Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό; Πώς μετρήθηκε η ταχύτητα του φωτός και ποια είναι η πραγματική της τιμή;

Αν και στην καθημερινή ζωή είναι σπάνιο να υπολογίσει κανείς απευθείας ποια είναι η ταχύτητα του φωτός, το ενδιαφέρον για αυτό το θέμα εκδηλώνεται στην παιδική ηλικία. Παραδόξως, όλοι συναντάμε καθημερινά το πρόσημο της σταθεράς ταχύτητας διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η ταχύτητα του φωτός είναι μια θεμελιώδης ποσότητα λόγω της οποίας ολόκληρο το Σύμπαν υπάρχει ακριβώς όπως το γνωρίζουμε.

Σίγουρα, όλοι, βλέποντας στην παιδική ηλικία μια αστραπή και τον επακόλουθο χειροκρότημα βροντής, προσπάθησαν να καταλάβουν τι προκάλεσε την καθυστέρηση μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου φαινομένου. Ο απλός διανοητικός συλλογισμός οδήγησε γρήγορα σε ένα λογικό συμπέρασμα: η ταχύτητα του φωτός και του ήχου διαφέρουν. Αυτή είναι η πρώτη εισαγωγή σε δύο σημαντικά φυσικά μεγέθη. Στη συνέχεια, κάποιος έλαβε τις απαραίτητες γνώσεις και μπορούσε εύκολα να εξηγήσει τι συνέβαινε. Τι προκαλεί την παράξενη συμπεριφορά της βροντής; Η απάντηση είναι ότι η ταχύτητα του φωτός, που είναι περίπου 300 χιλιάδες km/s, είναι σχεδόν ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα διάδοσης στον αέρα (330 m/s). Επομένως, ένα άτομο βλέπει πρώτα από κεραυνό και μόνο μετά από λίγο ακούει το βρυχηθμό της βροντής. Για παράδειγμα, εάν υπάρχει 1 km από το επίκεντρο μέχρι τον παρατηρητή, τότε το φως θα καλύψει αυτήν την απόσταση σε 3 μικροδευτερόλεπτα, αλλά ο ήχος θα πάρει έως και 3 δευτερόλεπτα. Γνωρίζοντας την ταχύτητα του φωτός και τον χρόνο καθυστέρησης μεταξύ του φλας και της βροντής, μπορείτε να υπολογίσετε την απόσταση.

Οι προσπάθειες μέτρησής του έχουν γίνει εδώ και πολύ καιρό. Τώρα είναι πολύ αστείο να διαβάζεις για τα πειράματα που πραγματοποιούνται, ωστόσο, σε εκείνους τους μακρινούς χρόνους, πριν από την εμφάνιση των οργάνων ακριβείας, όλα ήταν κάτι παραπάνω από σοβαρά. Ενώ προσπαθούσαμε να μάθουμε ποια είναι η ταχύτητα του φωτός, πραγματοποιήθηκε ένα ενδιαφέρον πείραμα. Στο ένα άκρο του αυτοκινήτου ενός τρένου που κινούνταν γρήγορα, βρισκόταν ένας άνδρας με ακριβές χρονόμετρο, και στην απέναντι πλευρά ο βοηθός του στην ομάδα άνοιξε το κλείστρο της λάμπας. Σύμφωνα με την ιδέα, το χρονοόμετρο έπρεπε να καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της ταχύτητας διάδοσης των φωτονίων του φωτός. Επιπλέον, αλλάζοντας τις θέσεις του λαμπτήρα και του χρονομέτρου (διατηρώντας την κατεύθυνση κίνησης του τρένου), θα ήταν δυνατό να διαπιστώσουμε εάν η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή ή αν μπορεί να αυξηθεί/μειωθεί (ανάλογα με η κατεύθυνση της δέσμης, θεωρητικά, η ταχύτητα του τρένου θα μπορούσε να επηρεάσει την ταχύτητα που μετρήθηκε στο πείραμα). Φυσικά, το πείραμα απέτυχε, αφού η ταχύτητα του φωτός και η καταγραφή από ένα χρονοόμετρο είναι ασύγκριτες.

Για πρώτη φορά, η πιο ακριβής μέτρηση έγινε το 1676 χάρη στις παρατηρήσεις του Olaf Roemer παρατήρησε ότι η πραγματική εμφάνιση της Io και τα υπολογισμένα δεδομένα διέφεραν κατά 22 λεπτά. Καθώς οι πλανήτες πλησίαζαν, η καθυστέρηση μειώθηκε. Γνωρίζοντας την απόσταση, ήταν δυνατό να υπολογιστεί η ταχύτητα του φωτός. Ήταν περίπου 215 χιλιάδες km/s. Στη συνέχεια, το 1926, ο D. Bradley, ενώ μελετούσε τις αλλαγές στις φαινομενικές θέσεις των άστρων (εκτροπή), επέστησε την προσοχή σε ένα μοτίβο. Η θέση του αστεριού άλλαζε ανάλογα με την εποχή του χρόνου. Κατά συνέπεια, η θέση του πλανήτη σε σχέση με τον Ήλιο είχε επίδραση. Μπορεί να δοθεί μια αναλογία - σταγόνες βροχής. Χωρίς άνεμο, πετούν κατακόρυφα προς τα κάτω, αλλά μόλις τρέχουν, η φαινομενική τροχιά τους αλλάζει. Γνωρίζοντας την ταχύτητα περιστροφής του πλανήτη γύρω από τον Ήλιο, ήταν δυνατό να υπολογιστεί η ταχύτητα του φωτός. Ανήλθε σε 301 χιλιάδες km/s.

Το 1849, ο A. Fizeau διεξήγαγε το ακόλουθο πείραμα: ανάμεσα σε μια πηγή φωτός και έναν καθρέφτη, σε απόσταση 8 km, υπήρχε ένας περιστρεφόμενος. Η ταχύτητα περιστροφής του αυξήθηκε μέχρι που στο επόμενο κενό η ροή του ανακλώμενου φωτός μετατράπηκε σε σταθερή (χωρίς τρεμόπαιγμα). Οι υπολογισμοί έδωσαν 315 χιλιάδες km/s. Τρία χρόνια αργότερα, ο L. Foucault χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη και έλαβε 298 χιλιάδες km/s.

Τα επόμενα πειράματα έγιναν ολοένα και πιο ακριβή, λαμβάνοντας υπόψη τη διάθλαση στον αέρα κ.λπ. Επί του παρόντος, τα δεδομένα που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας ένα ρολόι καισίου και μια δέσμη λέιζερ θεωρούνται σχετικά. Σύμφωνα με αυτούς, ισούται με 299 χιλιάδες km/s.

Η ταχύτητα του φωτός είναι η απόσταση που διανύει το φως ανά μονάδα χρόνου. Αυτή η τιμή εξαρτάται από την ουσία στην οποία διαδίδεται το φως.

Στο κενό, η ταχύτητα του φωτός είναι 299.792.458 m/s. Αυτή είναι η υψηλότερη ταχύτητα που μπορεί να επιτευχθεί. Κατά την επίλυση προβλημάτων που δεν απαιτούν ιδιαίτερη ακρίβεια, αυτή η τιμή λαμβάνεται ίση με 300.000.000 m/s. Υποτίθεται ότι όλοι οι τύποι ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας διαδίδονται στο κενό με την ταχύτητα του φωτός: ραδιοκύματα, υπέρυθρη ακτινοβολία, ορατό φως, υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες Χ, ακτινοβολία γάμμα. Υποδεικνύεται με επιστολή Με .

