ما هي سرعة الضوء. اشتقاق صيغة سرعة الضوء. المعاني والمفهوم

سرعة الضوء هي المسافة التي يقطعها الضوء في وحدة الزمن. تعتمد هذه القيمة على المادة التي ينتشر فيها الضوء.

تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 299,792,458 م/ث. وهذه هي أعلى سرعة يمكن تحقيقها. عند حل المسائل التي لا تتطلب دقة خاصة، تؤخذ هذه القيمة على أنها تساوي 300,000,000 م/ث. من المفترض أن جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي تنتشر في الفراغ بسرعة الضوء: موجات الراديو، الأشعة تحت الحمراء، الضوء المرئي، الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة السينية، أشعة جاما. يتم تحديده بحرف مع .

كيف تم تحديد سرعة الضوء؟

في العصور القديمة، اعتقد العلماء أن سرعة الضوء لا نهائية. وفي وقت لاحق، بدأت المناقشات حول هذه المسألة بين العلماء. واتفق كبلر وديكارت وفيرمات مع رأي العلماء القدماء. ويعتقد غاليليو وهوك أنه على الرغم من أن سرعة الضوء عالية جدًا، إلا أنها لا تزال ذات قيمة محدودة.

جاليليو جاليلي

كان العالم الإيطالي جاليليو جاليلي من أوائل من حاولوا قياس سرعة الضوء. أثناء التجربة، كان هو ومساعده على تلال مختلفة. فتح جاليليو مصراع فانوسه. في اللحظة التي رأى فيها المساعد هذا الضوء، كان عليه أن يفعل نفس الإجراءات مع فانوسه. تبين أن الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من جاليليو إلى المساعد والعودة كان قصيرًا جدًا لدرجة أن جاليليو أدرك أن سرعة الضوء عالية جدًا، ومن المستحيل قياسها على هذه المسافة القصيرة، لأن الضوء ينتقل على الفور تقريبا. والوقت الذي سجله لا يظهر إلا سرعة رد فعل الإنسان.

تم تحديد سرعة الضوء لأول مرة في عام 1676 من قبل عالم الفلك الدنماركي أولاف رومر باستخدام المسافات الفلكية. باستخدام التلسكوب لمراقبة خسوف قمر المشتري آيو، اكتشف أنه عندما تتحرك الأرض بعيدًا عن المشتري، فإن كل كسوف لاحق يحدث في وقت متأخر عما تم حسابه. أقصى تأخير، عندما تتحرك الأرض إلى الجانب الآخر من الشمس وتبتعد عن المشتري على مسافة تساوي قطر مدار الأرض، هو 22 ساعة. ورغم أن قطر الأرض لم يكن معروفًا على وجه التحديد في ذلك الوقت، إلا أن العالم قسم قيمته التقريبية على 22 ساعة وحصل على قيمة تبلغ حوالي 220 ألف كيلومتر في الثانية.

أولاف رومر

تسببت النتيجة التي حصل عليها رومر في عدم الثقة بين العلماء. لكن في عام 1849، قام الفيزيائي الفرنسي أرماند هيبوليت لويس فيزو بقياس سرعة الضوء باستخدام طريقة الغالق الدوار. في تجربته، مر الضوء من مصدر بين أسنان عجلة دوارة وتم توجيهه إلى المرآة. انعكس منه، عاد مرة أخرى. زادت سرعة دوران العجلة. وعندما وصل إلى قيمة معينة، تأخر الشعاع المنعكس من المرآة بسبب سن متحرك، ولم يرى الراصد شيئا في تلك اللحظة.

تجربة فيزو

قام فيزو بحساب سرعة الضوء على النحو التالي. الضوء يذهب في طريقه ل من العجلة إلى المرآة في زمن يساوي ر 1 = 2 لتر/ج . الوقت الذي تستغرقه العجلة للدوران بمقدار ½ الفتحة هو ر 2 = ر/2ن ، أين ت - فترة دوران العجلة، ن - عدد الاسنان. تردد الدوران ت = 1/ت . اللحظة التي لا يرى فيها الراصد الضوء تحدث عندما ر 1 = ر 2 . ومن هنا نحصل على صيغة تحديد سرعة الضوء:

ج = 4LNv

وبعد إجراء الحسابات باستخدام هذه الصيغة، قرر فيزو ذلك مع = 313,000,000 م/ث. وكانت هذه النتيجة أكثر دقة.

أرماند هيبوليت لويس فيزو

في عام 1838، اقترح الفيزيائي والفلكي الفرنسي دومينيك فرانسوا جان أراغو استخدام طريقة المرآة الدوارة لحساب سرعة الضوء. تم وضع هذه الفكرة موضع التنفيذ من قبل الفيزيائي والميكانيكي وعالم الفلك الفرنسي جان برنارد ليون فوكو، الذي حصل في عام 1862 على قيمة سرعة الضوء (298.000.000±500.000) م/ث.

دومينيك فرانسوا جان أراجو

وفي عام 1891، تبين أن النتيجة التي توصل إليها عالم الفلك الأمريكي سيمون نيوكومب كانت أكثر دقة من نتيجة فوكو. نتيجة لحساباته مع = (99,810,000±50,000) م/ث.

