سرعت نور در خلاء چقدر است؟ سرعت نور چگونه اندازه گیری شد و مقدار واقعی آن چقدر است؟

اگرچه در زندگی روزمره به ندرت پیش می آید که کسی مستقیماً سرعت نور را محاسبه کند، اما علاقه به این موضوع در دوران کودکی خود را نشان می دهد. با کمال تعجب، همه ما روزانه با علامت ثابت سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی مواجه می شویم. سرعت نور یک کمیت اساسی است که به دلیل آن کل جهان دقیقاً همانطور که ما می شناسیم وجود دارد.

مطمئناً همه با تماشای رعد و برق در کودکی و متعاقب آن کف زدن رعد سعی کردند بفهمند چه چیزی باعث تاخیر بین پدیده اول و دوم شده است. استدلال ذهنی ساده به سرعت به یک نتیجه منطقی منجر شد: سرعت نور و صدا متفاوت است. این اولین معرفی دو کمیت فیزیکی مهم است. متعاقباً، شخصی دانش لازم را دریافت کرد و به راحتی می‌توانست آنچه را که اتفاق می‌افتد توضیح دهد. علت رفتار عجیب رعد و برق چیست؟ پاسخ این است که سرعت نور که حدود 300 هزار کیلومتر بر ثانیه است، تقریباً یک میلیون برابر بیشتر از سرعت انتشار در هوا (330 متر بر ثانیه) است. بنابراین، انسان ابتدا از رعد و برق می بیند و تنها پس از مدتی صدای رعد و برق را می شنود. برای مثال، اگر از مرکز زمین لرزه تا ناظر 1 کیلومتر فاصله باشد، نور این فاصله را در 3 میکرو ثانیه طی می کند، اما صدا به اندازه 3 ثانیه طول می کشد. با دانستن سرعت نور و زمان تاخیر بین فلاش و رعد، می توانید فاصله را محاسبه کنید.

تلاش برای اندازه گیری آن برای مدت طولانی انجام شده است. اکنون خواندن در مورد آزمایش های انجام شده بسیار خنده دار است، با این حال، در آن زمان های دور، قبل از ظهور ابزار دقیق، همه چیز بیش از حد جدی بود. در حین تلاش برای یافتن سرعت نور، یک آزمایش جالب انجام شد. در یک انتهای واگن قطاری که به سرعت حرکت می کرد، مردی با کرونومتر دقیق وجود داشت و در طرف مقابل، دستیار او در تیم، دریچه لامپ را باز کرد. طبق این ایده، کرونومتر قرار بود امکان تعیین سرعت انتشار فوتون های نور را فراهم کند. علاوه بر این، با تغییر موقعیت لامپ و کرونومتر (با حفظ جهت حرکت قطار)، می توان دریافت که آیا سرعت نور ثابت است یا می توان آن را افزایش یا کاهش داد (بسته به جهت پرتو، از نظر تئوری، سرعت قطار می تواند بر سرعت اندازه گیری شده در آزمایش تأثیر بگذارد). البته، این آزمایش با شکست مواجه شد، زیرا سرعت نور و ثبت توسط یک کرنومتر غیرقابل مقایسه است.

برای اولین بار، دقیق ترین اندازه گیری در سال 1676 انجام شد و به لطف مشاهدات اولاف رومر متوجه شد که ظاهر واقعی آیو و داده های محاسبه شده 22 دقیقه متفاوت است. با نزدیکتر شدن سیارات، تأخیر کاهش یافت. با دانستن فاصله، می توان سرعت نور را محاسبه کرد. حدود 215 هزار کیلومتر بر ثانیه بود. سپس در سال 1926، D. Bradley هنگام مطالعه تغییرات در موقعیت ظاهری ستارگان (انحراف)، توجه را به یک الگو جلب کرد. مکان ستاره بسته به زمان سال تغییر می کرد. در نتیجه، موقعیت سیاره نسبت به خورشید تأثیر داشت. می توان یک قیاس ارائه داد - قطرات باران. بدون باد، آنها به صورت عمودی به سمت پایین پرواز می کنند، اما به محض دویدن، مسیر ظاهری آنها تغییر می کند. با دانستن سرعت چرخش سیاره به دور خورشید، می توان سرعت نور را محاسبه کرد. به 301 هزار کیلومتر بر ثانیه رسید.

در سال 1849، A. Fizeau آزمایش زیر را انجام داد: بین یک منبع نور و یک آینه، در فاصله 8 کیلومتری، یک آینه چرخان وجود داشت تا اینکه در شکاف بعدی جریان نور منعکس شده به یک ثابت تبدیل شد (بدون سوسو زدن). محاسبات 315 هزار کیلومتر بر ثانیه را نشان داد. سه سال بعد، L. Foucault از یک آینه گردان استفاده کرد و 298 هزار کیلومتر بر ثانیه دریافت کرد.

آزمایش‌های بعدی با در نظر گرفتن شکست در هوا و غیره بیشتر و دقیق‌تر شدند. در حال حاضر، داده‌های به‌دست‌آمده با استفاده از ساعت سزیوم و پرتو لیزر مرتبط در نظر گرفته می‌شوند. به گفته آنها برابر با 299 هزار کیلومتر بر ثانیه است.

سرعت نور مسافتی است که نور در واحد زمان طی می کند. این مقدار بستگی به ماده ای دارد که نور در آن منتشر می شود.

در خلاء سرعت نور 299792458 متر بر ثانیه است. این بالاترین سرعتی است که می توان به آن دست یافت. هنگام حل مسائلی که نیاز به دقت خاصی ندارند، این مقدار برابر با 300000000 m/s در نظر گرفته می شود. فرض بر این است که همه انواع پرتوهای الکترومغناطیسی در خلاء با سرعت نور منتشر می شوند: امواج رادیویی، تابش مادون قرمز، نور مرئی، تابش فرابنفش، اشعه ایکس، تابش گاما. با یک نامه مشخص شده است با .

سرعت نور چگونه تعیین شد؟

در زمان های قدیم، دانشمندان معتقد بودند که سرعت نور بی نهایت است. بعدها بحث در مورد این موضوع بین دانشمندان آغاز شد. کپلر، دکارت و فرما با نظر دانشمندان باستانی موافق بودند. و گالیله و هوک معتقد بودند که اگرچه سرعت نور بسیار زیاد است، اما هنوز مقدار محدودی دارد.