Πώς καθορίστηκε η ταχύτητα του φωτός;

Στην αρχαιότητα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν άπειρη. Αργότερα, άρχισαν συζητήσεις για αυτό το θέμα μεταξύ των επιστημόνων. Ο Κέπλερ, ο Ντεκάρτ και ο Φερμά συμφώνησαν με την άποψη των αρχαίων επιστημόνων. Και ο Γαλιλαίος και ο Χουκ πίστευαν ότι, αν και η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ υψηλή, εξακολουθεί να έχει μια πεπερασμένη τιμή.

Galileo Galilei

Ένας από τους πρώτους που προσπάθησαν να μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός ήταν ο Ιταλός επιστήμονας Galileo Galilei. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, αυτός και ο βοηθός του βρίσκονταν σε διαφορετικούς λόφους. Ο Γαλιλαίος άνοιξε το παντζούρι στο φανάρι του. Τη στιγμή που ο βοηθός είδε αυτό το φως, έπρεπε να κάνει τις ίδιες ενέργειες με το φανάρι του. Ο χρόνος που χρειάστηκε για να ταξιδέψει το φως από το Galileo στον βοηθό και πίσω αποδείχθηκε τόσο σύντομος που ο Galileo συνειδητοποίησε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ υψηλή και είναι αδύνατο να τη μετρήσει σε τόσο μικρή απόσταση, καθώς το φως ταξιδεύει σχεδόν αμέσως. Και ο χρόνος που κατέγραψε δείχνει μόνο την ταχύτητα αντίδρασης ενός ατόμου.

Η ταχύτητα του φωτός καθορίστηκε για πρώτη φορά το 1676 από τον Δανό αστρονόμο Olaf Roemer χρησιμοποιώντας αστρονομικές αποστάσεις. Χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο για να παρατηρήσει την έκλειψη του φεγγαριού του Δία Io, ανακάλυψε ότι καθώς η Γη απομακρύνεται από τον Δία, κάθε επόμενη έκλειψη συμβαίνει αργότερα από το υπολογισμένο. Η μέγιστη καθυστέρηση, όταν η Γη κινείται στην άλλη πλευρά του Ήλιου και απομακρύνεται από τον Δία σε απόσταση ίση με τη διάμετρο της τροχιάς της Γης, είναι 22 ώρες. Αν και η ακριβής διάμετρος της Γης δεν ήταν γνωστή εκείνη την εποχή, ο επιστήμονας διαίρεσε την κατά προσέγγιση τιμή της με 22 ώρες και έλαβε μια τιμή περίπου 220.000 km/s.

Όλαφ Ρόμερ

Το αποτέλεσμα που έλαβε ο Roemer προκάλεσε δυσπιστία στους επιστήμονες. Αλλά το 1849, ο Γάλλος φυσικός Armand Hippolyte Louis Fizeau μέτρησε την ταχύτητα του φωτός χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του περιστρεφόμενου κλείστρου. Στο πείραμά του, το φως από μια πηγή πέρασε ανάμεσα στα δόντια ενός περιστρεφόμενου τροχού και κατευθυνόταν σε έναν καθρέφτη. Αντικατοπτρισμένος από αυτόν, επέστρεψε πίσω. Η ταχύτητα περιστροφής του τροχού αυξήθηκε. Όταν έφτασε σε μια ορισμένη τιμή, η ακτίνα που αντανακλάται από τον καθρέφτη καθυστέρησε από ένα κινούμενο δόντι και ο παρατηρητής δεν είδε τίποτα εκείνη τη στιγμή.

Η εμπειρία του Fizeau

Ο Fizeau υπολόγισε την ταχύτητα του φωτός ως εξής. Το φως πάει το δρόμο του μεγάλο από τον τροχό στον καθρέφτη σε χρόνο ίσο με t 1 = 2L/c . Ο χρόνος που χρειάζεται για να γυρίσει ο τροχός ½ σχισμή είναι t 2 = T/2N , Οπου Τ - περίοδος περιστροφής τροχού, Ν - αριθμός δοντιών. Συχνότητα περιστροφής v = 1/T . Η στιγμή που ο παρατηρητής δεν βλέπει φως συμβαίνει όταν t 1 = t 2 . Από εδώ παίρνουμε τον τύπο για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός:

c = 4LNv

Έχοντας πραγματοποιήσει υπολογισμούς χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο, ο Fizeau προσδιόρισε ότι Με = 313.000.000 m/s. Αυτό το αποτέλεσμα ήταν πολύ πιο ακριβές.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

Το 1838, ο Γάλλος φυσικός και αστρονόμος Dominique François Jean Arago πρότεινε τη χρήση της μεθόδου του περιστρεφόμενου καθρέφτη για τον υπολογισμό της ταχύτητας του φωτός. Αυτή η ιδέα έγινε πράξη από τον Γάλλο φυσικό, μηχανικό και αστρονόμο Jean Bernard Leon Foucault, ο οποίος το 1862 έλαβε την τιμή της ταχύτητας του φωτός (298.000.000±500.000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

Το 1891, το αποτέλεσμα του Αμερικανού αστρονόμου Simon Newcomb αποδείχθηκε ότι ήταν μια τάξη μεγέθους πιο ακριβές από το αποτέλεσμα του Foucault. Ως αποτέλεσμα των υπολογισμών του Με = (99.810.000±50.000) m/s.

Έρευνα του Αμερικανού φυσικού Albert Abraham Michelson, ο οποίος χρησιμοποίησε μια διάταξη με έναν περιστρεφόμενο οκταγωνικό καθρέφτη, κατέστησε δυνατό τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια. Το 1926, ο επιστήμονας μέτρησε τον χρόνο που χρειαζόταν το φως για να διανύσει την απόσταση μεταξύ των κορυφών δύο βουνών, ίση με 35,4 χλμ. και έλαβε Με = (299.796.000±4.000) m/s.

Η πιο ακριβής μέτρηση πραγματοποιήθηκε το 1975. Την ίδια χρονιά, η Γενική Διάσκεψη για τα Βάρη και τα Μέτρα συνέστησε να θεωρηθεί η ταχύτητα του φωτός ίση με 299.792.458 ± 1,2 m/s.

Από τι εξαρτάται η ταχύτητα του φωτός;

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό δεν εξαρτάται ούτε από το πλαίσιο αναφοράς ούτε από τη θέση του παρατηρητή. Παραμένει σταθερό, ίσο με 299.792.458 ± 1,2 m/s. Αλλά σε διάφορα διαφανή μέσα αυτή η ταχύτητα θα είναι χαμηλότερη από την ταχύτητά της στο κενό. Οποιοδήποτε διαφανές μέσο έχει οπτική πυκνότητα. Και όσο υψηλότερο είναι, τόσο πιο αργή η ταχύτητα του φωτός διαδίδεται σε αυτό. Για παράδειγμα, η ταχύτητα του φωτός στον αέρα είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητά του στο νερό και στο καθαρό οπτικό γυαλί είναι χαμηλότερη από ό,τι στο νερό.

Εάν το φως μετακινηθεί από ένα λιγότερο πυκνό μέσο σε ένα πιο πυκνό, η ταχύτητά του μειώνεται. Και αν η μετάβαση γίνει από ένα πιο πυκνό μέσο σε ένα λιγότερο πυκνό, τότε η ταχύτητα, αντίθετα, αυξάνεται. Αυτό εξηγεί γιατί η δέσμη φωτός εκτρέπεται στο μεταβατικό όριο μεταξύ δύο μέσων.

επίγραφο
Ο δάσκαλος ρωτά: Παιδιά, ποιο είναι το πιο γρήγορο πράγμα στον κόσμο;
Η Tanechka λέει: Η πιο γρήγορη λέξη. Απλώς είπα, δεν θα επιστρέψεις.
Ο Vanechka λέει: Όχι, το φως είναι το πιο γρήγορο.
Μόλις πάτησα τον διακόπτη, το δωμάτιο έγινε αμέσως φως.
Και ο Vovochka αντιτίθεται: Το πιο γρήγορο πράγμα στον κόσμο είναι η διάρροια.
Κάποτε ήμουν τόσο ανυπόμονος που δεν είπα λέξη
Δεν πρόλαβα να πω τίποτα ή να ανάψω το φως.