البحث الذي أجراه الفيزيائي الأمريكي ألبرت أبراهام ميشيلسون، الذي استخدم مرآة دوارة مثمنة الأضلاع، جعل من الممكن تحديد سرعة الضوء بشكل أكثر دقة. وفي عام 1926، قام العالم بقياس الزمن الذي يستغرقه الضوء لقطع المسافة بين قمتي جبلين، وهو ما يعادل 35.4 كيلومتراً، وحصل على مع = (299,796,000±4,000) م/ث.

تم إجراء القياس الأكثر دقة في عام 1975. وفي نفس العام، أوصى المؤتمر العام للأوزان والمقاييس باعتبار سرعة الضوء تساوي 299,792,458 ± 1.2 م/ث.

على ماذا تعتمد سرعة الضوء؟

لا تعتمد سرعة الضوء في الفراغ على الإطار المرجعي أو موضع الراصد. وتبقى ثابتة، أي ما يعادل 299,792,458 ± 1.2 م/ث. لكن في مختلف الوسائط الشفافة تكون هذه السرعة أقل من سرعتها في الفراغ. أي وسط شفاف له كثافة بصرية. وكلما زاد ارتفاعه، كانت سرعة الضوء تنتشر فيه أبطأ. على سبيل المثال، سرعة الضوء في الهواء أعلى من سرعته في الماء، وفي الزجاج البصري النقي تكون أقل منها في الماء.

إذا انتقل الضوء من وسط أقل كثافة إلى وسط أكثر كثافة، فإن سرعته تقل. وإذا حدث الانتقال من وسيلة أكثر كثافة إلى أقل كثافة، فإن السرعة، على العكس من ذلك، تزداد. وهذا ما يفسر سبب انحراف شعاع الضوء عند حدود الانتقال بين وسطين.

تختلف سرعة الضوء في الوسائط المختلفة بشكل كبير. وتكمن الصعوبة في أن العين البشرية لا تراها في النطاق الطيفي بأكمله. لقد أثارت طبيعة أصل الأشعة الضوئية اهتمام العلماء منذ العصور القديمة. المحاولات الأولى لحساب سرعة الضوء تمت في وقت مبكر من عام 300 قبل الميلاد. وفي ذلك الوقت، قرر العلماء أن الموجة تنتشر في خط مستقيم.

رد سريع

لقد تمكنوا من وصف خصائص الضوء ومسار حركته باستخدام الصيغ الرياضية. أصبح معروفًا بعد ألفي عام من البحث الأول.

ما هو التدفق الضوئي؟

شعاع الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية مدمجة مع الفوتونات. تُفهم الفوتونات على أنها أبسط العناصر، والتي تسمى أيضًا كميات الإشعاع الكهرومغناطيسي. التدفق الضوئي في جميع الأطياف غير مرئي. ولا يتحرك في الفضاء بالمعنى التقليدي للكلمة. لوصف حالة الموجة الكهرومغناطيسية مع الجسيمات الكمومية، تم تقديم مفهوم معامل الانكسار للوسط البصري.

يتم نقل تدفق الضوء في الفضاء على شكل شعاع ذو مقطع عرضي صغير. طريقة الحركة في الفضاء مستمدة من الطرق الهندسية. هذا هو شعاع مستقيم، والذي، على الحدود مع وسائل الإعلام المختلفة، يبدأ في الانكسار، وتشكيل مسار منحني. لقد أثبت العلماء أن السرعة القصوى يتم إنشاؤها في الفراغ؛ وفي بيئات أخرى، يمكن أن تختلف سرعة الحركة بشكل كبير. لقد طور العلماء نظامًا يكون فيه شعاع الضوء والقيمة المشتقة أساسًا لاشتقاق وقراءة بعض وحدات النظام الدولي.

بعض الحقائق التاريخية

منذ حوالي 900 عام، اقترح ابن سينا ​​أنه بغض النظر عن القيمة الاسمية، فإن سرعة الضوء لها قيمة محدودة. حاول جاليليو جاليلي حساب سرعة الضوء بشكل تجريبي. باستخدام مصباحين يدويين، حاول المجربون قياس الوقت الذي يكون فيه شعاع الضوء من جسم ما مرئيًا إلى آخر. لكن تبين أن مثل هذه التجربة غير ناجحة. كانت السرعة عالية جدًا لدرجة أنهم لم يتمكنوا من اكتشاف وقت التأخير.

لاحظ جاليليو جاليلي أن الفترة الفاصلة بين خسوفات أقماره الأربعة لكوكب المشتري تبلغ 1320 ثانية. بناءً على هذه الاكتشافات، قام عالم الفلك الدنماركي أولي رومر في عام 1676 بحساب سرعة انتشار شعاع الضوء بـ 222 ألف كيلومتر في الثانية. وفي ذلك الوقت، كان هذا القياس هو الأكثر دقة، لكن لم يكن من الممكن التحقق منه بالمعايير الأرضية.

وبعد 200 عام، تمكنت لويز فيزو من حساب سرعة شعاع الضوء تجريبيًا. قام بإنشاء تركيب خاص بمرآة وآلية تروس تدور بسرعة عالية. انعكس تدفق الضوء من المرآة وعاد بعد 8 كم. مع زيادة سرعة العجلة، نشأت لحظة عندما قامت آلية التروس بحظر الشعاع. وبذلك تم تحديد سرعة الشعاع بـ 312 ألف كيلومتر في الثانية.

