Швидкість світла: прямі та непрямі методи вивчення

Чому дорівнює швидкість світла? Це питання хвилює багато вчених з різних країн світу вже не одне століття. Значення його зросло після того, коли на початку минулого століття Ейнштейном було доведено, що дана фізична величина є одним з тих показників, який не залежить ні від яких інших величин, тобто є константою.

О.Ремер – першопрохідець у справі вивчення швидкості світла

Історія фізики говорить нам про те, що виміряти швидкість світла вчені намагалися ще більше трьохсот років тому. Першим, кому це вдалося з високою часткою достовірності, був відомий фізик О. Ремер. У своїх дослідженнях він використовував ті моменти, коли супутник Юпітера Іо опинявся в тіні. Вчений проводив дослідження, коли цей супутник знаходився на різних відстанях від Землі, і прийшов до висновку, що отримана різниця проходження Йо в тіні Юпітера і є та швидкість, з якою світло долає певну відстань. Оскільки вимірювання Ремера не відрізнялися високою точністю, то швидкість світла виявилася рівною приблизно 215 тисяч кілометрів на секунду.

Лабораторні дослідження Фізо

Через практично двісті років цією проблемою зайнявся француз Фізо. Свої дослідження він проводив в лабораторних умовах, використовуючи для цього спеціальну систему відбиваючих лінз, дзеркал і обертового колеса. У результаті копіткої роботи Фізо дійшов висновку, що швидкість світла становить 313 тисяч кілометрів на секунду.

Непрямі методи вивчення швидкості світла

Велике значення для подальшого вивчення цього явища мала електромагнітна теорія Ампера і Максвелла. Останній навів незаперечні докази того, що світло є не що інше, як ті, що поширюються в просторі хвилі. Використовуючи це положення, Вебер і Кальрауш спробували вирахувати швидкість світла непрямим чином, покладаючись в основному на властивості електромагнетизму. Отриманий ними результат дорівнював 310 тисяч кілометрів на секунду, проте довести його на практиці вчені так і не змогли.

Вплив теорії відносності на вивчення швидкості світла

Питання про те, яка швидкість світла, набуло нового звучання в ХХ столітті. Це пов ‘язано не тільки з появою знаменитої теорії А. Ейнштейна, де даний показник грав вирішальну роль, але і з успіхами молекулярної фізики, а також з технічним удосконаленням фізичних лабораторій. Для вивчення світла і його найважливіших характеристик величезну роль зіграли роботи, пов ‘язані з надвисокими частотами. Саме в цій області вдалося з високою точністю визначити не тільки частоту, а й довжину хвилі, що призвело до помітного коригування відомих на той момент даних. Узагальнююча робота, в якій швидкість світла розраховується за допомогою досліджень СВЧ-діапазону, належить американському фізику К. Фруму. У опублікованих ним 1958 року дослідженнях вказувалося, що ця величина становить 299792,462 кілометра на секунду. До теперішнього часу саме вона і вважається найбільш точною.

Значення вивчення швидкості світла в наші дні

Як і кілька століть тому, швидкість світла притягує до себе вчених. Вона змушує їх шукати нові методи дослідження, удосконалювати техніку і технологію проведення. Без детального вивчення цього явища вже неможливо уявити сучасну науку.

Просто про складне | Як досягти швидкості світла та що швидше за нього

Якщо ми говоримо про щось спрпавді швидке, то можемо сказати, що це відбувається зі швидкістю світла. Насправді мало хто розуміє, наскільки це значна величина та чому на практиці її вкрай важко досягти якомусь тілу, що має значну масу та розмір. Зараз ми вам це пояснимо.

1. Чому дорівнює швидкість світла у вакуумі?

Швидкість світла — найбільша швидкість, яку будь-що може мати у нашому Всесвіті. З нею у вакуумі розповсюджуються не лише електромагнітні хвилі видимого спектра, а й будь-яке випромінювання.

Ця величина складає точно 299 792 458 м/с. 1975 року її визначили з точністю до одного метра, а з 1983-го сам метр у Міжнародній системі одиниць — це відстань, яку світло проходить за 1/299 792 458 секунди. Тому це чи не єдина константа, значення якої не буде уточнюватися у майбутньому.

2. Чи бувають випадки, коли швидкість світла нижче?

Все вищесказане стосується лише швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль у вакуумі. У середовищі, хоча б частково здатному розсіювати їх, вона буде значно нижчою. Точна величина залежатиме від довжини хвилі та величини заломлення самого середовища.

Наприклад, в абсолютно чистій воді швидкість світла видимого діапазону становить близько 225 341 км/с, у склі — 200 000 км/с, а в цукрі — лише 192 300 км/с. У повітрі вона лише трохи менша, ніж у вакуумі.

3. Що таке «світловий конус»?

Зі швидкістю світла пов’язане поняття «світлового конуса». Будь-яка взаємодія між двома об’єктами у Всесвіті, включно з передачею інформації, можлива лише за допомогою частинок або хвиль. А вони не можуть рухатися швидше за світло.

Тому жодна подія у Всесвіті не може вплинути на інші об’єкти за час, менший, ніж потрібно світлу, аби подолати відстань між ними. Наприклад, подія, що відбулася на Місяці, ніяк не може вплинути на Землю раніше, ніж за секунду з чвертю.

Для Сонця ця величина вже складає майже 8,5 хвилин, для Плутона — близько 4,5 години, для α Центавра — понад 4 роки, а для чорної діри Стрілець А* — 27 тис. років. Це й називається «світловим конусом».

4. Що буде, якщо спробувати досягти швидкості світла?

Ньютонівська механіка підказує нам, що якщо до якогось тіла постійно прикладати силу — наприклад, імпульс реактивних двигунів — то воно буде прискорюватися, тобто його швидкість буде зростати. То що ж заважає нам досягти швидкості світла?

На це дає відповідь Теорія відносності. Згідно з нею, чим ближча швидкість тіла до світлової, тим більша енергія необхідна для того, аби збільшити її на ту ж саму величину для кожної одиниці маси цього тіла.

Для того ж, аби розігнати хоч якусь масу до швидкості світла, до неї треба прикласти нескінченну кількість енергії. Саме тому в природі у більшості випадків таку швидкість мають лише частинки, у яких маса відсутня — наприклад, фотони.

5. Чи може щось рухатися швидше за світло?

Хоч фізика й наголошує, що для будь-якого тіла швидкість світла є межею, є теорії, які передбачають існування частинок, що рухаються швидше за нього. Ці частинки називаються тахіонами — від грецького слова, що означає «швидкий».

Тахіони мають низку дивних властивостей: наприклад, їхня маса є уявною. Тобто вона виражається числом, яке є квадратним коренем із від’ємної величини.

Жодних доказів реального існування тахіонів учені не мають. Крім того, щодо тахіонних частинок і полів існують сумніви, чи здатні вони переносити інформацію та чи справді всі вони рухаються швидше за світло. Однак саму можливість існування такої частинки ніхто остаточно виключити не може.

Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!

Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine

Popular:

Редактор стрічки новин та автор статей

Займаюся популяризацією науки українською вже 10 років. Маю науковий ступінь кандидата технічних наук і раніше навчав інженерів-будівельників. Однак останніми роками розповідаю широкій публіці про речі, які стосуються найрізноманітніших наук. А космос — моя особлива давня любов. У своїй роботі я намагаюся дотримуватися принципу поваги до вчених, які робили відкриття, та інженерів, що створювали космічну техніку. […]