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί η ταχύτητα του φωτός είναι μέγιστη, πεπερασμένη και σταθερή στο Σύμπαν μας; Αυτή είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα ερώτηση, και αμέσως, ως spoiler, θα αποκαλύψω το τρομερό μυστικό της απάντησης σε αυτήν - κανείς δεν ξέρει ακριβώς γιατί. Λαμβάνεται η ταχύτητα του φωτός, δηλ. διανοητικά αποδεκτήγια μια σταθερά, και σε αυτό το αξίωμα, καθώς και στην ιδέα ότι όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς είναι ίσα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έχτισε την ειδική θεωρία της σχετικότητας, η οποία εξοργίζει τους επιστήμονες εδώ και εκατό χρόνια, επιτρέποντας στον Αϊνστάιν να κολλήσει τη γλώσσα του έξω στον κόσμο με ατιμωρησία και χαμόγελο στον τάφο του για τις διαστάσεις του χοίρου που φύτεψε σε όλη την ανθρωπότητα.

Αλλά γιατί, στην πραγματικότητα, είναι τόσο σταθερό, τόσο μέγιστο και τόσο τελικό, δεν υπάρχει απάντηση, αυτό είναι απλώς ένα αξίωμα, δηλ. μια δήλωση που βασίζεται στην πίστη, επιβεβαιωμένη από παρατηρήσεις και κοινή λογική, αλλά δεν μπορεί να συναχθεί από πουθενά λογικά ή μαθηματικά. Και είναι πολύ πιθανό να μην είναι τόσο αληθινό, αλλά κανείς δεν έχει καταφέρει ακόμα να το διαψεύσει με οποιαδήποτε εμπειρία.

Έχω τις δικές μου σκέψεις για αυτό το θέμα, περισσότερα για αυτές αργότερα, αλλά προς το παρόν, ας το κρατήσουμε απλό, στα δάχτυλά σας™Θα προσπαθήσω να απαντήσω τουλάχιστον σε ένα μέρος - τι σημαίνει η ταχύτητα του φωτός "σταθερή".

Όχι, δεν θα σας κουράσω με πειράματα σκέψης για το τι θα συνέβαινε αν ανάψετε τους προβολείς σε έναν πύραυλο που πετά με την ταχύτητα του φωτός κ.λπ., αυτό είναι λίγο εκτός θέματος τώρα.

Αν κοιτάξετε σε ένα βιβλίο αναφοράς ή στη Wikipedia, η ταχύτητα του φωτός στο κενό ορίζεται ως μια θεμελιώδης φυσική σταθερά που ακριβώςίσο με 299.792.458 m/s. Λοιπόν, δηλαδή, χοντρικά, θα είναι περίπου 300.000 km/s, αλλά αν ακριβώς σωστό- 299.792.458 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

Φαίνεται, από πού προέρχεται αυτή η ακρίβεια; Οποιαδήποτε μαθηματική ή φυσική σταθερά, όποια κι αν είναι, ακόμα και το Pi, ακόμη και η βάση του φυσικού λογάριθμου μι, ακόμη και η σταθερά βαρύτητας G, ή η σταθερά του Planck η, περιέχει πάντα μερικά αριθμοί μετά την υποδιαστολή. Στο Pi, περίπου 5 τρισεκατομμύρια από αυτά τα δεκαδικά ψηφία είναι επί του παρόντος γνωστά (αν και μόνο τα πρώτα 39 ψηφία έχουν φυσική σημασία), η σταθερά βαρύτητας ορίζεται σήμερα ως G ~ 6,67384(80)x10 -11 και η σταθερή Plank η~ 6,62606957(29)x10 -34 .

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι λείος 299.792.458 m/s, ούτε ένα εκατοστό περισσότερο, ούτε ένα νανοδευτερόλεπτο λιγότερο. Θέλετε να μάθετε από πού προέρχεται αυτή η ακρίβεια;

Όλα ξεκίνησαν ως συνήθως με τους αρχαίους Έλληνες. Η επιστήμη, ως τέτοια, με τη σύγχρονη έννοια του όρου, δεν υπήρχε ανάμεσά τους. Οι φιλόσοφοι της αρχαίας Ελλάδας ονομάζονταν φιλόσοφοι επειδή πρώτα εφηύραν μερικές βλακείες στο κεφάλι τους και μετά, χρησιμοποιώντας λογικά συμπεράσματα (και μερικές φορές αληθινά φυσικά πειράματα), προσπάθησαν να το αποδείξουν ή να το διαψεύσουν. Ωστόσο, η χρήση πραγματικών φυσικών μετρήσεων και φαινομένων θεωρήθηκε από αυτούς ως αποδεικτικά στοιχεία «δεύτερης κατηγορίας», τα οποία δεν μπορούν να συγκριθούν με λογικά συμπεράσματα πρώτης κατηγορίας που λαμβάνονται απευθείας από το κεφάλι.

Ο πρώτος που σκέφτηκε την ύπαρξη της ίδιας της ταχύτητας του φωτός θεωρείται ο φιλόσοφος Εμπιδοκλής, ο οποίος δήλωσε ότι το φως είναι κίνηση και η κίνηση πρέπει να έχει ταχύτητα. Είχε αντιρρήσεις από τον Αριστοτέλη, ο οποίος υποστήριξε ότι το φως είναι απλώς η παρουσία κάτι στη φύση, και αυτό είναι όλο. Και τίποτα δεν κινείται πουθενά. Αλλά αυτό είναι κάτι άλλο! Ο Ευκλείδης και ο Πτολεμαίος πίστευαν γενικά ότι το φως εκπέμπεται από τα μάτια μας και στη συνέχεια πέφτει πάνω σε αντικείμενα και επομένως τα βλέπουμε. Εν ολίγοις, οι αρχαίοι Έλληνες ήταν όσο ηλίθιοι μπορούσαν μέχρι να κατακτηθούν από τους ίδιους αρχαίους Ρωμαίους.

Στο Μεσαίωνα, οι περισσότεροι επιστήμονες συνέχισαν να πιστεύουν ότι η ταχύτητα διάδοσης του φωτός ήταν άπειρη, μεταξύ των οποίων ήταν, ας πούμε, ο Ντεκάρτ, ο Κέπλερ και ο Φερμά.

Αλλά κάποιοι, όπως ο Γαλιλαίος, πίστευαν ότι το φως είχε ταχύτητα και επομένως μπορούσε να μετρηθεί. Είναι ευρέως γνωστό το πείραμα του Galileo, ο οποίος άναψε μια λάμπα και έδωσε φως σε έναν βοηθό που βρισκόταν αρκετά χιλιόμετρα από το Galileo. Έχοντας δει το φως, ο βοηθός άναψε τη λάμπα του και ο Γαλιλαίος προσπάθησε να μετρήσει την καθυστέρηση μεταξύ αυτών των στιγμών. Φυσικά, δεν τα κατάφερε και στο τέλος αναγκάστηκε να γράψει στα γραπτά του ότι αν το φως έχει ταχύτητα, τότε είναι εξαιρετικά υψηλή και δεν μπορεί να μετρηθεί με την ανθρώπινη προσπάθεια, και επομένως μπορεί να θεωρηθεί άπειρο.