قام فوكو بتحسين هذه المعدات من خلال تقليل المعلمات عن طريق استبدال آلية التروس بمرآة مسطحة. وتبين أن دقة قياسه كانت الأقرب إلى المعيار الحديث وبلغت 288 ألف متر في الثانية. قام فوكو بمحاولات لحساب سرعة الضوء في وسط غريب باستخدام الماء كأساس. واستطاع الفيزيائي أن يستنتج أن هذه القيمة ليست ثابتة وتعتمد على خصائص الانكسار في وسط معين.

الفراغ هو مساحة خالية من المادة. يتم تحديد سرعة الضوء في الفراغ في نظام C بالحرف اللاتيني C. وهو أمر بعيد المنال. لا يمكن رفع سرعة تشغيل أي عنصر إلى هذه القيمة. لا يستطيع الفيزيائيون إلا أن يتخيلوا ما قد يحدث للأجسام إذا تسارعت إلى هذا الحد. تتميز سرعة انتشار شعاع الضوء بخصائص ثابتة وهي:

• ثابت ونهائي.
• بعيد المنال وغير قابل للتغيير.

تتيح لنا معرفة هذا الثابت حساب السرعة القصوى التي يمكن أن تتحرك بها الأجسام في الفضاء. يتم التعرف على مقدار انتشار شعاع الضوء كثابت أساسي. يتم استخدامه لتوصيف الزمكان. هذه هي القيمة القصوى المسموح بها للجزيئات المتحركة. ما هي سرعة الضوء في الفراغ؟ تم الحصول على القيمة الحالية من خلال القياسات المخبرية والحسابات الرياضية. هي تساوي 299.792.458 مترًا في الثانية وبدقة ± 1.2 م/ث. في العديد من التخصصات، بما في ذلك المدارس، يتم استخدام الحسابات التقريبية لحل المشكلات. تم أخذ مؤشر يساوي 3,108 م/ث.

يمكن تسريع موجات الضوء في الطيف المرئي البشري وموجات الأشعة السينية إلى قراءات تقترب من سرعة الضوء. ولا يمكنها أن تساوي هذا الثابت، ولا أن تتجاوز قيمته. تم اشتقاق الثابت بناءً على تتبع سلوك الأشعة الكونية لحظة تسارعها في مسرعات خاصة. ذلك يعتمد على الوسط بالقصور الذاتي الذي ينتشر فيه الشعاع. في الماء، يكون انتقال الضوء أقل بنسبة 25٪، وفي الهواء سيعتمد على درجة الحرارة والضغط في وقت الحسابات.

تم إجراء جميع الحسابات باستخدام النظرية النسبية وقانون السببية المستمدة من أينشتاين. ويعتقد الفيزيائي أنه إذا وصلت سرعة الأجسام إلى 1,079,252,848.8 كيلومتر/ساعة وتجاوزتها، فستحدث تغييرات لا رجعة فيها في بنية عالمنا وسينهار النظام. سيبدأ الوقت في العد التنازلي، مما يؤدي إلى تعطيل ترتيب الأحداث.

تعريف المتر مشتق من سرعة شعاع الضوء. ومن المفهوم أنها المنطقة التي يتمكن شعاع الضوء من الانتقال خلالها خلال 1/299792458 من الثانية. لا ينبغي الخلط بين هذا المفهوم والمعيار. معيار المقياس عبارة عن جهاز تقني خاص يعتمد على الكادميوم مع تظليل يسمح لك برؤية مسافة معينة فعليًا.

لقد احتل الضوء دائمًا مكانًا مهمًا في بقاء الناس وخلقهم للحضارة المتطورة التي نراها اليوم. طوال تاريخ التطور البشري، أثارت سرعة الضوء عقول الفلاسفة وعلماء الطبيعة الأوائل، ثم العلماء والفيزيائيين. هذا هو الثابت الأساسي لوجود كوننا.

سعى العديد من العلماء في أوقات مختلفة إلى معرفة كيف يكون انتشار الضوء في الوسائط المختلفة. كانت الأهمية الكبرى للعلم هي حساب القيمة التي تمتلكها سرعة الضوء في الفراغ. ستساعدك هذه المقالة على فهم هذه المشكلة ومعرفة الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام حول كيفية تصرف الضوء في الفراغ.

الضوء ومسألة السرعة

يلعب الضوء دورا رئيسيا في الفيزياء الحديثة، لأنه، كما اتضح، من المستحيل التغلب على قيمة سرعته في هذه المرحلة من تطور حضارتنا. استغرق الأمر سنوات عديدة لقياس سرعة الضوء. وقبل ذلك أجرى العلماء الكثير من الأبحاث محاولين الإجابة على السؤال الأهم: “ما هي سرعة انتشار الضوء في الفراغ؟”
في هذا الوقت، أثبت العلماء أن سرعة انتشار الضوء (SLP) لها الخصائص التالية:

• إنه ثابت.
• إنه غير قابل للتغيير.
• إنها بعيدة المنال.
• إنه محدود.

ملحوظة! تعد سرعة الضوء في الوقت الحالي من تطور العلم قيمة لا يمكن تحقيقها على الإطلاق. لدى الفيزيائيين بعض الافتراضات فقط حول ما يحدث لجسم يصل افتراضيًا إلى سرعة انتشار تدفق الضوء في الفراغ.

