Apakah kelajuan cahaya? Mengapa kelajuan cahaya adalah tetap pada jari anda™

> Kelajuan cahaya

Ketahui yang mana kelajuan cahaya dalam vakum adalah pemalar asas dalam fizik. Baca apakah kelajuan perambatan cahaya m/s sama dengan, hukum, formula ukuran.

Kelajuan cahaya dalam vakum– salah satu pemalar asas dalam fizik.

Objektif pembelajaran

Bandingkan kelajuan cahaya dengan indeks biasan medium.

Perkara utama

Penunjuk maksimum kelajuan cahaya yang mungkin adalah cahaya dalam vakum (tidak berubah).
C ialah simbol untuk kelajuan cahaya dalam vakum. Mencapai 299,792,458 m/s.
Apabila cahaya memasuki medium, kelajuannya menjadi perlahan kerana pembiasan. Dikira menggunakan formula v = c/n.

Syarat

Kelajuan cahaya khas: menyelaraskan prinsip relativiti dan ketekalan kelajuan cahaya.
Indeks biasan ialah nisbah kelajuan cahaya dalam udara/vakum kepada medium lain.

Kelajuan cahaya

Kelajuan cahaya bertindak sebagai titik perbandingan untuk menentukan sesuatu sebagai sangat pantas. Tetapi apa itu?

Rasuk cahaya bergerak dari Bumi ke Bulan dalam tempoh masa yang diperlukan untuk laluan nadi cahaya - 1.255 s pada jarak orbit purata

Jawapannya mudah: kita bercakap tentang kelajuan foton dan zarah cahaya. Apakah kelajuan cahaya? Kelajuan cahaya dalam vakum mencapai 299,792,458 m/s. Ini adalah pemalar sejagat yang boleh digunakan dalam pelbagai bidang fizik.

Mari kita ambil persamaan E = mc 2 (E ialah tenaga dan m ialah jisim). Ia adalah setara jisim-tenaga, menggunakan kelajuan cahaya untuk mengikat ruang dan masa. Di sini anda boleh mencari bukan sahaja penjelasan untuk tenaga, tetapi juga mengenal pasti halangan untuk mempercepatkan.

Kelajuan gelombang cahaya dalam vakum digunakan secara aktif untuk pelbagai tujuan. Sebagai contoh, teori relativiti khas menyatakan bahawa ini adalah had laju semula jadi. Tetapi kita tahu bahawa kelajuan bergantung pada medium dan pembiasan:

v = c/n (v ialah kelajuan sebenar cahaya yang melalui medium, c ialah kelajuan cahaya dalam vakum dan n ialah indeks biasan). Indeks biasan udara ialah 1.0003, dan kelajuan cahaya nampak adalah 90 km/s lebih perlahan daripada s.

Pekali Lorentz

Objek yang bergerak pantas menunjukkan ciri-ciri tertentu yang bercanggah dengan kedudukan mekanik klasik. Contohnya, hubungan yang lama dan masa semakin berkembang. Biasanya kesan ini adalah minimum, tetapi lebih kelihatan pada kelajuan yang tinggi. Pekali Lorentz (γ) ialah faktor di mana pengembangan masa dan penguncupan panjang berlaku:

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

Pada kelajuan rendah v 2 /c 2 menghampiri 0, dan γ lebih kurang = 1. Walau bagaimanapun, apabila kelajuan menghampiri c, γ meningkat kepada infiniti.

epigraf
Guru bertanya: Kanak-kanak, apakah perkara terpantas di dunia?
Tanechka berkata: Perkataan terpantas. Saya cuma cakap, awak takkan balik.
Vanechka berkata: Tidak, cahaya adalah yang terpantas.
Sebaik sahaja aku menekan suis, bilik itu serta merta menjadi terang.
Dan objek Vovochka: Perkara terpantas di dunia adalah cirit-birit.
Saya pernah sangat tidak sabar sehingga saya tidak berkata apa-apa
Saya tidak sempat berkata apa-apa atau menghidupkan lampu.

Pernahkah anda terfikir mengapa kelajuan cahaya adalah maksimum, terhingga dan malar di Alam Semesta kita? Ini adalah soalan yang sangat menarik, dan dengan serta-merta, sebagai spoiler, saya akan memberikan rahsia mengerikan jawapannya - tiada siapa yang tahu dengan tepat mengapa. Kelajuan cahaya diambil, i.e. diterima secara mental untuk pemalar, dan pada postulat ini, serta pada idea bahawa semua kerangka rujukan inersia adalah sama, Albert Einstein membina teori relativiti khasnya, yang telah menjengkelkan saintis selama seratus tahun, membenarkan Einstein menjulurkan lidahnya. keluar di dunia dengan sewenang-wenangnya dan menyeringai di kuburnya atas dimensi babi yang dia tanam pada semua manusia.

