КАКОВА СКОРОСТЬ СВЕТА?

Send

С древних времен философы и ученые стремились понять свет. В дополнение к попытке различить его основные свойства (то есть, из чего он сделан - частица или волна и т. Д.), Они также стремились сделать конечные измерения того, как быстро он движется. С конца 17-го века ученые занимались именно этим и с возрастающей точностью.

При этом они лучше поняли механику света и ту важную роль, которую он играет в физике, астрономии и космологии. Проще говоря, свет движется с невероятной скоростью и является самой быстро движущейся вещью во Вселенной. Его скорость считается постоянным и неразрушимым барьером и используется как средство измерения расстояния. Но насколько быстро он путешествует?

Скорость света (с):

Свет движется с постоянной скоростью 1 079 252 848,8 (1,07 миллиарда) км в час. Это работает до 299 792 458 м / с или около 670 616 629 миль в час (миль в час). Для сравнения: если бы вы могли путешествовать со скоростью света, вы могли бы совершить кругосветное плавание примерно семь с половиной раз в секунду. Между тем, человеку, летящему со средней скоростью около 800 км / ч (500 миль в час), понадобится более 50 часов, чтобы облететь планету всего один раз.

Чтобы поместить это в астрономическую перспективу, среднее расстояние от Земли до Луны составляет 384 398,25 км (238 854 миль). Таким образом, свет пересекает это расстояние примерно за секунду. Между тем, среднее расстояние от Солнца до Земли составляет ~ 149 597 886 км (92 955 817 миль), что означает, что свету требуется всего около 8 минут, чтобы совершить это путешествие.

Неудивительно, что скорость света - это показатель, используемый для определения астрономических расстояний. Когда мы говорим, что такая звезда, как Проксима Центавра, находится на расстоянии 4,25 световых года, мы говорим, что для этого потребуется - путешествовать с постоянной скоростью 1,07 млрд. Км в час (670 616 629 миль в час) - около 4 лет и 3 месяца, чтобы добраться туда. Но как мы пришли к этому очень специфическому измерению «скорости света»?

История обучения:

До 17-го века ученые не были уверены, движется ли свет с конечной скоростью или мгновенно. Со времен древних греков до средневековых исламских ученых и ученых раннего современного периода споры шли взад и вперед. Только в работе датского астронома Оле Рёмера (1644-1710) было выполнено первое количественное измерение.

В 1676 году Ромер заметил, что периоды самой внутренней луны Юпитера Ио, по-видимому, были короче, когда Земля приближалась к Юпитеру, чем когда она удалялась от него. Исходя из этого, он пришел к выводу, что свет движется с конечной скоростью, и предположил, что для пересечения диаметра орбиты Земли требуется около 22 минут.

Кристиан Гюйгенс использовал эту оценку и объединил ее с оценкой диаметра орбиты Земли, чтобы получить оценку 220 000 км / с. Исаак Ньютон также рассказал о расчетах Рёмера в своей оригинальной работе Оптики (1706). Подбирая расстояние между Землей и Солнцем, он рассчитал, что свету понадобится семь или восемь минут, чтобы перейти от одного к другому. В обоих случаях они были относительно небольшими.

Более поздние измерения, сделанные французскими физиками Ипполитом Физо (1819 - 1896) и Леоном Фуко (1819 - 1868), уточнили эти измерения далее - в результате получили значение 315 000 км / с (192 625 миль / с). И ко второй половине 19-го века ученым стало известно о связи между светом и электромагнетизмом.

Это было выполнено физиками, измеряющими электромагнитные и электростатические заряды, которые затем обнаружили, что числовое значение очень близко к скорости света (измеренной Физо). Основываясь на своей собственной работе, которая показала, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве, немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер предположил, что свет является электромагнитной волной.

Следующий большой прорыв произошел в начале 20-го века. В его статье 1905 года под названием «Об электродинамике движущихся тел », Альберт Эйнштейн утверждал, что скорость света в вакууме, измеренная неускоряющимся наблюдателем, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или наблюдателя.

Используя это и принцип относительности Галилея в качестве основы, Эйнштейн вывел Теорию специальной теории относительности, в которой скорость света в вакууме (с) была фундаментальной константой. До этого рабочий консенсус среди ученых заключался в том, что пространство было заполнено «светоносным эфиром», который был ответственен за его распространение - то есть, что свет, проходящий через движущуюся среду, будет увлекаться средой.