سرعة الضوء

لماذا من المهم جدًا مدى سرعة انتقال الضوء في الفراغ؟ الجواب بسيط. بعد كل شيء، الفراغ موجود في الفضاء. لذلك، بعد أن تعلمنا ما هو المؤشر الرقمي لسرعة الضوء في الفراغ، سنكون قادرين على فهم أقصى سرعة ممكنة يمكننا التحرك عبر مساحات النظام الشمسي وخارجه.
الجسيمات الأولية التي تحمل الضوء في كوننا هي الفوتونات. والسرعة التي يتحرك بها الضوء في الفراغ تعتبر قيمة مطلقة.

ملحوظة! يشير SRS إلى سرعة حركة الموجات الكهرومغناطيسية. ومن المثير للاهتمام أن الضوء يظهر في نفس الوقت كجسيمات أولية (فوتونات) وموجة. وهذا يتبع من نظرية موجة الجسيمات. ووفقا لها، في حالات معينة يتصرف الضوء كجسيم، وفي حالات أخرى يتصرف كموجة.

في هذا الوقت، يعتبر انتشار الضوء في الفضاء (الفراغ) ثابتًا أساسيًا، ولا يعتمد على اختيار الإطار المرجعي بالقصور الذاتي المستخدم. تشير هذه القيمة إلى الثوابت الأساسية المادية. في هذه الحالة، تحدد قيمة SRS عمومًا الخصائص الأساسية لهندسة الزمكان.
تميز المفاهيم الحديثة SPC بأنه ثابت، وهو الحد الأقصى للقيمة المسموح بها لحركة الجزيئات، وكذلك انتشار تفاعلها. في الفيزياء، يُشار إلى هذه الكمية بالحرف اللاتيني "c".

تاريخ دراسة القضية

ومن المثير للدهشة أنه في العصور القديمة، حتى المفكرون القدماء تساءلوا عن توزيع الضوء في عالمنا. ثم كان يعتقد أن هذه كانت قيمة لا حصر لها. أول تقدير للظاهرة الفيزيائية لسرعة الضوء قدمه أولاف رومر فقط في عام 1676. ووفقا لحساباته، كان انتشار الضوء حوالي 220 ألف كيلومتر في الثانية.

ملحوظة! أعطى أولاف رومر قيمة تقريبية، ولكن، كما اتضح فيما بعد، ليست بعيدة جدًا عن القيمة الحقيقية.

تم تحديد القيمة الصحيحة للسرعة التي ينتقل بها الضوء في الفراغ بعد نصف قرن فقط من أولاف رومر. تمكن الفيزيائي الفرنسي أ.إ.ل. فيزو يجري تجربة خاصة.

تجربة فيزو

لقد كان قادرًا على قياس هذه الظاهرة الفيزيائية عن طريق قياس الوقت الذي يستغرقه شعاع للسفر في منطقة محددة ومقاسة بدقة.
بدت التجربة كالتالي:

• المصدر S ينبعث منه تدفق ضوئي؛
• انعكست من المرآة (3)؛
• وبعد ذلك، تم قطع تدفق الضوء باستخدام قرص مسنن (2)؛
• ثم اجتاز القاعدة التي كانت مسافة 8 كيلومترات؛
• بعد ذلك، انعكس تدفق الضوء بواسطة المرآة (1) وعاد إلى القرص.

أثناء التجربة، سقط تدفق الضوء في الفراغات الموجودة بين أسنان القرص، ويمكن ملاحظته من خلال العدسة (4). حدد فيزو زمن مرور الشعاع من خلال سرعة دوران القرص. ونتيجة لهذه التجربة حصل على القيمة c = 313300 كم/ث.
لكن هذه ليست نهاية البحث الذي خصص لهذه القضية. ظهرت الصيغة النهائية لحساب الثابت الفيزيائي بفضل العديد من العلماء ومن بينهم ألبرت أينشتاين.

أينشتاين والفراغ: نتائج الحساب النهائية

اليوم، يعرف كل شخص على وجه الأرض أن القيمة القصوى المسموح بها لحركة الأجسام المادية، وكذلك أي إشارات، تعتبر سرعة الضوء في الفراغ. وتبلغ القيمة الدقيقة لهذا المؤشر حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية. على وجه الدقة، تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 299,792,458 م/ث.
النظرية القائلة بأنه من المستحيل تجاوز هذه القيمة طرحها عالم الفيزياء الشهير ألبرت أينشتاين في نظريته النسبية الخاصة أو SRT.

ملحوظة! تعتبر نظرية النسبية لأينشتاين راسخة حتى يظهر دليل حقيقي على أن نقل الإشارة ممكن بسرعات تتجاوز SPC في الفراغ.

النظرية النسبية لأينشتاين

لكن اليوم، اكتشف بعض الباحثين ظواهر قد تكون بمثابة شرط أساسي لإمكانية تغيير SRT الخاص بأينشتاين. في ظل ظروف معينة محددة خصيصًا، من الممكن مراقبة حدوث السرعات الفائقة للضوء. والشيء المثير للاهتمام هو أنه في هذه الحالة لم يتم انتهاك النظرية النسبية.

