El falı 

Işığın hızı nedir? Işık hızı formülünün türetilmesi. Anlamlar ve kavram

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 konuyla ilgili 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 dönmesi için geçen sürenin o kadar kısa olduğu ortaya çıktı ki Galileo, ışığın hızının çok yüksek olduğunu fark etti ve ışık neredeyse hareket ettiğinden bu kadar kısa bir mesafede bunu ölçmenin imkansız olduğunu fark etti. aniden. 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 . Bir tekerleğin bir yuvanın ½'sini 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 dönen 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'da bilim adamı, ışığın iki dağın tepeleri arasındaki 35,4 km'lik mesafeyi kat etmesi için gereken 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.

Farklı ortamlarda ışığın hızı önemli ölçüde değişir. Zorluk, insan gözünün onu tüm spektral aralıkta görememesidir. Işık ışınlarının kökeninin doğası, eski çağlardan beri bilim adamlarının ilgisini çekmektedir. Işık hızını hesaplamaya yönelik ilk girişimler M.Ö. 300 gibi erken bir tarihte yapıldı. O dönemde bilim insanları dalganın düz bir çizgide yayıldığını tespit etti.

Hızlı cevap

Işığın özelliklerini ve hareketinin yörüngesini matematiksel formüllerle tanımlamayı başardılar. ilk araştırmadan 2 bin yıl sonra tanındı.

Işık akısı nedir?

Işık ışını, fotonlarla birleştirilmiş bir elektromanyetik dalgadır. Fotonlar, elektromanyetik radyasyonun kuantumu olarak da adlandırılan en basit elementler anlamına gelir. Tüm spektrumlardaki ışık akısı görünmez. Kelimenin geleneksel anlamında uzayda hareket etmez. Kuantum parçacıkları içeren bir elektromanyetik dalganın durumunu tanımlamak için optik ortamın kırılma indisi kavramı tanıtılmıştır.

Işık akısı uzayda küçük kesitli bir ışın şeklinde aktarılır. Uzayda hareket yöntemi geometrik yöntemlerle elde edilir. Bu, çeşitli ortamların sınırında kırılmaya başlayan ve eğrisel bir yörünge oluşturan doğrusal bir ışındır. Bilim adamları, maksimum hızın boşlukta yaratıldığını, diğer ortamlarda hareket hızının önemli ölçüde değişebileceğini kanıtladılar. Bilim adamları, belirli SI birimlerinin türetilmesi ve okunması için bir ışık ışınının ve türetilmiş bir değerin temel olduğu bir sistem geliştirdiler.

Bazı tarihi gerçekler

Yaklaşık 900 yıl önce İbn Sina, nominal değeri ne olursa olsun ışık hızının sonlu bir değeri olduğunu öne sürdü. Galileo Galilei deneysel olarak ışığın hızını hesaplamaya çalıştı. Deneyciler iki el feneri kullanarak bir nesneden gelen ışık ışınının diğerine görünür olacağı süreyi ölçmeye çalıştılar. Ancak böyle bir deneyin başarısız olduğu ortaya çıktı. Hız o kadar yüksekti ki gecikme süresini tespit edemediler.

Galileo Galilei, Jüpiter'in dört uydusunun tutulmaları arasında 1320 saniyelik bir aralık olduğunu fark etti. Danimarkalı gökbilimci Ole Roemer, bu keşiflere dayanarak 1676 yılında bir ışık ışınının yayılma hızını 222 bin km/sn olarak hesapladı. O zamanlar bu ölçüm en doğru ölçümdü ancak dünya standartlarıyla doğrulanamadı.

200 yıl sonra Louise Fizeau bir ışık ışınının hızını deneysel olarak hesaplamayı başardı. Ayna ve yüksek hızda dönen dişli mekanizmasıyla özel bir kurulum yarattı. Işık akısı aynadan yansıdı ve 8 km sonra geri döndü. Tekerlek hızı arttıkça dişli mekanizmasının kirişi bloke ettiği bir an ortaya çıktı. Böylece ışının hızı saniyede 312 bin kilometre olarak belirlendi.

