Швидкість світла

Ск про рость св е та у вільному просторі (вакуумі) з, швидкість поширення будь-яких електромагнітних хвиль (В т. Ч. Світлових); одна з фундаментальних фізичних постійних , Величезна роль якої в сучасній фізиці визначається тим, що вона являє собою граничну швидкість поширення будь-яких фізичних впливів (див. відносності теорія ) І инвариантна (т. Е. Не змінюється) при переході від однієї системи відліку до іншої. Ніякі сигнали не можуть бути передані зі швидкістю, більшою с, а зі швидкістю з їх можна передати лише в вакуумі. Величина з пов'язує масу і повну енергію матеріального тіла; через неї виражаються перетворення координат, швидкостей і часу при зміні системи відліку ( Лоренца перетворення ); вона входить в багато інших співвідношення. Під С. с. в середовищі з 'зазвичай розуміють лише швидкість поширення оптичного випромінювання (Світла); вона залежить від заломлення показника середовища n, різного, в свою чергу, для різних частот v випромінювання ( дисперсія світла ); з '(n) = c / n (n). Ця залежність призводить до відмінності груповий швидкості від фазовоїшвидкості світла в середовищі, якщо мова йде не про монохроматичному світлі (Для С. с. В вакуумі ці дві величини збігаються). Експериментально визначаючи з ', завжди вимірюють групову С. с. або т. н. швидкість сигналу, або швидкість передачі енергії, лише в деяких спеціальних випадках не рівну груповий.

Як можна більш точне вимірювання величини з надзвичайно важливо не тільки в загальнотеоретичному плані і для визначення значень інших фізичних величин, але і для практичних цілей (див. Нижче). Вперше С. с. визначив в 1676 О. К. Ремер зі зміни проміжків часу між затемненнями супутника Юпітера Іо. У 1728 той же виконав Дж. Брадлей , Виходячи зі своїх спостережень аберації світла зірок. На Землі С. с. першим виміряв - за часом проходження світлом точно відомого відстані (бази) - в 1849 А. І. Л. Физо . (Показник заломлення повітря дуже мало відрізняється від 1, і наземні вимірювання дають величину, вельми близьку до с.) У досвіді Фізо пучок світла періодично переривався обертається зубчастим диском, проходив базу (близько 8 км) і, відбившись від дзеркала, повертався на периферію диска (рис. 1). Падаючи при цьому на зубець, світло не досягав спостерігача, потрапляючи в проміжок між зубцями, - реєструвався спостерігачем. За відомим швидкостям обертання диска визначалося час проходження світлом бази. Физо отримав з = 315 300 км / сек.

У 1862 Ж. Б. Л. Фуко реалізував висловлену в 1838 ідею Д. Араго , Застосувавши замість зубчастого диска бистровращающєєся (512 об / сек) дзеркало. Відбиваючись від дзеркала, пучок світла прямував на базу і після повернення знову потрапляв на це ж дзеркало, що встигло обернутися на деякий малий кут (рис. 2). При базі всього в 20 м Фуко знайшов, що С. с. дорівнює 298000 ± 500 км / сек. Схеми і основні ідеї дослідів Фізо і Фуко були багато разів використані на більш досконалої технічної основі ін. Ученими, вимірюється С. с. Найбільшого розвитку метод Фуко досяг в роботах А. Майкельсона (1879, 1902, 1926). Отримане їм в 1926 значення з = 299/96 ± 4 км / сек було тоді найточнішим і увійшло в інтернаціональні таблиці фізичних величин.

Вимірювання С. с. в 19 ​​ст. не тільки виконали своє безпосереднє завдання, а й зіграли надзвичайно велику роль у фізиці. Вони додатково підтвердили хвильову теорію світла (див. Оптика ), Вже досить обгрунтовану іншими експериментами (Фуко 1850, порівняння С. с. Однієї і тієї ж частоти n в повітрі і воді), а також встановили тісний зв'язок оптики з теорією електромагнетизму - виміряна С. с. збіглася зі швидкістю електромагнітних хвиль, обчисленої з відношення електромагнітної і електростатичних одиниць електричного заряду (досліди В. Вебера і Ф. Кольрауша в 1856 і наступні більш точні вимірювання Дж. К. Максвелла ). Останнє стало одним з відправних пунктів при створенні Максвеллом електромагнітної теорії світла в 1864-73. Крім того, вимірювання С. с. розкрили глибоке протиріччя в основних теоретичних посилках фізики того часу, пов'язаних з поданням про світовому ефірі . Ці виміри давали аргументи на користь взаємовиключних гіпотез про поведінку ефіру при русі через нього матеріальних тел (аналіз явища аберації світла англійським фізиком Дж. Б. Ері в 1871 і Физо досвід 1851 повторений в 1886 Майкельсоном і Е. Морлі, результати яких підтримували концепцію часткового захоплення ефіру; Майкельсона досвід 1881 і 1887 - останній спільно з Морлі, - відкинув будь-яке захоплення ефіру). Вирішити це протиріччя вдалося лише в спеціальній теорії відносності (А. Ейнштейн , 1905).

