xem tướng tay 

Tốc độ ánh sáng là bao nhiêu. Dẫn xuất công thức tính tốc độ ánh sáng. Ý nghĩa và khái niệm

Tốc độ ánh sáng là quãng đường mà ánh sáng truyền đi trong một đơn vị thời gian. Giá trị này phụ thuộc vào chất mà ánh sáng truyền đi.

Trong chân không, tốc độ ánh sáng là 299.792.458 m/s. Đây là tốc độ cao nhất có thể đạt được. Khi giải các bài toán không yêu cầu độ chính xác đặc biệt, giá trị này được lấy bằng 300.000.000 m/s. Người ta cho rằng tất cả các loại bức xạ điện từ đều truyền trong chân không với tốc độ ánh sáng: sóng vô tuyến, bức xạ hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, bức xạ tử ngoại, tia X, bức xạ gamma. Nó được chỉ định bởi một lá thư Với .

Tốc độ ánh sáng được xác định như thế nào?

Vào thời cổ đại, các nhà khoa học tin rằng tốc độ ánh sáng là vô hạn. Sau đó, các cuộc thảo luận về vấn đề này bắt đầu giữa các nhà khoa học. Kepler, Descartes và Fermat đồng ý với quan điểm của các nhà khoa học cổ đại. Và Galileo và Hooke tin rằng, mặc dù tốc độ ánh sáng rất cao nhưng nó vẫn có giá trị hữu hạn.

Galileo Galilei

Một trong những người đầu tiên thử đo tốc độ ánh sáng là nhà khoa học người Ý Galileo Galilei. Trong quá trình thử nghiệm, anh và trợ lý đã ở trên những ngọn đồi khác nhau. Galileo mở cửa chớp chiếc đèn lồng của mình. Vào lúc người trợ lý nhìn thấy ánh sáng này, anh ta cũng phải thực hiện hành động tương tự với chiếc đèn lồng của mình. Thời gian để ánh sáng truyền từ Galileo đến trợ lý và quay trở lại ngắn đến mức Galileo nhận ra rằng tốc độ ánh sáng rất cao và không thể đo được nó ở khoảng cách ngắn như vậy, vì ánh sáng truyền đi gần như ngay lập tức. Và thời gian anh ghi lại chỉ thể hiện tốc độ phản ứng của một người.

Tốc độ ánh sáng lần đầu tiên được xác định vào năm 1676 bởi nhà thiên văn học người Đan Mạch Olaf Roemer bằng cách sử dụng khoảng cách thiên văn. Sử dụng kính thiên văn để quan sát nhật thực của mặt trăng Io của Sao Mộc, ông phát hiện ra rằng khi Trái đất di chuyển ra xa Sao Mộc, mỗi lần nhật thực tiếp theo đều xảy ra muộn hơn so với tính toán. Thời gian trễ tối đa khi Trái đất di chuyển sang phía bên kia của Mặt trời và di chuyển ra xa Sao Mộc ở một khoảng cách bằng đường kính quỹ đạo Trái đất là 22 giờ. Mặc dù đường kính chính xác của Trái đất chưa được biết vào thời điểm đó, nhưng nhà khoa học đã chia giá trị gần đúng của nó cho 22 giờ và thu được giá trị khoảng 220.000 km/s.

Olaf Roemer

Kết quả mà Roemer thu được đã gây mất lòng tin trong giới khoa học. Nhưng vào năm 1849, nhà vật lý người Pháp Armand Hippolyte Louis Fizeau đã đo tốc độ ánh sáng bằng phương pháp màn trập quay. Trong thí nghiệm của ông, ánh sáng từ một nguồn truyền qua giữa các răng của một bánh xe đang quay và hướng vào một tấm gương. Phản ánh từ anh ta, anh ta quay trở lại. Tốc độ quay của bánh xe tăng lên. Khi đạt đến một giá trị nhất định, chùm tia phản xạ từ gương bị một chiếc răng chuyển động làm trễ và người quan sát lúc đó không nhìn thấy gì.

kinh nghiệm của Fizeau

Fizeau đã tính tốc độ ánh sáng như sau. Ánh sáng đi theo cách của nó L từ bánh xe đến gương trong thời gian bằng t 1 = 2L/c . Thời gian để bánh xe quay được 1/2 rãnh là t2 = T/2N , Ở đâu T - chu kỳ quay của bánh xe, N - số răng. Tần số quay v = 1/T . Thời điểm người quan sát không nhìn thấy ánh sáng xảy ra khi t 1 = t 2 . Từ đây ta có công thức xác định vận tốc ánh sáng:

c = 4LNv

Sau khi thực hiện tính toán bằng công thức này, Fizeau xác định rằng Với = 313.000.000 m/s. Kết quả này chính xác hơn nhiều.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

Năm 1838, nhà vật lý và thiên văn học người Pháp Dominique François Jean Arago đề xuất sử dụng phương pháp gương quay để tính tốc độ ánh sáng. Ý tưởng này đã được thực hiện bởi nhà vật lý, cơ khí và thiên văn học người Pháp Jean Bernard Leon Foucault, người vào năm 1862 đã thu được giá trị của tốc độ ánh sáng (298.000.000±500.000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

Năm 1891, kết quả của nhà thiên văn học người Mỹ Simon Newcomb hóa ra lại chính xác hơn kết quả của Foucault ở mức độ lớn. Theo kết quả tính toán của ông Với = (99.810.000±50.000) m/s.