Η πρώτη τεκμηριωμένη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός αποδίδεται στον Δανό αστρονόμο Olaf Roemer το 1676. Μέχρι αυτό το έτος, οι αστρονόμοι, οπλισμένοι με τα τηλεσκόπια του ίδιου Galileo, παρατηρούσαν ενεργά τους δορυφόρους του Δία και υπολόγιζαν ακόμη και τις περιόδους περιστροφής τους. Οι επιστήμονες έχουν καθορίσει ότι το πλησιέστερο φεγγάρι στον Δία, η Ιώ, έχει περίοδο περιστροφής περίπου 42 ωρών. Ωστόσο, ο Roemer παρατήρησε ότι μερικές φορές η Io εμφανίζεται πίσω από τον Δία 11 λεπτά νωρίτερα από το αναμενόμενο και μερικές φορές 11 λεπτά αργότερα. Όπως αποδείχθηκε, η Ιώ εμφανίζεται νωρίτερα σε εκείνες τις περιόδους που η Γη, περιστρέφοντας γύρω από τον Ήλιο, πλησιάζει τον Δία σε ελάχιστη απόσταση και υστερεί κατά 11 λεπτά όταν η Γη βρίσκεται στην αντίθετη θέση της τροχιάς, και επομένως είναι πιο μακριά από Ζεύς.

Διαιρώντας ανόητα τη διάμετρο της τροχιάς της γης (και ήταν ήδη λίγο-πολύ γνωστό εκείνες τις μέρες) με 22 λεπτά, ο Roemer έλαβε την ταχύτητα του φωτός 220.000 km/s, χάνοντας την πραγματική τιμή κατά περίπου το ένα τρίτο.

Το 1729, ο Άγγλος αστρονόμος Τζέιμς Μπράντλεϊ, παρατηρώντας παράλλαξη(με μια μικρή απόκλιση στη θέση) το αστέρι Etamin (Gamma Draconis) ανακάλυψε το φαινόμενο εκτροπές φωτός, δηλ. μια αλλαγή στη θέση των αστεριών που βρίσκονται πιο κοντά μας στον ουρανό λόγω της κίνησης της Γης γύρω από τον Ήλιο.

Από το φαινόμενο της εκτροπής φωτός, που ανακαλύφθηκε από τον Bradley, μπορεί επίσης να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το φως έχει μια πεπερασμένη ταχύτητα διάδοσης, την οποία ο Bradley χρησιμοποίησε, υπολογίζοντας ότι είναι περίπου 301.000 km/s, η οποία είναι ήδη με ακρίβεια 1% του η αξία που είναι γνωστή σήμερα.

Ακολούθησαν όλες οι διευκρινιστικές μετρήσεις από άλλους επιστήμονες, αλλά δεδομένου ότι πιστεύεται ότι το φως είναι ένα κύμα και ένα κύμα δεν μπορεί να διαδοθεί από μόνο του, κάτι πρέπει να «διεγερθεί», η ιδέα της ύπαρξης ενός « προέκυψε ο φωτεινός αιθέρας, στην ανακάλυψη του οποίου ο Αμερικανός απέτυχε παταγωδώς στον φυσικό Άλμπερτ Μίχελσον. Δεν ανακάλυψε κανέναν φωτεινό αιθέρα, αλλά το 1879 διευκρίνισε την ταχύτητα του φωτός στα 299.910±50 km/s.

Περίπου την ίδια εποχή, ο Μάξγουελ δημοσίευσε τη θεωρία του για τον ηλεκτρομαγνητισμό, που σημαίνει ότι η ταχύτητα του φωτός κατέστη δυνατή όχι μόνο να μετρηθεί άμεσα, αλλά και να προκύψει από τις τιμές της ηλεκτρικής και μαγνητικής διαπερατότητας, κάτι που έγινε διευκρινίζοντας την τιμή του η ταχύτητα του φωτός στα 299.788 km/s το 1907.

Τέλος, ο Αϊνστάιν δήλωσε ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή και δεν εξαρτάται από τίποτα απολύτως. Αντίθετα, όλα τα άλλα - η προσθήκη ταχυτήτων και η εύρεση των σωστών συστημάτων αναφοράς, τα αποτελέσματα της διαστολής του χρόνου και οι αλλαγές στις αποστάσεις κατά την κίνηση με υψηλές ταχύτητες και πολλά άλλα σχετικιστικά φαινόμενα εξαρτώνται από την ταχύτητα του φωτός (επειδή περιλαμβάνεται σε όλους τους τύπους όπως μια σταθερά). Εν ολίγοις, τα πάντα στον κόσμο είναι σχετικά, και η ταχύτητα του φωτός είναι η ποσότητα σε σχέση με την οποία όλα τα άλλα πράγματα στον κόσμο μας είναι σχετικά. Εδώ, ίσως, να δώσουμε την παλάμη στον Λόρεντς, αλλά ας μην είμαστε εμπορικοί, ο Αϊνστάιν είναι Αϊνστάιν.

Ο ακριβής προσδιορισμός της τιμής αυτής της σταθεράς συνεχίστηκε καθ' όλη τη διάρκεια του 20ου αιώνα, με κάθε δεκαετία οι επιστήμονες να ανακαλύπτουν όλο και περισσότερα αριθμοί μετά το δεκαδικό ψηφίομε την ταχύτητα του φωτός, μέχρι που άρχισαν να γεννιούνται αόριστες υποψίες στο κεφάλι τους.

Καθορίζοντας ολοένα και με μεγαλύτερη ακρίβεια πόσα μέτρα το φως ταξιδεύει στο κενό ανά δευτερόλεπτο, οι επιστήμονες άρχισαν να αναρωτιούνται τι μετράμε σε μέτρα; Άλλωστε, τελικά, ένα μέτρο είναι μόλις το μήκος κάποιου ραβδιού πλατίνας-ιριδίου που κάποιος ξέχασε σε κάποιο μουσείο κοντά στο Παρίσι!

Και στην αρχή η ιδέα της εισαγωγής ενός τυπικού μετρητή φαινόταν εξαιρετική. Για να μην υποφέρουν με γιάρδες, πόδια και άλλα λοξά σημεία, οι Γάλλοι το 1791 αποφάσισαν να πάρουν ως τυπικό μέτρο μήκους το ένα δέκα εκατομμυριοστό της απόστασης από τον Βόρειο Πόλο στον ισημερινό κατά μήκος του μεσημβρινού που περνούσε από το Παρίσι. Μέτρησαν αυτή την απόσταση με την ακρίβεια που ήταν διαθέσιμη εκείνη την εποχή, έριξαν ένα ραβδί από ένα κράμα πλατίνας-ιριδίου (πιο συγκεκριμένα, πρώτα ορείχαλκος, μετά πλατίνα και μετά πλατίνα-ιρίδιο) και το έβαλαν σε αυτόν τον πολύ παρισινό θάλαμο βαρών και μέτρων ως ένα δείγμα. Όσο προχωράμε, τόσο περισσότερο αποδεικνύεται ότι η επιφάνεια της γης αλλάζει, οι ήπειροι παραμορφώνονται, οι μεσημβρινοί μετατοπίζονται και κατά ένα δέκατο εκατομμυριοστό έχουν ξεχάσει και άρχισαν να μετρούν ως μέτρο το μήκος του ραβδιού που βρίσκεται στο κρυστάλλινο φέρετρο του παρισινού «μαυσωλείου».

