С какой скоростью свет распространяется в вакууме

Скорость света в вакууме – показатель, который широко используется в физике и в свое время позволил совершить ряд открытий, а также объяснить природу множества явлений. Есть несколько важных моментов, которые надо изучить, чтобы разобраться в теме и понимать, как и при каких условиях был открыт этот показатель.

Что такое скорость света

Скорость распространения света в вакууме считают абсолютной величиной, отражающей быстроту распространения электромагнитных излучений. Она широко используется в физике и имеет обозначение в виде маленькой латинской буквы «с» (говорится «цэ»).

По мнению большинства исследователей и ученых скорость света в вакууме – это максимально возможная быстрота движения частиц и распространения различных типов излучения.

Что касается примеров явлений, они таковы:

1. Видимый свет, исходящий из любого источника.
2. Все виды электромагнитного излучения (например, рентгеновские лучи и радиоволны).
3. Гравитационные волны (тут мнения некоторых специалистов расходятся).

Многие виды частиц могут двигаться с околосветовой скоростью, но при этом не достигают ее.

Точное значение скорости света

Ученые много лет пытались определить, чему равна скорость света, но точные измерения провели в 70-х годах прошлого века. В итоге показатель составил 299 792 458 м/с при максимальном отклонении +/-1,2 м. На сегодня это неизменная физическая единица, так как расстояние в метр равно 1/299 792 458 секунды, именно столько времени нужно свету в вакууме, чтобы преодолеть 100 см.

Чтобы упростить расчеты, показатель упрощается до 300 000 000 м/с (3×108 м/с). Он знаком всем по курсу физики в школе, именно там скорость измеряется в таком виде.

Фундаментальная роль скорости света в физике

Этот показатель является одним из основных независимо от того, какая система отсчета используется при исследовании. Он не зависит от движения источника волн, что тоже важно.

Инвариантность была принята в виде постулата Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Это произошло после того, как еще один ученый, Максвелл, не обнаружив доказательств существования светоносного эфира, выдвинул теорию об электромагнетизме.

Утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, превышающей световую на сегодня считается вполне обоснованным.

Кстати! Физики не отрицают, что некоторые из частиц могут двигаться со скоростью, превышающей рассматриваемый показатель. Но при этом они не могут быть использованы для передачи информации.

Исторические справки

Чтобы разобраться в особенностях темы и узнать, как были открыты те или иные явления, следует изучить опыты некоторых ученых. В 19 веке было сделано множество открытий, которые помогли ученым впоследствии, в основном они касались электрического тока и явлений магнитной и электромагнитной индукций.

Опыты Джеймса Максвелла

Исследования физика подтвердили взаимодействие частиц на расстоянии. Впоследствии это позволило Вильгельму Веберу разработать новую теорию электромагнетизма. Также Максвелл четко установил явление магнитного и электрического поля и определил, что они могут порождать друг друга, образуя электромагнитные волны. Именно этот ученый первым стал использовать обозначение «с», которое применяется физиками всего мира до сих пор.

Благодаря этому большинство исследователей уже тогда заговорили об электромагнитной природе света. Максвелл при исследовании скорости распространения электромагнитных возбуждений пришел к выводу, что этот показатель равен скорости света, в свое время его удивил этот факт.

Благодаря исследованиям Максвелла стало понятно, что свет, магнетизм и электричество – это не отдельные понятия. В совокупности эти факторы и определяют природу света, ведь это сочетание магнитного и электрического поля, которое распространяется в пространстве.

Майкельсон и его опыт по доказательству абсолютности скорости света

В начале прошлого века большинством ученых использовался принцип относительности Галилея, по которому считалось, что законы механики неизменны вне зависимости от того, какая система отсчета применяется. Но при этом согласно теории скорость распространения электромагнитных волн должна меняться при движении источника. Это шло вразрез как с постулатами Галилея, так и с теорией Максвелла, что и стало причиной начала исследований.

На тот момент большинство ученых склонялось к «теории эфира», по которой показатели не зависели от скорости движения его источника, главным определяющим фактором считались особенности среды.

Так как Земля движется в космическом пространстве в определенном направлении, скорость света согласно закону сложения скоростей будет отличаться при измерении в разных направлениях. Но Майкельсон не обнаружил никакой разницы в распространении электромагнитных волн вне зависимости от того, в каком направлении производились измерения.