Nghiên cứu của nhà vật lý người Mỹ Albert Abraham Michelson, người đã sử dụng một thiết lập với gương hình bát giác quay, đã giúp xác định tốc độ ánh sáng thậm chí còn chính xác hơn. Năm 1926, nhà khoa học đã đo thời gian ánh sáng đi được quãng đường giữa đỉnh hai ngọn núi bằng 35,4 km và thu được Với = (299.796.000±4.000) m/s.

Phép đo chính xác nhất được thực hiện vào năm 1975. Cùng năm đó, Đại hội đồng về Trọng lượng và Đo lường khuyến nghị rằng tốc độ ánh sáng được coi là bằng 299.792.458 ± 1,2 m/s.

Vận tốc ánh sáng phụ thuộc vào điều gì?

Tốc độ ánh sáng trong chân không không phụ thuộc vào hệ quy chiếu hay vị trí của người quan sát. Nó không đổi, bằng 299.792.458 ± 1,2 m/s. Nhưng trong các môi trường trong suốt khác nhau, tốc độ này sẽ thấp hơn tốc độ trong chân không. Bất kỳ môi trường trong suốt nào cũng có mật độ quang học. Và càng lên cao thì tốc độ truyền ánh sáng trong đó càng chậm. Ví dụ, tốc độ ánh sáng trong không khí cao hơn tốc độ trong nước và trong thủy tinh quang học thuần túy, tốc độ này thấp hơn trong nước.

Nếu ánh sáng truyền từ môi trường kém đậm đặc hơn sang môi trường đậm đặc hơn thì tốc độ của nó giảm đi. Và nếu quá trình chuyển đổi xảy ra từ môi trường đậm đặc hơn sang môi trường ít đậm đặc hơn, thì ngược lại, tốc độ sẽ tăng lên. Điều này giải thích tại sao chùm sáng bị lệch ở ranh giới chuyển tiếp giữa hai môi trường.

Tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác nhau thay đổi đáng kể. Khó khăn là mắt người không nhìn thấy nó trong toàn bộ dải quang phổ. Bản chất nguồn gốc của tia sáng đã được các nhà khoa học quan tâm từ thời xa xưa. Những nỗ lực đầu tiên để tính tốc độ ánh sáng được thực hiện sớm nhất là vào năm 300 trước Công nguyên. Khi đó, các nhà khoa học xác định sóng truyền theo đường thẳng.

Trả lời nhanh

Họ đã mô tả được bằng các công thức toán học các tính chất của ánh sáng và quỹ đạo chuyển động của nó. được biết đến 2 nghìn năm sau nghiên cứu đầu tiên.

Quang thông là gì?

Chùm tia sáng là sóng điện từ kết hợp với photon. Photon được hiểu là phần tử đơn giản nhất hay còn gọi là lượng tử của bức xạ điện từ. Quang thông trong mọi quang phổ là vô hình. Nó không di chuyển trong không gian theo nghĩa truyền thống của từ này. Để mô tả trạng thái của sóng điện từ với các hạt lượng tử, người ta đưa ra khái niệm chiết suất của môi trường quang học.

Luồng ánh sáng được truyền trong không gian dưới dạng chùm tia có tiết diện nhỏ. Phương thức chuyển động trong không gian được bắt nguồn bằng phương pháp hình học. Đây là một chùm tia thẳng, ở ranh giới với các môi trường khác nhau, bắt đầu khúc xạ, tạo thành một quỹ đạo cong. Các nhà khoa học đã chứng minh rằng tốc độ tối đa được tạo ra trong chân không, trong các môi trường khác, tốc độ chuyển động có thể thay đổi đáng kể. Các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống trong đó chùm ánh sáng và giá trị dẫn xuất làm cơ sở cho việc suy ra và đọc các đơn vị SI nhất định.

Một số sự kiện lịch sử

Khoảng 900 năm trước, Avicena cho rằng, bất kể giá trị danh nghĩa nào, tốc độ ánh sáng đều có giá trị hữu hạn. Galileo Galilei đã thử tính toán bằng thực nghiệm tốc độ ánh sáng. Sử dụng hai đèn pin, các nhà thí nghiệm đã cố gắng đo thời gian mà chùm ánh sáng từ vật này được nhìn thấy bởi vật thể khác. Nhưng một thí nghiệm như vậy hóa ra đã không thành công. Tốc độ cao đến mức họ không thể phát hiện được thời gian trễ.