لماذا لا تستطيع التحرك أسرع من الضوء؟

اليوم هناك بعض المزالق في هذه القضية. على سبيل المثال، لماذا لا يمكن التغلب على ثابت تكلفة النقرة (CPC) في الظروف العادية؟ ووفقا للنظرية المقبولة، في هذه الحالة، سيتم انتهاك المبدأ الأساسي لبنية عالمنا، وهو قانون السببية. وهو يرى أن التأثير، بحكم تعريفه، غير قادر على التقدم على سببه. من الناحية المجازية، لا يمكن أن يسقط الدب ميتًا أولاً، وعندها فقط سيتم سماع طلقة الصياد الذي أطلق عليه النار. ولكن إذا تم تجاوز SRS، فيجب أن تبدأ الأحداث بالترتيب العكسي. ونتيجة لذلك، سيبدأ الوقت في التراجع.

إذن ما هي سرعة انتشار شعاع الضوء؟

وبعد العديد من الدراسات التي أجريت لتحديد القيمة الدقيقة لتكلفة النقرة (CPC)، تم الحصول على أرقام محددة. اليوم ج = 1,079,252,848.8 كيلومتر/ساعة أو 299,792,458 م/ث. وفي وحدات بلانك يتم تعريف هذه المعلمة على أنها وحدة. وهذا يعني أن الطاقة الضوئية تنتقل بمقدار وحدة طول واحدة بلانك خلال وحدة واحدة من زمن بلانك.

ملحوظة! هذه الأرقام صالحة فقط للظروف الموجودة في الفراغ.

صيغة لقيمة ثابت

لكن في الفيزياء، من أجل طريقة أبسط لحل المشكلات، يتم استخدام قيمة مقربة - 300.000.000 م/ث.
تنطبق هذه القاعدة في الظروف العادية على جميع الأجسام، وكذلك الأشعة السينية وموجات الجاذبية والضوء في الطيف المرئي لنا. بالإضافة إلى ذلك، أثبت العلماء أن الجسيمات ذات الكتلة يمكن أن تقترب من سرعة شعاع الضوء. لكنهم غير قادرين على الوصول إليه أو تجاوزه.

ملحوظة! تم الحصول على السرعة القصوى القريبة من سرعة الضوء من خلال دراسة الأشعة الكونية المتسارعة في مسرعات خاصة.

ومن الجدير بالذكر أن هذا الثابت الفيزيائي يعتمد على الوسط الذي يقاس فيه وهو معامل الانكسار. ولذلك، قد يختلف مؤشره الفعلي حسب الترددات.

كيفية حساب قيمة الثابت الأساسي

اليوم، هناك طرق مختلفة لتحديد تكلفة النقرة. يمكن أن يكون:

• الطرق الفلكية
• تحسين طريقة فيزو. هنا يتم استبدال عجلة التروس بمغير حديث.

ملحوظة! لقد أثبت العلماء أن مؤشرات SRS في الهواء وفي الفراغ هي نفسها تقريبًا. وهو أقل من الماء بحوالي 25%.

لحساب مقدار انتشار شعاع الضوء، استخدم الصيغة التالية.

صيغة لحساب سرعة الضوء

هذه الصيغة مناسبة لإجراء العمليات الحسابية في الفراغ.

خاتمة

الضوء في عالمنا مهم جدًا، واللحظة التي يتمكن فيها العلماء من إثبات إمكانية وجود سرعات فائقة السرعة يمكن أن تغير عالمنا المألوف تمامًا. ومن الصعب تقدير ما سيعنيه هذا الاكتشاف بالنسبة للناس. ولكن من المؤكد أن هذا سيكون إنجازا لا يصدق!

كيفية اختيار وتركيب أجهزة استشعار مستوى الصوت للتحكم التلقائي في الإضاءة
مصادر طاقة ترانزستور قابلة للتعديل محلية الصنع: التجميع والتطبيق العملي

حقا كيف؟ كيفية قياس أعلى سرعة في كونفي ظروفنا الأرضية المتواضعة؟ لم نعد بحاجة إلى إثارة أدمغتنا بشأن هذا الأمر - ففي الواقع، على مدار عدة قرون، عمل الكثير من الأشخاص على هذه المشكلة، وقاموا بتطوير طرق لقياس سرعة الضوء. لنبدأ القصة بالترتيب.

سرعة الضوء- سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ. ويشار إليه بالحرف اللاتيني ج. تبلغ سرعة الضوء حوالي 300.000.000 م/ث.

في البداية لم يفكر أحد في مسألة قياس سرعة الضوء. هناك ضوء - هذا عظيم. ثم في العصر القديم كان الرأي السائد بين فلاسفة العلم هو أن سرعة الضوء لا نهائية، أي لحظية. ثم حدث ما حدث العصور الوسطىمع محاكم التفتيش، عندما كان السؤال الرئيسي للتفكير والتقدميين هو "كيفية تجنب الوقوع في النار؟" وفقط في العصور عصر النهضةو تنويرتضاعفت آراء العلماء وانقسمت بالطبع.

لذا، ديكارت, كيبلرو مزرعةوكان لهم نفس رأي علماء العصور القديمة. لكنه كان يعتقد أن سرعة الضوء محدودة، رغم أنها عالية جدًا. في الواقع، قام بأول قياس لسرعة الضوء. وبتعبير أدق، قام بالمحاولة الأولى لقياسه.