Μια τέτοια ειδωλολατρία δεν ταιριάζει σε έναν πραγματικό επιστήμονα, αυτό δεν είναι η Κόκκινη Πλατεία (!), και το 1960 αποφασίστηκε να απλοποιηθεί η έννοια του μετρητή σε έναν εντελώς προφανή ορισμό - ο μετρητής είναι ακριβώς ίσος με 1.650.763,73 μήκη κύματος που εκπέμπονται από τη μετάβαση του ηλεκτρόνια μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων 2p10 και 5d5 του μη διεγερμένου ισοτόπου του στοιχείου Krypton-86 στο κενό. Λοιπόν, πόσο πιο ξεκάθαρο;

Αυτό συνεχίστηκε για 23 χρόνια, ενώ η ταχύτητα του φωτός στο κενό μετρήθηκε με αυξανόμενη ακρίβεια, ώσπου το 1983, τελικά, ακόμη και οι πιο επίμονοι ανάδρομοι συνειδητοποίησαν ότι η ταχύτητα του φωτός είναι η πιο ακριβής και ιδανική σταθερά, και όχι κάποιου είδους του ισοτόπου του κρυπτονίου. Και αποφασίστηκε να γυρίσουν τα πάντα ανάποδα (ακριβέστερα, αν το καλοσκεφτείς, αποφασίστηκε να γυρίσουν τα πάντα ανάποδα), τώρα η ταχύτητα του φωτός Μεείναι μια πραγματική σταθερά, και ένα μέτρο είναι η απόσταση που διανύει το φως στο κενό σε (1/299.792.458) δευτερόλεπτα.

Η πραγματική τιμή της ταχύτητας του φωτός συνεχίζει να αποσαφηνίζεται σήμερα, αλλά αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι ότι με κάθε νέο πείραμα, οι επιστήμονες δεν διευκρινίζουν την ταχύτητα του φωτός, αλλά το πραγματικό μήκος του μέτρου. Και όσο ακριβέστερα βρεθεί η ταχύτητα του φωτός τις επόμενες δεκαετίες, τόσο πιο ακριβής είναι ο μετρητής που θα έχουμε τελικά.

Και όχι το αντίστροφο.

Λοιπόν, τώρα ας επιστρέψουμε στα πρόβατά μας. Γιατί η ταχύτητα του φωτός στο κενό του Σύμπαντος μας είναι μέγιστη, πεπερασμένη και σταθερή; Έτσι το καταλαβαίνω.

Όλοι γνωρίζουν ότι η ταχύτητα του ήχου στο μέταλλο, και σχεδόν σε κάθε στερεό σώμα, είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου στον αέρα. Αυτό είναι πολύ εύκολο να το ελέγξετε, απλώς βάλτε το αυτί σας στη ράγα και θα μπορείτε να ακούσετε τους ήχους ενός τρένου που πλησιάζει πολύ νωρίτερα από τον αέρα. Γιατί αυτό? Είναι προφανές ότι ο ήχος είναι ουσιαστικά ο ίδιος και η ταχύτητα διάδοσής του εξαρτάται από το μέσο, ​​από τη διαμόρφωση των μορίων από τα οποία αποτελείται αυτό το μέσο, ​​από την πυκνότητά του, από τις παραμέτρους του κρυσταλλικού πλέγματος του - με λίγα λόγια, από την τρέχουσα κατάσταση του μέσου μέσω του οποίου μεταδόθηκε ο ήχος.

Και παρόλο που η ιδέα του φωτεινού αιθέρα έχει εγκαταλειφθεί εδώ και καιρό, το κενό μέσω του οποίου διαδίδονται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν είναι απολύτως τίποτα, όσο κενό και αν μας φαίνεται.

Καταλαβαίνω ότι η αναλογία είναι κάπως τραβηγμένη, αλλά αυτό είναι αλήθεια στα δάχτυλά σας™ίδιο! Ακριβώς ως προσιτή αναλογία, και σε καμία περίπτωση ως άμεση μετάβαση από ένα σύνολο φυσικών νόμων σε άλλους, σας ζητώ μόνο να φανταστείτε ότι η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών (και γενικά, οποιωνδήποτε, συμπεριλαμβανομένων των γλουονίων και των βαρυτικών) δονήσεων, ακριβώς όπως η ταχύτητα του ήχου στο ατσάλι είναι «ραμμένη» στη ράγα. Από εδώ χορεύουμε.

UPD: Παρεμπιπτόντως, καλώ τους «αναγνώστες με αστερίσκο» να φανταστούν αν η ταχύτητα του φωτός παραμένει σταθερή σε ένα «δύσκολο κενό». Για παράδειγμα, πιστεύεται ότι σε ενέργειες της τάξης της θερμοκρασίας 10–30 Κ, το κενό σταματά να βράζει απλώς με εικονικά σωματίδια και αρχίζει να «βράζει», δηλ. ο ιστός του χώρου πέφτει σε κομμάτια, οι ποσότητες Planck θολώνουν και χάνουν τη φυσική τους σημασία κ.λπ. Θα ήταν ακόμα ίση με την ταχύτητα του φωτός σε ένα τέτοιο κενό ντο, ή αυτό θα σηματοδοτήσει την αρχή μιας νέας θεωρίας του «σχετικιστικού κενού» με διορθώσεις όπως οι συντελεστές Lorentz σε ακραίες ταχύτητες; Δεν ξέρω, δεν ξέρω, ο χρόνος θα δείξει...

Τον 19ο αιώνα έγιναν πολλά επιστημονικά πειράματα που οδήγησαν στην ανακάλυψη μιας σειράς νέων φαινομένων. Μεταξύ αυτών των φαινομένων είναι η ανακάλυψη του Hans Oersted για τη δημιουργία μαγνητικής επαγωγής από ηλεκτρικό ρεύμα. Αργότερα, ο Michael Faraday ανακάλυψε το αντίθετο αποτέλεσμα, το οποίο ονομάστηκε ηλεκτρομαγνητική επαγωγή.

Οι εξισώσεις του Τζέιμς Μάξγουελ - η ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός

Ως αποτέλεσμα αυτών των ανακαλύψεων, σημειώθηκε η λεγόμενη «αλληλεπίδραση σε απόσταση», με αποτέλεσμα τη νέα θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού που διατυπώθηκε από τον Wilhelm Weber, η οποία βασίστηκε στη δράση μεγάλης εμβέλειας. Αργότερα, ο Maxwell όρισε την έννοια των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, τα οποία είναι ικανά να παράγουν το ένα το άλλο, που είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Στη συνέχεια, ο Maxwell χρησιμοποίησε τη λεγόμενη «ηλεκτρομαγνητική σταθερά» στις εξισώσεις του - Με.

Μέχρι εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες είχαν ήδη πλησιάσει στο γεγονός ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό στη φύση. Η φυσική έννοια της ηλεκτρομαγνητικής σταθεράς είναι η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών διεγέρσεων. Προς έκπληξη του ίδιου του Τζέιμς Μάξγουελ, η μετρούμενη τιμή αυτής της σταθεράς σε πειράματα με μοναδιαία φορτία και ρεύματα αποδείχθηκε ίση με την ταχύτητα του φωτός στο κενό.

Πριν από αυτή την ανακάλυψη, η ανθρωπότητα χώριζε το φως, τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό. Η γενίκευση του Maxwell μάς επέτρεψε να ρίξουμε μια νέα ματιά στη φύση του φωτός, ως ένα συγκεκριμένο τμήμα ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που διαδίδεται ανεξάρτητα στο διάστημα.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα διάγραμμα της διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος, το οποίο είναι επίσης φως. Εδώ H είναι το διάνυσμα έντασης μαγνητικού πεδίου, E είναι το διάνυσμα έντασης ηλεκτρικού πεδίου. Και τα δύο διανύσματα είναι κάθετα μεταξύ τους, καθώς και στην κατεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Πείραμα Michelson - η απολυτότητα της ταχύτητας του φωτός

Η φυσική εκείνης της εποχής βασίστηκε σε μεγάλο βαθμό στην αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου, σύμφωνα με την οποία οι νόμοι της μηχανικής φαίνονται ίδιοι σε οποιοδήποτε επιλεγμένο αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς. Ταυτόχρονα, σύμφωνα με την προσθήκη ταχυτήτων, η ταχύτητα διάδοσης θα πρέπει να εξαρτάται από την ταχύτητα της πηγής. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα θα συμπεριφερόταν διαφορετικά ανάλογα με την επιλογή του πλαισίου αναφοράς, γεγονός που παραβιάζει την αρχή της σχετικότητας του Galileo. Έτσι, η φαινομενικά καλά διαμορφωμένη θεωρία του Μάξγουελ βρισκόταν σε κλονισμένη κατάσταση.