Galileo Galilei nhận thấy rằng Sao Mộc có khoảng thời gian giữa các lần nhật thực của bốn vệ tinh của nó là 1320 giây. Dựa trên những khám phá này, năm 1676, nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Roemer đã tính toán tốc độ truyền lan của chùm ánh sáng là 222 nghìn km/giây. Vào thời điểm đó, phép đo này là chính xác nhất, nhưng nó không thể được xác minh bằng các tiêu chuẩn trần thế.

Sau 200 năm, Louise Fizeau đã có thể tính được tốc độ của chùm ánh sáng bằng thực nghiệm. Ông đã tạo ra một tác phẩm sắp đặt đặc biệt với một chiếc gương và một cơ cấu bánh răng quay với tốc độ cao. Luồng ánh sáng bị phản xạ khỏi gương và quay trở lại sau 8 km. Khi tốc độ bánh xe tăng lên, một khoảnh khắc xuất hiện khi cơ cấu bánh răng chặn chùm tia. Do đó, tốc độ của chùm tia được đặt ở mức 312 nghìn km mỗi giây.

Foucault đã cải tiến trang bị này, giảm bớt các thông số bằng cách thay cơ cấu bánh răng bằng gương phẳng. Độ chính xác trong phép đo của ông hóa ra là gần nhất với tiêu chuẩn hiện đại và lên tới 288 nghìn mét mỗi giây. Foucault đã cố gắng tính tốc độ ánh sáng trong môi trường lạ, sử dụng nước làm cơ sở. Nhà vật lý đã có thể kết luận rằng giá trị này không phải là hằng số và phụ thuộc vào đặc tính khúc xạ trong một môi trường nhất định.

Chân không là không gian không có vật chất. Tốc độ ánh sáng trong chân không trong hệ C được ký hiệu bằng chữ Latinh C. Nó không thể đạt được. Không có mục nào có thể được ép xung đến giá trị như vậy. Các nhà vật lý chỉ có thể tưởng tượng điều gì có thể xảy ra với các vật thể nếu chúng tăng tốc đến mức như vậy. Tốc độ truyền của chùm sáng có đặc tính không đổi là:

  • liên tục và cuối cùng;
  • không thể đạt được và không thể thay đổi.

Biết được hằng số này cho phép chúng ta tính được tốc độ tối đa mà vật thể có thể di chuyển trong không gian. Lượng truyền của chùm ánh sáng được coi là hằng số cơ bản. Nó được sử dụng để mô tả không-thời gian. Đây là giá trị tối đa cho phép đối với các hạt chuyển động. Tốc độ ánh sáng trong chân không là bao nhiêu? Giá trị hiện tại thu được thông qua các phép đo trong phòng thí nghiệm và tính toán toán học. Cô ấy bằng 299,792,458 mét/giây với độ chính xác ± 1,2 m/s. Trong nhiều môn học, bao gồm cả môn học ở trường, các phép tính gần đúng được sử dụng để giải các bài toán. Lấy chỉ số bằng 3.108 m/s.

Sóng ánh sáng trong phổ nhìn thấy của con người và sóng tia X có thể được tăng tốc đến mức gần bằng tốc độ ánh sáng. Chúng không thể bằng hằng số này hoặc vượt quá giá trị của nó. Hằng số được suy ra dựa trên việc theo dõi hành vi của các tia vũ trụ tại thời điểm chúng tăng tốc trong các máy gia tốc đặc biệt. Nó phụ thuộc vào môi trường quán tính trong đó chùm tia truyền đi. Trong nước, độ truyền ánh sáng thấp hơn 25% và trong không khí, nó sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất tại thời điểm tính toán.

Tất cả các tính toán được thực hiện bằng lý thuyết tương đối và luật nhân quả do Einstein rút ra. Nhà vật lý tin rằng nếu các vật thể đạt tốc độ 1.079.252.848,8 km/giờ và vượt quá tốc độ đó, thì những thay đổi không thể đảo ngược sẽ xảy ra trong cấu trúc thế giới của chúng ta và hệ thống sẽ sụp đổ. Thời gian sẽ bắt đầu đếm ngược, làm xáo trộn trật tự của các sự kiện.

Định nghĩa của mét bắt nguồn từ tốc độ của tia sáng. Nó được hiểu là diện tích mà chùm ánh sáng có thể truyền đi trong 1/299792458 giây. Khái niệm này không nên nhầm lẫn với tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn đồng hồ là một thiết bị kỹ thuật dựa trên cadmium đặc biệt có bóng cho phép bạn nhìn thấy một khoảng cách nhất định.

Ánh sáng luôn chiếm một vị trí quan trọng trong sự sống còn của con người và sự tạo dựng nên nền văn minh phát triển mà chúng ta thấy ngày nay. Trong suốt lịch sử phát triển của loài người, tốc độ ánh sáng đã kích thích trí óc của các nhà triết học và nhà tự nhiên học đầu tiên, sau đó là các nhà khoa học và nhà vật lý. Đây là hằng số cơ bản cho sự tồn tại của Vũ trụ của chúng ta.

Nhiều nhà khoa học ở những thời điểm khác nhau đã tìm cách tìm hiểu sự lan truyền của ánh sáng trong các môi trường khác nhau như thế nào. Tầm quan trọng lớn nhất đối với khoa học là việc tính toán giá trị của tốc độ ánh sáng trong chân không. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ vấn đề này và tìm hiểu nhiều điều thú vị về cách ánh sáng hành xử trong chân không.

Ánh sáng và câu hỏi về tốc độ

Ánh sáng đóng một vai trò quan trọng trong vật lý hiện đại, bởi vì, hóa ra, không thể vượt qua giá trị tốc độ của nó ở giai đoạn phát triển này của nền văn minh chúng ta. Phải mất nhiều năm mới đo được tốc độ ánh sáng. Trước đó, các nhà khoa học đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu, cố gắng trả lời câu hỏi quan trọng nhất: "Tốc độ truyền ánh sáng trong chân không là bao nhiêu?"
Tại thời điểm này, các nhà khoa học đã chứng minh được tốc độ truyền ánh sáng (SLP) có những đặc điểm sau:

  • nó là hằng số;
  • nó là không thể thay đổi;
  • cô ấy là không thể đạt được;
  • nó là hữu hạn.

Ghi chú! Tốc độ ánh sáng ở thời điểm hiện tại trong sự phát triển của khoa học là một giá trị hoàn toàn không thể đạt được. Các nhà vật lý chỉ có một số giả định về những gì xảy ra với một vật thể đạt đến tốc độ truyền của luồng ánh sáng trong chân không.

Tốc độ ánh sáng

Tại sao tốc độ ánh sáng truyền trong chân không lại quan trọng đến vậy? Đáp án đơn giản. Rốt cuộc, chân không ở trong không gian. Do đó, sau khi tìm hiểu tốc độ ánh sáng trong chân không có chỉ báo kỹ thuật số nào, chúng ta sẽ có thể hiểu được tốc độ tối đa có thể mà chúng ta có thể di chuyển trên phạm vi rộng lớn của hệ mặt trời và hơn thế nữa.
Các hạt cơ bản mang ánh sáng trong Vũ trụ của chúng ta là photon. Và tốc độ ánh sáng di chuyển trong chân không được coi là một giá trị tuyệt đối.

Ghi chú! SRS đề cập đến tốc độ chuyển động của sóng điện từ. Điều thú vị là ánh sáng đồng thời biểu hiện dưới dạng hạt cơ bản (photon) và sóng. Điều này xuất phát từ lý thuyết sóng hạt. Theo đó, trong những tình huống nhất định, ánh sáng hành xử giống như một hạt, và trong những tình huống khác, nó hành xử giống như sóng.

Tại thời điểm này, sự truyền ánh sáng trong không gian (chân không) được coi là hằng số cơ bản, không phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ quy chiếu quán tính được sử dụng. Giá trị này đề cập đến các hằng số cơ bản vật lý. Trong trường hợp này, giá trị của SRS thường đặc trưng cho các tính chất cơ bản của hình học không-thời gian.
Các khái niệm hiện đại mô tả SPC là một hằng số, là giá trị tối đa cho phép đối với chuyển động của các hạt, cũng như sự lan truyền tương tác của chúng. Trong vật lý, đại lượng này được ký hiệu bằng chữ Latinh “c”.

Lịch sử nghiên cứu vấn đề

Điều đáng ngạc nhiên là vào thời cổ đại, ngay cả những nhà tư tưởng cổ xưa cũng thắc mắc về sự phân bố ánh sáng trong vũ trụ của chúng ta. Sau đó người ta tin rằng đây là một giá trị vô hạn. Ước tính đầu tiên về hiện tượng vật lý của tốc độ ánh sáng chỉ được Olaf Roemer đưa ra vào năm 1676. Theo tính toán của ông, tốc độ lan truyền của ánh sáng là khoảng 220 nghìn km/s.

Ghi chú! Olaf Roemer đã đưa ra một giá trị gần đúng, nhưng sau đó hóa ra lại không khác xa giá trị thực cho lắm.

Giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng truyền trong chân không được xác định chỉ nửa thế kỷ sau Olaf Roemer. Nhà vật lý người Pháp A.I.L. đã làm được điều này. Fizeau, tiến hành một thí nghiệm đặc biệt.

