuuttia ylittää maan kiertoradan halkaisija.

Professori Albert Einstein 11. Josiah Willard Gibbsin luennossa Carnegie Institute of Technologyssa 28. joulukuuta 1934, jossa hän selittää teoriansa, jonka mukaan aine ja energia ovat sama asia eri muodoissa. Luotto: AP Photo

Christiaan Huygens käytti tätä arviota ja yhdisti sen arvioon Maan kiertoradan halkaisijasta saadakseen arvion 220 000 km/s. Isaac Newton raportoi myös Roemerin laskelmista vuoden 1706 tärkeässä teoksessaan Optics. Säätämällä Maan ja Auringon välistä etäisyyttä hän laski, että valon kulkeminen yhdestä toiseen kestää seitsemän tai kahdeksan minuuttia. Molemmissa tapauksissa oli suhteellisen pieni virhe.

Myöhemmät ranskalaisten fyysikkojen Hippolyte Fizeaun (1819-1896) ja Léon Foucault'n (1819-1868) mittaukset tarkensivat näitä lukuja, mikä johti 315 000 km/s:n arvoon. Ja 1800-luvun jälkipuoliskolla tiedemiehet tulivat tietoisiksi valon ja sähkömagnetismin välisestä yhteydestä.

Fyysikot saavuttivat tämän mittaamalla sähkömagneettisia ja sähköstaattisia varauksia. Sitten he havaitsivat, että numeerinen arvo oli hyvin lähellä valon nopeutta (Fizeaun mittaamana). Saksalainen fyysikko Wilhelm Eduard Weber ehdotti, että valo on sähkömagneettinen aalto.

Seuraava suuri läpimurto tapahtui 1900-luvun alussa. Albert Einstein toteaa artikkelissaan ”Liikkuvien kappaleiden elektrodynamiikasta”, että valon nopeus tyhjiössä vakionopeuden omaavan tarkkailijan mittaamana on sama kaikissa inertiavertailujärjestelmissä ja riippumaton valon liikkeestä. lähde tai tarkkailija.

Vesilasin läpi paistava lasersäde näyttää, kuinka monta muutosta se käy läpi siirtyessään ilmasta lasiin veteen ja takaisin ilmaan. Luotto: Bob King.

Käyttämällä tätä väitettä ja Galileon suhteellisuusperiaatetta perustana Einstein johti erikoissuhteellisuusteorian, jossa valon nopeus tyhjiössä (c) on perusvakio. Ennen tätä tiedemiesten kesken oli yksimielisyys, että avaruus oli täytetty "valonpitoisella eetterillä", joka vastasi sen leviämisestä - ts. liikkuvan väliaineen läpi liikkuva valo seuraa väliaineen häntää.

Tämä puolestaan ​​tarkoittaa, että mitattu valon nopeus olisi yksinkertainen summa sen nopeudesta väliaineen läpi plus tämän väliaineen nopeus. Einsteinin teoria teki kuitenkin paikallaan pysyvän eetterin käsitteen hyödyttömäksi ja muutti tilan ja ajan käsitteen.

Se ei ainoastaan ​​edistä ajatusta siitä, että valon nopeus on sama kaikissa inertiakehyksessä, vaan se ehdotti myös, että suuria muutoksia tapahtuu, kun asiat liikkuvat lähellä valonnopeutta. Näitä ovat liikkuvan kappaleen aika-avaruuskehys, joka näyttää hidastuvan, ja liikkeen suunta, kun mittaus on tarkkailijan näkökulmasta (eli relativistinen aikadilataatio, jossa aika hidastuu lähestyessään valon nopeutta) .

Hänen havainnot ovat myös sopusoinnussa Maxwellin sähkön ja magnetismin yhtälöiden kanssa mekaniikan lakien kanssa, yksinkertaistavat matemaattisia laskelmia välttämällä muiden tutkijoiden aiheeseen liittymättömiä väitteitä ja ovat yhdenmukaisia ​​valonnopeuden suoran havainnoinnin kanssa.

Kuinka samanlaisia ​​aine ja energia ovat?

1900-luvun jälkipuoliskolla yhä tarkemmat mittaukset laserinterferometreillä ja resonanssionteloilla tarkensivat valonnopeuden arvioita entisestään. Vuoteen 1972 mennessä joukko Yhdysvaltain kansallisen standardointitoimiston Boulderissa, Coloradossa, käytti laserinterferometriaa saavuttaakseen tällä hetkellä hyväksytyn arvon 299 792 458 m/s.

Rooli modernissa astrofysiikassa:

Einsteinin teoria, jonka mukaan valon nopeus tyhjiössä ei riipu lähteen liikkeestä ja havaitsijan inertiavertailukehyksestä, on sittemmin poikkeuksetta vahvistettu monilla kokeilla. Se asettaa myös ylärajan nopeudelle, jolla kaikki massattomat hiukkaset ja aallot (mukaan lukien valo) voivat kulkea tyhjiössä.

Yksi tulos tästä on se, että kosmologiat näkevät avaruuden ja ajan nykyään yhtenä rakenteena, joka tunnetaan nimellä tila-aika, jossa valon nopeudella voidaan määrittää molempien arvo (eli valovuodet, valominuutit ja valosekunnit). Valonnopeuden mittaaminen voi myös olla tärkeä tekijä määritettäessä maailmankaikkeuden laajenemiskiihtyvyyttä.