گالیله گالیله

یکی از اولین کسانی که برای اندازه گیری سرعت نور تلاش کرد دانشمند ایتالیایی گالیله گالیله بود. در طول آزمایش، او و دستیارش روی تپه های مختلف بودند. گالیله در فانوس خود را باز کرد. در لحظه ای که دستیار این نور را دید، مجبور شد همان اقدامات را با فانوس خود انجام دهد. مدت زمانی که طول کشید تا نور از گالیله به دستیار و عقب برود آنقدر کوتاه بود که گالیله متوجه شد که سرعت نور بسیار زیاد است و اندازه گیری آن در چنین فاصله کوتاهی غیرممکن است، زیرا نور حرکت می کند. تقریباً فورا و زمانی که او ثبت کرد فقط سرعت عکس العمل یک فرد را نشان می دهد.

سرعت نور اولین بار در سال 1676 توسط ستاره شناس دانمارکی اولاف رومر با استفاده از فواصل نجومی تعیین شد. او با استفاده از تلسکوپ برای مشاهده کسوف قمر مشتری Io، دریافت که با دور شدن زمین از مشتری، هر کسوف بعدی دیرتر از زمان محاسبه شده رخ می دهد. حداکثر تاخیر زمانی که زمین به سمت دیگر خورشید حرکت می کند و در فاصله ای برابر با قطر مدار زمین از مشتری دور می شود، 22 ساعت است. اگرچه قطر دقیق زمین در آن زمان مشخص نبود، اما دانشمند مقدار تقریبی آن را بر 22 ساعت تقسیم کرد و مقداری در حدود 220000 کیلومتر بر ثانیه به دست آورد.

اولاف رومر

نتیجه به دست آمده توسط رومر باعث بی اعتمادی دانشمندان شد. اما در سال 1849، فیزیکدان فرانسوی آرماند هیپولیت لوئیس فیزو سرعت نور را با استفاده از روش شاتر چرخشی اندازه گیری کرد. در آزمایش او، نور منبعی از بین دندانه های یک چرخ دوار عبور کرده و به آینه هدایت می شود. که از او منعکس شد، برگشت. سرعت چرخش چرخ افزایش یافت. هنگامی که به مقدار معینی رسید، پرتو منعکس شده از آینه توسط دندان متحرک به تاخیر افتاد و ناظر در آن لحظه چیزی ندید.

تجربه فیزو

فیزو سرعت نور را به صورت زیر محاسبه کرد. نور به راه خود می رود L از چرخ تا آینه در زمانی برابر با t 1 = 2 لیتر در سی . مدت زمان چرخاندن چرخ ½ شکاف است t 2 = T/2N ، جایی که تی - دوره چرخش چرخ، ن - تعداد دندان ها فرکانس چرخش v = 1/T . لحظه ای که ناظر نور را نمی بیند زمانی اتفاق می افتد که t 1 = t 2 . از اینجا فرمول تعیین سرعت نور را بدست می آوریم:

c = 4LNv

با انجام محاسبات با استفاده از این فرمول، فیزو مشخص کرد که با = 313,000,000 متر بر ثانیه. این نتیجه بسیار دقیق تر بود.

آرماند هیپولیت لوئیس فیزو

در سال 1838، دومینیک فرانسوا ژان آراگو، فیزیکدان و ستاره شناس فرانسوی، استفاده از روش آینه دوار را برای محاسبه سرعت نور پیشنهاد کرد. این ایده توسط فیزیکدان، مکانیک و ستاره شناس فرانسوی ژان برنارد لئون فوکو، که در سال 1862 مقدار سرعت نور (298,000,000±500,000) متر بر ثانیه را بدست آورد عملی شد.

دومینیک فرانسوا ژان آراگو

در سال 1891، نتیجه اخترشناس آمریکایی سیمون نیوکامب، یک مرتبه قدر دقیق تر از نتیجه فوکو بود. در نتیجه محاسبات او با = (99,810,000±50,000) m/s.

تحقیقات آلبرت آبراهام مایکلسون، فیزیکدان آمریکایی، که از یک آینه هشت ضلعی چرخان استفاده کرد، تعیین سرعت نور را با دقت بیشتری ممکن کرد. در سال 1926، دانشمند مدت زمان لازم برای پیمودن فاصله بین قله های دو کوه معادل 35.4 کیلومتر را اندازه گیری کرد و به دست آورد. با = (4000±299,796,000) m/s.

دقیق ترین اندازه گیری در سال 1975 انجام شد. در همان سال، کنفرانس عمومی وزن ها و اندازه ها توصیه کرد که سرعت نور برابر با 1.2 ± 299792458 متر بر ثانیه در نظر گرفته شود.

سرعت نور به چه چیزی بستگی دارد؟

سرعت نور در خلاء به چارچوب مرجع یا موقعیت ناظر بستگی ندارد. ثابت می ماند، برابر با 1.2 ± 299792458 m/s. اما در رسانه های شفاف مختلف این سرعت کمتر از سرعت آن در خلاء خواهد بود. هر محیط شفاف دارای چگالی نوری است. و هر چه بالاتر باشد سرعت انتشار نور در آن کمتر می شود. برای مثال سرعت نور در هوا از سرعت آن در آب بیشتر است و در شیشه نوری خالص کمتر از آب است.

اگر نور از یک محیط کم چگال به یک محیط چگال تر حرکت کند، سرعت آن کاهش می یابد. و اگر انتقال از یک محیط متراکم تر به یک محیط کمتر متراکم رخ دهد، برعکس، سرعت افزایش می یابد. این توضیح می دهد که چرا پرتو نور در مرز انتقال بین دو رسانه منحرف می شود.

اپی گراف
معلم می پرسد: بچه ها، سریع ترین چیز در جهان چیست؟
Tanechka می گوید: سریع ترین کلمه. فقط گفتم برنمیگردی
وانچکا می گوید: نه، نور سریع ترین است.
به محض فشار دادن سوئیچ، اتاق بلافاصله روشن شد.
و وووچکا می گوید: سریع ترین چیز در جهان اسهال است.
یک بار آنقدر بی حوصله بودم که حرفی نزدم
وقت نکردم چیزی بگویم یا چراغ را روشن کنم.

