Скорость света: определение и уравнение

Альтернативные названия: c, электромагнитная постоянная, скорость света

Скорость света — скорость, с которой световые волны распространяются через различные материалы.

В частности, значение скорости света в вакууме определено точно как 299 792 458 метров в секунду.

Скорость света считается фундаментальной константой природы. Её значение гораздо шире, чем её роль в описании свойства электромагнитных волн. Она служит единственной предельной скоростью во вселенной, будучи верхней границей скорости распространения сигналов и скоростей всех материальных частиц. В известном уравнении относительности E = mc2 скорость света (c) служит константой пропорциональности, связывая ранее не сопоставимые понятия массы (m) и энергии (E).

Ранние измерения скорости света

Измерения скорости света бросали вызов ученым на протяжении веков. Предположение о том, что скорость бесконечна, было развеяно датским астрономом Оле Рёмером в 1676 году.

Французский физик Арманд-Ипполит-Луи Физо был первым, кто преуспел в измерениях в 1849 году, направив луч света по 17,3-километровому маршруту туда и обратно. путь через окраину Парижа. В источнике света выходящий луч прерывался вращающимся зубчатым колесом.

Изображение Скорость света ФизоИзмеренная частота вращения колеса, при которой луч по его возвращению затмевался зубчатым венцом, использовался для определения времени прохождения луча. Физо сообщил о скорости света, которая отличается только на 5 процентов от принятого в настоящее время значения. Год спустя французский физик Леон Фуко повысил точность метода примерно до 1 процента.

В том же году Фуко показал, что скорость света в воде меньше её скорости в воздухе на соотношение показателей преломления воздуха и воды:

скорость света в воде
Это измерение установило показатель преломления материала как отношение скорости света в вакууме к скорости внутри материала. Более общий вывод о том, что свет замедляется в прозрачных средах, прямо противоречил утверждению Исаака Ньютона о том, что световые частицы движутся в средах быстрее, чем в вакууме, и разрешил любые давние сомнения 19-го века о дебатах корпускулярных волн.

Эксперимент Майкельсона-Морли

Американский физик немецкого происхождения А.А. Майкельсон установил ранний стандарт для измерения скорости света в конце 1870-х годов, определив скорость в пределах 0,02 процента от современного значения. Однако наиболее примечательные измерения скорости света Майкельсоном еще предстояли.

От первых рассуждений о волновой природе света Гюйгенса до постепенно совершенствующихся теорий Янга, Френеля и Максвелла предполагалось, что базовая физическая среда поддерживает передачу света почти так же, как воздух поддерживает передачу звука.

Считалось, что эта среда, называемая эфиром или светоносным эфиром, пронизывает все пространство. Предполагаемые физические свойства эфира были проблематичными — чтобы поддерживать высокочастотные поперечные колебания света, он должен быть очень жестким, но его отсутствие влияния на движение планет и тот факт, что он не наблюдался ни в каких земных условиях, требовали быть незначительным и химически необнаружимым.

В 1887 году Майкельсон в сотрудничестве с американским химиком Эдвардом Морли выполнил точный набор оптических измерений, предназначенных для обнаружения движения Земли через эфир, когда она вращается вокруг Солнца.

Измерения в эксперименте Майкельсона-Морли основывались на предположении, что наблюдатель, находящийся в покое в эфире, будет определять скорость, отличную от наблюдателя, движущегося через эфир.

Поскольку скорость Земли относительно Солнца составляет около 29 000 метров в секунду, или около 0,01 процента от скорости света, Земля обеспечивает удобную точку обзора для измерения любого изменения относительной скорости света из-за движения. С помощью оптического интерферометра Майкельсона в ходе движения по орбите отслеживались эффекты помех между двумя световыми пучками, проходящими параллельно и перпендикулярно орбитальному движению Земли.

Прибор был способен обнаруживать разницу в скоростях света по двум путям интерферометра до 5000 метров в секунду (менее 2 частей на 100000 скорости света). Никакой разницы не было найдено. Если Земля действительно двигалась через эфир, то это движение, казалось, не влияло на измеренную скорость света.

Изображение Эксперимент Майкельсона-МорлиТо, что сейчас известно как самый известный экспериментальный нулевой результат в физике, было согласовано в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн в своей формулировке специальной теории относительности постулировал, что скорость света одинакова во всех системах отсчета; то есть измеренная скорость света не зависит от относительного движения наблюдателя и источника света. Гипотетический эфир с его предпочтительной системой отсчета был в конечном итоге отброшен как ненужная конструкция.

Фундаментальная константа природы

Со времени работы Эйнштейна скорость света считается фундаментальной постоянной природы. Её значение гораздо шире, чем роль в описании свойства электромагнитных волн.

Изображение Фундаментальная константа природыОна служит единственной предельной скоростью во вселенной, будучи верхней границей скорости распространения сигналов и скоростей всех материальных частиц. В известном уравнении относительности E = mc2 скорость света (c) служит константой пропорциональности, связывающей ранее разрозненные представления о массе (m) и энергии (E).

Измерения скорости света были последовательно уточнены в 20-м веке, в конечном итоге достигнув точности, ограниченной определениями единиц длины и времени — метра и секунды.

В 1983 году 17-я Генеральная конференция по мерам и весам установила постоянную скорость света равной 299 792 458 м/с.

Метр стал производной единицей, равной расстоянию, пройденному светом за 1/299 792 458 секунды (см. Международная система единиц).

Путешествие по Солнечной системе со скоростью света

Жмите кнопку «Поделиться» в соцсетях, чтобы не потерять информацию

Комментарии
Загрузка...

Здравствуйте! Мы используем куки для наилучшего представления нашего сайта. Вы видите это сообщение во исполнение нами Федерального закона от 27.07.2006 N 152-ФЗ "О персональных данных". Закрыть Читать далее