Thí nghiệm của Fizeau

Ông có thể đo hiện tượng vật lý này bằng cách đo thời gian một chùm tia truyền đi một khu vực cụ thể và được đo chính xác.
Thí nghiệm trông như thế này:

  • nguồn S phát ra một luồng sáng;
  • nó được phản chiếu từ gương (3);
  • sau đó, luồng ánh sáng bị gián đoạn bằng đĩa răng (2);
  • sau đó nó đi qua căn cứ, khoảng cách là 8 km;
  • sau đó, luồng ánh sáng bị phản chiếu bởi gương (1) và quay trở lại đĩa.

Trong quá trình thí nghiệm, luồng ánh sáng rơi vào khoảng trống giữa các răng của đĩa và có thể quan sát được nó qua thị kính (4). Fizeau xác định thời gian truyền của chùm tia bằng tốc độ quay của đĩa. Kết quả của thí nghiệm này là anh ta thu được giá trị c = 313300 km/s.
Nhưng đây không phải là kết thúc của nghiên cứu dành cho vấn đề này. Công thức cuối cùng để tính hằng số vật lý xuất hiện nhờ nhiều nhà khoa học, trong đó có Albert Einstein.

Einstein và chân không: kết quả tính toán cuối cùng

Ngày nay, mọi người trên Trái đất đều biết rằng giá trị tối đa cho phép đối với chuyển động của các vật thể vật chất, cũng như bất kỳ tín hiệu nào, được coi là tốc độ ánh sáng trong chân không. Giá trị chính xác của chỉ số này là gần 300 nghìn km/s. Nói chính xác, tốc độ ánh sáng trong chân không là 299.792.458 m/s.
Lý thuyết cho rằng không thể vượt quá giá trị này đã được đưa ra bởi nhà vật lý nổi tiếng trong quá khứ, Albert Einstein, trong lý thuyết tương đối đặc biệt hay SRT của ông.

Ghi chú! Thuyết tương đối của Einstein được coi là không thể lay chuyển cho đến khi có bằng chứng thực tế cho thấy việc truyền tín hiệu có thể xảy ra ở tốc độ vượt quá SPC trong chân không.

Thuyết tương đối của Einstein

Nhưng ngày nay, một số nhà nghiên cứu đã phát hiện ra những hiện tượng có thể đóng vai trò là điều kiện tiên quyết cho việc SRT của Einstein có thể thay đổi được. Trong một số điều kiện được chỉ định đặc biệt nhất định, có thể theo dõi sự xuất hiện của tốc độ siêu sáng. Điều thú vị là trong trường hợp này thuyết tương đối không bị vi phạm.

Tại sao bạn không thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng

Ngày nay có một số cạm bẫy trong vấn đề này. Ví dụ: tại sao không thể khắc phục được hằng số CPC trong điều kiện bình thường? Theo lý thuyết được chấp nhận, trong tình huống này, nguyên tắc cơ bản về cấu trúc thế giới của chúng ta, cụ thể là luật nhân quả, sẽ bị vi phạm. Ông lập luận rằng, theo định nghĩa, một kết quả không có khả năng đi trước nguyên nhân của nó. Nói một cách hình tượng, không thể nào con gấu chết trước rồi mới nghe thấy tiếng súng của người thợ săn đã bắn nó. Nhưng nếu vượt quá SRS thì các sự kiện sẽ bắt đầu xảy ra theo thứ tự ngược lại. Kết quả là thời gian sẽ bắt đầu chạy ngược.

Vậy tốc độ truyền của chùm ánh sáng là bao nhiêu?

Sau nhiều nghiên cứu được tiến hành để xác định giá trị chính xác của CPC, người ta đã thu được những số liệu cụ thể. Hôm nay c = 1.079.252.848,8 km/giờ hay 299.792.458 m/s. và trong đơn vị Planck, tham số này được định nghĩa là sự thống nhất. Điều này có nghĩa là năng lượng ánh sáng truyền đi 1 đơn vị chiều dài Planck trong 1 đơn vị thời gian Planck.

Ghi chú! Những số liệu này chỉ có giá trị đối với các điều kiện tồn tại trong chân không.

Công thức tính giá trị của hằng số

Nhưng trong vật lý, để giải quyết vấn đề đơn giản hơn, người ta sử dụng giá trị làm tròn - 300.000.000 m/s.
Quy luật này trong điều kiện bình thường áp dụng cho mọi vật thể, cũng như tia X, sóng hấp dẫn và sóng ánh sáng trong quang phổ mà chúng ta nhìn thấy được. Ngoài ra, các nhà khoa học đã chứng minh rằng các hạt có khối lượng có thể đạt tới tốc độ của chùm ánh sáng. Nhưng họ không thể đạt tới hoặc vượt qua nó.

Ghi chú! Tốc độ tối đa, gần bằng tốc độ ánh sáng, đạt được bằng cách nghiên cứu các tia vũ trụ được gia tốc trong các máy gia tốc đặc biệt.