Tetapi mengapa, sebenarnya, ia sangat malar, sangat maksimum dan sangat muktamad, tidak ada jawapan, ini hanya aksiom, i.e. pernyataan yang diambil atas kepercayaan, disahkan oleh pemerhatian dan akal, tetapi tidak boleh disimpulkan secara logik atau matematik dari mana-mana sahaja. Dan kemungkinan besar ia tidak begitu benar, tetapi tiada siapa yang dapat menafikannya dengan sebarang pengalaman.

Saya mempunyai pemikiran saya sendiri tentang perkara ini, lebih lanjut mengenainya kemudian, tetapi buat masa ini, mari kita permudahkan, pada jari anda™ Saya akan cuba menjawab sekurang-kurangnya satu bahagian - apakah maksud kelajuan cahaya "malar".

Tidak, saya tidak akan membosankan anda dengan eksperimen pemikiran tentang perkara yang akan berlaku jika anda menghidupkan lampu depan dalam roket yang terbang pada kelajuan cahaya, dsb., itu sedikit di luar topik sekarang.

Jika anda melihat dalam buku rujukan atau Wikipedia, kelajuan cahaya dalam vakum ditakrifkan sebagai pemalar fizikal asas yang betul-betul bersamaan dengan 299,792,458 m/s. Iaitu, secara kasarnya, ia akan menjadi kira-kira 300,000 km/s, tetapi jika sangat tepat- 299,792,458 meter sesaat.

Nampaknya, dari mana datangnya ketepatan itu? Mana-mana pemalar matematik atau fizikal, apa sahaja, walaupun Pi, walaupun asas logaritma asli e, walaupun pemalar graviti G, atau pemalar Planck h, sentiasa mengandungi beberapa nombor selepas titik perpuluhan. Dalam Pi, kira-kira 5 trilion tempat perpuluhan ini diketahui pada masa ini (walaupun hanya 39 digit pertama mempunyai apa-apa makna fizikal), pemalar graviti hari ini ditakrifkan sebagai G ~ 6.67384(80)x10 -11, dan Papan pemalar h~ 6.62606957(29)x10 -34 .

Kelajuan cahaya dalam vakum ialah licin 299,792,458 m/s, bukan satu sentimeter lebih, bukan satu nanosaat kurang. Ingin tahu dari mana datangnya ketepatan ini?

Semuanya bermula seperti biasa dengan orang Yunani kuno. Sains, oleh itu, dalam erti kata moden, tidak wujud di kalangan mereka. Ahli falsafah Yunani purba dipanggil ahli falsafah kerana mereka mula-mula mencipta beberapa omong kosong di kepala mereka, dan kemudian, menggunakan kesimpulan logik (dan kadang-kadang eksperimen fizikal sebenar), mereka cuba membuktikan atau menyangkalnya. Walau bagaimanapun, penggunaan ukuran dan fenomena fizikal kehidupan sebenar dianggap oleh mereka sebagai bukti "kelas kedua", yang tidak boleh dibandingkan dengan kesimpulan logik kelas pertama yang diperoleh secara langsung dari kepala.

Orang pertama yang berfikir tentang kewujudan kelajuan cahaya sendiri dianggap sebagai ahli falsafah Empidocles, yang menyatakan bahawa cahaya adalah pergerakan, dan pergerakan mesti mempunyai kelajuan. Dia dibantah oleh Aristotle, yang berpendapat bahawa cahaya hanyalah kehadiran sesuatu dalam alam semula jadi, dan itu sahaja. Dan tiada apa yang bergerak ke mana-mana. Tetapi itu sesuatu yang lain! Euclid dan Ptolemy umumnya percaya bahawa cahaya dipancarkan dari mata kita, dan kemudian jatuh pada objek, dan oleh itu kita melihatnya. Pendek kata, orang Yunani purba adalah sebodoh mungkin sehingga mereka ditakluki oleh orang Rom purba yang sama.

Pada Zaman Pertengahan, kebanyakan saintis terus percaya bahawa kelajuan penyebaran cahaya adalah tidak terhingga, antaranya ialah, katakan, Descartes, Kepler dan Fermat.

Tetapi sesetengah orang, seperti Galileo, percaya bahawa cahaya mempunyai kelajuan dan oleh itu boleh diukur. Percubaan Galileo, yang menyalakan lampu dan memberi cahaya kepada pembantu yang terletak beberapa kilometer dari Galileo, diketahui secara meluas. Setelah melihat cahaya, pembantu itu menyalakan lampunya, dan Galileo cuba mengukur kelewatan antara detik-detik ini. Sememangnya, dia tidak berjaya, dan akhirnya dia terpaksa menulis dalam tulisannya bahawa jika cahaya mempunyai kelajuan, maka ia sangat tinggi dan tidak boleh diukur dengan usaha manusia, dan oleh itu boleh dianggap tidak terhingga.