Πειράματα έδειξαν ότι η ταχύτητα του φωτός πραγματικά δεν εξαρτάται από την ταχύτητα της πηγής, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτείται μια θεωρία που μπορεί να εξηγήσει ένα τόσο περίεργο γεγονός. Η καλύτερη θεωρία εκείνη την εποχή αποδείχθηκε ότι ήταν η θεωρία του «αιθέρα» - ένα ορισμένο μέσο στο οποίο διαδίδεται το φως, όπως ο ήχος διαδίδεται στον αέρα. Τότε η ταχύτητα του φωτός θα καθοριζόταν όχι από την ταχύτητα κίνησης της πηγής, αλλά από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του μέσου - του αιθέρα.

Πολλά πειράματα έχουν γίνει για την ανακάλυψη του αιθέρα, το πιο διάσημο από τα οποία είναι το πείραμα του Αμερικανού φυσικού Albert Michelson. Εν ολίγοις, είναι γνωστό ότι η Γη κινείται στο διάστημα. Τότε είναι λογικό να υποθέσουμε ότι κινείται επίσης μέσω του αιθέρα, αφού η πλήρης προσκόλληση του αιθέρα στη Γη δεν είναι μόνο ο υψηλότερος βαθμός εγωισμού, αλλά απλά δεν μπορεί να προκληθεί από τίποτα. Εάν η Γη κινείται μέσα από ένα ορισμένο μέσο στο οποίο διαδίδεται το φως, τότε είναι λογικό να υποθέσουμε ότι η προσθήκη ταχυτήτων γίνεται εδώ. Δηλαδή, η διάδοση του φωτός πρέπει να εξαρτάται από την κατεύθυνση κίνησης της Γης, η οποία διασχίζει τον αιθέρα. Ως αποτέλεσμα των πειραμάτων του, ο Michelson δεν ανακάλυψε καμία διαφορά μεταξύ της ταχύτητας διάδοσης του φωτός και στις δύο κατευθύνσεις από τη Γη.

Ο Ολλανδός φυσικός Χέντρικ Λόρεντς προσπάθησε να λύσει αυτό το πρόβλημα. Σύμφωνα με την υπόθεσή του, ο «αιθερικός άνεμος» επηρέαζε τα σώματα με τέτοιο τρόπο που μείωσαν το μέγεθός τους προς την κατεύθυνση της κίνησής τους. Με βάση αυτή την υπόθεση, τόσο η Γη όσο και η συσκευή του Michelson βίωσαν αυτή τη συστολή Lorentz, με αποτέλεσμα ο Albert Michelson να αποκτήσει την ίδια ταχύτητα για τη διάδοση του φωτός και στις δύο κατευθύνσεις. Και παρόλο που ο Λόρεντς πέτυχε κάπως στην καθυστέρηση του θανάτου της θεωρίας του αιθέρα, οι επιστήμονες εξακολουθούσαν να πιστεύουν ότι αυτή η θεωρία ήταν «παρατραβηγμένη». Έτσι, ο αιθέρας υποτίθεται ότι είχε μια σειρά από «παραμυθένιες» ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της έλλειψης βαρύτητας και της απουσίας αντίστασης στα κινούμενα σώματα.

Το τέλος της ιστορίας του αιθέρα ήρθε το 1905 με τη δημοσίευση του άρθρου «On the Electrodynamics of Moving Bodies» από τον ελάχιστα γνωστό τότε Albert Einstein.

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν

Ο εικοσιεξάχρονος Άλμπερτ Αϊνστάιν εξέφρασε μια εντελώς νέα, διαφορετική άποψη για τη φύση του χώρου και του χρόνου, η οποία ήταν αντίθετη με τις ιδέες της εποχής, και συγκεκριμένα παραβίαζε κατάφωρα την αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, το πείραμα του Michelson δεν έδωσε θετικά αποτελέσματα για το λόγο ότι ο χώρος και ο χρόνος έχουν τέτοιες ιδιότητες που η ταχύτητα του φωτός είναι απόλυτη τιμή. Δηλαδή, σε όποιο πλαίσιο αναφοράς κι αν βρίσκεται ο παρατηρητής, η ταχύτητα του φωτός σε σχέση με αυτόν είναι πάντα η ίδια, 300.000 km/sec. Από αυτό ακολούθησε την αδυναμία εφαρμογής της προσθήκης ταχυτήτων σε σχέση με το φως - όσο γρήγορα κι αν κινείται η φωτεινή πηγή, η ταχύτητα του φωτός δεν θα αλλάξει (προσθέστε ή αφαιρέσετε).

Ο Αϊνστάιν χρησιμοποίησε τη συστολή Lorentz για να περιγράψει τις αλλαγές στις παραμέτρους των σωμάτων που κινούνται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Έτσι, για παράδειγμα, το μήκος τέτοιων σωμάτων θα μειωθεί και ο χρόνος τους θα επιβραδυνθεί. Ο συντελεστής τέτοιων αλλαγών ονομάζεται παράγοντας Lorentz. Η διάσημη φόρμουλα του Αϊνστάιν Ε=mc 2στην πραγματικότητα περιλαμβάνει επίσης τον παράγοντα Lorentz ( Ε= ymc 2), το οποίο σε γενικές γραμμές ισούται με ενότητα στην περίπτωση που η ταχύτητα του σώματος vίσο με μηδέν. Καθώς πλησιάζει η ταχύτητα του σώματος vστην ταχύτητα του φωτός ντοπαράγοντας Lorentz yορμά προς το άπειρο. Από αυτό προκύπτει ότι για να επιταχυνθεί ένα σώμα στην ταχύτητα του φωτός, θα χρειαστεί άπειρη ποσότητα ενέργειας και επομένως είναι αδύνατο να υπερβεί αυτό το όριο ταχύτητας.

Υπάρχει επίσης ένα επιχείρημα υπέρ αυτής της δήλωσης που ονομάζεται «σχετικότητα του ταυτόχρονου».

Παράδοξο της σχετικότητας του ταυτόχρονου SRT

Εν ολίγοις, το φαινόμενο της σχετικότητας της ταυτόχρονης λειτουργίας είναι ότι τα ρολόγια που βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία του χώρου μπορούν να λειτουργούν «ταυτόχρονα» μόνο εάν βρίσκονται στο ίδιο αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς. Δηλαδή, η ώρα στο ρολόι εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος αναφοράς.

Από αυτό προκύπτει το παράδοξο ότι το γεγονός Β, που είναι συνέπεια του γεγονότος Α, μπορεί να συμβεί ταυτόχρονα με αυτό. Επιπλέον, είναι δυνατόν να επιλέγουμε συστήματα αναφοράς με τέτοιο τρόπο ώστε το γεγονός Β να συμβεί νωρίτερα από το γεγονός Α που το προκάλεσε. Ωστόσο, αυτή η υποθετική κατάσταση παρατηρείται μόνο στην περίπτωση που η απόσταση μεταξύ των γεγονότων Α και Β είναι μεγαλύτερη από το χρονικό διάστημα μεταξύ τους πολλαπλασιασμένο με την «ηλεκτρομαγνητική σταθερά» - Με. Έτσι, η σταθερά ντο, που ισούται με την ταχύτητα του φωτός, είναι η μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης πληροφοριών. Διαφορετικά, θα παραβιαζόταν η αρχή της αιτιότητας.

