Işığın boşluktaki hızı nedir? Işığın hızı nasıl ölçüldü ve gerçek değeri nedir?

Günlük yaşamda herhangi birinin doğrudan ışık hızının ne olduğunu hesaplaması nadir olsa da, bu konuya ilgi çocukluk döneminde kendini gösterir. Şaşırtıcı bir şekilde hepimiz her gün elektromanyetik dalgaların yayılma hız sabitinin işaretiyle karşılaşıyoruz. Işık hızı, tüm Evrenin tam olarak bildiğimiz gibi var olmasını sağlayan temel bir niceliktir.

Elbette, çocuklukta bir şimşek çakmasını ve ardından gelen gök gürültüsünü izleyen herkes, birinci ve ikinci fenomen arasındaki gecikmeye neyin sebep olduğunu anlamaya çalıştı. Basit zihinsel akıl yürütme, hızlı bir şekilde mantıksal bir sonuca yol açtı: ışık ve sesin hızı farklıdır. Bu, iki önemli fiziksel niceliğe ilk giriştir. Daha sonra birisi gerekli bilgiyi aldı ve neler olduğunu kolayca açıklayabildi. Gök gürültüsünün tuhaf davranışına ne sebep olur? Bunun cevabı, ışığın yaklaşık 300 bin km/s olan hızının, havada yayılma hızından (330 m/s) neredeyse bir milyon kat daha yüksek olduğudur. Bu nedenle kişi ilk önce şimşekten görür ve ancak bir süre sonra gök gürültüsünü duyar. Örneğin merkez üssünden gözlemciye 1 km mesafe varsa ışık bu mesafeyi 3 mikrosaniyede kat edecek, ancak ses 3 saniye kadar sürecektir. Işığın hızını ve şimşek ile gök gürültüsü arasındaki gecikme süresini bilerek mesafeyi hesaplayabilirsiniz.

Uzun zamandır bunu ölçmeye yönelik girişimler yapılıyor. Şimdi, yürütülen deneyleri okumak oldukça komik, ancak o uzak zamanlarda, hassas aletlerin ortaya çıkmasından önce her şey fazlasıyla ciddiydi. Işık hızının ne olduğunu bulmaya çalışırken ilginç bir deney gerçekleştirildi. Hızlı hareket eden bir trenin vagonunun bir ucunda hassas bir kronometreye sahip bir adam vardı, diğer tarafta ise ekipteki asistanı lambanın kapağını açtı. Fikire göre kronometrenin, ışık fotonlarının yayılma hızını belirlemeyi mümkün kılması gerekiyordu. Üstelik lambanın ve kronometrenin konumları değiştirilerek (trenin hareket yönü korunarak) ışık hızının sabit olup olmadığı veya artırılıp azaltılamayacağı (bağlı olarak) öğrenilebilecektir. ışının yönü, teorik olarak trenin hızı, deneyde ölçülen hızı etkileyebilir). Tabii ki deney başarısızlıkla sonuçlandı, çünkü ışığın hızı ve kronometre ile kayıt karşılaştırılamaz.

İlk kez 1676 yılında Olaf Roemer'in gözlemleri sayesinde en doğru ölçüm yapıldı ve Io'nun gerçek görünümü ile hesaplanan veriler arasında 22 dakika fark olduğunu fark etti. Gezegenler yaklaştıkça gecikme azaldı. Mesafeyi bilerek ışığın hızını hesaplamak mümkündü. Yaklaşık 215 bin km/s idi. Daha sonra 1926'da D. Bradley, yıldızların görünen konumlarındaki değişiklikleri (sapma) incelerken bir modele dikkat çekti. Yıldızın konumu yılın zamanına bağlı olarak değişti. Sonuç olarak, gezegenin Güneş'e göre konumu etkili oldu. Bir benzetme yapılabilir - yağmur damlaları. Rüzgar olmadan dikey olarak aşağıya doğru uçarlar, ancak koşmaya başlar başlamaz görünürdeki yörüngeleri değişir. Gezegenin Güneş etrafındaki dönüş hızını bilerek ışığın hızını hesaplamak mümkün oldu. Bu hız 301 bin km/s idi.

1849'da A. Fizeau şu deneyi gerçekleştirdi: Bir ışık kaynağı ile 8 km uzaklıktaki bir ayna arasında dönen bir tane vardı.Dönüş hızı, bir sonraki boşlukta yansıyan ışığın akışı sabit hale gelinceye kadar artırıldı. (titreşimsiz). Hesaplamalar 315 bin km/s'yi gösteriyordu. Üç yıl sonra L. Foucault dönen bir ayna kullanarak 298 bin km/s hıza ulaştı.

Daha sonraki deneyler, havadaki kırılma vb. dikkate alınarak giderek daha doğru hale geldi. Şu anda, bir sezyum saati ve bir lazer ışını kullanılarak elde edilen verilerin alakalı olduğu düşünülmektedir. Onlara göre bu hız 299 bin km/s'ye eşittir.

Işık hızı, ışığın birim zamanda kat ettiği mesafedir. Bu değer ışığın yayıldığı maddeye bağlıdır.

Boşlukta ışığın hızı 299.792.458 m/s'dir. Bu, ulaşılabilecek en yüksek hızdır. Özel doğruluk gerektirmeyen problemlerin çözümünde bu değer 300.000.000 m/s olarak alınır. Her türlü elektromanyetik radyasyonun boşlukta ışık hızında yayıldığı varsayılmaktadır: radyo dalgaları, kızılötesi radyasyon, görünür ışık, ultraviyole radyasyon, x-ışınları, gama radyasyonu. Bir harfle belirtilir İle .

Işığın hızı nasıl belirlendi?

Antik çağda bilim adamları ışığın hızının sonsuz olduğuna inanıyorlardı. Daha sonra bilim adamları arasında bu konu üzerinde tartışmalar başladı. Kepler, Descartes ve Fermat eski bilim adamlarının görüşlerine katılıyorlardı. Galileo ve Hooke, ışığın hızı çok yüksek olmasına rağmen yine de sınırlı bir değere sahip olduğuna inanıyorlardı.