Pengukuran kelajuan cahaya yang pertama didokumentasikan adalah disebabkan oleh ahli astronomi Denmark Olaf Roemer pada tahun 1676. Menjelang tahun ini, ahli astronomi, bersenjatakan teleskop Galileo yang sama, sedang giat memerhatikan satelit Musytari dan juga mengira tempoh putarannya. Para saintis telah menentukan bahawa bulan paling hampir dengan Musytari, Io, mempunyai tempoh putaran kira-kira 42 jam. Walau bagaimanapun, Roemer menyedari bahawa kadangkala Io muncul dari belakang Musytari 11 minit lebih awal daripada jangkaan, dan kadangkala 11 minit kemudian. Ternyata, Io muncul lebih awal dalam tempoh tersebut apabila Bumi, berputar mengelilingi Matahari, menghampiri Musytari pada jarak minimum, dan ketinggalan 11 minit apabila Bumi berada di tempat bertentangan orbit, dan oleh itu berada lebih jauh dari Musytari.

Dengan bodoh membahagikan diameter orbit bumi (dan ia sudah lebih kurang diketahui pada zaman itu) sebanyak 22 minit, Roemer menerima kelajuan cahaya 220,000 km/s, kehilangan nilai sebenar kira-kira satu pertiga.

Pada tahun 1729, ahli astronomi Inggeris James Bradley, memerhati paralaks(dengan sedikit sisihan di lokasi) bintang Etamin (Gamma Draconis) menemui kesannya penyimpangan cahaya, iaitu perubahan kedudukan bintang yang paling hampir dengan kita di langit disebabkan oleh pergerakan Bumi mengelilingi Matahari.

Daripada kesan penyimpangan cahaya, yang ditemui oleh Bradley, ia juga boleh disimpulkan bahawa cahaya mempunyai kelajuan perambatan terhingga, yang dirampas oleh Bradley, mengira ia kira-kira 301,000 km/s, yang sudah berada dalam ketepatan 1% daripada nilai yang diketahui hari ini.

Ini diikuti oleh semua pengukuran yang menjelaskan oleh saintis lain, tetapi kerana dipercayai bahawa cahaya adalah gelombang, dan gelombang tidak dapat merambat sendiri, sesuatu perlu "teruja", idea tentang kewujudan " luminiferous ether" timbul, penemuan yang gagal oleh ahli fizik Amerika Albert Michelson. Dia tidak menemui sebarang eter bercahaya, tetapi pada tahun 1879 dia menjelaskan kelajuan cahaya kepada 299,910±50 km/s.

Pada masa yang sama, Maxwell menerbitkan teori elektromagnetismenya, yang bermaksud bahawa kelajuan cahaya menjadi mungkin bukan sahaja untuk mengukur secara langsung, tetapi juga untuk memperoleh daripada nilai kebolehtelapan elektrik dan magnet, yang dilakukan dengan menjelaskan nilai kelajuan cahaya kepada 299,788 km/s pada tahun 1907.

Akhirnya, Einstein mengisytiharkan bahawa kelajuan cahaya dalam vakum adalah tetap dan tidak bergantung pada apa-apa sama sekali. Sebaliknya, segala-galanya - menambah halaju dan mencari sistem rujukan yang betul, kesan pelebaran masa dan perubahan jarak apabila bergerak pada kelajuan tinggi dan banyak kesan relativistik lain bergantung pada kelajuan cahaya (kerana ia termasuk dalam semua formula sebagai pemalar). Ringkasnya, segala-galanya di dunia adalah relatif, dan kelajuan cahaya adalah kuantiti relatif kepada semua perkara lain di dunia kita adalah relatif. Di sini, mungkin, kita harus memberikan telapak tangan kepada Lorentz, tetapi jangan kita berdagang, Einstein adalah Einstein.

Penentuan tepat nilai pemalar ini berterusan sepanjang abad ke-20, dengan setiap dekad saintis mendapati semakin banyak nombor selepas titik perpuluhan dengan kelajuan cahaya, sehingga syak wasangka yang samar-samar mula timbul di kepala mereka.

Menentukan lebih dan lebih tepat berapa meter cahaya bergerak dalam vakum sesaat, saintis mula tertanya-tanya apakah yang kita ukur dalam meter? Lagipun, pada akhirnya, satu meter hanyalah panjang beberapa batang platinum-iridium yang seseorang terlupa di beberapa muzium berhampiran Paris!

Dan pada mulanya idea untuk memperkenalkan meter standard kelihatan hebat. Untuk tidak menderita dengan ela, kaki dan depa serong yang lain, Perancis pada tahun 1791 memutuskan untuk mengambil sebagai ukuran standard panjang sepersepuluh juta jarak dari Kutub Utara ke khatulistiwa di sepanjang meridian yang melalui Paris. Mereka mengukur jarak ini dengan ketepatan yang ada pada masa itu, melontar kayu daripada aloi platinum-iridium (lebih tepat, loyang pertama, kemudian platinum, dan kemudian platinum-iridium) dan memasukkannya ke dalam Dewan Timbang dan Sukat Paris ini sebagai sampel. Semakin jauh kita pergi, semakin ternyata permukaan bumi berubah, benua berubah bentuk, meridian berubah, dan dengan satu bahagian sepuluh juta mereka telah terlupa, dan mula mengira sebagai satu meter panjang kayu. yang terletak di dalam keranda kristal "makam" Paris.