آیا تا به حال فکر کرده اید که چرا سرعت نور در جهان ما حداکثر، محدود و ثابت است؟ این یک سوال بسیار جالب است، و بلافاصله، به عنوان یک اسپویلر، راز وحشتناک پاسخ به آن را فاش می کنم - هیچ کس دقیقاً نمی داند چرا. سرعت نور گرفته می شود، یعنی. ذهنی پذیرفته شده استبرای یک ثابت، و بر اساس این فرض، و همچنین بر اساس این ایده که همه چارچوب های مرجع اینرسی برابر هستند، آلبرت انیشتین نظریه نسبیت خاص خود را ساخت که صد سال است دانشمندان را عصبانی کرده است و به انیشتین اجازه می دهد زبانش را بچسباند. با مصونیت به دنیا برود و در قبرش به اندازه خوکی که بر سر همه بشریت کاشته است پوزخند بزن.

اما در واقع چرا اینقدر ثابت، حداکثر و تا این حد نهایی است، پاسخی وجود ندارد، این فقط یک بدیهیات است، یعنی. گزاره ای که بر اساس ایمان گرفته شده است، با مشاهدات و عقل سلیم تأیید شده است، اما از نظر منطقی یا ریاضی از جایی قابل استنتاج نیست. و کاملاً محتمل است که چندان درست نباشد ، اما هنوز کسی با هیچ تجربه ای نتوانسته آن را رد کند.

من نظرات خودم را در مورد این موضوع دارم، بعداً بیشتر در مورد آنها، اما در حال حاضر، به سادگی، روی انگشتان شما™من سعی خواهم کرد حداقل به یک بخش پاسخ دهم - سرعت نور به چه معنی "ثابت" است.

نه، من شما را با آزمایش‌های فکری در مورد اینکه اگر چراغ‌های جلو راکتی که با سرعت نور پرواز می‌کند و غیره را روشن کنید چه اتفاقی می‌افتد خسته نمی‌کنم، این اکنون کمی دور از موضوع است.

اگر به یک کتاب مرجع یا ویکی پدیا نگاه کنید، سرعت نور در خلاء به عنوان یک ثابت فیزیکی اساسی تعریف می شود که دقیقابرابر با 299,792,458 m/s. خب، یعنی به طور تقریبی، حدود 300000 کیلومتر بر ثانیه خواهد بود، اما اگر دقیقا درسته- 299,792,458 متر در ثانیه.

به نظر می رسد، چنین دقتی از کجا می آید؟ هر ثابت ریاضی یا فیزیکی، حتی پی، حتی پایه لگاریتم طبیعی ه، حتی ثابت گرانشی G یا ثابت پلانک ساعت، همیشه حاوی مقداری است اعداد بعد از نقطه اعشار. در پی، در حال حاضر حدود 5 تریلیون از این رقم های اعشاری شناخته شده است (اگرچه فقط 39 رقم اول معنای فیزیکی دارند)، ثابت گرانشی امروزه به صورت G~ 6.67384(80)x10 -11 و پلانک ثابت تعریف می شود. ساعت~ 6.62606957(29)x10 -34.

سرعت نور در خلاء است صاف 299792458 متر بر ثانیه، نه یک سانتی متر بیشتر، نه یک نانوثانیه کمتر. می خواهید بدانید این دقت از کجا می آید؟

همه چیز طبق معمول با یونانیان باستان شروع شد. علم، به معنای امروزی کلمه، در میان آنها وجود نداشت. فیلسوفان یونان باستان به این دلیل فیلسوف نامیده می شدند که ابتدا مقداری مزخرف در سر خود اختراع کردند و سپس با استفاده از نتیجه گیری های منطقی (و گاهی آزمایش های فیزیکی واقعی) سعی در اثبات یا رد آن داشتند. با این حال، استفاده از اندازه‌گیری‌ها و پدیده‌های فیزیکی واقعی توسط آنها به عنوان شواهد «دسته دوم» در نظر گرفته شد که نمی‌توان آن را با نتایج منطقی درجه یک که مستقیماً از سر به دست می‌آید مقایسه کرد.

اولین کسی که به وجود سرعت خود نور فکر کرد فیلسوف امپیدوکلس است که بیان کرد نور حرکت است و حرکت باید دارای سرعت باشد. ارسطو به او اعتراض کرد، او استدلال کرد که نور صرفاً وجود چیزی در طبیعت است، و بس. و هیچ چیز به هیچ جا حرکت نمی کند. اما این چیز دیگری است! اقلیدس و بطلمیوس عموماً معتقد بودند که نور از چشمان ما ساطع می شود و سپس بر روی اجسام می افتد و بنابراین ما آنها را می بینیم. به طور خلاصه، یونانیان باستان تا آنجا که می توانستند احمق بودند تا زمانی که توسط همان رومیان باستان فتح شدند.

در قرون وسطی، اکثر دانشمندان همچنان بر این باور بودند که سرعت انتشار نور بی نهایت است، مثلاً دکارت، کپلر و فرما از جمله آنها بودند.

اما برخی مانند گالیله معتقد بودند که نور دارای سرعت است و بنابراین قابل اندازه گیری است. آزمایش گالیله که یک لامپ روشن کرد و به دستیار واقع در چند کیلومتری گالیله نور داد، بسیار شناخته شده است. دستیار پس از دیدن نور، لامپ خود را روشن کرد و گالیله سعی کرد تأخیر بین این لحظات را اندازه گیری کند. طبیعتاً موفق نشد و در نهایت مجبور شد در نوشته‌هایش بنویسد که اگر نور سرعت دارد، بسیار زیاد است و با تلاش انسان قابل اندازه‌گیری نیست و بنابراین می‌توان آن را بی‌نهایت دانست.