تجربة جاليليو

خبرة جاليليو جاليليكان رائعا في بساطته. أجرى العالم تجربة لقياس سرعة الضوء بوسائل بدائية بسيطة. على مسافة كبيرة ومعروفة من بعضها البعض، على تلال مختلفة، وقف جاليليو ومساعده مع الفوانيس المضاءة. فتح أحدهم مصراع الفانوس، وكان على الثاني أن يفعل الشيء نفسه عندما رأى ضوء الفانوس الأول. بمعرفة المسافة والوقت (التأخير قبل أن يفتح المساعد الفانوس)، توقع غاليليو أن يحسب سرعة الضوء. ولسوء الحظ، لكي تنجح هذه التجربة، كان على غاليليو ومساعده اختيار التلال التي تفصل بينها عدة ملايين من الكيلومترات. أود أن أذكرك أنه يمكنك ذلك عن طريق ملء طلب على الموقع.

تجارب رومر وبرادلي

أول تجربة ناجحة ودقيقة بشكل مدهش في تحديد سرعة الضوء كانت تجربة عالم فلك دنماركي أولاف رومر. استخدم رومر الطريقة الفلكية لقياس سرعة الضوء. وفي عام 1676، قام برصد القمر الصناعي لكوكب المشتري آيو من خلال التلسكوب، واكتشف أن وقت كسوف القمر يتغير مع تحرك الأرض بعيدا عن المشتري. وكان الحد الأقصى لوقت التأخير 22 دقيقة. بحساب أن الأرض تتحرك بعيدًا عن كوكب المشتري على مسافة قطر مدار الأرض، قسم رومر القيمة التقريبية للقطر على وقت التأخير، وحصل على قيمة 214000 كيلومتر في الثانية. وبطبيعة الحال، كان مثل هذا الحساب قاسيا للغاية، وكانت المسافات بين الكواكب معروفة فقط تقريبا، ولكن تبين أن النتيجة قريبة نسبيا من الحقيقة.

تجربة برادلي. في عام 1728 جيمس برادليقدر سرعة الضوء من خلال ملاحظة انحراف النجوم. انحرافهو تغير في الموقع الظاهري للنجم نتيجة لحركة الأرض في مداره. وبمعرفة سرعة الأرض وقياس زاوية الانحراف حصل برادلي على قيمة 301 ألف كيلومتر في الثانية.

تجربة فيزو

كان رد فعل العالم العلمي في ذلك الوقت بعدم الثقة تجاه نتيجة تجربة رومر وبرادلي. ومع ذلك، كانت نتيجة برادلي هي الأكثر دقة لأكثر من مائة عام، حتى عام 1849. في ذلك العام عالم فرنسي أرماند فيزوتم قياس سرعة الضوء باستخدام طريقة الغالق الدوار، دون مراقبة الأجرام السماوية، ولكن هنا على الأرض. في الواقع، كانت هذه أول طريقة معملية لقياس سرعة الضوء منذ غاليليو. وفيما يلي رسم تخطيطي لإعداد المختبر.

مر الضوء المنعكس من المرآة عبر أسنان العجلة وانعكس من مرآة أخرى على بعد 8.6 كيلومتر. تمت زيادة سرعة العجلة حتى أصبح الضوء مرئيًا في الفجوة التالية. أعطت حسابات فيزو نتيجة 313000 كيلومتر في الثانية. وبعد مرور عام، أجرى ليون فوكو تجربة مماثلة باستخدام مرآة دوارة، وحصل على نتيجة تبلغ 298 ألف كيلومتر في الثانية.

مع ظهور أجهزة المازرز والليزر، أصبح لدى الناس فرص وطرق جديدة لقياس سرعة الضوء، كما أن تطور النظرية جعل من الممكن حساب سرعة الضوء بشكل غير مباشر، دون إجراء قياسات مباشرة.

القيمة الأكثر دقة لسرعة الضوء

لقد اكتسبت البشرية خبرة واسعة في قياس سرعة الضوء. اليوم، تعتبر القيمة الأكثر دقة لسرعة الضوء هي 299,792,458 مترًا في الثانية، تم استلامه عام 1983. ومن المثير للاهتمام أن القياس الأكثر دقة لسرعة الضوء تبين أنه مستحيل بسبب أخطاء في القياس متر. حاليًا، ترتبط قيمة المتر بسرعة الضوء وتساوي المسافة التي يقطعها الضوء في 1/299,792,458 من الثانية.

وأخيرا، كما هو الحال دائما، نقترح مشاهدة فيديو تعليمي. أيها الأصدقاء، حتى لو كنت تواجه مهمة مثل قياس سرعة الضوء بشكل مستقل باستخدام وسائل مرتجلة، يمكنك اللجوء بأمان إلى مؤلفينا للحصول على المساعدة. يمكنك ملء الطلب على موقع الطالب المراسلات. نتمنى لكم دراسة ممتعة وسهلة!

في الربيع الماضي، نشرت المجلات العلمية والشعبية حول العالم أخبارًا مثيرة. أجرى الفيزيائيون الأمريكيون تجربة فريدة من نوعها: تمكنوا من تقليل سرعة الضوء إلى 17 مترًا في الثانية.