Penyembahan berhala seperti itu tidak sesuai dengan saintis sebenar, ini bukan Dataran Merah (!), dan pada tahun 1960 diputuskan untuk mempermudahkan konsep meter kepada definisi yang benar-benar jelas - meter itu betul-betul sama dengan 1,650,763.73 panjang gelombang yang dipancarkan oleh peralihan elektron di antara aras tenaga 2p10 dan 5d5 bagi isotop unsur Krypton-86 yang tidak dirangsang dalam vakum. Nah, lebih jelas lagi?

Ini berlangsung selama 23 tahun, manakala kelajuan cahaya dalam vakum diukur dengan ketepatan yang semakin meningkat, sehingga pada tahun 1983, akhirnya, walaupun kemunduran yang paling degil menyedari bahawa kelajuan cahaya adalah pemalar yang paling tepat dan ideal, dan bukan sejenis. daripada isotop kripton. Dan ia telah diputuskan untuk membalikkan segala-galanya (lebih tepat lagi, jika anda memikirkannya, ia telah memutuskan untuk menjadikan semuanya terbalik), kini kelajuan cahaya Dengan ialah pemalar benar, dan meter ialah jarak yang dilalui cahaya dalam vakum dalam (1/299,792,458) saat.

Nilai sebenar kelajuan cahaya terus dijelaskan hari ini, tetapi apa yang menarik ialah dengan setiap eksperimen baru, saintis tidak menjelaskan kelajuan cahaya, tetapi panjang sebenar meter. Dan lebih tepat kelajuan cahaya ditemui dalam dekad yang akan datang, lebih tepat meter yang akan kita perolehi.

Dan bukan sebaliknya.

Nah, sekarang mari kita kembali kepada domba kita. Mengapakah kelajuan cahaya dalam vakum Alam Semesta kita adalah maksimum, terhingga dan malar? Ini adalah bagaimana saya memahaminya.

Semua orang tahu bahawa kelajuan bunyi dalam logam, dan dalam hampir mana-mana badan pepejal, jauh lebih tinggi daripada kelajuan bunyi di udara. Ini sangat mudah untuk diperiksa; hanya letakkan telinga anda pada rel, dan anda akan dapat mendengar bunyi kereta api yang menghampiri lebih awal daripada melalui udara. Kenapa begitu? Jelas sekali bahawa bunyi pada dasarnya adalah sama, dan kelajuan penyebarannya bergantung pada medium, pada konfigurasi molekul dari mana medium ini terdiri, pada ketumpatannya, pada parameter kekisi kristalnya - ringkasnya, pada keadaan semasa medium yang melaluinya bunyi dihantar.

Dan walaupun idea eter luminiferous telah lama ditinggalkan, vakum yang melaluinya gelombang elektromagnet merambat bukanlah sesuatu yang mutlak, tidak kira betapa kosongnya ia kelihatan kepada kita.

Saya faham bahawa analogi itu agak mengada-ada, tetapi itu benar pada jari anda™ sama! Tepat sebagai analogi yang boleh diakses, dan sama sekali bukan sebagai peralihan langsung daripada satu set undang-undang fizik kepada yang lain, saya hanya meminta anda untuk membayangkan bahawa kelajuan perambatan getaran elektromagnet (dan secara umum, mana-mana, termasuk gluon dan graviti), sama seperti kelajuan bunyi dalam keluli "dijahit ke" rel. Dari sini kami menari.

UPD: By the way, saya menjemput "pembaca dengan asterisk" untuk membayangkan sama ada kelajuan cahaya kekal malar dalam "vakum sukar." Sebagai contoh, dipercayai bahawa pada tenaga mengikut urutan suhu 10-30 K, vakum berhenti hanya mendidih dengan zarah maya, dan mula "mendidih," i.e. fabrik ruang runtuh, kuantiti Planck kabur dan kehilangan makna fizikalnya, dsb. Adakah kelajuan cahaya dalam vakum sedemikian masih sama dengan c, atau adakah ini akan menandakan permulaan teori baharu "vakum relativistik" dengan pembetulan seperti pekali Lorentz pada kelajuan yang melampau? Saya tidak tahu, saya tidak tahu, masa akan menentukan...

Kelajuan cahaya dalam media berbeza berbeza dengan ketara. Kesukarannya ialah mata manusia tidak melihatnya dalam keseluruhan julat spektrum. Sifat asal usul sinar cahaya telah menarik minat saintis sejak zaman purba. Percubaan pertama untuk mengira kelajuan cahaya dibuat seawal 300 SM. Pada masa itu, saintis menentukan bahawa gelombang merambat dalam garis lurus.

Maklum balas yang cepat

Mereka berjaya menerangkan dengan formula matematik sifat-sifat cahaya dan trajektori pergerakannya. diketahui 2 ribu tahun selepas penyelidikan pertama.

Apakah fluks bercahaya?

Rasuk cahaya ialah gelombang elektromagnet yang digabungkan dengan foton. Foton difahami sebagai unsur paling mudah, yang juga dipanggil kuanta sinaran elektromagnet. Fluks bercahaya dalam semua spektrum tidak kelihatan. Ia tidak bergerak di angkasa dalam erti kata tradisional. Untuk menerangkan keadaan gelombang elektromagnet dengan zarah kuantum, konsep indeks biasan medium optik diperkenalkan.