Foucault, dişli mekanizmasını düz bir aynayla değiştirerek parametreleri azaltarak bu ekipmanı geliştirdi. Ölçüm doğruluğunun modern standarda en yakın olduğu ortaya çıktı ve saniyede 288 bin metreye ulaştı. Foucault, suyu temel alarak yabancı bir ortamdaki ışığın hızını hesaplamaya çalıştı. Fizikçi bu değerin sabit olmadığı ve belirli bir ortamdaki kırılma özelliklerine bağlı olduğu sonucuna varabildi.

Vakum, maddeden arınmış bir alandır. C sisteminde ışığın boşluktaki hızı Latin harfi C ile gösterilir. Ulaşılamaz. Hiçbir öğe böyle bir değere hız aşırtılamaz. Fizikçiler bu kadar hızlanırlarsa nesnelerin başına neler gelebileceğini ancak hayal edebilirler. Bir ışık ışınının yayılma hızı sabit özelliklere sahiptir:

  • sabit ve nihai;
  • ulaşılmaz ve değiştirilemez.

Bu sabiti bilmek nesnelerin uzayda hareket edebileceği maksimum hızı hesaplamamızı sağlar. Bir ışık ışınının yayılma miktarı temel bir sabit olarak kabul edilir. Uzay-zamanı karakterize etmek için kullanılır. Bu, hareketli parçacıklar için izin verilen maksimum değerdir. Işığın boşluktaki hızı nedir? Mevcut değer laboratuvar ölçümleri ve matematiksel hesaplamalar yoluyla elde edildi. O ± 1,2 m/s doğrulukla saniyede 299.792.458 metreye eşittir. Okul disiplinleri de dahil olmak üzere birçok disiplinde problemleri çözmek için yaklaşık hesaplamalar kullanılır. 3,108 m/s'ye eşit bir gösterge alınır.

İnsanın görünür spektrumundaki ışık dalgaları ve X-ışını dalgaları, ışık hızına yaklaşan okumalara kadar hızlandırılabilir. Bu sabite eşit olamazlar, değerini aşamazlar. Sabit, kozmik ışınların özel hızlandırıcılarda hızlanma anındaki davranışlarının izlenmesine dayanarak elde edildi. Işının yayıldığı eylemsiz ortama bağlıdır. Suda ışığın geçirgenliği %25 daha düşüktür ve havada bu, hesaplamalar sırasındaki sıcaklığa ve basınca bağlı olacaktır.

Tüm hesaplamalar görelilik teorisi ve Einstein'ın türettiği nedensellik yasası kullanılarak yapıldı. Fizikçi, nesnelerin 1.079.252.848,8 kilometre/saat hıza ulaşıp bu hızı aşması durumunda dünyamızın yapısında geri dönüşü olmayan değişiklikler meydana geleceğine ve sistemin çökeceğine inanıyor. Zaman olayların sırasını bozarak geri saymaya başlayacak.

Metrenin tanımı bir ışık ışınının hızından türetilmiştir. Bir ışık ışınının saniyenin 1/299792458'inde geçmeyi başardığı alan olarak anlaşılmaktadır. Bu kavramın standartla karıştırılmaması gerekir. Sayaç standardı, belirli bir mesafeyi fiziksel olarak görmenizi sağlayan gölgeli, kadmiyum bazlı özel bir teknik cihazdır.

Işık, insanların hayatta kalması ve bugün gördüğümüz gelişmiş medeniyetin oluşmasında her zaman önemli bir yer tutmuştur. İnsanlığın gelişim tarihi boyunca ışık hızı, önce filozofların ve doğa bilimcilerin, ardından bilim adamlarının ve fizikçilerin zihinlerini heyecanlandırdı. Bu, Evrenimizin varlığının temel sabitidir.

Farklı zamanlarda birçok bilim adamı, ışığın çeşitli ortamlarda yayılmasının nasıl olduğunu bulmaya çalıştı. Bilim açısından en büyük önem, ışık hızının boşlukta sahip olduğu değerin hesaplanmasıydı. Bu makale, bu konuyu anlamanıza ve ışığın boşlukta nasıl davrandığına dair birçok ilginç şey öğrenmenize yardımcı olacaktır.

Işık ve hız sorunu

Işık, modern fizikte önemli bir rol oynamaktadır, çünkü ortaya çıktığı gibi, medeniyetimizin gelişiminin bu aşamasında hızının değerinin üstesinden gelmek imkansızdır. Işığın hızını ölçmek uzun yıllar aldı. Bundan önce bilim adamları en önemli soruyu cevaplamaya çalışarak birçok araştırma yaptılar: "Işığın boşlukta yayılma hızı nedir?"
Zamanın bu noktasında bilim adamları, ışığın yayılma hızının (SLP) aşağıdaki özelliklere sahip olduğunu kanıtladılar:

  • sabittir;
  • değiştirilemez;
  • o ulaşılamaz;
  • sonludur.