Galileo Galilei

Işık hızını ölçmeye çalışan ilk kişilerden biri İtalyan bilim adamı Galileo Galilei'ydi. Deney sırasında kendisi ve asistanı farklı tepelerdeydi. Galileo fenerinin kapağını açtı. Asistan bu ışığı gördüğü anda aynı işlemleri feneriyle yapmak zorunda kaldı. Işığın Galileo'dan asistana gidip geri gelmesi için geçen süre o kadar kısa çıktı ki Galileo, ışığın hızının çok yüksek olduğunu ve ışık çok hızlı ilerlediği için bu kadar kısa bir mesafede bunu ölçmenin imkansız olduğunu fark etti. Neredeyse anında. Ve kaydettiği süre yalnızca kişinin tepkisinin hızını gösteriyor.

Işığın hızı ilk kez 1676 yılında Danimarkalı gökbilimci Olaf Roemer tarafından astronomik mesafeler kullanılarak belirlendi. Jüpiter'in uydusu Io'nun tutulmasını gözlemlemek için bir teleskop kullanarak, Dünya Jüpiter'den uzaklaştıkça sonraki her tutulmanın hesaplanandan daha geç gerçekleştiğini keşfetti. Dünya'nın Güneş'in diğer tarafına geçip Jüpiter'den Dünya yörüngesinin çapına eşit bir mesafede uzaklaşması sırasındaki maksimum gecikme 22 saattir. O dönemde Dünya'nın kesin çapı bilinmese de bilim adamı bunun yaklaşık değerini 22 saate bölerek yaklaşık 220.000 km/s değerini elde etti.

Olaf Roemer

Roemer'in elde ettiği sonuç bilim adamları arasında güvensizliğe neden oldu. Ancak 1849'da Fransız fizikçi Armand Hippolyte Louis Fizeau, dönen deklanşör yöntemini kullanarak ışığın hızını ölçtü. Deneyinde, bir kaynaktan gelen ışık, dönen bir tekerleğin dişleri arasından geçerek bir aynaya yönlendirildi. Ondan yansıyarak geri döndü. Tekerleğin dönüş hızı arttı. Belli bir değere ulaştığında aynadan yansıyan ışın, hareket eden bir diş tarafından geciktirildi ve gözlemci o anda hiçbir şey görmedi.

Fizeau'nun deneyimi

Fizeau ışığın hızını şu şekilde hesapladı. Işık yoluna gider L direksiyondan aynaya eşit bir sürede t 1 = 2L/yıl . Tekerleğin ½ yuvayı döndürmesi için gereken süre t2 = T/2N , Nerede T - tekerlek dönüş periyodu, N - diş sayısı. Dönme frekansı v = 1/T . Gözlemcinin ışığı görmediği an şu anda meydana gelir: t1 = t2 . Buradan ışığın hızını belirleme formülünü elde ederiz:

c = 4LNv

Bu formülü kullanarak hesaplamalar yapan Fizeau şunu belirledi: İle = 313.000.000 m/sn. Bu sonuç çok daha doğruydu.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

1838'de Fransız fizikçi ve gökbilimci Dominique François Jean Arago, ışığın hızını hesaplamak için döner ayna yöntemini kullanmayı önerdi. Bu fikir, 1862 yılında ışık hızının (298.000.000±500.000) m/s değerini elde eden Fransız fizikçi, mekanikçi ve astronom Jean Bernard Leon Foucault tarafından hayata geçirildi.

Dominique François Jean Arago

1891'de Amerikalı gökbilimci Simon Newcomb'un sonucunun Foucault'nun sonucundan çok daha doğru olduğu ortaya çıktı. Yaptığı hesaplamalar sonucunda İle = (99.810.000±50.000) m/sn.

Dönen sekizgen aynalı bir düzenek kullanan Amerikalı fizikçi Albert Abraham Michelson'un araştırması, ışığın hızının daha doğru bir şekilde belirlenmesini mümkün kıldı. 1926 yılında bilim adamı, ışığın iki dağın tepeleri arasındaki 35,4 km'lik mesafeyi kat etmesi için geçen süreyi ölçtü ve şunu elde etti: İle = (299.796.000±4.000) m/sn.

En doğru ölçüm 1975 yılında yapıldı. Aynı yıl Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı ışık hızının 299.792.458 ± 1,2 m/s olarak kabul edilmesini önerdi.

Işığın hızı neye bağlıdır?

Işığın boşluktaki hızı, referans çerçevesine veya gözlemcinin konumuna bağlı değildir. 299,792,458 ± 1,2 m/s'ye eşit olarak sabit kalır. Ancak çeşitli şeffaf ortamlarda bu hız, boşluktaki hızından daha düşük olacaktır. Herhangi bir şeffaf ortamın optik yoğunluğu vardır. Ve ne kadar yüksek olursa, ışığın hızı da o kadar yavaş yayılır. Örneğin ışığın havadaki hızı sudaki hızından daha yüksektir, saf optik camda ise sudaki hızından daha düşüktür.

Işık az yoğun ortamdan çok yoğun ortama doğru hareket ederse hızı azalır. Ve eğer daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçiş meydana gelirse, tam tersine hız artar. Bu, ışık ışınının iki ortam arasındaki geçiş sınırında neden saptığını açıklar.

epigraf
Öğretmen sorar: Çocuklar, dünyadaki en hızlı şey nedir?
Tanechka şöyle diyor: En hızlı kelime. Az önce geri dönmeyeceksin dedim.
Vanechka şöyle diyor: Hayır, ışık en hızlısıdır.
Düğmeye bastığım anda oda aydınlanmaya başladı.
Ve Vovochka itiraz ediyor: Dünyadaki en hızlı şey ishaldir.
Bir zamanlar o kadar sabırsızdım ki tek kelime etmedim
Bir şey söylemeye ya da ışığı açmaya zamanım olmadı.