Fluks cahaya dipindahkan dalam ruang dalam bentuk rasuk dengan keratan rentas kecil. Kaedah pergerakan dalam ruang diperolehi dengan kaedah geometri. Ini adalah rasuk rectilinear, yang, di sempadan dengan pelbagai media, mula membias, membentuk trajektori curvilinear. Para saintis telah membuktikan bahawa kelajuan maksimum dicipta dalam vakum; dalam persekitaran lain, kelajuan pergerakan boleh berubah dengan ketara. Para saintis telah membangunkan sistem di mana pancaran cahaya dan nilai terbitan adalah asas untuk terbitan dan bacaan unit SI tertentu.

Beberapa fakta sejarah

Kira-kira 900 tahun yang lalu, Avicena mencadangkan bahawa, tanpa mengira nilai nominal, kelajuan cahaya mempunyai nilai terhingga. Galileo Galilei cuba mengira secara eksperimen kelajuan cahaya. Menggunakan dua lampu suluh, penguji cuba mengukur masa ketika pancaran cahaya dari satu objek akan kelihatan kepada yang lain. Tetapi percubaan sedemikian ternyata tidak berjaya. Kelajuan sangat tinggi sehingga mereka tidak dapat mengesan masa kelewatan.

Galileo Galilei menyedari bahawa Musytari mempunyai selang antara gerhana empat satelitnya selama 1320 saat. Berdasarkan penemuan ini, pada tahun 1676, ahli astronomi Denmark Ole Roemer mengira kelajuan perambatan pancaran cahaya sebagai 222 ribu km/s. Pada masa itu, ukuran ini adalah yang paling tepat, tetapi ia tidak dapat disahkan oleh piawaian duniawi.

Selepas 200 tahun, Louise Fizeau dapat mengira kelajuan pancaran cahaya secara eksperimen. Dia mencipta pemasangan khas dengan cermin dan mekanisme gear yang berputar pada kelajuan tinggi. Fluks cahaya dipantulkan dari cermin dan kembali semula selepas 8 km. Apabila kelajuan roda meningkat, seketika timbul apabila mekanisme gear menghalang rasuk. Oleh itu, kelajuan rasuk ditetapkan pada 312 ribu kilometer sesaat.

Foucault menambah baik peralatan ini, mengurangkan parameter dengan menggantikan mekanisme gear dengan cermin rata. Ketepatan pengukurannya ternyata paling hampir dengan standard moden dan berjumlah 288 ribu meter sesaat. Foucault membuat percubaan untuk mengira kelajuan cahaya dalam medium asing, menggunakan air sebagai asas. Ahli fizik dapat membuat kesimpulan bahawa nilai ini tidak tetap dan bergantung kepada ciri-ciri pembiasan dalam medium tertentu.

Vakum ialah ruang yang bebas daripada jirim. Kelajuan cahaya dalam vakum dalam sistem C ditetapkan oleh huruf Latin C. Ia tidak dapat dicapai. Tiada item boleh overclock kepada nilai sedemikian. Ahli fizik hanya boleh membayangkan apa yang mungkin berlaku kepada objek jika ia memecut ke tahap sedemikian. Kelajuan perambatan pancaran cahaya mempunyai ciri-ciri tetap, ia adalah:

tetap dan muktamad;
tidak dapat dicapai dan tidak dapat diubah.

Mengetahui pemalar ini membolehkan kita mengira kelajuan maksimum di mana objek boleh bergerak di angkasa. Jumlah perambatan pancaran cahaya diiktiraf sebagai pemalar asas. Ia digunakan untuk mencirikan ruang-masa. Ini ialah nilai maksimum yang dibenarkan untuk zarah bergerak. Berapakah kelajuan cahaya dalam vakum? Nilai semasa diperolehi melalui pengukuran makmal dan pengiraan matematik. dia bersamaan dengan 299.792.458 meter sesaat dengan ketepatan ± 1.2 m/s. Dalam banyak disiplin, termasuk sekolah, pengiraan anggaran digunakan untuk menyelesaikan masalah. Penunjuk bersamaan dengan 3,108 m/s diambil.

Gelombang cahaya dalam spektrum boleh dilihat manusia dan gelombang sinar-X boleh dipercepatkan kepada bacaan yang menghampiri kelajuan cahaya. Mereka tidak boleh menyamai pemalar ini, atau melebihi nilainya. Pemalar diperoleh berdasarkan penjejakan kelakuan sinar kosmik pada saat pecutan mereka dalam pemecut khas. Ia bergantung kepada medium inersia di mana rasuk merambat. Di dalam air, penghantaran cahaya adalah 25% lebih rendah, dan di udara ia akan bergantung pada suhu dan tekanan pada masa pengiraan.