В сучасних вимірах С. с. використовується модернізований метод Фізо (модуляційний метод) з заміною зубчастого колеса на електрооптичний, дифракційний, інтерференційний або який-небудь інший модулятор світла, повністю перериває чи послабляє світловий пучок (див. модуляція світла ). Приймачем випромінювання служить фотоелемент або фотоелектронний помножувач . застосування лазера в якості джерела світла, ультразвукового модулятора зі стабілізованою частотою і підвищення точності вимірювання довжини бази дозволили знизити похибки вимірювань і отримати значення з = 299792,5 ± 0,15 км / сек. Крім прямих вимірювань С. с. за часом проходження відомої бази широко застосовуються т. зв. непрямі методи, що дають ще більшу точність. Так, методом мікрохвильового вакуумованого резонатора (англійський фізик К. Фрум, 1958) при довжині хвилі випромінювання l = 4 см отримано значення з = 299792,5 ± 0,1 км / сек. Похибка визначення С. с. як частки від розподілу незалежно знайдених l і n атомарних або молекулярних спектральних ліній ще менше. Американський учений К. Івенсон і його співробітники в 1972 по цезієві стандарту частоти (див. Квантові стандарти частоти ) Знайшли з точністю до 11 знаків частоту випромінювання СН4-лазера, а по Криптонова стандарту частоти - його довжину хвилі (близько 3,39 мкм) і отримали з = 299792456,2 ± 0,8 м / сек. До теперішнього часу (1976) за рішенням XII Генеральної асамблеї Міжнародний союзу по радіозв'язку (1957) прийнято вважати С. с. в вакуумі дорівнює 299 792 ± 0,4 км / сек.

Знання точної величини С. с. має велике практичне значення, зокрема в зв'язку з визначенням відстаней за часом проходження радіо- або світлових сигналів в радіолокації , оптичної локації і дальнометріі. Особливо широко цей метод застосовується в геодезії і в системах стеження за штучними супутниками Землі ; він використаний для точного вимірювання відстані між Землею і Місяцем і для вирішення ряду інших завдань.

Літ .: Вафіаді В. Г., Попов Ю. В., Швидкість світла і її значення в науці і техніці, Мінськ, 1970; Тейлор Б. Н., Паркер В., Лангенберг Д., Фундаментальні константи і квантова електродинаміка, пер. з англ., М., 1972; Розенберг Г. В., Швидкість світла у вакуумі, «Успіхи фізичних наук», 1952, т. 48, ст. 4; Froome К. D., «Proceedings of Royal Society», 1958, ser A, v. 247, p. 109; Eveitson K. et al, 1972 Annual Meeting of the Optical Society of America, San Francisco, 1972.

А. М. Бонч-Бруєвич.

Ск про рость св е та у вільному просторі (вакуумі) з, швидкість поширення будь-яких   електромагнітних хвиль   (В т

Мал. 1. Визначення швидкості світла методом «зубчастого колеса» (методом Фізо). S - джерело світла; W - обертається зубчасте колесо із змінною швидкістю обертання і точно відомими ширинами зубців і проміжків а між ними; N - напівпрозоре дзеркало; М - дзеркало, що відображає; MN - точно виміряний відстань (база); Е - окуляр. Спостерігач реєструє в Е світло найбільшої яскравості, коли час проходження світлом відстані NM і назад одно часу повороту W на ціле число зубців (1, 2, 3 і т. Д.). Пучок променів світла при цьому проходить строго посередині між зубцями як на ділянці NM, так і при зворотному ході MN.

Мал. 2. Визначення швидкості світла методом обертового дзеркала (методом Фуко). S - джерело світла; R - бистровращающєєся дзеркало; З - нерухоме увігнуте дзеркало, центр якого збігається з віссю обертання R (тому світло, відбите С, завжди падає назад на R); М - напівпрозоре дзеркало; L - об'єктив; Е - окуляр; RC - точно виміряний відстань (база). Пунктиром показані положення R, яка змінилася за час проходження світлом шляху RC і назад, і зворотний хід пучка променів через L. L збирає відбитий пучок в точці S ', а не знову в точці S, як це було б при нерухомому дзеркалі R. Швидкість світла встановлюють, вимірюючи зсув SS '.

© 2008 — 2012 offroad.net.ua . All rights reserved. by nucleart.net 2008