Πώς μετριέται η ταχύτητα του φωτός;

Παρατηρήσεις του Olaf Roemer

Οι επιστήμονες της αρχαιότητας ως επί το πλείστον πίστευαν ότι το φως κινείται με άπειρη ταχύτητα και η πρώτη εκτίμηση της ταχύτητας του φωτός ελήφθη ήδη το 1676. Ο Δανός αστρονόμος Όλαφ Ρόμερ παρατήρησε τον Δία και τα φεγγάρια του. Τη στιγμή που η Γη και ο Δίας βρίσκονταν σε αντίθετες πλευρές του Ήλιου, η έκλειψη του φεγγαριού του Δία Ιώ καθυστέρησε κατά 22 λεπτά σε σύγκριση με τον υπολογισμένο χρόνο. Η μόνη λύση που βρήκε ο Olaf Roemer είναι ότι η ταχύτητα του φωτός είναι περιοριστική. Για το λόγο αυτό, οι πληροφορίες για το παρατηρούμενο συμβάν καθυστερούν κατά 22 λεπτά, καθώς χρειάζεται λίγος χρόνος για να διανύσει την απόσταση από τον δορυφόρο Io μέχρι το τηλεσκόπιο του αστρονόμου. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Roemer, η ταχύτητα του φωτός ήταν 220.000 km/s.

Παρατηρήσεις του James Bradley

Το 1727, ο Άγγλος αστρονόμος James Bradley ανακάλυψε το φαινόμενο της εκτροπής του φωτός. Η ουσία αυτού του φαινομένου είναι ότι καθώς η Γη κινείται γύρω από τον Ήλιο, καθώς και κατά τη διάρκεια της περιστροφής της ίδιας της Γης, παρατηρείται μια μετατόπιση των αστεριών στον νυχτερινό ουρανό. Δεδομένου ότι ο γήινος παρατηρητής και η ίδια η Γη αλλάζουν συνεχώς την κατεύθυνση της κίνησής τους σε σχέση με το παρατηρούμενο αστέρι, το φως που εκπέμπεται από το αστέρι διανύει διαφορετικές αποστάσεις και πέφτει σε διαφορετικές γωνίες προς τον παρατηρητή με την πάροδο του χρόνου. Η περιορισμένη ταχύτητα του φωτός οδηγεί στο γεγονός ότι τα αστέρια στον ουρανό περιγράφουν μια έλλειψη καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Αυτό το πείραμα επέτρεψε στον James Bradley να υπολογίσει την ταχύτητα του φωτός - 308.000 km/s.

Η εμπειρία Louis Fizeau

Το 1849, ο Γάλλος φυσικός Louis Fizeau πραγματοποίησε ένα εργαστηριακό πείραμα για να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός. Ο φυσικός εγκατέστησε έναν καθρέφτη στο Παρίσι σε απόσταση 8.633 μέτρων από την πηγή, αλλά σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Roemer, το φως θα διανύσει αυτή την απόσταση σε εκατό χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τέτοια ακρίβεια ρολογιού ήταν ανέφικτη τότε. Στη συνέχεια, ο Fizeau χρησιμοποίησε έναν γρανάζι που περιστρεφόταν καθ' οδόν από την πηγή στον καθρέφτη και από τον καθρέφτη στον παρατηρητή, τα δόντια του οποίου εμπόδιζαν περιοδικά το φως. Στην περίπτωση που μια δέσμη φωτός από την πηγή στον καθρέφτη πέρασε ανάμεσα στα δόντια και στο δρόμο της επιστροφής χτύπησε ένα δόντι, ο φυσικός διπλασίασε την ταχύτητα περιστροφής του τροχού. Καθώς η ταχύτητα περιστροφής του τροχού αυξανόταν, το φως σχεδόν σταμάτησε να εξαφανίζεται έως ότου η ταχύτητα περιστροφής έφτασε τις 12,67 στροφές ανά δευτερόλεπτο. Αυτή τη στιγμή το φως εξαφανίστηκε ξανά.

Μια τέτοια παρατήρηση σήμαινε ότι το φως «χτυπούσε» συνεχώς στα δόντια και δεν είχε χρόνο να «γλιστρήσει» ανάμεσά τους. Γνωρίζοντας την ταχύτητα περιστροφής του τροχού, τον αριθμό των δοντιών και τη διπλάσια απόσταση από την πηγή στον καθρέφτη, ο Fizeau υπολόγισε την ταχύτητα του φωτός, η οποία αποδείχθηκε ίση με 315.000 km/sec.

Ένα χρόνο αργότερα, ένας άλλος Γάλλος φυσικός Leon Foucault διεξήγαγε ένα παρόμοιο πείραμα στο οποίο χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη αντί για έναν γρανάζι. Η τιμή που πήρε για την ταχύτητα του φωτός στον αέρα ήταν 298.000 km/s.

Έναν αιώνα αργότερα, η μέθοδος του Fizeau βελτιώθηκε τόσο πολύ που ένα παρόμοιο πείραμα που πραγματοποιήθηκε το 1950 από τον E. Bergstrand έδωσε τιμή ταχύτητας 299.793,1 km/s. Αυτός ο αριθμός διαφέρει μόνο κατά 1 km/s από την τρέχουσα τιμή της ταχύτητας του φωτός.

Περαιτέρω μετρήσεις

Με την εμφάνιση των λέιζερ και την αυξανόμενη ακρίβεια των οργάνων μέτρησης, ήταν δυνατό να μειωθεί το σφάλμα μέτρησης στο 1 m/s. Έτσι, το 1972, Αμερικανοί επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ για τα πειράματά τους. Μετρώντας τη συχνότητα και το μήκος κύματος της δέσμης λέιζερ, μπόρεσαν να λάβουν μια τιμή 299.792.458 m/s. Αξίζει να σημειωθεί ότι η περαιτέρω αύξηση της ακρίβειας της μέτρησης της ταχύτητας του φωτός στο κενό ήταν αδύνατη, όχι λόγω των τεχνικών ατελειών των οργάνων, αλλά λόγω του σφάλματος του ίδιου του προτύπου του μετρητή. Για το λόγο αυτό, το 1983, η XVII Γενική Διάσκεψη για τα Βάρη και τα Μέτρα όρισε τον μετρητή ως την απόσταση που διανύει το φως στο κενό σε χρόνο ίσο με 1/299.792.458 δευτερόλεπτα.

Ας το συνοψίσουμε

Άρα, από όλα τα παραπάνω προκύπτει ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι μια θεμελιώδης φυσική σταθερά που εμφανίζεται σε πολλές θεμελιώδεις θεωρίες. Αυτή η ταχύτητα είναι απόλυτη, δηλαδή δεν εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος αναφοράς και είναι επίσης ίση με τη μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης πληροφοριών. Όχι μόνο τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (φως), αλλά και όλα τα σωματίδια χωρίς μάζα κινούνται με αυτή την ταχύτητα. Συμπεριλαμβανομένου, πιθανώς, του graviton, ενός σωματιδίου βαρυτικών κυμάτων. Μεταξύ άλλων, λόγω των σχετικιστικών επιδράσεων, ο χρόνος του ίδιου του φωτός κυριολεκτικά σταματά.

Τέτοιες ιδιότητες του φωτός, ειδικά η μη εφαρμογή της αρχής της προσθήκης ταχυτήτων σε αυτό, δεν ταιριάζουν στο κεφάλι. Ωστόσο, πολλά πειράματα επιβεβαιώνουν τις ιδιότητες που αναφέρονται παραπάνω, και μια σειρά από θεμελιώδεις θεωρίες βασίζονται ακριβώς σε αυτή τη φύση του φωτός.