Not! Şu anda bilimin gelişmesinde ışık hızı kesinlikle ulaşılamaz bir değerdir. Fizikçilerin, boşlukta ışık akısının yayılma hızına varsayımsal olarak ulaşan bir nesneye ne olacağı konusunda yalnızca bazı varsayımları vardır.

Işık hızı

Işığın boşlukta ne kadar hızlı hareket ettiği neden bu kadar önemli? Cevap basit. Sonuçta boşluk uzaydadır. Bu nedenle, boşluktaki ışığın hızının hangi dijital göstergeye sahip olduğunu öğrendikten sonra, güneş sisteminin genişliğinde ve ötesinde mümkün olan maksimum hızda hareket edebileceğimizi anlayabileceğiz.
Evrenimizde ışık taşıyan temel parçacıklar fotonlardır. Ve ışığın boşlukta hareket etme hızı mutlak bir değer olarak kabul edilir.

Not! SRS, elektromanyetik dalgaların hareket hızını ifade eder. Işığın aynı anda kendisini temel parçacıklar (fotonlar) ve bir dalga olarak göstermesi ilginçtir. Bu parçacık-dalga teorisinin sonucudur. Buna göre ışık bazı durumlarda parçacık gibi, bazı durumlarda ise dalga gibi davranır.

Zamanın bu noktasında, ışığın uzayda (vakum) yayılması, kullanılan eylemsiz referans çerçevesinin seçimine bağlı olmayan temel bir sabit olarak kabul edilir. Bu değer fiziksel temel sabitleri ifade eder. Bu durumda SPC'nin değeri genel olarak uzay-zaman geometrisinin temel özelliklerini karakterize eder.
Modern kavramlar, SPC'yi, parçacıkların hareketi ve etkileşimlerinin yayılması için izin verilen maksimum değer olan bir sabit olarak nitelendirir. Fizikte bu miktar Latince “c” harfiyle gösterilir.

Konunun incelenmesinin tarihi

Antik çağlarda, şaşırtıcı bir şekilde, antik düşünürler bile evrenimizdeki ışığın dağılımını merak ediyorlardı. Daha sonra bunun sonsuz bir değer olduğuna inanılıyordu. Işık hızının fiziksel olgusuna ilişkin ilk tahmin ancak 1676 yılında Olaf Roemer tarafından yapılmıştır. Onun hesaplamalarına göre ışığın yayılımı yaklaşık 220 bin km/s idi.

Not! Olaf Roemer yaklaşık bir değer verdi, ancak daha sonra ortaya çıktığı gibi, gerçek değerden çok da uzak değil.

Işığın boşlukta ilerleme hızının doğru değeri Olaf Roemer'den yalnızca yarım yüzyıl sonra belirlendi. Fransız fizikçi A.I.L. bunu başardı. Fizeau özel bir deney yürütüyor.

Fizeau'nun deneyi

Bu fiziksel olguyu, bir ışının belirli ve kesin olarak ölçülmüş bir alanı katetmesi için geçen süreyi ölçerek ölçebildi.
Deneyim şöyle görünüyordu:

  • kaynak S bir ışık akısı yaydı;
  • aynadan yansıdı (3);
  • bundan sonra ışık akışı dişli bir disk (2) kullanılarak kesildi;
  • daha sonra mesafesi 8 km olan üssü geçti;
  • bunun ardından ışık akısı ayna (1) tarafından yansıtılarak diske geri döndü.

Deney sırasında ışık akısı diskin dişleri arasındaki boşluklara düştü ve göz merceğinden (4) gözlemlendi. Fizeau, ışının geçiş zamanını diskin dönüş hızına göre belirledi. Bu deney sonucunda c = 313300 km/s değerini elde etti.
Ancak bu, bu konuya adanan araştırmanın sonu değil. Fiziksel sabiti hesaplamanın son formülü, Albert Einstein da dahil olmak üzere birçok bilim adamı sayesinde ortaya çıktı.