Evrenimizde ışık hızının neden maksimum, sonlu ve sabit olduğunu hiç merak ettiniz mi? Bu çok ilginç bir soru ve spoiler olarak hemen cevabın korkunç sırrını vereceğim - kimse nedenini tam olarak bilmiyor. Işık hızı alınır, yani. zihinsel olarak kabul edilmiş Albert Einstein, bir sabit için ve bu varsayımın yanı sıra tüm eylemsiz referans çerçevelerinin eşit olduğu fikri üzerine, yüz yıldır bilim adamlarını kızdıran ve Einstein'ın dilini çıkarmasına izin veren özel görelilik teorisini kurdu. cezasız bir şekilde dünyaya bakıyor ve mezarında tüm insanlığın üzerine ektiği domuzun boyutları karşısında sırıtıyor.

Ama aslında neden bu kadar sabit, bu kadar maksimum ve bu kadar nihai, cevap yok, bu sadece bir aksiyom, yani. inançla alınan, gözlemler ve sağduyuyla doğrulanan, ancak mantıksal veya matematiksel olarak hiçbir yerden çıkarılamayan bir ifade. Ve büyük olasılıkla o kadar da doğru değil, ancak henüz hiç kimse bunu herhangi bir deneyimle çürütemedi.

Bu konuyla ilgili kendi düşüncelerim var, onlar hakkında daha sonra detaylı bilgi vereceğim, ancak şimdilik konuyu basit tutalım. parmaklarınızın üzerinde™ En azından bir kısmı cevaplamaya çalışacağım - ışık hızı "sabit" ne anlama geliyor?

Hayır, ışık hızında uçan bir roketin farlarını açarsanız ne olacağına dair düşünce deneyleriyle sizi sıkmayacağım, bu şimdi biraz konu dışı.

Bir referans kitabına veya Vikipedi'ye bakarsanız, ışığın boşluktaki hızının temel bir fiziksel sabit olarak tanımlandığını görürsünüz. Kesinlikle 299.792.458 m/s'ye eşittir. Yani kabaca konuşursak, yaklaşık 300.000 km/s olacaktır, ancak eğer kesinlikle doğru- Saniyede 299.792.458 metre.

Görünüşe göre bu doğruluk nereden geliyor? Herhangi bir matematiksel ya da fiziksel sabit, ne olursa olsun, hatta Pi, hatta doğal logaritmanın tabanı e, hatta yerçekimi sabiti G veya Planck sabiti H, her zaman biraz içerir virgülden sonraki sayılar. Pi'de, bu ondalık basamakların yaklaşık 5 trilyonu şu anda bilinmektedir (her ne kadar yalnızca ilk 39 rakamın herhangi bir fiziksel anlamı olsa da), yerçekimi sabiti bugün G ~ 6,67384(80)x10 -11 ve Plank sabiti olarak tanımlanmaktadır. H~ 6.62606957(29)x10 -34 .

Işığın boşluktaki hızı düz 299.792.458 m/s, ne bir santimetre fazla, ne de nanosaniye eksik. Bu doğruluğun nereden geldiğini bilmek ister misiniz?

Her şey her zamanki gibi eski Yunanlılarla başladı. Kelimenin modern anlamıyla bilim, aralarında mevcut değildi. Antik Yunan filozoflarına filozof deniyordu çünkü önce kafalarında bazı saçmalıklar icat ettiler ve sonra mantıksal sonuçları (ve bazen gerçek fiziksel deneyleri) kullanarak bunu kanıtlamaya veya çürütmeye çalıştılar. Bununla birlikte, gerçek hayattaki fiziksel ölçümlerin ve olayların kullanımı, onlar tarafından doğrudan kafadan elde edilen birinci sınıf mantıksal sonuçlarla karşılaştırılamayacak "ikinci sınıf" kanıtlar olarak değerlendirildi.

Işığın kendi hızının varlığı hakkında ilk düşünen kişinin, ışığın hareket olduğunu ve hareketin de hıza sahip olması gerektiğini belirten filozof Empidokles olduğu düşünülmektedir. Işığın yalnızca doğadaki bir şeyin varlığı olduğunu savunan Aristoteles ona karşı çıktı ve hepsi bu. Ve hiçbir şey hiçbir yere hareket etmiyor. Ama bu başka bir şey! Öklid ve Ptolemy genel olarak ışığın gözlerimizden yayıldığı ve daha sonra nesnelerin üzerine düştüğüne ve bu nedenle onları gördüğümüze inanıyorlardı. Kısacası eski Yunanlılar, aynı eski Romalılar tarafından fethedilinceye kadar ellerinden geldiğince aptaldılar.

Orta Çağ'da çoğu bilim adamı ışığın yayılma hızının sonsuz olduğuna inanmaya devam etti; aralarında Descartes, Kepler ve Fermat da vardı.

Ancak Galileo gibi bazıları ışığın hızı olduğuna ve bu nedenle ölçülebileceğine inanıyordu. Bir lamba yakan ve Galileo'ya birkaç kilometre uzaklıkta bulunan bir asistana ışık veren Galileo'nun deneyi yaygın olarak biliniyor. Işığı gören asistan lambasını yaktı ve Galileo bu anlar arasındaki gecikmeyi ölçmeye çalıştı. Doğal olarak başarılı olamadı ve sonunda yazılarında, eğer ışığın hızı varsa, bunun son derece yüksek olduğunu ve insan çabasıyla ölçülemediğini, dolayısıyla sonsuz kabul edilebileceğini yazmak zorunda kaldı.