Это, в свою очередь, означало, что измеренная скорость света будет простой суммой его скорости. через средний плюс скорость из эта среда. Однако теория Эйнштейна фактически сделала бесполезной концепцию стационарного эфира и произвела революцию в концепции пространства и времени.

Мало того, что он выдвинул идею о том, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета, он также представил идею о том, что основные изменения происходят, когда вещи приближаются к скорости света. К ним относятся пространственно-временные рамки движущегося тела, которое замедляется и сжимается в направлении движения при измерении в системе наблюдения (то есть замедление времени, когда время замедляется по мере приближения скорости света).

Его наблюдения также согласовали уравнения Максвелла для электричества и магнетизма с законами механики, упростили математические вычисления, покончив с посторонними объяснениями, используемыми другими учеными, и согласились с непосредственно наблюдаемой скоростью света.

Во второй половине 20-го века все более точные измерения с использованием лазерных инферометров и резонансных методов резонатора позволили бы еще более точно оценить скорость света. К 1972 году группа из Национального бюро стандартов США в Боулдере, штат Колорадо, использовала технику лазерного инферометра, чтобы получить признанное в настоящее время значение 299 792 458 м / с.

Роль в современной астрофизике:

Теория Эйнштейна о том, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и инерциальной системы отсчета наблюдателя, с тех пор последовательно подтверждается многими экспериментами. Он также устанавливает верхний предел скорости, с которой все безмассовые частицы и волны (включая свет) могут перемещаться в вакууме.

Одним из результатов этого является то, что космологи теперь рассматривают пространство и время как единую, унифицированную структуру, известную как пространство-время, в которой скорость света может использоваться для определения значений для обоих (то есть «световых лет», «световых минут» и «Светлые секунды»). Измерение скорости света также стало основным фактором при определении скорости космического расширения.

Начиная с 1920-х годов с наблюдениями Лемэра и Хаббла, ученые и астрономы осознали, что Вселенная расширяется с момента ее возникновения. Хаббл также заметил, что чем дальше галактика, тем быстрее она движется. В том, что сейчас называется параметром Хаббла, скорость, с которой расширяется Вселенная, рассчитывается до 68 км / с на мегапарсек.

Это явление, теоретически предполагающее, что некоторые галактики могут на самом деле двигаться быстрее скорости света, может ограничивать то, что можно наблюдать в нашей Вселенной. По сути, галактики, движущиеся быстрее скорости света, пересекают «космологический горизонт событий», где они нам больше не видны.

Кроме того, к 1990-м годам измерения красных смещений далеких галактик показали, что расширение Вселенной ускоряется в течение последних нескольких миллиардов лет. Это привело к появлению таких теорий, как «Темная энергия», где невидимая сила управляет расширением самого пространства, а не движущимися через него объектами (таким образом, не накладывая ограничений на скорость света и не нарушая относительность).

Наряду со специальной и общей теорией относительности современное значение скорости света в вакууме стало основой для космологии, квантовой физики и Стандартной модели физики элементарных частиц. Он остается постоянным, когда речь идет о верхнем пределе, при котором могут перемещаться безмассовые частицы, и остается недостижимым барьером для частиц, которые имеют массу.

Возможно, когда-нибудь мы найдем способ превысить скорость света. Хотя у нас нет практических идей о том, как это могло бы произойти, кажется, что разумные деньги идут на технологии, которые позволят нам обойти законы пространства-времени, либо создавая пузырьки деформации (или Alcubierre Warp Drive), либо туннелируя через него ( ака. червоточины).

До этого времени мы просто должны быть удовлетворены Вселенной, которую мы можем видеть, и продолжать изучать ту ее часть, которая достижима обычными методами.

Мы написали много статей о скорости света для журнала Space. Вот какова скорость света? Как галактики движутся дальше, чем свет? Как космическое путешествие быстрее скорости света? И как нарушить скорость света.

Вот крутой калькулятор, который позволяет вам конвертировать множество различных единиц для скорости света, а также калькулятор относительности, на случай, если вы захотите путешествовать почти со скоростью света.

В Astronomy Cast также есть эпизод, в котором рассматриваются вопросы о скорости света - Вопросы показывают: Относительность, Относительность и многое другое Относительность.

Источники: