Daudzi cilvēki jau no agras bērnības ir zinājuši par tāda jēdziena kā “gaismas ātrums” esamību. Bet ne visi detalizēti zina par parādību.
Daudzi vērsa uzmanību uz to, ka pērkona negaisa laikā ir aizkavēšanās starp zibens zibspuldzi un pērkona skaņu. Uzliesmojums, kā likums, mūs sasniedz ātrāk. Tas nozīmē, ka tam ir lielāks ātrums nekā skaņai. Kāds tam iemesls? Kāds ir gaismas ātrums un kā to mēra?
Kāds ir gaismas ātrums?
Vispirms sapratīsim, kāds ir gaismas ātrums. Zinātniski tas ir tāds daudzums, kas parāda, cik ātri stari pārvietojas vakuumā vai gaisā. Jums arī jāzina, kas ir gaisma. Tas ir starojums, ko uztver cilvēka acs. Ātrums ir atkarīgs no vides apstākļiem, kā arī no citām īpašībām, piemēram, refrakcijas.
Interesants fakts: Gaismas ceļojums no Zemes uz satelītu, Mēnesi prasa 1,25 sekundes.
Kāds ir jūsu gaismas ātrums?
Vienkārši sakot, gaismas ātrums ir laika sprīdis, kurā gaismas stars pārvietojas jebkurā attālumā. Laiks parasti tiek mērīts sekundēs. Tomēr daži zinātnieki izmanto dažādas vienības. Arī attālumu mēra dažādos veidos. Būtībā - tas ir metrs. Tas ir, šī vērtība tiek ņemta vērā m / s. Fizika to izskaidro šādi: parādība, kas pārvietojas ar noteiktu ātrumu (nemainīgu).
Apskatīsim šo piemēru, lai to būtu vieglāk saprast. Velosipēdists pārvietojas ar ātrumu 20 km / h. Viņš vēlas panākt automašīnas vadītāju, kura ātrums ir 25 km / h. Ja skaita, tad automašīna brauc par 5 km / h ātrāk nekā velosipēdists. Ar gaismas stariem lietas ir atšķirīgas. Neatkarīgi no tā, cik ātri pārvietojas pirmie un otrie cilvēki, gaisma attiecībā pret viņiem pārvietojas ar nemainīgu ātrumu.
Kāds ir gaismas ātrums?
Atrodoties vakuumā, dažādi apstākļi ietekmē gaismu. Viela, caur kuru stari iziet, ieskaitot. Ja metru skaits sekundē nemainās bez piekļuves skābeklim, tad vidē ar gaisa piekļuvi vērtība mainās.
Gaisma lēnāk pārvietojas pa dažādiem materiāliem, piemēram, stiklu, ūdeni un gaisu. Šai parādībai tiek piešķirts refrakcijas indekss, lai aprakstītu, cik lielā mērā tie palēnina gaismas kustību. Stikla refrakcijas koeficients ir 1,5, kas nozīmē, ka gaisma caur to iet ar ātrumu aptuveni 200 tūkstoši kilometru sekundē. Ūdens refrakcijas indekss ir 1,3, un gaisa refrakcijas indekss ir nedaudz lielāks par 1, kas nozīmē, ka gaiss tikai nedaudz palēnina gaismu.
Tāpēc, šķērsojot gaisu vai šķidrumu, ātrums samazinās, kļūstot mazāks nekā vakuumā. Piemēram, dažādos rezervuāros staru kustības ātrums ir 0,75 no ātruma kosmosā. Arī ar standarta spiedienu 1,01 bar ātrums palēninās par 1,5–2%. Tas ir, zemes apstākļos gaismas ātrums mainās atkarībā no vides apstākļiem.
Šādai parādībai viņi nāca klajā ar īpašu jēdzienu - refrakciju. Tas ir, gaismas refrakcija. To plaši izmanto dažādos izgudrojumos. Piemēram, refraktors ir teleskops ar optisko sistēmu. Tāpat ar tā palīdzību tiek izveidoti arī binokļi un cits aprīkojums, kura būtība ir optikas lietošana.
Parasti mazāko staru var refraktēt caur parastu gaisu. Braucot caur speciāli izveidotu optisko stiklu, ātrums ir aptuveni 195 tūkstoši kilometru sekundē. Tas ir gandrīz par 105 tūkstošiem km / s mazāk nekā konstante.
Visprecīzākā gaismas ātruma vērtība
Fiziķi gadu gaitā ir ieguvuši pieredzi gaismas staru ātruma izpētē. Pašlaik precīzākā ir gaismas ātruma vērtība 299 792 kilometri sekundē. Konstante tika izveidota 1933. gadā. Skaitlis joprojām ir būtisks.
Tomēr indikatora noteikšanai radās papildu grūtības.Tas bija saistīts ar skaitītāja kļūdu. Tagad pats skaitītājs tieši ir atkarīgs no gaismas ātruma. Tas ir vienāds ar attālumu, kuru stari veic noteiktā sekunžu skaitā - 1 / gaismas ātrums.
Kāds ir gaismas ātrums vakuumā?
Tā kā vakuumā dažādi apstākļi neietekmē gaismu, tā ātrums nemainās tāpat kā uz Zemes. Gaismas ātrums vakuumā ir 299 792 kilometri sekundē. Šis rādītājs ir robeža. Tiek uzskatīts, ka nekas pasaulē nevar pārvietoties ātrāk, pat kosmiskie ķermeņi, kas pārvietojas diezgan ātri.
Piemēram, iznīcinātājs Boeing X-43, kas gandrīz 10 reizes pārsniedz skaņas ātrumu (vairāk nekā 11 tūkstoši km / h), lido lēnāk nekā stars. Pēdējais pārvietojas par vairāk nekā 96 tūkstošiem kilometru stundā ātrāk.
Kā tika izmērīts gaismas ātrums?
Pirmie zinātnieki mēģināja izmērīt šo vērtību. Tika izmantotas dažādas metodes. Senatnes laikā zinātnes cilvēki uzskatīja, ka tas ir bezgalīgs, tāpēc to nav iespējams izmērīt. Šis viedoklis saglabājās ilgu laiku, līdz 16.-17. Gadsimtam. Tajās dienās parādījās citi zinātnieki, kuri ieteica, ka sijai ir gals un ka ātrumu var izmērīt.
Slavenais astronoms no Dānijas Olafs Rēmers pārnesa zināšanas par gaismas ātrumu jaunā līmenī. Viņš pamanīja, ka Jupitera mēness aptumsums ir vēls. Iepriekš neviens tam nepievērsa uzmanību. Rezultātā viņš nolēma aprēķināt ātrumu.
Viņš izvirzīja aptuvenu ātrumu, kas bija vienāds ar aptuveni 220 tūkstošiem kilometru sekundē. Vēlāk pētījumu veica zinātnieks no Anglijas Džeimss Bredlijs. Lai arī viņam nebija pilnīgas taisnības, viņš nedaudz pietuvojās pašreizējiem pētījumu rezultātiem.
Pēc kāda laika lielākā daļa zinātnieku sāka interesēties par šo daudzumu. Pētījumā tika iesaistīti cilvēki no dažādām valstīm. Tomēr līdz 20. gadsimta 70. gadiem nebija grandiozu atklājumu. Kopš 70. gadiem, kad tika izgudroti lāzeri un maseri (kvantu ģeneratori), zinātnieki veica pētījumus un ieguva precīzu ātrumu. Pašreizējā vērtība ir bijusi būtiska kopš 1983. gada. Izlabotas tikai nelielas kļūdas.
Galileo pieredze
Zinātnieks no Itālijas pārsteidza visus šo gadu pētniekus ar savas pieredzes vienkāršību un ģenialitāti. Viņam izdevās izmērīt gaismas ātrumu, izmantojot parastos instrumentus, kas bija pa rokai.
Viņš un viņa palīgs uzkāpa kaimiņu kalnos, iepriekš aprēķinot attālumu starp tiem. Viņi paņēma apgaismotās laternas, aprīkoja tos ar aizbīdņiem, kas atver un aizver uguni. Savukārt, atverot un aizverot gaismu, viņi mēģināja aprēķināt gaismas ātrumu. Galileo un palīgs jau iepriekš zināja, ar kādu nokavēšanos viņi atvērs un aizvērs gaismu. Kad viens ir atvērts, otrs rīkojas tāpat.
Tomēr eksperiments bija neveiksmīgs. Lai tā darbotos, zinātniekiem būtu jāstāv miljonu kilometru attālumā viens no otra.
Rēmera un Bredlija pieredze
Šis pētījums jau ir īsi uzrakstīts iepriekš. Šī ir viena no progresīvākajām tā laika pieredzēm. Rēmers izmantoja zināšanas astronomijā, lai izmērītu staru ātrumu. Tas notika 17. gadsimta 76. gadā.
Pētnieks novēroja Io (Jupitera satelītu) caur teleskopu. Viņš atklāja šādu modeli: jo vairāk mūsu planēta attālinās no Jupitera, jo lielāka kavēšanās Io aptumsumā. Lielākā kavēšanās bija 21-22 minūtes.
Pieņemot, ka satelīts attālinās attālumā, kas vienāds ar orbītas diametra garumu, zinātnieks attālumu sadalīja pēc laika. Tā rezultātā viņš nobrauca 214 tūkstošus kilometru sekundē. Lai gan šis pētījums tiek uzskatīts par ļoti aptuvenu, jo attālums bija aptuvens, tas pietuvojās pašreizējam rādītājam.
18. gadsimtā Džeimss Bredlijs papildināja pētījumu. Lai to izdarītu, viņš izmantoja aberāciju - kosmiskā ķermeņa stāvokļa maiņu Zemes kustības dēļ ap sauli. Džeimss izmērīja aberācijas leņķi un, zinot mūsu planētas ātrumu, ieguva vērtību 301 tūkstoši kilometru sekundē.
Fizeau pieredze
Pētnieki un parastie cilvēki skeptiski vērtēja Rēmera un Džeimsa Bredlija pieredzi. Neskatoties uz to, rezultāti bija vistuvāk patiesībai un nozīmīgi vairāk nekā gadsimta garumā. 19. gadsimtā šī daudzuma mērīšanā piedalījās Francijas galvaspilsētas Parīzes zinātnieks Armans Fizeau. Viņš izmantoja rotācijas slēģa metodi. Tāpat kā Galileo Galilei ar savu palīgu, Fizeau nenovēroja debess ķermeņus, bet gan izmeklēja laboratorijas apstākļos.
Pieredzes princips ir vienkāršs. Gaismas stars bija vērsts uz spoguli. Atstarojoties no tā, gaisma izgāja caur riteņa zobiem. Tad tas skāra citu atstarojošo virsmu, kas atradās 8,6 km attālumā. Ritenis tika pagriezts, palielinot ātrumu, līdz nākošajā spraugā bija redzams stars. Pēc aprēķiniem zinātnieks saņēma ātrumu 313 tūkstoši km / s.
Vēlāk pētījumu atkārtoja franču fiziķis un astronoms Leon Foucault, saņemot rezultātu ar ātrumu 298 tūkstoši km / s. Visprecīzākais rezultāts tajā laikā. Vēlāk mērījumus veica, izmantojot lāzerus un masers.
Vai ir iespējams superluminal ātrums?
Ir objekti, kas pārsniedz gaismas ātrumu. Piemēram, saules stari, ēnas, viļņu vibrācijas. Lai arī teorētiski tie var attīstīt superluminal ātrumu, to izstarotā enerģija nesakrīt ar viņu kustības vektoru.
Ja gaismas stars iziet, piemēram, caur stiklu vai ūdeni, tad elektroni to var apdzīt. Tie nav ierobežoti ar kustības ātrumu. Tāpēc šādos apstākļos gaisma nepārvietojas ātrāk par ikvienu.
Šī parādība tiek saukta Vavilova-Čerenkova efekts. Visbiežāk atrodams dziļos rezervuāros un reaktoros.