اولین اندازه گیری ثبت شده سرعت نور به ستاره شناس دانمارکی اولاف رومر در سال 1676 نسبت داده شده است. در این سال، ستاره شناسان، مجهز به تلسکوپ های همان گالیله، به طور فعال ماهواره های مشتری را رصد می کردند و حتی دوره های چرخش آنها را محاسبه می کردند. دانشمندان مشخص کرده اند که نزدیکترین قمر به مشتری، آیو، دارای دوره چرخش تقریباً 42 ساعت است. با این حال، رومر متوجه شد که گاهی Io از پشت مشتری 11 دقیقه زودتر از حد انتظار ظاهر می شود و گاهی اوقات 11 دقیقه دیرتر. همانطور که مشخص شد، آیو در آن دوره‌هایی که زمین، در حال چرخش به دور خورشید، با کمترین فاصله به مشتری نزدیک می‌شود، زودتر ظاهر می‌شود و زمانی که زمین در نقطه مقابل مدار قرار می‌گیرد، 11 دقیقه عقب می‌ماند، و بنابراین از آن دورتر است. سیاره مشتری.

رومر با تقسیم احمقانه قطر مدار زمین (و در آن روزها کم و بیش شناخته شده بود) بر 22 دقیقه، رومر سرعت نور را 220000 کیلومتر بر ثانیه دریافت کرد و مقدار واقعی را حدود یک سوم از دست داد.

در سال 1729، اخترشناس انگلیسی، جیمز بردلی، رصد کرد اختلاف منظر(با کمی انحراف در مکان) ستاره اتامین (گاما دراکونیس) این اثر را کشف کرد. انحرافات نور، یعنی تغییر موقعیت ستارگان نزدیک به ما در آسمان به دلیل حرکت زمین به دور خورشید.

از اثر انحراف نور که توسط بردلی کشف شد، همچنین می توان نتیجه گرفت که نور دارای سرعت انتشار محدودی است که بردلی آن را کشف کرد و آن را تقریباً 301000 کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد که در حال حاضر در دقت 1٪ است. ارزشی که امروزه شناخته شده است

این همه اندازه‌گیری‌های روشن‌کننده توسط دانشمندان دیگر دنبال شد، اما از آنجایی که اعتقاد بر این بود که نور یک موج است و یک موج به خودی خود نمی‌تواند منتشر شود، چیزی باید "تحریک" شود، ایده وجود یک " اتر درخشنده» پدید آمد، کشفی که آلبرت مایکلسون، فیزیکدان آمریکایی، با شکست سختی روبرو شد. او هیچ اتر درخشانی را کشف نکرد، اما در سال 1879 سرعت نور را به 50±299910 کیلومتر بر ثانیه روشن کرد.

تقریباً در همان زمان، ماکسول نظریه الکترومغناطیس خود را منتشر کرد، به این معنی که سرعت نور نه تنها اندازه گیری مستقیم، بلکه همچنین استخراج از مقادیر نفوذپذیری الکتریکی و مغناطیسی ممکن شد، که با روشن کردن مقدار آن انجام شد. سرعت نور در سال 1907 به 299788 کیلومتر بر ثانیه رسید.

سرانجام انیشتین اعلام کرد که سرعت نور در خلاء ثابت است و اصلاً به چیزی بستگی ندارد. برعکس، هر چیز دیگری - اضافه کردن سرعت ها و یافتن سیستم های مرجع صحیح، اثرات اتساع زمانی و تغییرات فواصل هنگام حرکت با سرعت های بالا و بسیاری از اثرات نسبیتی دیگر به سرعت نور بستگی دارد (زیرا در همه فرمول ها به عنوان ثابت). به طور خلاصه، همه چیز در جهان نسبی است و سرعت نور کمیتی است که همه چیزهای دیگر در جهان ما نسبت به آن نسبی هستند. در اینجا، شاید باید نخل را به لورنتس بدهیم، اما بیایید سوداگر نباشیم، اینشتین انیشتین است.

تعیین دقیق مقدار این ثابت در طول قرن بیستم ادامه یافت و در هر دهه دانشمندان بیشتر و بیشتر دریافتند. اعداد بعد از اعشاربا سرعت نور، تا اینکه سوء ظن مبهمی در سرشان به وجود آمد.

دانشمندان با تعیین دقیق‌تر و دقیق‌تر چند متر نور در خلاء در ثانیه، به این فکر کردند که ما در حال اندازه‌گیری چه چیزی در متر هستیم؟ بالاخره یک متر فقط به اندازه یک چوب پلاتین-ایریدیم است که کسی در موزه ای نزدیک پاریس فراموش کرده است!

و در ابتدا ایده معرفی یک متر استاندارد عالی به نظر می رسید. فرانسوی‌ها در سال 1791 برای اینکه از یاردها، پاها و دیگر نکات مورب رنج نبرند، تصمیم گرفتند که طول یک ده میلیونیم فاصله از قطب شمال تا خط استوا را در امتداد نصف النهار که از پاریس می‌گذرد، به عنوان معیار استاندارد در نظر بگیرند. آنها این فاصله را با دقت موجود در آن زمان اندازه گیری کردند، چوبی را از آلیاژ پلاتین-ایریدیم (به طور دقیق تر، ابتدا برنج، سپس پلاتین و سپس پلاتین-ایریدیم) ریختند و آن را در این اتاق اوزان و اندازه های پاریس قرار دادند. یک نمونه. هر چه جلوتر می رویم، بیشتر معلوم می شود که سطح زمین در حال تغییر است، قاره ها تغییر شکل می دهند، نصف النهارها در حال جابجایی هستند و یک ده میلیونیم آن را فراموش کرده اند و شروع به شمارش یک متر طول چوب کرده اند. که در تابوت بلورین "مقبره" پاریس قرار دارد.