Einstein ve vakum: son hesaplama sonuçları

Bugün, Dünya'daki her insan, maddi nesnelerin ve herhangi bir sinyalin hareketi için izin verilen maksimum değerin, ışığın boşluktaki hızı olarak kabul edildiğini biliyor. Bu göstergenin kesin değeri neredeyse 300 bin km/s'dir. Daha doğrusu ışığın boşluktaki hızı 299.792.458 m/s'dir.
Bu değerin aşılmasının mümkün olmadığı teorisi, geçmişin ünlü fizikçisi Albert Einstein tarafından özel görelilik teorisi (SRT) ile ortaya atılmıştı.

Not! Einstein'ın görelilik teorisi, boşlukta SPC'yi aşan hızlarda sinyal iletiminin mümkün olduğuna dair gerçek kanıtlar ortaya çıkana kadar sarsılmaz kabul edilir.

Einstein'ın görelilik teorisi

Ancak bugün bazı araştırmacılar, Einstein'ın SRT'sinin değiştirilebileceği gerçeğinin önkoşulu olabilecek olguları keşfettiler. Özel olarak belirlenmiş belirli koşullar altında, ışık üstü hızların oluşumunu izlemek mümkündür. İlginç olan bu durumda görelilik teorisinin ihlal edilmemiş olmasıdır.

Neden ışıktan daha hızlı hareket edemezsiniz?

Bugün bu konuda bazı tuzaklar var. Örneğin normal şartlarda neden TBM sabitinin aşılamıyor? Kabul edilen teoriye göre bu durumda dünyamızın yapısının temel ilkesi olan nedensellik yasası ihlal edilmiş olacaktır. Tanım gereği bir sonucun, nedeninin önüne geçemeyeceğini savunuyor. Mecazi anlamda konuşursak, önce ayının ölmesi ve ancak o zaman onu vuran avcının sesinin duyulması olamaz. Ancak SRS aşılırsa olaylar ters sırada gerçekleşmeye başlamalıdır. Bunun sonucunda zaman geriye doğru akmaya başlayacak.

Peki bir ışık ışınının yayılma hızı nedir?

TBM'nin tam değerini belirlemek için yapılan çok sayıda çalışmanın ardından spesifik rakamlar elde edildi. Bugün c = 1.079.252.848,8 kilometre/saat veya 299.792.458 m/s. Planck birimlerinde ise bu parametre birlik olarak tanımlanır. Bu, ışık enerjisinin 1 birim Planck zamanında 1 Planck birimi uzunluğunda yol kat ettiği anlamına gelir.

Not! Bu rakamlar yalnızca boşlukta var olan koşullar için geçerlidir.

Bir sabitin değeri için formül

Ancak fizikte problemleri çözmenin daha basit bir yolu için yuvarlatılmış bir değer kullanılır: 300.000.000 m/s.
Normal şartlarda bu kural tüm nesneler için geçerli olduğu gibi, bizim görebildiğimiz spektrumdaki X ışınları, yer çekimi ve ışık dalgaları için de geçerlidir. Ayrıca bilim insanları, kütlesi olan parçacıkların ışık hızına yaklaşabileceğini kanıtladılar. Ancak buna ulaşamazlar veya onu aşamazlar.

Not! Işığın hızına yakın olan maksimum hız, özel hızlandırıcılarda hızlandırılan kozmik ışınlar incelenerek elde edildi.

Bu fiziksel sabitin ölçüldüğü ortama, yani kırılma indisine bağlı olduğunu belirtmekte fayda var. Bu nedenle gerçek göstergesi frekanslara bağlı olarak değişebilir.

Temel bir sabitin değeri nasıl hesaplanır

Günümüzde TBM'yi belirlemek için çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Olabilir:

  • astronomik yöntemler;
  • geliştirilmiş Fizeau yöntemi. Burada dişli çark modern bir modülatörle değiştirilmiştir.

Not! Bilim adamları havadaki ve vakumdaki SRS göstergelerinin neredeyse aynı olduğunu kanıtladılar. Ve sudan yaklaşık %25 daha azdır.

Işık ışınının yayılma miktarını hesaplamak için aşağıdaki formülü kullanın.

Işık hızını hesaplamak için formül

Bu formül vakumdaki hesaplamalar için uygundur.