1920-luvun alussa Lemaîtren ja Hubblen havaintojen myötä tiedemiehet ja tähtitieteilijät huomasivat, että maailmankaikkeus laajeni lähtöpisteestään. Hubble huomasi myös, että mitä kauempana galaksi on, sitä nopeammin se liikkuu. Hubble-vakioksi kutsuttu on nopeus, jolla maailmankaikkeus laajenee, se on 68 km/s megaparsekissa.

Kuinka nopeasti universumi laajenee?

Tämä teoriana esitetty ilmiö tarkoittaa, että jotkut galaksit saattavat itse asiassa liikkua valonnopeutta nopeammin, mikä saattaa rajoittaa sitä, mitä havaitsemme universumissamme. Pohjimmiltaan valonnopeutta nopeammin kulkevat galaksit ylittäisivät "kosmologisen tapahtumahorisontin", jossa ne eivät enää näy meille.

Lisäksi 1990-luvulla kaukaisten galaksien punasiirtymän mittaukset osoittivat, että maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt viimeisten muutaman miljardin vuoden aikana. Tämä johti "pimeän energian" teoriaan, jossa näkymätön voima ohjaa itse avaruuden laajenemista sen läpi liikkuvien esineiden sijaan (rajoittamatta valon nopeutta tai rikkomatta suhteellisuutta).

Erityisen ja yleisen suhteellisuusteorian ohella valonnopeuden nykyarvo tyhjiössä on kehittynyt kosmologiasta, kvanttimekaniikasta ja hiukkasfysiikan standardimallista. Se pysyy vakiona, kun on kyse ylärajasta, jolla massattomat hiukkaset voivat liikkua, ja pysyy saavuttamattomana esteenä massaisille hiukkasille.

Todennäköisesti jonain päivänä löydämme tavan ylittää valon nopeus. Vaikka meillä ei ole käytännön ideoita siitä, miten tämä voisi tapahtua, näyttää siltä, ​​​​että tekniikan "älykäs raha" antaa meille mahdollisuuden kiertää aika-avaruuden lakeja joko luomalla loimikuplia (alias Alcubierre-loimikäyttö) tai tunneloimalla sen läpi (alias. madonreiät).

Mitä ovat madonreiät?

Siihen asti meidän on yksinkertaisesti oltava tyytyväisiä näkemäänsä maailmankaikkeuteen ja tutkittava sitä osaa, joka voidaan saavuttaa perinteisin menetelmin.

Luetun artikkelin otsikko "Mikä on valon nopeus?".

Useimmilla moottoriteillä nopeusrajoitus on 90-110 kilometriä. Vaikka ulkoavaruuden tyhjiössä ei ole liikennemerkkejä, sielläkin on nopeusrajoitus - tämä on 1080000000 kilometriä tunnissa.

Suurin nopeus luonnossa

Tämä on nopein valon nopeus luonnossa. Tiedemiehet antavat yleensä valon nopeudeksi kilometreinä sekunnissa - 300 000 kilometriä sekunnissa. Valo koostuu fotoneista. He ovat niitä, jotka voivat lentää niin hullulla nopeudella.

Erikoiset hiukkaset - fotonit

Tiedemiehet kutsuvat fotoneja hiukkasiksi. Mutta nämä ovat hyvin erikoisia hiukkasia. Heillä ei ole lepomassaa, eli tavallisessa mielessä heillä ei ole painoa. On vaikea kuvitella jotain niin todellista, joka olisi puhdasta energiaa eikä sisältäisi yhtään ainejyvää. Fotonit ovat sellaista todellisuutta. vertaa fotonien maksiminopeutta nopeuksiin, joita olemme tottuneet pitämään korkeina.

Valonnopeudella lentävällä avaruusaluksella ei olisi lineaarisia mittoja ulkopuoliselle tarkkailijalle. Otetaan esimerkiksi Pioneer-raketti, joka on rakennettu lentämään aurinkokunnan ulkopuolelle. Joten aurinkokunnasta poistuessaan Pioneerin nopeus oli 60 kilometriä sekunnissa. Ei paha! Hän pystyi kattamaan etäisyyden New Yorkista San Franciscoon puolessatoista minuutissa. Mutta verrattuna fotonin nopeuteen 300 000 kilometriä sekunnissa, Pioneerin nopeus näyttää etanan vauhdilta. Tai katsotaan kuinka nopeasti aurinko liikkuu avaruudessa.

Aiheeseen liittyvät materiaalit:

Miksi tähdet loistavat?

Mutta sinä aikana, kun luet tätä lausetta, aurinko, maa ja aurinkokuntamme muut kahdeksan planeettaa ryntäävät Linnunradan ympäri karusellihevosten tavoin nopeudella 230 kilometriä sekunnissa (samaan aikaan me itse emme edes huomaa, että lenämme niin uskomattomalla nopeudella). Mutta tämä valtava nopeus on hyvin pieni verrattuna valonnopeuteen ja on noin yksi prosentti.

Valon ja esineiden nopeus

Jos kiihdyttää tavallinen esine noin valonnopeuteen, sille alkaa tapahtua poikkeuksellisia seikkailuja. Kun keho saavuttaa tällaiset nopeudet, havainnoija huomaa muutoksen kohteen lineaarisissa mitoissa ja massassa. Jopa aika alkaa muuttua. Avaruusalus, joka kulkee 90 prosentilla valon nopeudesta, pienenee kooltaan noin puoleen. Nopeuden kasvaessa se pienenee yhä enemmän, kunnes saavuttaessaan valonnopeuden se menettää täysin lineaariset mitat.