Semua pengiraan telah dijalankan menggunakan teori relativiti dan hukum kausalitas yang diterbitkan oleh Einstein. Ahli fizik percaya bahawa jika objek mencapai kelajuan 1,079,252,848.8 kilometer/jam dan melebihinya, maka perubahan tidak dapat dipulihkan akan berlaku dalam struktur dunia kita dan sistem akan rosak. Masa akan mula mengira detik, mengganggu susunan acara.

Takrifan meter diperoleh daripada kelajuan sinar cahaya. Ia difahamkan sebagai kawasan yang dilalui oleh pancaran cahaya dalam 1/299792458 saat. Konsep ini tidak boleh dikelirukan dengan standard. Piawaian meter ialah peranti teknikal berasaskan kadmium khas dengan teduhan yang membolehkan anda melihat jarak tertentu secara fizikal.

Perwakilan artis kapal angkasa membuat lompatan ke "kelajuan cahaya." Kredit: Pusat Penyelidikan NASA/Glenn.

Sejak zaman purba, ahli falsafah dan saintis telah berusaha untuk memahami cahaya. Selain mencuba untuk menentukan sifat asasnya (iaitu sama ada ia zarah atau gelombang, dsb.), mereka juga berusaha untuk membuat ukuran terhingga tentang kelajuan ia bergerak. Sejak akhir abad ke-17, saintis telah melakukan perkara itu, dan dengan ketepatan yang semakin meningkat.

Dengan berbuat demikian, mereka mendapat pemahaman yang lebih baik tentang mekanik cahaya, dan bagaimana ia memainkan peranan penting dalam fizik, astronomi dan kosmologi. Ringkasnya, cahaya bergerak pada kelajuan yang luar biasa dan merupakan objek bergerak paling pantas di alam semesta. Kelajuannya adalah penghalang yang tetap dan tidak dapat ditembusi dan digunakan sebagai ukuran jarak. Tetapi berapa cepat ia bergerak?

Kelajuan cahaya (s):

Cahaya bergerak pada kelajuan malar 1,079,252,848.8 km/j (1.07 bilion). Yang ternyata menjadi 299,792,458 m/s. Mari letakkan semuanya pada tempatnya. Jika anda boleh bergerak pada kelajuan cahaya, anda boleh mengelilingi dunia kira-kira tujuh setengah kali sesaat. Sementara itu, seseorang yang terbang pada kelajuan purata 800 km/j akan mengambil masa lebih daripada 50 jam untuk mengelilingi planet ini.

Ilustrasi yang menunjukkan jarak perjalanan cahaya antara Bumi dan Matahari. Kredit: LucasVB/Domain Awam.

Mari kita lihat ini dari sudut pandangan astronomi, jarak purata dari hingga 384,398.25 km. Oleh itu, cahaya menempuh jarak ini dalam kira-kira satu saat. Sementara itu, puratanya ialah 149,597,886 km, bermakna ia hanya mengambil masa kira-kira 8 minit untuk cahaya untuk melakukan perjalanan ini.

Maka tidak hairanlah mengapa kelajuan cahaya adalah metrik yang digunakan untuk menentukan jarak astronomi. Apabila kita katakan bintang seperti , adalah 4.25 tahun cahaya jauhnya, kita maksudkan perjalanan pada kelajuan malar 1.07 bilion km/j akan mengambil masa kira-kira 4 tahun 3 bulan untuk sampai ke sana. Tetapi bagaimanakah kita mencapai nilai yang sangat khusus ini untuk kelajuan cahaya?

Sejarah pengajian:

Sehingga abad ke-17, saintis yakin bahawa cahaya bergerak pada kelajuan terhingga, atau serta-merta. Dari zaman orang Yunani purba hingga ahli teologi Islam zaman pertengahan dan sarjana moden, terdapat perdebatan. Tetapi sehingga kerja ahli astronomi Denmark Ole Roemer (1644-1710) muncul, di mana pengukuran kuantitatif pertama dijalankan.

Pada tahun 1676, Römer memerhatikan bahawa tempoh bulan paling dalam Musytari Io kelihatan lebih pendek apabila Bumi menghampiri Musytari berbanding ketika ia bergerak menjauh. Daripada ini dia membuat kesimpulan bahawa cahaya bergerak pada kelajuan terhingga dan dianggarkan mengambil masa kira-kira 22 minit untuk melintasi diameter orbit Bumi.

Profesor Albert Einstein pada Kuliah Josiah Willard Gibbs ke-11 di Institut Teknologi Carnegie pada 28 Disember 1934, di mana beliau menerangkan teorinya bahawa jirim dan tenaga adalah perkara yang sama dalam bentuk yang berbeza. Kredit: Foto AP

Christiaan Huygens menggunakan anggaran ini dan menggabungkannya dengan anggaran diameter orbit Bumi untuk mencapai anggaran 220,000 km/s. Isaac Newton juga melaporkan tentang pengiraan Roemer dalam karyanya Optik 1706 mani. Dengan melaraskan jarak antara Bumi dan Matahari, dia mengira bahawa cahaya akan mengambil masa tujuh atau lapan minit untuk bergerak dari satu ke yang lain. Dalam kedua-dua kes terdapat ralat yang agak kecil.