Çözüm

Dünyamızdaki ışık çok önemlidir ve bilim adamlarının süper ışık hızlarının varlığını kanıtlayabildiği an, tanıdık dünyamızı tamamen değiştirebilir. Bu keşfin insanlar için ne anlama geleceğini tahmin etmek bile zor. Ama kesinlikle bu inanılmaz bir atılım olacak!

Otomatik ışık kontrolü için ses seviyesi sensörleri nasıl seçilir ve kurulur
Ev yapımı ayarlanabilir transistörlü güç kaynakları: montaj, pratik uygulama

Gerçekten nasıl? En yüksek hız nasıl ölçülür? Evren mütevazı, Dünyevi koşullarımızda? Artık bunun üzerinde kafa yormamıza gerek yok - sonuçta, birkaç yüzyıl boyunca pek çok insan bu konu üzerinde çalıştı ve ışığın hızını ölçmek için yöntemler geliştirdi. Hikayeye sırasıyla başlayalım.

Işık hızı– elektromanyetik dalgaların boşlukta yayılma hızı. Latin harfiyle gösterilir C. Işığın hızı yaklaşık 300.000.000 m/s'dir.

İlk başta kimse ışık hızının ölçülmesi konusunu düşünmedi. Işık var; bu harika. Daha sonra antik çağda bilim felsefecileri arasında hakim olan görüş, ışığın hızının sonsuz, yani anlık olduğu yönündeydi. Sonra oldu Ortaçağ Engizisyonla birlikte, düşünen ve ilerici insanların temel sorusu “Ateşe yakalanmamak nasıl önlenir?” iken Ve sadece çağlarda Rönesans Ve Aydınlanma Bilim adamlarının görüşleri çoğaldı ve elbette bölündü.


Bu yüzden, Descartes, Kepler Ve Çiftlik Antik çağ bilim adamlarıyla aynı görüşteydiler. Ancak ışığın hızının çok yüksek olmasına rağmen sonlu olduğuna inanıyordu. Hatta ışık hızının ilk ölçümünü de o yapmıştır. Daha doğrusu bunu ölçmek için ilk girişimi o yaptı.

Galileo'nun deneyi

Deneyim Galileo Galilei sadeliğiyle muhteşemdi. Bilim adamı, basit doğaçlama araçlarla donanmış olarak ışığın hızını ölçmek için bir deney gerçekleştirdi. Galileo ve asistanı, birbirinden geniş ve iyi bilinen bir mesafede, farklı tepelerde yanan fenerlerle duruyordu. Biri fenerin panjurunu açtı, ikincisi ise ilk fenerin ışığını görünce aynısını yapmak zorunda kaldı. Mesafeyi ve zamanı (asistanın feneri açmasından önceki gecikmeyi) bilen Galileo, ışığın hızını hesaplamayı bekliyordu. Ne yazık ki bu deneyin başarılı olması için Galileo ve asistanının birbirinden birkaç milyon kilometre uzaklıktaki tepeleri seçmesi gerekiyordu. Web sitesi üzerinden başvuru formunu doldurarak yapabileceğinizi hatırlatmak isterim.


Roemer ve Bradley deneyleri

Işık hızını belirlemeye yönelik ilk başarılı ve şaşırtıcı derecede doğru deney, Danimarkalı bir gökbilimcininkiydi. Olaf Roemer. Roemer, ışığın hızını ölçmek için astronomik yöntemi kullandı. 1676 yılında Jüpiter'in uydusu Io'yu teleskopla gözlemledi ve Dünya Jüpiter'den uzaklaştıkça uydunun tutulma zamanının değiştiğini keşfetti. Maksimum gecikme süresi 22 dakikaydı. Dünyanın Jüpiter'den Dünya'nın yörünge çapı kadar uzaklaştığını hesaplayan Roemer, çapın yaklaşık değerini gecikme süresine bölerek saniyede 214.000 kilometrelik bir değer elde etti. Elbette böyle bir hesaplama çok kabaydı, gezegenler arasındaki mesafeler yalnızca yaklaşık olarak biliniyordu, ancak sonucun gerçeğe nispeten yakın olduğu ortaya çıktı.


Bradley'nin deneyimi. 1728'de James Bradley Yıldızların sapmalarını gözlemleyerek ışığın hızını tahmin ettiler. Felaket Dünyanın yörüngesindeki hareketi nedeniyle yıldızın görünen konumunda meydana gelen değişikliktir. Dünyanın hızını bilen ve sapma açısını ölçen Bradley, saniyede 301.000 kilometrelik bir değer elde etti.