چنین بت پرستی مناسب یک دانشمند واقعی نیست، این میدان سرخ نیست (!)، و در سال 1960 تصمیم گرفته شد که مفهوم متر را به یک تعریف کاملاً واضح ساده کنیم - متر دقیقاً برابر با 1,650,763.73 طول موج ساطع شده توسط انتقال است. الکترون های بین سطوح انرژی 2p10 و 5d5 ایزوتوپ تحریک نشده عنصر کریپتون-86 در خلاء. خوب، چقدر واضح تر؟

این به مدت 23 سال ادامه داشت، در حالی که سرعت نور در خلاء با دقت فزاینده ای اندازه گیری می شد، تا اینکه در سال 1983، سرانجام حتی سرسخت ترین رتروگرادها نیز متوجه شدند که سرعت نور دقیق ترین و ایده آل ترین ثابت است، نه نوعی ایزوتوپ کریپتون و تصمیم گرفته شد همه چیز را وارونه کنیم (دقیقاً اگر فکرش را بکنید تصمیم گرفته شد همه چیز را وارونه کنید) حالا سرعت نور بایک ثابت واقعی است و یک متر مسافتی است که نور در خلاء در (1/299,792,458) ثانیه طی می کند.

ارزش واقعی سرعت نور امروزه همچنان مشخص می شود، اما آنچه جالب است این است که با هر آزمایش جدید، دانشمندان سرعت نور را مشخص نمی کنند، بلکه طول واقعی متر را مشخص می کنند. و هر چه سرعت نور در دهه‌های آینده دقیق‌تر باشد، در نهایت متر دقیق‌تری به دست خواهیم آورد.

و نه برعکس.

خب حالا برگردیم به گوسفندان. چرا سرعت نور در خلاء جهان ما حداکثر، محدود و ثابت است؟ اینجوری میفهمم

همه می دانند که سرعت صوت در فلز و تقریباً در هر جسم جامدی بسیار بیشتر از سرعت صوت در هوا است. بررسی این موضوع بسیار آسان است. چرا اینطور است؟ بدیهی است که صدا اساساً یکسان است و سرعت انتشار آن به محیط، به پیکربندی مولکول هایی که این محیط از آنها تشکیل شده است، به چگالی آن، به پارامترهای شبکه بلوری آن بستگی دارد - به طور خلاصه، به وضعیت فعلی رسانه ای که صدا از طریق آن منتقل می شود.

و اگرچه ایده اتر درخشان مدتهاست که کنار گذاشته شده است، خلاء که امواج الکترومغناطیسی از طریق آن منتشر می شوند مطلقاً هیچ چیز مطلق نیست، مهم نیست که چقدر برای ما خالی به نظر می رسد.

می‌دانم که این قیاس تا حدی دور از ذهن است، اما این درست است روی انگشتان شما™یکسان! دقیقاً به عنوان یک قیاس قابل دسترس، و به هیچ وجه به عنوان یک انتقال مستقیم از یک مجموعه قوانین فیزیکی به قوانین دیگر، من فقط از شما می خواهم که تصور کنید که سرعت انتشار ارتعاشات الکترومغناطیسی (و به طور کلی، هر گونه، از جمله گلوئون و گرانشی)، همانطور که سرعت صوت در فولاد به داخل ریل "دوخته می شود". از اینجا می رقصیم.

UPD: به هر حال، من از "خوانندگان ستاره دار" دعوت می کنم تا تصور کنند که آیا سرعت نور در "خلاء دشوار" ثابت می ماند یا خیر. به عنوان مثال، اعتقاد بر این است که در انرژی‌های درجه حرارت 10 تا 30 کلوین، خلاء به سادگی با ذرات مجازی می‌جوشد و شروع به «جوشیدن» می‌کند، یعنی. تار و پود فضا تکه تکه می شود، کمیت های پلانک محو می شوند و معنای فیزیکی خود را از دست می دهند و غیره. آیا سرعت نور در چنین خلاء همچنان برابر است ج، یا این آغاز یک نظریه جدید از "خلاء نسبیتی" با اصلاحاتی مانند ضرایب لورنتس در سرعت های فوق العاده خواهد بود؟ نمی دانم، نمی دانم، زمان مشخص خواهد کرد...

قرن نوزدهم شاهد چندین آزمایش علمی بود که منجر به کشف تعدادی از پدیده های جدید شد. از جمله این پدیده ها می توان به کشف هانس ارستد در مورد تولید القای مغناطیسی توسط جریان الکتریکی اشاره کرد. بعدها، مایکل فارادی اثر معکوس را کشف کرد که القای الکترومغناطیسی نامیده شد.

معادلات جیمز ماکسول - ماهیت الکترومغناطیسی نور

در نتیجه این اکتشافات، به اصطلاح "برهم کنش از راه دور" مورد توجه قرار گرفت که نتیجه آن نظریه جدید الکترومغناطیس است که توسط ویلهلم وبر فرموله شد، که بر اساس کنش دوربرد بود. بعدها ماکسول مفهوم میدان های الکتریکی و مغناطیسی را تعریف کرد که قادر به تولید یکدیگر هستند که یک موج الکترومغناطیسی است. متعاقبا، ماکسول از به اصطلاح "ثابت الکترومغناطیسی" در معادلات خود استفاده کرد - با.

در آن زمان، دانشمندان قبلاً به این واقعیت نزدیک شده بودند که نور ماهیت الکترومغناطیسی دارد. معنای فیزیکی ثابت الکترومغناطیسی سرعت انتشار تحریکات الکترومغناطیسی است. در کمال تعجب خود جیمز ماکسول، مقدار اندازه‌گیری شده این ثابت در آزمایش‌ها با بارهای واحد و جریان برابر با سرعت نور در خلاء بود.

قبل از این کشف، بشریت نور، الکتریسیته و مغناطیس را از هم جدا کرد. تعمیم ماکسول به ما اجازه داد تا نگاه جدیدی به ماهیت نور داشته باشیم، به عنوان قطعه خاصی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی که به طور مستقل در فضا منتشر می شود.

شکل زیر نموداری از انتشار یک موج الکترومغناطیسی را نشان می دهد که آن هم نور است. در اینجا H بردار شدت میدان مغناطیسی است، E بردار شدت میدان الکتریکی است. هر دو بردار بر یکدیگر و همچنین بر جهت انتشار موج عمود هستند.

آزمایش مایکلسون - مطلق بودن سرعت نور

فیزیک آن زمان تا حد زیادی بر اساس اصل نسبیت گالیله بنا شده بود که طبق آن قوانین مکانیک در هر چارچوب مرجع اینرسی انتخابی یکسان به نظر می رسند. در عین حال، با توجه به اضافه شدن سرعت ها، سرعت انتشار باید به سرعت منبع بستگی داشته باشد. با این حال، در این مورد، موج الکترومغناطیسی بسته به انتخاب چارچوب مرجع، رفتار متفاوتی خواهد داشت، که اصل نسبیت گالیله را نقض می کند. بنابراین، نظریه به ظاهر خوب شکل گرفته ماکسول در وضعیت متزلزلی قرار داشت.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که سرعت نور واقعاً به سرعت منبع بستگی ندارد، به این معنی که نظریه‌ای لازم است که بتواند چنین واقعیت عجیبی را توضیح دهد. بهترین نظریه در آن زمان نظریه "اتر" بود - رسانه خاصی که در آن نور منتشر می شود، همانطور که صدا در هوا منتشر می شود. سپس سرعت نور نه با سرعت حرکت منبع، بلکه با ویژگی های خود رسانه - اتر - تعیین می شود.

آزمایش های زیادی برای کشف اتر انجام شده است که معروف ترین آنها آزمایش آلبرت مایکلسون فیزیکدان آمریکایی است. به طور خلاصه، مشخص است که زمین در فضای بیرونی حرکت می کند. پس منطقی است که فرض کنیم از طریق اتر نیز حرکت می کند، زیرا پیوستن کامل اتر به زمین نه تنها بالاترین درجه خودگرایی است، بلکه به سادگی نمی تواند توسط هیچ چیز ایجاد شود. اگر زمین در محیط خاصی حرکت کند که نور در آن منتشر می شود، منطقی است که فرض کنیم سرعت ها در اینجا اتفاق می افتد. یعنی انتشار نور باید به جهت حرکت زمین که از اتر می گذرد بستگی داشته باشد. مایکلسون در نتیجه آزمایشات خود هیچ تفاوتی بین سرعت انتشار نور در هر دو جهت از زمین کشف نکرد.

فیزیکدان هلندی هندریک لورنتس سعی کرد این مشکل را حل کند. بر اساس فرض او، "باد اثیری" اجسام را به گونه ای تحت تاثیر قرار می دهد که اندازه آنها را در جهت حرکت خود کاهش می دهند. بر اساس این فرض، هم زمین و هم دستگاه مایکلسون این انقباض لورنتس را تجربه کردند، در نتیجه آلبرت مایکلسون سرعت یکسانی را برای انتشار نور در هر دو جهت به دست آورد. و اگرچه لورنتز در به تأخیر انداختن مرگ نظریه اتر تا حدودی موفق بود، دانشمندان هنوز احساس می کردند که این نظریه "دور از ذهن" است. بنابراین، قرار بود اتر دارای تعدادی ویژگی "افسانه ای" باشد، از جمله بی وزنی و عدم مقاومت در برابر اجسام متحرک.

پایان تاریخ اتر در سال 1905 با انتشار مقاله "در مورد الکترودینامیک اجسام متحرک" توسط آلبرت انیشتین که در آن زمان کمتر شناخته شده بود، به پایان رسید.

نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین

آلبرت انیشتین بیست و شش ساله دیدگاهی کاملاً جدید و متفاوت در مورد ماهیت فضا و زمان بیان کرد که برخلاف ایده های آن زمان بود و به ویژه اصل نسبیت گالیله را به شدت نقض می کرد. به گفته انیشتین، آزمایش مایکلسون به این دلیل که فضا و زمان دارای چنان ویژگی هایی هستند که سرعت نور یک مقدار مطلق است، نتایج مثبتی به دست نیاورد. یعنی صرف نظر از اینکه ناظر در چه چارچوب مرجعی قرار دارد، سرعت نور نسبت به او همیشه یکسان است، 300000 کیلومتر بر ثانیه. از این رو عدم امکان اضافه کردن سرعت نسبت به نور به وجود آمد - مهم نیست منبع نور چقدر سریع حرکت می کند، سرعت نور تغییر نمی کند (افزودن یا تفریق).

انیشتین از انقباض لورنتس برای توصیف تغییرات در پارامترهای اجسامی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند استفاده کرد. بنابراین، برای مثال، طول چنین اجسامی کاهش می یابد و زمان خود آنها کاهش می یابد. ضریب چنین تغییراتی را عامل لورنتس می نامند. فرمول معروف اینشتین E=mc 2در واقع شامل عامل لورنتس نیز می شود ( E= ymc 2) که به طور کلی برابر با وحدت در حالتی است که سرعت بدن vبرابر با صفر با نزدیک شدن به سرعت بدن vبه سرعت نور جفاکتور لورنتس yبه سوی بی نهایت می شتابد از این نتیجه می شود که برای شتاب دادن به یک جسم به سرعت نور، انرژی بی نهایت مورد نیاز است و بنابراین عبور از این محدودیت سرعت غیرممکن است.

همچنین استدلالی به نفع این گزاره وجود دارد که «نسبیت همزمانی» نامیده می شود.

پارادوکس نسبیت همزمانی SRT

به طور خلاصه، پدیده نسبیت همزمانی این است که ساعت‌هایی که در نقاط مختلف فضا قرار دارند، تنها در صورتی می‌توانند «در یک زمان» کار کنند که در چارچوب مرجع اینرسی یکسان باشند. یعنی زمان روی ساعت به انتخاب سیستم مرجع بستگی دارد.

از این پارادوکس ناشی می شود که رویداد B که پیامد رویداد A است، می تواند همزمان با آن رخ دهد. علاوه بر این، می توان سیستم های مرجع را به گونه ای انتخاب کرد که رویداد B زودتر از رویداد A رخ دهد که باعث آن شده است. با این حال، این وضعیت فرضی تنها در صورتی مشاهده می شود که فاصله بین رویدادهای A و B بیشتر از فاصله زمانی بین آنها ضرب در "ثابت الکترومغناطیسی" باشد - با. بنابراین، ثابت جکه برابر با سرعت نور است، حداکثر سرعت انتقال اطلاعات است. در غیر این صورت اصل علیت نقض می شود.