Теория эфира не могла объяснить наличие абсолютной величины, что еще лучше показало ее ошибочность.

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна

Молодой на тот момент ученый представил теорию, идущую вразрез с представлениями большинства исследователей. Согласно ей время и пространство обладают таким характеристиками, которые обеспечивают неизменность скорости света в вакууме независимо от выбранной системы отсчета. Это объясняло неудачные опыты Майкельсона, так как быстрота распространения света не зависит от движения его источника.

[tds_council]Косвенным подтверждением правильности теории Эйнштейна стала «относительность одновременности», ее суть показана на рисунке.[/tds_council]

Как измеряли скорость света ранее

Попытки определить этот показатель предпринимались многими, но из-за низкого уровня развития науки сделать это ранее было проблематично. Так, ученые античности считали, что скорость света бесконечна, но позднее многие исследователи усомнились в этом постулате, что и привело к ряду попыток определить ее:

1. Галилей использовал фонарики. Чтобы рассчитать скорость распространения световых волн, он и его помощник находились на холмах, расстояние между которыми было определено точно. Затем один из участников открывал фонарь, второй должен был делать то же самое, как только увидел свет. Но такой метод не дал результатов из-за высокой скорости распространений волн и невозможности точно определить временной промежуток.
2. Олаф Ремер, астроном из Дании, при наблюдении за Юпитером заметил особенность. Когда Земля и Юпитер находились на противоположных точках орбит, затмение Ио (спутника Юпитера), запаздывало на 22 минуты в сравнении с самой планетой. Исходя из этого он сделал вывод, что быстрота распространения световых волн не бесконечна и имеет предел. По его расчетам показатель составил примерно 220 000 км в сек.

   

3. Примерно в тот же период английский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света, когда из-за движения Земли вокруг Солнца, а также из-за вращения вокруг своей оси, из-за чего положение звезд на небосклоне и расстояние до них постоянно изменяются. В силу этих особенностей звезды описывают эллипс в течение каждого года. На основании расчетов и наблюдений астроном рассчитал скорость, она составила 308 000 км в секунду.

   

4. Луи Физо был первым, кто решил определить точный показатель посредством лабораторного опыта. Он установил стекло с зеркальной поверхностью на расстоянии 8633 м от источника, но так как расстояние небольшое, сделать точные расчеты времени было невозможно. Тогда ученый поставил зубчатое колесо, которое зубцами периодически закрывало свет. Меняя скорость движения колеса Физо установил, при какой скорости свет не успевает проскочить между зубцами и вернуться обратно. По его расчетам скорость составила 315 тысяч километров в секунду.

   

Измерение скорости света

Это можно делать несколькими способами. Подробно разбирать их не стоит, для каждого потребуется отдельный обзор. Поэтому проще всего разобраться в разновидностях:

1. Астрономические измерения. Тут чаще всего используют методы Ремера и Брэдли, так как они доказали свою эффективность и на показатели не влияют свойства воздуха, воды и другие особенности среды. В условиях космического вакуума точность измерений возрастает.
2. Резонанс полости или эффект полости – так называют явление низкочастотных стоячих магнитных волн, возникающих между поверхностью планеты и ионосферой. Используя специальные формулы и данные измерительного оборудования вычислить значение скорости движения частиц в воздушной среде несложно.
3. Интерферометрия – совокупность методов исследования, при которых складывается несколько типов волн. Это дает эффект интерференции, благодаря которому можно проводить многочисленные измерения как электромагнитных, так и звуковых колебаний.

Возможна ли сверхсветовая скорость

Если исходить из теории относительности, превышение показателя физическими частицами нарушает принцип причинности. Из-за этого возможна передача сигналов из будущего в прошлое и наоборот. Но при этом теория не отрицает, что могут существовать частицы, которые двигаются быстрее, при этом они взаимодействуют с обычными веществами.

Этот тип частиц именуют тахионы. Чем быстрее они двигаются, тем меньше энергии несут.

Видео-урок: Методы измерения скорости света.

Скорость света в вакууме – постоянная величина, на ней основываются многие явления в физике. Ее определение стало новой вехой в развитии науки, так как позволило объяснить многие процессы и упростило целый ряд расчетов.