Fizeau'nun deneyimi

O zamanın bilim dünyası, Roemer ve Bradley'in deneyinin sonucuna güvensizlikle tepki gösterdi. Ancak Bradley'nin sonucu, 1849'a kadar yüz yılı aşkın süre boyunca en doğru sonuçtu. O yıl Fransız bir bilim adamı Armand Fizeauışığın hızını dönen deklanşör yöntemini kullanarak, gök cisimlerini gözlemlemeden, burada Dünya'da ölçtü. Aslında bu, Galileo'dan bu yana ışığın hızını ölçen ilk laboratuvar yöntemiydi. Aşağıda laboratuvar kurulumunun bir diyagramı bulunmaktadır.


Aynadan yansıyan ışık, tekerleğin dişlerinden geçerek 8,6 kilometre uzaklıktaki başka bir aynadan yansıdı. Bir sonraki boşlukta ışık görünene kadar tekerleğin hızı artırıldı. Fizeau'nun hesaplamaları saniyede 313.000 kilometrelik bir sonuç verdi. Bir yıl sonra Leon Foucault, dönen aynayla benzer bir deney gerçekleştirdi ve saniyede 298.000 kilometrelik bir sonuç elde etti.

Ustaların ve lazerlerin ortaya çıkmasıyla birlikte insanlar, ışığın hızını ölçmek için yeni fırsatlara ve yöntemlere sahip oldu ve teorinin gelişmesi, ışığın hızının doğrudan ölçüm yapmadan dolaylı olarak hesaplanmasını da mümkün kıldı.


Işık hızının en doğru değeri

İnsanlık, ışık hızını ölçme konusunda engin deneyime sahiptir. Günümüzde ışık hızına ilişkin en doğru değerin Saniyede 299.792.458 metre 1983'te alındı. Ölçümdeki hatalar nedeniyle ışık hızının daha doğru bir şekilde ölçülmesinin imkansız hale gelmesi ilginçtir. metre. Şu anda metrenin değeri ışık hızına bağlı olup, ışığın saniyenin 1/299.792.458'inde kat ettiği mesafeye eşittir.

Son olarak her zaman olduğu gibi eğitici bir video izlemenizi öneriyoruz. Arkadaşlar, ışığın hızını doğaçlama yöntemlerle bağımsız olarak ölçmek gibi bir görevle karşı karşıya kalsanız bile, yardım için yazarlarımıza güvenle başvurabilirsiniz. Yazışma Öğrencisi web sitesinde bir başvuru formu doldurabilirsiniz. Keyifli ve kolay bir çalışma dileriz!

Geçtiğimiz baharda dünya çapındaki bilimsel ve popüler bilim dergileri sansasyonel haberler yayınladı. Amerikalı fizikçiler benzersiz bir deney gerçekleştirdiler: Işık hızını saniyede 17 metreye düşürmeyi başardılar.

Herkes ışığın çok büyük bir hızla (saniyede neredeyse 300 bin kilometre) hareket ettiğini biliyor. Vakumdaki değerinin tam değeri = 299792458 m/s, temel bir fiziksel sabittir. Görelilik teorisine göre bu, mümkün olan maksimum sinyal iletim hızıdır.

Herhangi bir şeffaf ortamda ışık daha yavaş hareket eder. Hızı v, ortamın kırılma indisine n bağlıdır: v = c/n. Havanın kırılma indisi 1,0003, suyun - 1,33, çeşitli cam türlerinin - 1,5 ila 1,8'dir. Elmas en yüksek kırılma indeksi değerlerinden birine sahiptir - 2,42. Böylece sıradan maddelerdeki ışığın hızı en fazla 2,5 kat azalacaktır.

1999'un başlarında, Harvard Üniversitesi'ndeki (Massachusetts, ABD) ve Stanford Üniversitesi'ndeki (Kaliforniya) Rowland Bilimsel Araştırma Enstitüsü'nden bir grup fizikçi, lazer darbelerinin bir ortamdan geçirilmesiyle oluşan, kendi kendine indüklenen şeffaflık olarak adlandırılan makroskobik kuantum etkisini inceledi. bu normalde opaktır. Bu ortam, Bose-Einstein yoğunlaşması adı verilen özel bir durumdaki sodyum atomlarından oluşuyordu. Bir lazer darbesi ile ışınlandığında, darbenin grup hızını vakumdaki hıza kıyasla 20 milyon kat azaltan optik özellikler kazanır. Deneyciler ışığın hızını 17 m/s'ye çıkarmayı başardılar!