سرعت نور چگونه اندازه گیری می شود؟

مشاهدات اولاف رومر

دانشمندان دوران باستان اکثراً معتقد بودند که نور با سرعت بی نهایت حرکت می کند و اولین تخمین سرعت نور قبلاً در سال 1676 به دست آمد. اولاف رومر، ستاره شناس دانمارکی، مشتری و قمرهای آن را رصد کرد. در لحظه ای که زمین و مشتری در دو طرف خورشید قرار داشتند، خسوف قمر مشتری Io با 22 دقیقه تاخیر نسبت به زمان محاسبه شده بود. تنها راه حلی که اولاف رومر یافت این است که سرعت نور محدود است. به همین دلیل، اطلاعات مربوط به رویداد مشاهده شده 22 دقیقه به تاخیر می افتد، زیرا مدتی طول می کشد تا فاصله ماهواره Io تا تلسکوپ ستاره شناس را طی کند. بر اساس محاسبات رومر، سرعت نور 220000 کیلومتر بر ثانیه بود.

مشاهدات جیمز بردلی

در سال 1727، ستاره شناس انگلیسی، جیمز بردلی، پدیده انحراف نور را کشف کرد. ماهیت این پدیده این است که با حرکت زمین به دور خورشید و همچنین در طول چرخش خود زمین، جابجایی ستارگان در آسمان شب مشاهده می شود. از آنجایی که ناظر زمینی و خود زمین دائماً جهت حرکت خود را نسبت به ستاره مشاهده شده تغییر می دهند، نور ساطع شده از ستاره فواصل مختلفی را طی می کند و در طول زمان در زوایای مختلف به ناظر سقوط می کند. سرعت محدود نور منجر به این واقعیت می شود که ستارگان در آسمان یک بیضی را در طول سال توصیف می کنند. این آزمایش به جیمز بردلی اجازه داد تا سرعت نور را 308000 کیلومتر بر ثانیه تخمین بزند.

تجربه لوئیس فیزو

در سال 1849، فیزیکدان فرانسوی لوئیس فیزو آزمایشی آزمایشگاهی برای اندازه گیری سرعت نور انجام داد. این فیزیکدان آینه ای را در پاریس در فاصله 8633 متری از منبع نصب کرد، اما طبق محاسبات رومر، نور این فاصله را در صد هزارم ثانیه طی می کند. در آن زمان چنین دقت ساعت دست نیافتنی بود. فیزو سپس از چرخ دنده ای استفاده کرد که در مسیر از منبع به آینه و از آینه به ناظر می چرخید و دندانه های آن به طور دوره ای نور را مسدود می کرد. در شرایطی که پرتو نوری از منبع به آینه از بین دندان ها عبور می کرد و در راه برگشت به دندان برخورد می کرد، فیزیکدان سرعت چرخش چرخ را دو برابر می کرد. با افزایش سرعت چرخش، نور عملاً از بین رفت تا اینکه سرعت چرخش به 12.67 دور در ثانیه رسید. در این لحظه نور دوباره ناپدید شد.

چنین مشاهده ای به این معنی است که نور دائماً به دندان ها "برخورد" می کند و زمان "لغزش" بین آنها را ندارد. فیزو با دانستن سرعت چرخش چرخ، تعداد دندانه ها و دو برابر فاصله منبع تا آینه، سرعت نور را محاسبه کرد که برابر با 315000 کیلومتر بر ثانیه بود.

یک سال بعد، یک فیزیکدان فرانسوی دیگر، لئون فوکو، آزمایش مشابهی را انجام داد که در آن به جای چرخ دنده از یک آینه گردان استفاده کرد. مقداری که او برای سرعت نور در هوا به دست آورد 298000 کیلومتر بر ثانیه بود.

یک قرن بعد، روش فیزو به قدری بهبود یافت که آزمایش مشابهی که در سال 1950 توسط E. Bergstrand انجام شد، مقدار سرعت 299793.1 کیلومتر بر ثانیه را نشان داد. این عدد تنها 1 کیلومتر بر ثانیه با مقدار فعلی سرعت نور متفاوت است.

اندازه گیری های بیشتر

با ظهور لیزرها و افزایش دقت ابزارهای اندازه گیری، امکان کاهش خطای اندازه گیری تا 1 متر بر ثانیه وجود داشت. بنابراین در سال 1972، دانشمندان آمریکایی از لیزر برای آزمایشات خود استفاده کردند. آنها با اندازه گیری فرکانس و طول موج پرتو لیزر توانستند مقدار 299792458 متر بر ثانیه را بدست آورند. قابل ذکر است که افزایش بیشتر دقت در اندازه گیری سرعت نور در خلاء، نه به دلیل نقص فنی ابزار، بلکه به دلیل خطای خود استاندارد متر غیرممکن بود. به همین دلیل، در سال 1983، هفدهم کنفرانس عمومی وزن ها و اندازه ها، متر را به عنوان مسافتی که نور در خلاء در زمانی برابر با 1/299،792،458 ثانیه طی می کند، تعریف کرد.

بیایید آن را جمع بندی کنیم

بنابراین، از تمام موارد فوق چنین نتیجه می شود که سرعت نور در خلاء یک ثابت فیزیکی اساسی است که در بسیاری از نظریه های بنیادی ظاهر می شود. این سرعت مطلق است، یعنی به انتخاب سیستم مرجع بستگی ندارد و با حداکثر سرعت انتقال اطلاعات نیز برابر است. نه تنها امواج الکترومغناطیسی (نور)، بلکه تمام ذرات بدون جرم نیز با این سرعت حرکت می کنند. از جمله، احتمالا، گراویتون، ذره ای از امواج گرانشی. در میان چیزهای دیگر، به دلیل اثرات نسبیتی، زمان خود نور به معنای واقعی کلمه ثابت می ماند.

چنین خصوصیاتی از نور، به ویژه عدم کاربرد اصل اضافه کردن سرعت به آن، در سر نمی گنجد. با این حال، بسیاری از آزمایش‌ها ویژگی‌های ذکر شده در بالا را تأیید می‌کنند و تعدادی از نظریه‌های بنیادی دقیقاً بر اساس این ماهیت نور هستند.