Pengukuran kemudian oleh ahli fizik Perancis Hippolyte Fizeau (1819-1896) dan Léon Foucault (1819-1868) memperhalusi angka-angka ini, membawa kepada nilai 315,000 km/s. Dan pada separuh kedua abad ke-19, saintis menyedari hubungan antara cahaya dan elektromagnetisme.

Ini dicapai oleh ahli fizik dengan mengukur cas elektromagnet dan elektrostatik. Mereka kemudian mendapati bahawa nilai berangka adalah sangat hampir dengan kelajuan cahaya (seperti yang diukur oleh Fizeau). Berdasarkan karyanya sendiri, yang menunjukkan bahawa gelombang elektromagnet merambat di ruang kosong, ahli fizik Jerman Wilhelm Eduard Weber mencadangkan bahawa cahaya adalah gelombang elektromagnet.

Kejayaan besar seterusnya datang pada awal abad ke-20. Dalam kertas kerjanya bertajuk "On the Electrodynamics of Moving Bodies," Albert Einstein menyatakan bahawa kelajuan cahaya dalam vakum, diukur oleh pemerhati yang mempunyai kelajuan malar, adalah sama dalam semua kerangka rujukan inersia dan bebas daripada gerakan sumber atau pemerhati.

Pancaran laser yang bersinar melalui segelas air menunjukkan berapa banyak perubahan yang dialaminya semasa ia melalui udara ke kaca ke air dan kembali ke udara. Kredit: Bob King.

Menggunakan pernyataan ini dan prinsip relativiti Galileo sebagai asas, Einstein memperoleh teori relativiti khas, di mana kelajuan cahaya dalam vakum (c) adalah pemalar asas. Sebelum ini, persetujuan di kalangan saintis ialah ruang dipenuhi dengan "eter bercahaya", yang bertanggungjawab untuk penyebarannya - i.e. cahaya yang bergerak melalui medium yang bergerak akan menjejak di ekor medium.

Ini pula bermakna bahawa kelajuan cahaya yang diukur akan menjadi jumlah mudah kelajuannya melalui medium ditambah dengan kelajuan medium itu. Walau bagaimanapun, teori Einstein menjadikan konsep eter pegun tidak berguna dan mengubah konsep ruang dan masa.

Ia bukan sahaja mengemukakan idea bahawa kelajuan cahaya adalah sama dalam semua bingkai inersia, tetapi ia juga mencadangkan bahawa perubahan besar berlaku apabila sesuatu bergerak hampir dengan kelajuan cahaya. Ini termasuk rangka ruang-masa bagi jasad bergerak yang kelihatan perlahan, dan arah gerakan apabila pengukuran adalah dari sudut pandangan pemerhati (iaitu, pelebaran masa relativistik, di mana masa menjadi perlahan apabila ia menghampiri kelajuan cahaya) .

Pemerhatiannya juga bersetuju dengan persamaan Maxwell untuk elektrik dan kemagnetan dengan undang-undang mekanik, memudahkan pengiraan matematik dengan mengelakkan hujah yang tidak berkaitan saintis lain, dan konsisten dengan pemerhatian langsung kelajuan cahaya.

Sejauh manakah kesamaan jirim dan tenaga?

Pada separuh kedua abad ke-20, pengukuran yang semakin tepat menggunakan interferometer laser dan rongga resonans memperhalusi lagi anggaran kelajuan cahaya. Menjelang tahun 1972, sebuah kumpulan di Biro Piawaian Kebangsaan AS di Boulder, Colorado, menggunakan interferometri laser untuk mencapai nilai yang diterima sekarang iaitu 299,792,458 m/s.

Peranan dalam astrofizik moden:

Teori Einstein bahawa kelajuan cahaya dalam vakum tidak bergantung pada pergerakan sumber dan kerangka inersia rujukan pemerhati telah sentiasa disahkan oleh banyak eksperimen. Ia juga menetapkan had atas pada kelajuan di mana semua zarah dan gelombang tidak berjisim (termasuk cahaya) boleh bergerak dalam vakum.

Satu hasil daripada ini ialah kosmologi kini melihat ruang dan masa sebagai satu struktur yang dikenali sebagai ruang masa, di mana kelajuan cahaya boleh digunakan untuk menentukan nilai kedua-duanya (iaitu tahun cahaya, minit cahaya dan saat cahaya). Mengukur kelajuan cahaya juga boleh menjadi faktor penting dalam menentukan pecutan pengembangan Alam Semesta.

Pada awal 1920-an, dengan pemerhatian Lemaître dan Hubble, saintis dan ahli astronomi menyedari bahawa Alam Semesta berkembang dari titik asalnya. Hubble juga menyedari bahawa semakin jauh galaksi, semakin pantas ia bergerak. Apa yang kini dipanggil pemalar Hubble ialah kelajuan di mana Alam Semesta berkembang, ia bersamaan dengan 68 km/s setiap megaparsec.

Seberapa pantas Alam Semesta mengembang?