Işık hızının belgelenen ilk ölçümü, 1676'da Danimarkalı gökbilimci Olaf Roemer'e atfedilir. Bu yıla gelindiğinde, aynı Galileo'nun teleskoplarıyla donanmış gökbilimciler, Jüpiter'in uydularını aktif olarak gözlemliyorlardı ve hatta dönüş sürelerini hesaplıyorlardı. Bilim insanları, Jüpiter'e en yakın uydu olan Io'nun dönüş süresinin yaklaşık 42 saat olduğunu belirledi. Ancak Roemer, Io'nun bazen beklenenden 11 dakika önce, bazen de 11 dakika sonra Jüpiter'in arkasından göründüğünü fark etti. Anlaşıldığı üzere, Io, Dünya'nın Güneş etrafında döndüğü, Jüpiter'e minimum mesafeden yaklaştığı ve Dünya yörüngenin zıt yerindeyken 11 dakika geride kaldığı ve dolayısıyla Jüpiter'den daha uzakta olduğu dönemlerde daha erken ortaya çıkıyor. Jüpiter.

Dünyanın yörüngesinin çapını aptalca 22 dakikaya bölen (ve o zamanlar az çok biliniyordu) Roemer, gerçek değeri yaklaşık üçte bir oranında kaçırarak 220.000 km/s ışık hızını elde etti.

1729'da İngiliz gökbilimci James Bradley gözlemledi. paralaks(konumda hafif bir sapma ile) yıldız Etamin (Gamma Draconis) bu etkiyi keşfetti ışık sapmaları yani Dünyanın Güneş etrafındaki hareketi nedeniyle gökyüzünde bize en yakın yıldızların konumlarının değişmesi.

Bradley tarafından keşfedilen ışık sapması etkisinden, ışığın sonlu bir yayılma hızına sahip olduğu sonucuna varılabilir; Bradley bunu ele almış ve bunu yaklaşık 301.000 km/s olarak hesaplamıştır ki bu zaten %1'lik bir doğruluk dahilindedir. bugün bilinen değer.

Bunu diğer bilim adamlarının tüm açıklayıcı ölçümleri izledi, ancak ışığın bir dalga olduğuna ve bir dalganın kendi başına yayılamayacağına inanıldığından, bir şeyin "heyecanlanması", "bir" varlığı fikrinin "heyecanlanması" gerekiyordu. Amerikalı fizikçi Albert Michelson'un keşfinde fena halde başarısızlığa uğrayan ışık saçan eter" ortaya çıktı. Işık saçan bir eter keşfetmedi ancak 1879'da ışığın hızının 299.910±50 km/s olduğunu açıkladı.

Aynı sıralarda Maxwell, elektromanyetizma teorisini yayınladı; bu, ışık hızının yalnızca doğrudan ölçülmesinin değil, aynı zamanda elektriksel ve manyetik geçirgenlik değerlerinden türetilmesinin de mümkün olduğu anlamına geliyor; bu, değerinin açıklığa kavuşturulmasıyla yapıldı. 1907'de ışık hızı 299.788 km/s'ye çıktı.

Son olarak Einstein, ışığın boşluktaki hızının sabit olduğunu ve hiçbir şeye bağlı olmadığını açıkladı. Aksine, diğer her şey - hızların eklenmesi ve doğru referans sistemlerinin bulunması, yüksek hızlarda hareket ederken zaman genişlemesinin ve mesafelerin değişmesinin etkileri ve diğer birçok göreli etki, ışık hızına bağlıdır (çünkü tüm formüllerde şu şekilde yer almaktadır: bir sabit). Kısacası dünyadaki her şey görecelidir ve ışık hızı, dünyamızdaki diğer şeylerin göreceli olduğu niceliktir. Burada belki de avuç içi Lorentz'e verilmeli ama ticarileşmeyelim, Einstein Einstein'dır.

Bu sabitin değerinin kesin olarak belirlenmesi 20. yüzyıl boyunca devam etti ve her on yılda bir bilim insanları daha fazlasını buldu. virgülden sonraki sayılarışık hızında, ta ki kafalarında belirsiz şüpheler oluşmaya başlayana kadar.

Işığın boşlukta saniyede kaç metre yol kat ettiğini giderek daha doğru bir şekilde belirleyen bilim insanları, metre cinsinden neyi ölçtüğümüzü merak etmeye başladılar. Sonuçta bir metre, birisinin Paris yakınındaki bir müzede unuttuğu platin-iridyum çubuğunun uzunluğu kadardır!

Ve ilk başta standart bir ölçüm cihazı kullanma fikri harika görünüyordu. Fransızlar, 1791'de yarda, ayak ve diğer eğik kulaçlardan muzdarip olmamak için, Paris'ten geçen meridyen boyunca Kuzey Kutbu'ndan ekvatora kadar olan mesafenin on milyonda birini standart uzunluk ölçüsü olarak almaya karar verdiler. Bu mesafeyi o zamanki doğrulukla ölçtüler, platin-iridyum (daha doğrusu önce pirinç, sonra platin ve sonra platin-iridyum) alaşımından bir çubuk döktüler ve bunu Paris'teki Ağırlık ve Ölçüler Odası'na koydular. Bir örnek. Ne kadar ileri gidersek, dünyanın yüzeyinin o kadar değiştiği, kıtaların deforme olduğu, meridyenlerin değiştiği ve on milyonda bir oranında unutulup çubuğun uzunluğunu bir metre olarak saymaya başladıkları ortaya çıkıyor. Paris "türbesinin" kristal tabutunda yatıyor.

Böyle bir putperestlik gerçek bir bilim adamına yakışmıyor, burası Kızıl Meydan (!) değil ve 1960 yılında metre kavramının tamamen açık bir tanımla basitleştirilmesine karar verildi - metre, geçişle yayılan 1.650.763,73 dalga boyuna tam olarak eşittir. Boşlukta Kripton-86 elementinin uyarılmamış izotopunun 2p10 ve 5d5 enerji seviyeleri arasındaki elektronlar. Peki, daha ne kadar açık?

Bu, 23 yıl boyunca devam etti, ışığın boşluktaki hızı giderek artan bir doğrulukla ölçülürken, 1983'e kadar, sonunda en inatçı gerilemeler bile ışık hızının bir çeşit sabit değil, en doğru ve ideal sabit olduğunu fark etti. kriptonun izotopu. Ve her şeyin tersine çevrilmesine karar verildi (daha doğrusu düşünürseniz, her şeyin tersine çevrilmesine karar verildi), şimdi ışık hızı İle gerçek bir sabittir ve metre, ışığın boşlukta (1/299.792.458) saniyede kat ettiği mesafedir.

Işık hızının gerçek değeri bugün açıklığa kavuşturulmaya devam ediyor ancak ilginç olan, bilim adamlarının her yeni deneyde ışığın hızını değil, metrenin gerçek uzunluğunu açıklığa kavuşturması. Ve önümüzdeki yıllarda ışık hızı ne kadar doğru bulunursa, sonunda o kadar doğru ölçüm elde edeceğiz.

Ve tam tersi değil.

Şimdi koyunlarımıza geri dönelim. Evrenimizin boşluğundaki ışığın hızı neden maksimum, sonlu ve sabittir? Ben bu şekilde anlıyorum.

Herkes metaldeki ve hemen hemen her katı cisimdeki ses hızının havadaki ses hızından çok daha yüksek olduğunu bilir. Bunu kontrol etmek çok kolaydır; kulağınızı raylara dayamanız yeterli; yaklaşan trenin sesini havadan çok daha erken duyabileceksiniz. Nedenmiş? Sesin temelde aynı olduğu ve yayılma hızının ortama, bu ortamı oluşturan moleküllerin konfigürasyonuna, yoğunluğuna, kristal kafesinin parametrelerine, kısacası, sesin iletildiği ortamın mevcut durumu.

Işıldayan eter fikri uzun süredir terk edilmiş olsa da, elektromanyetik dalgaların yayıldığı boşluk, bize ne kadar boş görünse de kesinlikle mutlak bir hiç değildir.

Benzetmenin biraz abartılı olduğunun farkındayım ama bu doğru parmaklarınızın üzerinde™ Aynı! Kesinlikle erişilebilir bir benzetme olarak ve hiçbir şekilde bir dizi fiziksel yasadan diğerine doğrudan bir geçiş olarak, sizden yalnızca elektromanyetik (ve genel olarak gluon ve yerçekimi dahil herhangi bir) titreşimin yayılma hızının, tıpkı çelikteki ses hızının raya "dikilmesi" gibi. Buradan dans ediyoruz.

GÜNCELLEME: Bu arada, "yıldız işaretli okuyucuları" ışık hızının "zor bir boşlukta" sabit kalıp kalmadığını hayal etmeye davet ediyorum. Örneğin, 10-30 K sıcaklık düzeyindeki enerjilerde, vakumun sanal parçacıklarla kaynamayı bıraktığına ve "kaynamaya" başladığına inanılmaktadır; uzayın dokusu parçalanır, Planck miktarları bulanıklaşır ve fiziksel anlamlarını kaybeder vb. Böyle bir boşlukta ışığın hızı hala eşit olabilir mi? C Yoksa bu, aşırı hızlarda Lorentz katsayıları gibi düzeltmelerle yeni bir "göreli boşluk" teorisinin başlangıcına mı işaret edecek? Bilmiyorum, bilmiyorum, zaman gösterecek...

19. yüzyılda bir dizi yeni olgunun keşfedilmesine yol açan birçok bilimsel deney görüldü. Bu fenomenler arasında Hans Oersted'in elektrik akımıyla manyetik indüksiyon oluşumunu keşfetmesi de vardır. Daha sonra Michael Faraday, elektromanyetik indüksiyon adı verilen zıt etkiyi keşfetti.

James Maxwell denklemleri - ışığın elektromanyetik doğası

Bu keşiflerin bir sonucu olarak, "uzaktan etkileşim" olarak adlandırılan olay fark edildi ve bu, Wilhelm Weber tarafından formüle edilen ve uzun menzilli harekete dayanan yeni elektromanyetizma teorisinin ortaya çıkmasına neden oldu. Daha sonra Maxwell birbirini üretebilen, elektromanyetik dalga olan elektrik ve manyetik alan kavramını tanımladı. Daha sonra Maxwell denklemlerinde "elektromanyetik sabit" olarak adlandırılan değeri kullandı: İle.

O zamana kadar bilim adamları, ışığın doğası gereği elektromanyetik olduğu gerçeğine çoktan yaklaşmışlardı. Elektromanyetik sabitin fiziksel anlamı, elektromanyetik uyarıların yayılma hızıdır. James Maxwell'in kendisini şaşırtacak şekilde, birim yükler ve akımlarla yapılan deneylerde bu sabitin ölçülen değerinin, ışığın boşluktaki hızına eşit olduğu ortaya çıktı.

Bu keşiften önce insanlık ışığı, elektriği ve manyetizmayı ayırıyordu. Maxwell'in genellemesi, uzayda bağımsız olarak yayılan elektrik ve manyetik alanların belirli bir parçası olarak ışığın doğasına yeni bir bakış atmamıza olanak sağladı.

Aşağıdaki şekil aynı zamanda ışık olan bir elektromanyetik dalganın yayılımının bir diyagramını göstermektedir. Burada H manyetik alan kuvveti vektörüdür, E ise elektrik alan kuvveti vektörüdür. Her iki vektör de birbirine ve dalga yayılma yönüne diktir.

Michelson deneyi: ışık hızının mutlaklığı

O zamanın fiziği büyük ölçüde Galileo'nun görelilik ilkesi üzerine inşa edilmişti; buna göre mekanik yasaları seçilen herhangi bir eylemsiz referans çerçevesinde aynı görünür. Aynı zamanda hızların eklenmesine göre yayılma hızı kaynağın hızına bağlı olmalıdır. Ancak bu durumda elektromanyetik dalga, referans çerçevesi seçimine bağlı olarak farklı davranacaktır ki bu da Galileo'nun görelilik ilkesine aykırıdır. Dolayısıyla Maxwell'in görünüşte iyi biçimlendirilmiş teorisi sallantılı bir durumdaydı.

Deneyler, ışığın hızının aslında kaynağın hızına bağlı olmadığını gösterdi; bu da böyle garip bir gerçeği açıklayabilecek bir teoriye ihtiyaç olduğu anlamına geliyor. O zamanın en iyi teorisinin, tıpkı sesin havada yayılması gibi, ışığın da yayıldığı belirli bir ortam olan "eter" teorisi olduğu ortaya çıktı. O zaman ışığın hızı, kaynağın hareket hızına göre değil, ortamın, yani eterin özelliklerine göre belirlenecektir.

Eteri keşfetmek için pek çok deney yapıldı; bunlardan en ünlüsü Amerikalı fizikçi Albert Michelson'un deneyiydi. Kısacası Dünya'nın uzayda hareket ettiği biliniyor. O halde onun aynı zamanda eter boyunca da hareket ettiğini varsaymak mantıklıdır, çünkü eterin Dünya'ya tamamen bağlanması yalnızca egoizmin en yüksek derecesi olmakla kalmaz, aynı zamanda hiçbir şeyden kaynaklanamaz. Eğer Dünya, ışığın yayıldığı belirli bir ortamdan geçiyorsa, burada hızların toplamının meydana geldiğini varsaymak mantıklı olacaktır. Yani ışığın yayılması, eterin içinden geçen Dünya'nın hareket yönüne bağlı olmalıdır. Michelson yaptığı deneyler sonucunda ışığın Dünya'dan her iki yönde yayılma hızları arasında herhangi bir fark keşfetmedi.

Hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz bu sorunu çözmeye çalıştı. Onun varsayımına göre, "ruhani rüzgar" cisimleri öyle bir etkilemişti ki, cisimler hareket yönünde boyutlarını küçültüyordu. Bu varsayıma dayanarak, hem Dünya hem de Michelson'un cihazı bu Lorentz büzülmesini yaşadı ve bunun sonucunda Albert Michelson, ışığın her iki yönde yayılması için aynı hızı elde etti. Her ne kadar Lorentz, eter teorisinin ölümünü geciktirmede bir nebze başarılı olsa da, bilim insanları hâlâ bu teorinin "aşırı ihtimal" olduğunu düşünüyorlardı. Bu nedenle eterin, ağırlıksızlık ve hareket eden cisimlere karşı direncin olmaması da dahil olmak üzere bir dizi "peri masalı" özelliğine sahip olması gerekiyordu.

Eterin tarihinin sonu, 1905 yılında o zamanlar az tanınan Albert Einstein'ın "Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine" makalesinin yayınlanmasıyla geldi.

Albert Einstein'ın özel görelilik teorisi

Yirmi altı yaşındaki Albert Einstein, uzay ve zamanın doğası hakkında, zamanın fikirlerine aykırı olan ve özellikle Galileo'nun görelilik ilkesini büyük ölçüde ihlal eden tamamen yeni, farklı bir görüş dile getirdi. Einstein'a göre Michelson'un deneyi, uzay ve zamanın ışık hızının mutlak bir değer olmasını sağlayacak özelliklere sahip olması nedeniyle olumlu sonuçlar vermedi. Yani gözlemci hangi referans çerçevesinde olursa olsun ışığın ona göre hızı her zaman aynıdır, yani 300.000 km/sn. Bundan, ışığa göre hızların eklenmesinin uygulanmasının imkansızlığı ortaya çıktı - ışık kaynağı ne kadar hızlı hareket ederse etsin, ışığın hızı değişmeyecektir (toplama veya çıkarma).

Einstein, ışık hızına yakın hızlarda hareket eden cisimlerin parametrelerindeki değişiklikleri tanımlamak için Lorentz daralmasını kullandı. Yani örneğin bu tür cisimlerin uzunluğu azalacak ve kendi süreleri yavaşlayacak. Bu tür değişikliklerin katsayısına Lorentz faktörü denir. Einstein'ın ünlü formülü e=mc2 aslında Lorentz faktörünü de içerir ( e= ymc2), vücut hızının genel olarak birliğe eşit olduğu durumda v sıfıra eşittir. Vücut hızı yaklaştıkça vışık hızına C Lorentz faktörü sen sonsuzluğa doğru koşuyor. Buradan bir cismi ışık hızına çıkarmak için sonsuz miktarda enerjiye ihtiyaç duyulacağı ve dolayısıyla bu hız sınırını aşmanın imkansız olduğu sonucu çıkar.

“Eşzamanlılığın göreliliği” olarak adlandırılan bu ifadeyi destekleyen bir argüman da var.

SRT'nin eşzamanlılığının göreliliği paradoksu

Kısaca eşzamanlılık göreliliği olgusu, uzayda farklı noktalarda bulunan saatlerin ancak aynı eylemsiz referans çerçevesinde olmaları durumunda "aynı anda" çalışabilmeleridir. Yani saatin zamanı referans sisteminin seçimine bağlıdır.

Buradan, A olayının sonucu olan B olayının onunla eş zamanlı olarak meydana gelebileceği paradoksu ortaya çıkar. Ayrıca referans sistemlerini, B olayının, ona neden olan A olayından daha önce meydana gelmesini sağlayacak şekilde seçmek mümkündür.Böyle bir olgu, bilimin oldukça sağlam bir şekilde yerleşmiş olan ve hiçbir zaman sorgulanmamış olan nedensellik ilkesini ihlal etmektedir. Bununla birlikte, bu varsayımsal durum yalnızca A ve B olayları arasındaki mesafenin, aralarındaki zaman aralığının “elektromanyetik sabit” ile çarpımından büyük olması durumunda gözlenir - İle. Böylece sabit C Işık hızına eşit olan hız, bilgi aktarımının maksimum hızıdır. Aksi halde nedensellik ilkesi ihlal edilmiş olur.