Bu eşsiz deneyin özünü açıklamadan önce bazı fiziksel kavramların anlamlarını hatırlayalım.

Grup hızı. Işık bir ortamda yayıldığında iki hız ayırt edilir: faz ve grup. Faz hızı vf, ideal bir monokromatik dalganın fazının hareketini karakterize eder - kesinlikle tek frekanstan oluşan sonsuz bir sinüs dalgası ve ışığın yayılma yönünü belirler. Ortamdaki faz hızı, değerleri çeşitli maddeler için ölçülen faz kırılma indeksine karşılık gelir. Faz kırılma indisi ve dolayısıyla faz hızı dalga boyuna bağlıdır. Bu bağımlılığa dağılım denir; özellikle bir prizmadan geçen beyaz ışığın bir spektruma ayrışmasına yol açar.

Ancak gerçek bir ışık dalgası, belirli bir spektral aralıkta gruplandırılmış, farklı frekanslardaki bir dizi dalgadan oluşur. Böyle bir kümeye dalga grubu, dalga paketi veya ışık darbesi denir. Bu dalgalar, dağılım nedeniyle ortam boyunca farklı faz hızlarında yayılır. Bu durumda dürtü gerilir ve şekli değişir. Bu nedenle, bir dalga grubunun bir dürtünün hareketini bir bütün olarak tanımlamak için grup hızı kavramı tanıtılır. Yalnızca dar bir spektrum durumunda ve zayıf dağılımlı bir ortamda, bireysel bileşenlerin faz hızları arasındaki fark küçük olduğunda anlamlıdır. Durumu daha iyi anlamak için net bir benzetme yapabiliriz.

Yedi sporcunun başlangıç ​​çizgisinde sıralandığını ve spektrumun renklerine göre farklı renklerde formalar giydiğini hayal edelim: kırmızı, turuncu, sarı vb. Başlangıç ​​tabancasının işaretiyle aynı anda koşmaya başlarlar, ancak “kırmızı” ” sporcu “turuncu” olandan daha hızlı koşar, “turuncu” “sarı”dan daha hızlıdır vb. böylece uzunluğu sürekli artan bir zincire doğru gerilirler. Şimdi onlara öyle bir yükseklikten baktığımızı, koşucuları tek tek ayırt edemediğimizi, sadece rengarenk bir nokta gördüğümüzü hayal edin. Bir bütün olarak bu noktanın hareket hızından bahsetmek mümkün mü? Bu mümkündür, ancak yalnızca çok bulanık olmadığında, farklı renkteki koşucuların hızları arasındaki fark küçük olduğunda. Aksi takdirde nokta rotanın tüm uzunluğu boyunca uzanabilir ve hızı sorunu anlamını yitirecektir. Bu, güçlü bir dağılıma, yani hızların geniş bir dağılımına karşılık gelir. Koşucular hemen hemen aynı renkte, yalnızca tonlarında farklılık gösteren (mesela koyu kırmızıdan açık kırmızıya) formalar giyiyorsa, bu durum dar bir spektrum durumuyla tutarlı hale gelir. Bu durumda koşucuların hızları çok fazla değişmeyecektir; grup hareket ederken oldukça kompakt kalacaktır ve grup hızı adı verilen çok kesin bir hız değeriyle karakterize edilebilecektir.

Bose-Einstein istatistikleri. Bu, kuantum mekaniği yasalarına uyan çok sayıda parçacık içeren sistemlerin durumunu tanımlayan bir teori olan kuantum istatistiği türlerinden biridir.