Điều đáng chú ý là hằng số vật lý này phụ thuộc vào môi trường mà nó được đo, cụ thể là chiết suất. Do đó, chỉ báo thực tế của nó có thể thay đổi tùy theo tần số.

Cách tính giá trị của hằng số cơ bản

Ngày nay, có nhiều phương pháp khác nhau để xác định CPC. Nó có thể:

  • phương pháp thiên văn;
  • phương pháp Fizeau cải tiến. Ở đây bánh răng được thay thế bằng bộ điều biến hiện đại.

Ghi chú! Các nhà khoa học đã chứng minh rằng chỉ số SRS trong không khí và trong chân không gần như giống nhau. Và nó ít hơn nước khoảng 25%.

Để tính lượng truyền tia sáng, hãy sử dụng công thức sau.

Công thức tính vận tốc ánh sáng

Công thức này phù hợp để tính toán trong chân không.

Phần kết luận

Ánh sáng trong thế giới của chúng ta rất quan trọng và thời điểm các nhà khoa học chứng minh được khả năng tồn tại tốc độ siêu ánh sáng có thể thay đổi hoàn toàn thế giới quen thuộc của chúng ta. Khám phá này sẽ có ý nghĩa gì đối với mọi người thậm chí còn khó ước tính. Nhưng chắc chắn đây sẽ là một bước đột phá đáng kinh ngạc!

Cách chọn và lắp đặt cảm biến âm lượng để điều khiển ánh sáng tự động
Bộ nguồn bóng bán dẫn có thể điều chỉnh tự chế: lắp ráp, ứng dụng thực tế

Thực sự, làm thế nào? Cách đo tốc độ cao nhất trong vũ trụ trong điều kiện trần thế khiêm tốn của chúng ta? Chúng ta không cần phải đau đầu về vấn đề này nữa - xét cho cùng, trong nhiều thế kỷ, rất nhiều người đã nghiên cứu về vấn đề này, phát triển các phương pháp đo tốc độ ánh sáng. Hãy bắt đầu câu chuyện theo thứ tự.

Tốc độ ánh sáng- Tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không. Nó được ký hiệu bằng chữ Latinh c. Tốc độ ánh sáng xấp xỉ 300.000.000 m/s.

Lúc đầu, không ai nghĩ đến vấn đề đo tốc độ ánh sáng. Có ánh sáng - thật tuyệt. Sau đó, vào thời cổ đại, quan điểm phổ biến của các nhà triết học khoa học là tốc độ ánh sáng là vô hạn, tức là tức thời. Sau đó nó đã xảy ra Tuổi trung niên với Tòa án dị giáo, khi câu hỏi chính của những người có tư duy và tiến bộ là “Làm thế nào để tránh bị sa thải?” Và chỉ trong thời đại Phục hưng Và Giác ngộÝ kiến ​​​​của các nhà khoa học tăng lên gấp bội và tất nhiên là bị chia rẽ.


Vì thế, Descartes, Kepler Và Nông trại có cùng quan điểm với các nhà khoa học thời cổ đại. Nhưng ông tin rằng tốc độ ánh sáng là hữu hạn, mặc dù rất cao. Trên thực tế, ông đã thực hiện phép đo đầu tiên về tốc độ ánh sáng. Chính xác hơn, ông đã thực hiện nỗ lực đầu tiên để đo lường nó.

Thí nghiệm của Galileo

Kinh nghiệm Galileo Galilei thật tuyệt vời trong sự đơn giản của nó. Nhà khoa học đã tiến hành một thí nghiệm để đo tốc độ ánh sáng, được trang bị những phương tiện ngẫu hứng đơn giản. Ở một khoảng cách xa và nổi tiếng, trên những ngọn đồi khác nhau, Galileo và trợ lý của ông đứng với những chiếc đèn lồng đang thắp sáng. Một người trong số họ mở cửa chớp của chiếc đèn lồng, và người thứ hai cũng phải làm như vậy khi nhìn thấy ánh sáng của chiếc đèn lồng đầu tiên. Biết được khoảng cách và thời gian (độ trễ trước khi người trợ lý mở đèn lồng), Galileo dự kiến ​​sẽ tính được tốc độ ánh sáng. Thật không may, để thí nghiệm này thành công, Galileo và trợ lý của ông đã phải chọn những ngọn đồi cách nhau vài triệu km. Tôi muốn nhắc bạn rằng bạn có thể làm được bằng cách điền đơn đăng ký trên trang web.