يعلم الجميع أن الضوء ينتقل بسرعة هائلة - حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية. القيمة الدقيقة لقيمتها في الفراغ = 299792458 م/ث هي ثابت فيزيائي أساسي. وفقا للنظرية النسبية، هذه هي أقصى سرعة ممكنة لنقل الإشارة.

في أي وسط شفاف، ينتقل الضوء بشكل أبطأ. تعتمد سرعتها v على معامل انكسار الوسط n: v = c/n. معامل انكسار الهواء 1.0003، الماء - 1.33، أنواع مختلفة من الزجاج - من 1.5 إلى 1.8. يتمتع الماس بواحدة من أعلى قيم معامل الانكسار - 2.42. وبالتالي فإن سرعة الضوء في المواد العادية ستنخفض بما لا يزيد عن 2.5 مرة.

في أوائل عام 1999، قامت مجموعة من الفيزيائيين من معهد رولاند للبحث العلمي بجامعة هارفارد (ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية) وجامعة ستانفورد (كاليفورنيا) بدراسة التأثير الكمي العياني - ما يسمى بالشفافية المستحثة ذاتيًا، حيث تمر نبضات الليزر عبر وسط. وهذا عادة ما يكون غير شفاف. وكان هذا الوسط عبارة عن ذرات صوديوم في حالة خاصة تسمى مكثف بوز-آينشتاين. عند تشعيعها بنبضة ليزر، فإنها تكتسب خصائص بصرية تقلل من سرعة المجموعة للنبضة بمقدار 20 مليون مرة مقارنة بالسرعة في الفراغ. تمكن المجربون من زيادة سرعة الضوء إلى 17 م/ث!

قبل وصف جوهر هذه التجربة الفريدة، دعونا نتذكر معنى بعض المفاهيم الفيزيائية.

سرعة المجموعة. عندما ينتشر الضوء في وسط ما، يتم التمييز بين سرعتين - الطور والمجموعة. تميز سرعة الطور vf حركة مرحلة الموجة أحادية اللون المثالية - موجة جيبية لا نهائية ذات تردد واحد بدقة وتحدد اتجاه انتشار الضوء. تتوافق سرعة الطور في الوسط مع معامل انكسار الطور - وهو نفس المؤشر الذي يتم قياس قيمه للمواد المختلفة. يعتمد معامل انكسار الطور، وبالتالي سرعة الطور، على طول الموجة. هذا الاعتماد يسمى التشتت. فهو يؤدي، على وجه الخصوص، إلى تحلل الضوء الأبيض الذي يمر عبر المنشور إلى طيف.

لكن موجة الضوء الحقيقية تتكون من مجموعة من الموجات ذات الترددات المختلفة، مجمعة في فترة طيفية معينة. تسمى هذه المجموعة مجموعة من الموجات أو حزمة موجية أو نبضة ضوئية. تنتشر هذه الموجات عبر الوسط بسرعات طورية مختلفة بسبب التشتت. في هذه الحالة، يتم تمديد الدافع ويتغير شكله. ولذلك، لوصف حركة دفعة، مجموعة من الموجات ككل، يتم تقديم مفهوم سرعة المجموعة. يكون ذلك منطقيًا فقط في حالة الطيف الضيق وفي وسط ذي تشتت ضعيف، عندما يكون الفرق في سرعات الطور للمكونات الفردية صغيرًا. لفهم الوضع بشكل أفضل، يمكننا إعطاء تشبيه واضح.

لنتخيل أن سبعة رياضيين اصطفوا على خط البداية، يرتدون قمصانًا ملونة مختلفة وفقًا لألوان الطيف: الأحمر والبرتقالي والأصفر، وما إلى ذلك. عند إشارة مسدس البداية، بدأوا في الجري في نفس الوقت، لكن "الأحمر" "يجري الرياضي بشكل أسرع من "البرتقالي" ، "البرتقالي" أسرع من "الأصفر" ، وما إلى ذلك ، بحيث يمتدان في سلسلة يزداد طولها باستمرار. الآن تخيل أننا ننظر إليهم من أعلى من هذا الارتفاع بحيث لا يمكننا التمييز بين المتسابقين الفرديين، ولكن مجرد رؤية بقعة متنافرة. هل يمكن الحديث عن سرعة حركة هذه البقعة ككل؟ من الممكن، ولكن فقط إذا لم يكن الأمر ضبابيًا جدًا، عندما يكون الفرق في سرعات العدائين ذوي الألوان المختلفة صغيرًا. خلاف ذلك، قد تمتد البقعة على طول الطريق بأكمله، وسوف تفقد مسألة سرعتها المعنى. وهذا يتوافق مع التشتت القوي - انتشار كبير للسرعات. إذا كان المتسابقون يرتدون قمصانًا من نفس اللون تقريبًا، مع اختلاف فقط في الظلال (على سبيل المثال، من الأحمر الداكن إلى الأحمر الفاتح)، فإن هذا يصبح متسقًا مع حالة الطيف الضيق. عندها لن تختلف سرعات المتسابقين كثيرًا، ستبقى المجموعة مضغوطة تمامًا عند التحرك ويمكن أن تتميز بقيمة محددة جدًا للسرعة، والتي تسمى سرعة المجموعة.

إحصائيات بوز-أينشتاين. وهذا أحد أنواع ما يسمى بإحصائيات الكم - وهي نظرية تصف حالة الأنظمة التي تحتوي على عدد كبير جدًا من الجسيمات التي تخضع لقوانين ميكانيكا الكم.