Πολύ πριν οι επιστήμονες μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός, έπρεπε να εργαστούν σκληρά για να ορίσουν την ίδια την έννοια του «φωτός». Ο Αριστοτέλης ήταν ένας από τους πρώτους που το σκέφτηκε αυτό, ο οποίος θεώρησε ότι το φως είναι ένα είδος κινητής ουσίας που εξαπλώνεται στο διάστημα. Ο αρχαίος Ρωμαίος συνάδελφος και οπαδός του Lucretius Carus επέμενε στην ατομική δομή του φωτός.

Μέχρι τον 17ο αιώνα, είχαν διαμορφωθεί δύο κύριες θεωρίες για τη φύση του φωτός - η σωματιδιακή και η κυματική. Ο Νεύτων ήταν ένας από τους υποστηρικτές του πρώτου. Κατά τη γνώμη του, όλες οι πηγές φωτός εκπέμπουν μικροσκοπικά σωματίδια. Κατά τη διάρκεια της «πτήσης» σχηματίζουν φωτεινές γραμμές - ακτίνες. Ο αντίπαλός του, ο Ολλανδός επιστήμονας Christiaan Huygens, επέμεινε ότι το φως είναι ένας τύπος κυματικής κίνησης.

Ως αποτέλεσμα διαφωνιών αιώνων, οι επιστήμονες έχουν καταλήξει σε συναίνεση: και οι δύο θεωρίες έχουν δικαίωμα στη ζωή και το φως είναι ένα φάσμα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ορατό στο μάτι.

Λίγη ιστορία. Πώς μετρήθηκε η ταχύτητα του φωτός

Οι περισσότεροι αρχαίοι επιστήμονες ήταν πεπεισμένοι ότι η ταχύτητα του φωτός είναι άπειρη. Ωστόσο, τα αποτελέσματα της έρευνας του Galileo και του Hooke επέτρεψαν την ακραία φύση του, κάτι που επιβεβαιώθηκε σαφώς τον 17ο αιώνα από τον εξαιρετικό Δανό αστρονόμο και μαθηματικό Olaf Roemer.

Έκανε τις πρώτες του μετρήσεις παρατηρώντας τις εκλείψεις της Ιώ, του δορυφόρου του Δία, σε μια εποχή που ο Δίας και η Γη βρίσκονταν σε αντίθετες πλευρές σε σχέση με τον Ήλιο. Ο Roemer κατέγραψε ότι καθώς η Γη απομακρύνθηκε από τον Δία σε απόσταση ίση με τη διάμετρο της τροχιάς της Γης, ο χρόνος καθυστέρησης άλλαξε. Η μέγιστη τιμή ήταν 22 λεπτά. Ως αποτέλεσμα των υπολογισμών, έλαβε ταχύτητα 220.000 km/sec.

50 χρόνια αργότερα, το 1728, χάρη στην ανακάλυψη της εκτροπής, ο Άγγλος αστρονόμος J. Bradley «βελτίωσε» αυτόν τον αριθμό στα 308.000 km/sec. Αργότερα, η ταχύτητα του φωτός μετρήθηκε από τους Γάλλους αστροφυσικούς François Argot και Leon Foucault, λαμβάνοντας απόδοση 298.000 km/sec. Μια ακόμη πιο ακριβής τεχνική μέτρησης πρότεινε ο δημιουργός του συμβολόμετρου, ο διάσημος Αμερικανός φυσικός Albert Michelson.

Το πείραμα του Michelson για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός

Τα πειράματα διήρκεσαν από το 1924 έως το 1927 και αποτελούνταν από 5 σειρές παρατηρήσεων. Η ουσία του πειράματος ήταν η εξής. Μια πηγή φωτός, ένας καθρέφτης και ένα περιστρεφόμενο οκταγωνικό πρίσμα εγκαταστάθηκαν στο όρος Wilson στην περιοχή του Λος Άντζελες και ένας ανακλαστικός καθρέφτης εγκαταστάθηκε 35 χιλιόμετρα αργότερα στο όρος San Antonio. Πρώτα, το φως μέσα από έναν φακό και μια σχισμή χτύπησε ένα πρίσμα που περιστρέφεται με έναν ρότορα υψηλής ταχύτητας (με ταχύτητα 528 rps).

Οι συμμετέχοντες στα πειράματα μπορούσαν να προσαρμόσουν την ταχύτητα περιστροφής έτσι ώστε η εικόνα της πηγής φωτός να είναι καθαρά ορατή στο προσοφθάλμιο. Δεδομένου ότι η απόσταση μεταξύ των κορυφών και της συχνότητας περιστροφής ήταν γνωστή, ο Michelson προσδιόρισε την ταχύτητα του φωτός - 299.796 km/sec.

Οι επιστήμονες αποφάσισαν τελικά την ταχύτητα του φωτός στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα, όταν δημιουργήθηκαν τα μέιζερ και τα λέιζερ, που χαρακτηρίζονται από την υψηλότερη σταθερότητα της συχνότητας ακτινοβολίας. Στις αρχές της δεκαετίας του '70, το σφάλμα στις μετρήσεις είχε πέσει στο 1 km/sec. Ως αποτέλεσμα, μετά από σύσταση της XV Γενικής Διάσκεψης για τα Βάρη και τα Μέτρα, που πραγματοποιήθηκε το 1975, αποφασίστηκε να υποτεθεί ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι τώρα ίση με 299792,458 km/sec.

Είναι εφικτή η ταχύτητα του φωτός για εμάς;

Προφανώς, η εξερεύνηση των απομακρυσμένων γωνιών του Σύμπαντος είναι αδιανόητη χωρίς διαστημόπλοια που πετούν με τεράστια ταχύτητα. Κατά προτίμηση με την ταχύτητα του φωτός. Είναι όμως αυτό εφικτό;

Η ταχύτητα του φράγματος φωτός είναι μια από τις συνέπειες της θεωρίας της σχετικότητας. Όπως γνωρίζετε, η αύξηση της ταχύτητας απαιτεί αύξηση της ενέργειας. Η ταχύτητα του φωτός θα απαιτούσε ουσιαστικά άπειρη ενέργεια.

Αλίμονο, οι νόμοι της φυσικής είναι κατηγορηματικά αντίθετοι. Με ταχύτητα διαστημόπλοιου 300.000 km/sec, τα σωματίδια που πετούν προς αυτό, για παράδειγμα, τα άτομα υδρογόνου, μετατρέπονται σε μια θανατηφόρα πηγή ισχυρής ακτινοβολίας ίσης με 10.000 sieverts/sec. Αυτό είναι περίπου το ίδιο με το να είσαι μέσα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων.

Σύμφωνα με επιστήμονες του Πανεπιστημίου Johns Hopkins, δεν υπάρχει επαρκής προστασία στη φύση από μια τέτοια τερατώδες κοσμική ακτινοβολία. Η καταστροφή του πλοίου θα ολοκληρωθεί με τη διάβρωση από τις επιπτώσεις της διαστρικής σκόνης.

Ένα άλλο πρόβλημα με την ταχύτητα φωτός είναι η διαστολή του χρόνου. Το γήρας θα γίνει πολύ μεγαλύτερο. Το οπτικό πεδίο θα παραμορφωθεί επίσης, με αποτέλεσμα η τροχιά του πλοίου να περάσει σαν μέσα σε τούνελ, στο τέλος του οποίου το πλήρωμα θα δει μια αστραφτερή λάμψη. Πίσω από το πλοίο θα υπάρχει απόλυτο σκοτάδι.

Έτσι, στο εγγύς μέλλον, η ανθρωπότητα θα πρέπει να περιορίσει τις ταχύτητες της «όρεξης» στο 10% της ταχύτητας του φωτός. Αυτό σημαίνει ότι θα χρειαστούν περίπου 40 χρόνια για να πετάξουμε στο πλησιέστερο αστέρι στη Γη, το Proxima Centauri (4,22 έτη φωτός).