Tüm parçacıklar - hem atomda bulunanlar hem de serbest olanlar - iki sınıfa ayrılır. Bunlardan biri için Pauli dışlama ilkesi geçerlidir; buna göre her enerji seviyesinde birden fazla parçacık bulunamaz. Bu sınıfın parçacıklarına fermiyonlar denir (bunlar elektronlar, protonlar ve nötronlardır; aynı sınıf tek sayıda fermiyonlardan oluşan parçacıkları içerir) ve bunların dağılım yasasına Fermi-Dirac istatistikleri denir. Başka bir sınıfın parçacıklarına bozon denir ve Pauli ilkesine uymazlar: bir enerji seviyesinde sınırsız sayıda bozon birikebilir. Bu durumda Bose-Einstein istatistiklerinden bahsediyoruz. Bozonlar arasında fotonlar, bazı kısa ömürlü temel parçacıklar (örneğin pi-mezonlar) ve çift sayıda fermiyon içeren atomlar bulunur. Çok düşük sıcaklıklarda bozonlar en düşük (temel) enerji seviyelerinde toplanır; sonra Bose-Einstein yoğunlaşmasının meydana geldiğini söylüyorlar. Yoğuşma atomları bireysel özelliklerini kaybeder ve birkaç milyonu tek bir atom gibi davranmaya başlar, dalga fonksiyonları birleşir ve davranışları tek bir denklemle tanımlanır. Bu, yoğunlaşan atomların, lazer radyasyonundaki fotonlar gibi tutarlı hale geldiğini söylemeyi mümkün kılar. Amerikan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, Bose-Einstein yoğunlaşmasının bu özelliğini kullanarak bir "atomik lazer" yarattılar (bkz. Science and Life No. 10, 1997).

Kendinden kaynaklı şeffaflık. Bu, doğrusal olmayan optiğin, yani güçlü ışık alanlarının optiğinin etkilerinden biridir. Çok kısa ve güçlü bir ışık darbesinin, sürekli radyasyonu veya uzun darbeleri emen bir ortamdan zayıflamadan geçmesi gerçeğinden oluşur: opak bir ortam ona karşı şeffaf hale gelir. Kendi kendine indüklenen şeffaflık, 10-7 - 10-8 saniyelik bir atım süresine sahip seyreltilmiş gazlarda ve yoğunlaştırılmış ortamlarda - 10-11 saniyeden daha az gözlenir. Bu durumda darbede bir gecikme meydana gelir - grup hızı büyük ölçüde azalır. Bu etki ilk olarak 1967'de McCall ve Khan tarafından 4 K sıcaklıkta yakut üzerinde gösterildi. 1970 yılında rubidyumda, vakumdaki ışığın hızından üç büyüklük sırası (1000 kat) daha az darbe hızlarına karşılık gelen gecikmeler elde edildi. buhar.

Şimdi 1999'un eşsiz deneyine dönelim. Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Rowland Enstitüsü) ve Steve Harris (Stanford Üniversitesi) tarafından gerçekleştirildi. Yoğun, manyetik olarak tutulan sodyum atomları bulutunu, en düşük enerji seviyesi olan temel duruma dönene kadar soğuttular. Bu durumda, yalnızca manyetik dipol momenti manyetik alanın yönünün tersine yönlendirilen atomlar izole edildi. Araştırmacılar daha sonra bulutu 435 nK'nin (nanokelvin veya 0,000000435 K, neredeyse mutlak sıfır) altına kadar soğuttular.

Bundan sonra yoğuşma, zayıf uyarma enerjisine karşılık gelen bir frekansa sahip doğrusal polarize lazer ışığının "birleştirici ışınıyla" aydınlatıldı. Atomlar daha yüksek bir enerji düzeyine çıktılar ve ışığı emmeyi bıraktılar. Sonuç olarak, yoğuşma suyu aşağıdaki lazer radyasyonuna karşı şeffaf hale geldi. Ve burada çok tuhaf ve olağandışı etkiler ortaya çıktı. Ölçümler, belirli koşullar altında Bose-Einstein yoğunlaşmasından geçen bir darbenin, ışığın yedi kattan fazla (20 milyon faktör) yavaşlamasına karşılık gelen bir gecikme yaşadığını gösterdi. Işık atımının hızı 17 m/s'ye düştü ve uzunluğu birkaç kez 43 mikrometreye düştü.

Araştırmacılar, yoğunlaşmanın lazerle ısınmasını önleyerek ışığı daha da yavaşlatabileceklerine, belki de saniyede birkaç santimetre hıza ulaşabileceklerine inanıyorlar.

Bu tür olağandışı özelliklere sahip bir sistem, maddenin kuantum optik özelliklerini incelemeyi ve geleceğin kuantum bilgisayarları için tek foton anahtarları gibi çeşitli cihazlar oluşturmayı mümkün kılacaktır.