Thí nghiệm của Roemer và Bradley

Thí nghiệm đầu tiên thành công và chính xác đến bất ngờ trong việc xác định tốc độ ánh sáng là của một nhà thiên văn học người Đan Mạch. Olaf Roemer. Roemer đã sử dụng phương pháp thiên văn để đo tốc độ ánh sáng. Năm 1676, ông quan sát vệ tinh Io của Sao Mộc qua kính viễn vọng và phát hiện ra rằng thời gian nhật thực của vệ tinh thay đổi khi Trái đất di chuyển ra xa Sao Mộc. Thời gian trễ tối đa là 22 phút. Tính toán rằng Trái đất đang di chuyển ra xa Sao Mộc một khoảng bằng đường kính quỹ đạo Trái đất, Römer chia giá trị gần đúng của đường kính cho thời gian trễ và nhận được giá trị là 214.000 km mỗi giây. Tất nhiên, cách tính toán như vậy rất thô, khoảng cách giữa các hành tinh chỉ được biết gần đúng, nhưng kết quả hóa ra lại tương đối gần với sự thật.


Kinh nghiệm của Bradley. Năm 1728 James Bradleyước tính tốc độ ánh sáng bằng cách quan sát quang sai của các ngôi sao. sự cắt giảm là sự thay đổi vị trí biểu kiến ​​của một ngôi sao do chuyển động của trái đất trong quỹ đạo của nó. Biết được tốc độ của Trái đất và đo được góc quang sai, Bradley thu được giá trị 301.000 km/giây.

kinh nghiệm của Fizeau

Thế giới khoa học thời đó phản ứng với sự ngờ vực về kết quả thí nghiệm của Roemer và Bradley. Tuy nhiên, kết quả của Bradley là chính xác nhất trong hơn một trăm năm, cho đến tận năm 1849. Năm đó, một nhà khoa học người Pháp Armand Fizeauđã đo tốc độ ánh sáng bằng phương pháp màn trập quay, không quan sát các thiên thể mà ở đây trên Trái đất. Trên thực tế, đây là phương pháp thí nghiệm đầu tiên để đo tốc độ ánh sáng kể từ Galileo. Dưới đây là sơ đồ thiết lập phòng thí nghiệm của nó.


Ánh sáng phản chiếu từ gương, đi qua răng của bánh xe và được phản xạ từ một gương khác, cách đó 8,6 km. Tốc độ của bánh xe được tăng lên cho đến khi ánh sáng xuất hiện ở khoảng trống tiếp theo. Tính toán của Fizeau cho kết quả là 313.000 km/giây. Một năm sau, một thí nghiệm tương tự với gương quay được thực hiện bởi Leon Foucault, người thu được kết quả là 298.000 km mỗi giây.

Với sự ra đời của maser và laser, con người có những cơ hội và phương pháp mới để đo tốc độ ánh sáng, đồng thời sự phát triển của lý thuyết cũng giúp người ta có thể tính tốc độ ánh sáng một cách gián tiếp mà không cần thực hiện các phép đo trực tiếp.


Giá trị chính xác nhất của tốc độ ánh sáng

Nhân loại đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm trong việc đo tốc độ ánh sáng. Ngày nay, giá trị chính xác nhất cho tốc độ ánh sáng được coi là 299.792.458 mét mỗi giây, nhận được vào năm 1983. Điều thú vị là việc đo tốc độ ánh sáng chính xác hơn nữa hóa ra lại không thể thực hiện được do sai sót trong phép đo. mét. Hiện nay, giá trị của mét gắn liền với tốc độ ánh sáng và bằng khoảng cách ánh sáng truyền đi trong 1/299.792.458 giây.

Cuối cùng, như mọi khi, chúng tôi khuyên bạn nên xem một video giáo dục. Các bạn ơi, ngay cả khi bạn phải đối mặt với một nhiệm vụ như đo tốc độ ánh sáng một cách độc lập bằng các phương tiện ngẫu hứng, bạn có thể nhờ các tác giả của chúng tôi giúp đỡ một cách an toàn. Bạn có thể điền đơn đăng ký trên trang web Sinh viên Tương tác. Chúng tôi chúc bạn một nghiên cứu thú vị và dễ dàng!

Mùa xuân năm ngoái, các tạp chí khoa học và khoa học phổ biến trên khắp thế giới đã đưa tin giật gân. Các nhà vật lý người Mỹ đã tiến hành một thí nghiệm độc đáo: họ đã giảm được tốc độ ánh sáng xuống còn 17 mét mỗi giây.

Mọi người đều biết rằng ánh sáng truyền đi với tốc độ rất lớn - gần 300 nghìn km mỗi giây. Giá trị chính xác của giá trị của nó trong chân không = 299792458 m/s là hằng số vật lý cơ bản. Theo thuyết tương đối, đây là tốc độ truyền tín hiệu tối đa có thể.

Trong mọi môi trường trong suốt, ánh sáng truyền đi chậm hơn. Tốc độ v của nó phụ thuộc vào chiết suất của môi trường n: v = c/n. Chiết suất của không khí là 1,0003, của nước - 1,33, của các loại thủy tinh khác nhau - từ 1,5 đến 1,8. Kim cương có một trong những giá trị chiết suất cao nhất - 2,42. Như vậy, tốc độ ánh sáng trong các chất thông thường sẽ giảm không quá 2,5 lần.