مدت‌ها قبل از اینکه دانشمندان سرعت نور را اندازه‌گیری کنند، باید سخت تلاش می‌کردند تا مفهوم «نور» را تعریف کنند. ارسطو یکی از اولین کسانی بود که به این موضوع فکر کرد و نور را نوعی ماده متحرک می دانست که در فضا پخش می شود. همکار و پیرو روم باستان او لوکرتیوس کاروس بر ساختار اتمی نور اصرار داشت.

در قرن هفدهم، دو نظریه اصلی در مورد ماهیت نور شکل گرفت - جسمی و موجی. نیوتن یکی از طرفداران اولین بود. به نظر او همه منابع نوری ذرات ریز ساطع می کنند. در طول "پرواز" آنها خطوط درخشان - پرتوهایی را تشکیل می دهند. حریف او، دانشمند هلندی کریستیان هویگنس، اصرار داشت که نور نوعی حرکت موجی است.

در نتیجه اختلافات چند صد ساله، دانشمندان به اتفاق نظر رسیده اند: هر دو نظریه حق حیات دارند و نور طیفی از امواج الکترومغناطیسی است که با چشم قابل مشاهده است.

کمی تاریخچه چگونه سرعت نور اندازه گیری شد

اکثر دانشمندان باستانی متقاعد شده بودند که سرعت نور بی نهایت است. با این حال، نتایج تحقیقات گالیله و هوک به ماهیت شدید آن اجازه داد، که به وضوح در قرن هفدهم توسط ستاره شناس و ریاضیدان برجسته دانمارکی اولاف رومر تأیید شد.

او اولین اندازه گیری های خود را با مشاهده کسوف Io، ماهواره مشتری، در زمانی انجام داد که مشتری و زمین در دو طرف مخالف نسبت به خورشید قرار داشتند. رومر ثبت کرد که با دور شدن زمین از مشتری با فاصله ای برابر با قطر مدار زمین، زمان تاخیر تغییر کرد. حداکثر مقدار 22 دقیقه بود. در نتیجه محاسبات، سرعت 220000 کیلومتر بر ثانیه را دریافت کرد.

50 سال بعد در سال 1728، به لطف کشف انحراف، اخترشناس انگلیسی جی. بردلی این رقم را به 308000 کیلومتر در ثانیه "تصحیح" کرد. بعدها سرعت نور توسط اخترفیزیکدانان فرانسوی فرانسوا آرگو و لئون فوکو اندازه گیری شد و خروجی 298000 کیلومتر بر ثانیه به دست آمد. یک تکنیک اندازه گیری دقیق تر توسط خالق تداخل سنج، فیزیکدان مشهور آمریکایی آلبرت مایکلسون پیشنهاد شد.

آزمایش مایکلسون برای تعیین سرعت نور

این آزمایش ها از سال 1924 تا 1927 به طول انجامید و شامل 5 سری مشاهدات بود. ماهیت آزمایش به شرح زیر بود. یک منبع نور، یک آینه و یک منشور هشت ضلعی دوار در کوه ویلسون در مجاورت لس آنجلس نصب شد و یک آینه بازتابنده 35 کیلومتر بعد در کوه سن آنتونیو نصب شد. در ابتدا، نور از طریق یک لنز و یک شکاف به منشوری که با یک روتور پرسرعت (با سرعت 528 rps) می چرخد، برخورد می کند.

شرکت کنندگان در آزمایش ها می توانستند سرعت چرخش را طوری تنظیم کنند که تصویر منبع نور به وضوح در چشمی قابل مشاهده باشد. از آنجایی که فاصله بین رئوس و فرکانس چرخش مشخص بود، مایکلسون سرعت نور را 299796 کیلومتر بر ثانیه تعیین کرد.

دانشمندان سرانجام در نیمه دوم قرن بیستم، زمانی که میزرها و لیزرها ساخته شدند، در مورد سرعت نور تصمیم گرفتند که با بالاترین ثبات فرکانس تابش مشخص می شود. در آغاز دهه 70، خطا در اندازه گیری ها به 1 کیلومتر در ثانیه کاهش یافت. در نتیجه، بر اساس توصیه پانزدهم کنفرانس عمومی اوزان و اندازه ها، که در سال 1975 برگزار شد، تصمیم گرفته شد که سرعت نور در خلاء اکنون برابر با 299792.458 کیلومتر بر ثانیه باشد.

آیا سرعت نور برای ما قابل دستیابی است؟

بدیهی است که کاوش در گوشه های دور جهان بدون سفینه های فضایی که با سرعت فوق العاده پرواز می کنند غیرقابل تصور است. ترجیحا با سرعت نور. اما آیا این امکان پذیر است؟

سرعت مانع نور یکی از پیامدهای نظریه نسبیت است. همانطور که می دانید افزایش سرعت مستلزم افزایش انرژی است. سرعت نور به انرژی بی نهایت نیاز دارد.

افسوس، قوانین فیزیک به طور قاطع مخالف این است. با سرعت 300000 کیلومتر بر ثانیه سفینه فضایی، ذراتی که به سمت آن پرواز می کنند، برای مثال اتم های هیدروژن، به منبع مرگبار تشعشعات قدرتمندی معادل 10000 سیورت در ثانیه تبدیل می شوند. این تقریباً مانند قرار گرفتن در برخورد دهنده بزرگ هادرونی است.

به گفته دانشمندان دانشگاه جان هاپکینز، هیچ حفاظت کافی در طبیعت در برابر چنین تشعشعات هیولایی کیهانی وجود ندارد. تخریب کشتی با فرسایش ناشی از اثرات غبار بین ستاره ای کامل خواهد شد.

یکی دیگر از مشکلات سرعت نور اتساع زمان است. پیری بسیار طولانی تر خواهد شد. میدان بینایی نیز تحریف می شود، در نتیجه مسیر کشتی مانند داخل یک تونل می گذرد، که در انتهای آن خدمه یک فلش درخشان را می بینند. در پشت کشتی تاریکی مطلق وجود خواهد داشت.

بنابراین در آینده ای نزدیک، بشر باید "اشتهای" سرعت خود را به 10٪ سرعت نور محدود کند. این بدان معناست که پرواز به نزدیکترین ستاره به زمین، پروکسیما قنطورس (4.22 سال نوری) حدود 40 سال طول خواهد کشید.