Işığın hızı nasıl ölçülür?

Olaf Roemer'in gözlemleri

Antik çağ bilim adamlarının büyük bir kısmı ışığın sonsuz hızda hareket ettiğine inanıyordu ve ışığın hızına ilişkin ilk tahmin 1676'da elde edilmişti. Danimarkalı gökbilimci Olaf Roemer Jüpiter'i ve uydularını gözlemledi. Dünya ve Jüpiter'in Güneş'in karşıt taraflarında olduğu anda Jüpiter'in uydusu Io'nun tutulması hesaplanan süreye göre 22 dakika gecikti. Olaf Roemer'in bulduğu tek çözüm ışık hızının sınırlayıcı olmasıdır. Bu nedenle, Io uydusundan astronomun teleskopuna kadar olan mesafeyi kat etmek biraz zaman aldığından, gözlemlenen olaya ilişkin bilgiler 22 dakika gecikmelidir. Roemer'in hesaplamalarına göre ışığın hızı 220.000 km/s idi.

James Bradley'in gözlemleri

1727'de İngiliz gökbilimci James Bradley, ışığın sapması olgusunu keşfetti. Bu olgunun özü, Dünya Güneş'in etrafında hareket ederken ve aynı zamanda Dünya'nın kendi dönüşü sırasında gece gökyüzünde yıldızların yer değiştirmesinin gözlemlenmesidir. Dünyalı gözlemci ve Dünya'nın kendisi gözlenen yıldıza göre hareket yönünü sürekli değiştirdiğinden, yıldızın yaydığı ışık zamanla farklı mesafeler kat eder ve gözlemciye farklı açılarla düşer. Işığın hızının sınırlı olması, gökyüzündeki yıldızların yıl boyunca bir elips çizmesine yol açmaktadır. Bu deney James Bradley'in ışığın hızını (308.000 km/s) tahmin etmesini sağladı.

Louis Fizeau Deneyimi

1849'da Fransız fizikçi Louis Fizeau, ışığın hızını ölçmek için bir laboratuvar deneyi yaptı. Fizikçi, Paris'te kaynaktan 8.633 metre uzaklığa bir ayna yerleştirdi ancak Roemer'in hesaplamalarına göre ışık bu mesafeyi saniyenin yüz binde biri kadar bir sürede kat edecek. O zamanlar böyle bir saat doğruluğu elde edilemezdi. Fizeau daha sonra kaynaktan aynaya ve aynadan gözlemciye giden yolda dönen, dişleri periyodik olarak ışığı engelleyen bir dişli çark kullandı. Kaynaktan aynaya gelen ışık ışınının dişlerin arasından geçmesi ve geri dönerken dişe çarpması durumunda fizikçi tekerleğin dönüş hızını iki katına çıkardı. Tekerleğin dönüş hızı arttıkça, dönüş hızı saniyede 12,67 devire ulaşana kadar ışığın kaybolması neredeyse durdu. Bu sırada ışık yeniden kayboldu.

Böyle bir gözlem, ışığın sürekli olarak dişlere "çarptığı" ve aralarından "kayacak" zamanı olmadığı anlamına geliyordu. Tekerleğin dönüş hızını, diş sayısını ve kaynaktan aynaya olan mesafenin iki katı mesafeyi bilen Fizeau, ışığın hızını hesapladı ve bu hızın 315.000 km/sn olduğu ortaya çıktı.

Bir yıl sonra başka bir Fransız fizikçi Leon Foucault, dişli çark yerine dönen bir ayna kullanarak benzer bir deney gerçekleştirdi. Işığın havadaki hızı için elde ettiği değer 298.000 km/s idi.

Bir asır sonra Fizeau'nun yöntemi o kadar geliştirildi ki, 1950 yılında E. Bergstrand tarafından yapılan benzer bir deneyde hız değeri 299.793,1 km/s olarak verildi. Bu sayı, ışık hızının mevcut değerinden yalnızca 1 km/s farklıdır.

Diğer ölçümler

Lazerlerin gelişmesi ve ölçüm cihazlarının doğruluğunun artmasıyla ölçüm hatasını 1 m/s'ye indirmek mümkün oldu. 1972'de Amerikalı bilim adamları deneyleri için lazer kullandılar. Lazer ışınının frekansını ve dalga boyunu ölçerek 299.792.458 m/s değerini elde edebildiler. Aletlerin teknik kusurlarından değil, ölçüm standardının kendi hatasından dolayı, vakumda ışık hızının ölçülmesinin doğruluğundaki daha fazla artışın imkansız olması dikkat çekicidir. Bu nedenle 1983 yılında XVII. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansında metre, ışığın boşlukta 1/299.792.458 saniyelik bir sürede kat ettiği mesafe olarak tanımlandı.

Özetleyelim

Dolayısıyla, yukarıdakilerin hepsinden, ışığın boşluktaki hızının birçok temel teoride ortaya çıkan temel bir fiziksel sabit olduğu sonucu çıkar. Bu hız mutlaktır, yani referans sisteminin seçimine bağlı değildir ve aynı zamanda maksimum bilgi aktarım hızına da eşittir. Sadece elektromanyetik dalgalar (ışık) değil, kütlesiz tüm parçacıklar da bu hızla hareket eder. Muhtemelen yerçekimi dalgalarının bir parçacığı olan graviton da buna dahildir. Diğer şeylerin yanı sıra, göreceli etkilerden dolayı ışığın kendi zamanı kelimenin tam anlamıyla hareketsiz duruyor.

Işığın bu gibi özellikleri, özellikle hızların ona eklenmesi ilkesinin uygulanamaması kafaya uymaz. Bununla birlikte, birçok deney yukarıda sıralanan özellikleri doğrulamaktadır ve bazı temel teoriler tam olarak ışığın bu doğasına dayanmaktadır.