تنقسم جميع الجسيمات - سواء الموجودة في الذرة أو الحرة - إلى فئتين. بالنسبة لأحدهم، فإن مبدأ استبعاد باولي صالح، والذي بموجبه لا يمكن أن يكون هناك أكثر من جسيم واحد في كل مستوى طاقة. تسمى جسيمات هذه الفئة بالفرميونات (وهي الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات؛ وتشمل نفس الفئة جسيمات تتكون من عدد فردي من الفرميونات)، ويسمى قانون توزيعها بإحصائيات فيرمي ديراك. تسمى جسيمات فئة أخرى بالبوزونات ولا تخضع لمبدأ باولي: يمكن أن يتراكم عدد غير محدود من البوزونات عند مستوى طاقة واحد. في هذه الحالة نتحدث عن إحصائيات بوز-آينشتاين. تشتمل البوزونات على الفوتونات، وبعض الجسيمات الأولية قصيرة العمر (على سبيل المثال، باي ميسون)، بالإضافة إلى ذرات تتكون من عدد زوجي من الفرميونات. عند درجات حرارة منخفضة جدًا، تتجمع البوزونات عند أدنى مستوى للطاقة الأساسية؛ ثم يقولون أن تكثيف بوز-آينشتاين يحدث. تفقد الذرات المتكثفة خصائصها الفردية، وتبدأ عدة ملايين منها في التصرف كذرة واحدة، وتندمج وظائفها الموجية، ويتم وصف سلوكها بمعادلة واحدة. وهذا يجعل من الممكن القول أن ذرات المكثفات أصبحت متماسكة، مثل الفوتونات في إشعاع الليزر. استخدم باحثون من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا هذه الخاصية لمكثفات بوز-آينشتاين لإنشاء "ليزر ذري" (انظر العلوم والحياة رقم 10، 1997).

الشفافية الذاتية. وهذا أحد تأثيرات البصريات غير الخطية - بصريات مجالات الضوء القوية. وهو يتألف من حقيقة أن نبضة ضوئية قصيرة جدًا وقوية تمر دون توهين عبر وسط يمتص الإشعاع المستمر أو النبضات الطويلة: ويصبح الوسط المعتم شفافًا بالنسبة له. لوحظت الشفافية المستحثة ذاتيًا في الغازات المتخلخلة مع مدة نبض تتراوح بين 10-7 - 10-8 ثوانٍ وفي الوسائط المكثفة - أقل من 10-11 ثانية. في هذه الحالة، يحدث تأخير في النبض - تنخفض سرعة مجموعته بشكل كبير. تم إثبات هذا التأثير لأول مرة من قبل ماكول وخان في عام 1967 على الياقوت عند درجة حرارة 4 كلفن. وفي عام 1970، تم الحصول على تأخيرات تتوافق مع سرعات النبض بثلاثة أوامر حجمية (1000 مرة) أقل من سرعة الضوء في الفراغ في الروبيديوم بخار.

ولننتقل الآن إلى تجربة عام 1999 الفريدة. تم تنفيذه بواسطة لين فيستيرجارد هاو، زاكاري داتون، سايروس بيروسي (معهد رولاند) وستيف هاريس (جامعة ستانفورد). وقاموا بتبريد سحابة كثيفة من ذرات الصوديوم ممسوكة مغناطيسيًا حتى عادت إلى الحالة الأرضية، وهو أدنى مستوى للطاقة. في هذه الحالة، تم عزل تلك الذرات فقط التي تم توجيه عزم ثنائي القطب المغناطيسي فيها عكس اتجاه المجال المغناطيسي. بعد ذلك، قام الباحثون بتبريد السحابة إلى أقل من 435 نانو كلفن (نانوكيلفين، أو 0.000000435 كلفن، أي الصفر المطلق تقريبًا).

بعد ذلك، تمت إضاءة المكثف باستخدام "شعاع اقتران" من ضوء الليزر المستقطب خطيًا بتردد يتوافق مع طاقة الإثارة الضعيفة. انتقلت الذرات إلى مستوى طاقة أعلى وتوقفت عن امتصاص الضوء. ونتيجة لذلك، أصبح المكثف شفافًا لإشعاع الليزر التالي. وهنا ظهرت تأثيرات غريبة وغير عادية للغاية. وأظهرت القياسات أنه في ظل ظروف معينة، فإن النبضة التي تمر عبر مكثفات بوز-آينشتاين تواجه تأخيرًا يتوافق مع تباطؤ الضوء بأكثر من سبعة مراتب من الحجم - وهو عامل قدره 20 مليونًا. تباطأت سرعة نبض الضوء إلى 17 م/ث، وانخفض طوله عدة مرات - إلى 43 ميكرومتر.

ويعتقد الباحثون أنه من خلال تجنب تسخين المكثفات بالليزر، سيكونون قادرين على إبطاء الضوء بشكل أكبر - ربما إلى سرعة عدة سنتيمترات في الثانية.

إن النظام الذي يتمتع بمثل هذه الخصائص غير العادية سيجعل من الممكن دراسة الخصائص البصرية الكمومية للمادة، بالإضافة إلى إنشاء أجهزة مختلفة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل، على سبيل المثال، مفاتيح الفوتون الواحد.