Fenomena ini, yang dibentangkan sebagai teori, bermakna bahawa sesetengah galaksi sebenarnya mungkin bergerak lebih laju daripada kelajuan cahaya, yang boleh mengehadkan apa yang kita perhatikan di alam semesta kita. Pada asasnya, galaksi yang bergerak lebih laju daripada kelajuan cahaya akan melintasi "ufuk peristiwa kosmologi" di mana ia tidak lagi kelihatan kepada kita.

Di samping itu, menjelang 1990-an, pengukuran anjakan merah galaksi jauh menunjukkan bahawa pengembangan Alam Semesta telah mempercepatkan sejak beberapa bilion tahun yang lalu. Ini membawa kepada teori "Tenaga Gelap", di mana kuasa yang tidak kelihatan memacu pengembangan ruang itu sendiri, bukannya objek yang bergerak melaluinya (tanpa meletakkan had pada kelajuan cahaya atau memecahkan relativiti).

Bersama-sama dengan relativiti khas dan am, nilai moden untuk kelajuan cahaya dalam vakum telah berkembang daripada kosmologi, mekanik kuantum dan Model Standard fizik zarah. Ia kekal malar apabila sampai ke had atas di mana zarah tak berjisim boleh bergerak dan kekal sebagai penghalang yang tidak boleh dicapai untuk zarah berjisim.

Kita mungkin suatu hari nanti akan mencari jalan untuk melebihi kelajuan cahaya. Walaupun kami tidak mempunyai idea praktikal tentang cara ini mungkin berlaku, nampaknya "wang pintar" dalam teknologi akan membolehkan kami memintas undang-undang ruang masa, sama ada dengan mencipta buih meledingkan (aka. Alcubierre warp drive) atau menerobosnya (aka. lubang cacing).

Apakah lubang cacing?

Sehingga itu, kita hanya perlu berpuas hati dengan Alam Semesta yang kita lihat, dan terus meneroka bahagian yang boleh dicapai menggunakan kaedah konvensional.

Tajuk artikel yang anda baca "Berapa kelajuan cahaya?".

Had laju di kebanyakan lebuh raya adalah antara 90 hingga 110 kilometer. Walaupun tiada papan tanda jalan di ruang hampa angkasa lepas, terdapat had laju di sana - ini ialah 1080000000 kilometer sejam.

Kelajuan tertinggi dalam alam semula jadi

Ini adalah kelajuan cahaya terpantas dalam alam semula jadi. Para saintis biasanya memberikan kelajuan cahaya dalam kilometer sesaat - 300,000 kilometer sesaat. Cahaya terdiri daripada foton. Mereka adalah orang yang boleh terbang dengan kelajuan yang gila.

Zarah pelik - foton

Para saintis memanggil zarah foton. Tetapi ini adalah zarah yang sangat pelik. Mereka tidak mempunyai jisim rehat, iaitu, dalam erti kata biasa mereka tidak mempunyai berat badan. Sukar untuk membayangkan sesuatu yang begitu nyata yang akan menjadi tenaga tulen dan tidak akan mengandungi sebutir bahan pun. Foton adalah realiti sedemikian. bandingkan kelajuan maksimum foton dengan kelajuan yang biasa kita anggap tinggi.

Kapal angkasa yang terbang pada kelajuan cahaya tidak akan mempunyai dimensi linear untuk pemerhati luar. Ambil, sebagai contoh, roket Pioneer, dibina untuk terbang melepasi sistem suria. Jadi, meninggalkan sistem suria, Pioneer mempunyai kelajuan 60 kilometer sesaat. Boleh tahan! Dia boleh menempuh jarak dari New York ke San Francisco dalam satu setengah minit. Tetapi berbanding dengan kelajuan foton pada 300,000 kilometer sesaat, kelajuan Pioneer kelihatan seperti rentak siput. Atau mari kita lihat seberapa pantas Matahari bergerak melalui angkasa.

Bahan berkaitan:

Mengapa bintang bersinar?

Tetapi semasa anda membaca ayat ini, Matahari, Bumi dan lapan planet lain dalam sistem suria kita bergegas mengelilingi Bima Sakti, seperti kuda karusel, pada kelajuan 230 kilometer sesaat (pada masa yang sama, kita diri kita sendiri tidak perasan bahawa kita terbang pada kelajuan yang luar biasa). Tetapi kelajuan yang sangat besar ini sangat kecil berbanding dengan kelajuan cahaya dan berjumlah kira-kira satu peratus.

Kelajuan cahaya dan objek

Jika anda memecut objek biasa kepada kelajuan cahaya, pengembaraan luar biasa akan mula berlaku kepadanya. Apabila badan mencapai kelajuan sedemikian, pemerhati akan melihat perubahan dalam dimensi linear dan jisim objek. Malah masa akan mula berubah. Sebuah kapal angkasa yang bergerak pada 90 peratus kelajuan cahaya akan mengecil saiznya kira-kira separuh. Apabila kelajuan meningkat, ia akan semakin berkurangan sehingga, apabila ia mencapai kelajuan cahaya, ia kehilangan sepenuhnya dimensi linearnya.