Bilim insanları ışığın hızını ölçmeden çok önce, "ışık" kavramını tanımlamak için çok çalışmak zorundaydılar. Işığı uzayda yayılan bir tür hareketli madde olarak gören Aristoteles, bu konuyu ilk düşünenlerden biriydi. Antik Romalı meslektaşı ve takipçisi Lucretius Carus, ışığın atomik yapısı konusunda ısrar etti.

17. yüzyıla gelindiğinde ışığın doğasına ilişkin iki ana teori oluşturuldu: tanecikli ve dalga. Newton ilkinin taraftarlarından biriydi. Ona göre tüm ışık kaynakları çok küçük parçacıklar yayar. “Uçuş” sırasında parlak çizgiler - ışınlar oluştururlar. Rakibi Hollandalı bilim adamı Christiaan Huygens, ışığın bir tür dalga hareketi olduğu konusunda ısrar etti.

Asırlardır süren tartışmaların bir sonucu olarak, bilim adamları bir fikir birliğine vardılar: her iki teori de yaşam hakkına sahiptir ve ışık, gözle görülebilen bir elektromanyetik dalga spektrumudur.

Biraz tarih. Işığın hızı nasıl ölçüldü?

Eski bilim adamlarının çoğu, ışığın hızının sonsuz olduğuna ikna olmuştu. Bununla birlikte, Galileo ve Hooke'un araştırmalarının sonuçları, 17. yüzyılda seçkin Danimarkalı gökbilimci ve matematikçi Olaf Roemer tarafından açıkça doğrulanan aşırı doğasına izin verdi.

İlk ölçümlerini Jüpiter'in uydusu Io'nun tutulmalarını, Jüpiter ile Dünya'nın Güneş'e göre zıt taraflarda yer aldığı bir dönemde gözlemleyerek yaptı. Roemer, Dünya Jüpiter'den Dünya yörüngesinin çapına eşit bir mesafe kadar uzaklaştıkça gecikme süresinin değiştiğini kaydetti. Maksimum değer 22 dakikaydı. Hesaplamalar sonucunda 220.000 km/sn hıza ulaştı.

50 yıl sonra 1728'de İngiliz gökbilimci J. Bradley, sapmanın keşfi sayesinde bu rakamı 308.000 km/sn'ye "iyileştirdi". Daha sonra Fransız astrofizikçiler François Argot ve Leon Foucault tarafından ışığın hızı ölçüldü ve 298.000 km/sn'lik bir çıktı elde edildi. İnterferometrenin yaratıcısı ünlü Amerikalı fizikçi Albert Michelson tarafından daha da doğru bir ölçüm tekniği önerildi.

Michelson'un ışık hızını belirleme deneyi

Deneyler 1924'ten 1927'ye kadar sürdü ve 5 dizi gözlemden oluşuyordu. Deneyin özü aşağıdaki gibiydi. Los Angeles yakınlarındaki Wilson Dağı'na bir ışık kaynağı, bir ayna ve dönen bir sekizgen prizma yerleştirildi ve 35 km sonra San Antonio Dağı'na bir yansıtıcı ayna yerleştirildi. İlk olarak, bir mercekten ve bir yarıktan geçen ışık, yüksek hızlı bir rotorla (528 rpm hızında) dönen bir prizmaya çarpıyor.

Deneylere katılanlar, ışık kaynağının görüntüsünün göz merceğinde açıkça görülebilmesi için dönüş hızını ayarlayabildiler. Köşeler arasındaki mesafe ve dönüş frekansı bilindiğinden Michelson ışığın hızını 299.796 km/sn olarak belirledi.

Bilim adamları nihayet 20. yüzyılın ikinci yarısında, radyasyon frekansının en yüksek kararlılığıyla karakterize edilen ustaların ve lazerlerin yaratıldığı zaman, ışığın hızına karar verdiler. 70'li yılların başında ölçümlerdeki hata 1 km/sn'ye düşmüştü. Sonuç olarak, 1975 yılında düzenlenen XV. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı'nın önerisi üzerine, ışığın boşluktaki hızının şu anda 299792.458 km/sn'ye eşit olduğunun varsayılmasına karar verildi.

Işık hızı bizim için ulaşılabilir mi?

Açıkçası, evrenin uzak köşelerinin keşfi, muazzam hızlarda uçan uzay gemileri olmadan düşünülemez. Tercihen ışık hızında. Peki bu mümkün mü?

Işık bariyerinin hızı, görelilik teorisinin sonuçlarından biridir. Bildiğiniz gibi hızın artması enerjinin artmasını gerektirir. Işık hızı neredeyse sonsuz enerji gerektirir.

Ne yazık ki fizik yasaları buna kategorik olarak karşıdır. 300.000 km/sn'lik bir uzay gemisi hızıyla ona doğru uçan parçacıklar, örneğin hidrojen atomları, saniyede 10.000 sievert'e eşdeğer güçlü, ölümcül bir radyasyon kaynağına dönüşür. Bu, Büyük Hadron Çarpıştırıcısının içinde olmakla hemen hemen aynı şeydir.

Johns Hopkins Üniversitesi'ndeki bilim adamlarına göre doğada bu kadar korkunç kozmik radyasyona karşı yeterli koruma yok. Yıldızlararası tozun etkisiyle erozyonla geminin imhası tamamlanacak.

Işık hızıyla ilgili bir diğer sorun da zaman genişlemesidir. Yaşlılık çok daha uzun olacak. Görüş alanı da bozulacak, bunun sonucunda geminin yörüngesi sanki bir tünelin içindeymiş gibi geçecek ve sonunda mürettebat parlak bir parıltı görecek. Geminin arkasında mutlak zifiri karanlık olacak.

Yani yakın gelecekte insanlık hız “iştahını” ışık hızının %10'u ile sınırlamak zorunda kalacak. Bu da Dünya'ya en yakın yıldız olan Proxima Centauri'ye (4,22 ışıkyılı) uçmanın yaklaşık 40 yıl süreceği anlamına geliyor.