Đầu năm 1999, một nhóm các nhà vật lý thuộc Viện nghiên cứu khoa học Rowland thuộc Đại học Harvard (Massachusetts, Mỹ) và Đại học Stanford (California) đã nghiên cứu hiệu ứng lượng tử vĩ mô - cái gọi là độ trong suốt tự cảm ứng, truyền xung laser qua một môi trường. thường mờ đục. Môi trường này là các nguyên tử natri ở trạng thái đặc biệt gọi là ngưng tụ Bose-Einstein. Khi được chiếu xạ bằng xung laser, nó thu được các đặc tính quang học giúp giảm vận tốc nhóm của xung xuống 20 triệu lần so với tốc độ trong chân không. Các nhà thí nghiệm đã cố gắng tăng tốc độ ánh sáng lên 17 m/s!

Trước khi mô tả bản chất của thí nghiệm độc đáo này, chúng ta hãy nhớ lại ý nghĩa của một số khái niệm vật lý.

Tốc độ nhóm Khi ánh sáng truyền qua môi trường, có hai vận tốc được phân biệt: pha và nhóm. Vận tốc pha vf đặc trưng cho chuyển động pha của sóng đơn sắc lý tưởng - sóng hình sin vô hạn có cùng tần số và xác định hướng truyền ánh sáng. Vận tốc pha trong môi trường tương ứng với chiết suất pha - cùng giá trị được đo đối với các chất khác nhau. Chiết suất pha và do đó vận tốc pha phụ thuộc vào bước sóng. Sự phụ thuộc này được gọi là sự phân tán; đặc biệt, nó dẫn đến sự phân hủy ánh sáng trắng truyền qua lăng kính thành quang phổ.

Nhưng sóng ánh sáng thực bao gồm một tập hợp các sóng có tần số khác nhau, được nhóm lại trong một khoảng phổ nhất định. Tập hợp như vậy được gọi là nhóm sóng, gói sóng hoặc xung ánh sáng. Những sóng này lan truyền trong môi trường với vận tốc pha khác nhau do bị tán sắc. Trong trường hợp này, xung bị kéo căng và hình dạng của nó thay đổi. Do đó, để mô tả chuyển động của một xung lực, của một nhóm sóng nói chung, khái niệm vận tốc nhóm được đưa ra. Nó chỉ có ý nghĩa trong trường hợp phổ hẹp và trong môi trường có độ phân tán yếu, khi sự chênh lệch vận tốc pha của các thành phần riêng lẻ là nhỏ. Để hiểu rõ hơn về tình huống này, chúng ta có thể đưa ra một sự tương tự rõ ràng.

Hãy tưởng tượng rằng có bảy vận động viên xếp hàng ở vạch xuất phát, mặc áo có màu khác nhau theo các màu của quang phổ: đỏ, cam, vàng, v.v. Khi có hiệu lệnh của súng lục xuất phát, họ đồng loạt bắt đầu chạy, nhưng “đỏ”. Vận động viên chạy nhanh hơn vận động viên “cam”, “cam” nhanh hơn “vàng”, v.v., đến mức chúng kéo dài thành một chuỗi, chiều dài của chuỗi này không ngừng tăng lên. Bây giờ hãy tưởng tượng rằng chúng ta đang nhìn họ từ trên cao từ độ cao đến mức chúng ta không thể phân biệt từng người chạy mà chỉ nhìn thấy một đốm loang lổ. Có thể nói về tốc độ di chuyển của điểm này nói chung không? Có thể, nhưng chỉ khi nó không mờ lắm, khi sự khác biệt về tốc độ của các vận động viên có màu sắc khác nhau là nhỏ. Nếu không, vị trí đó có thể trải dài dọc theo toàn bộ chiều dài của tuyến đường và câu hỏi về tốc độ của nó sẽ mất đi ý nghĩa. Điều này tương ứng với sự phân tán mạnh - tốc độ lan truyền lớn. Nếu các vận động viên mặc áo thi đấu gần như giống nhau về màu sắc, chỉ khác nhau về sắc thái (chẳng hạn từ đỏ đậm đến đỏ nhạt), thì điều này sẽ phù hợp với trường hợp quang phổ hẹp. Khi đó tốc độ của các vận động viên sẽ không khác nhau nhiều, nhóm sẽ vẫn khá nhỏ gọn khi di chuyển và có thể được đặc trưng bởi một giá trị tốc độ rất xác định, gọi là tốc độ nhóm.

Thống kê Bose-Einstein. Đây là một trong những loại được gọi là thống kê lượng tử - một lý thuyết mô tả trạng thái của các hệ chứa một số lượng rất lớn các hạt tuân theo các định luật của cơ học lượng tử.

Tất cả các hạt - cả những hạt chứa trong nguyên tử và những hạt tự do - được chia thành hai loại. Đối với một trong số chúng, nguyên lý loại trừ Pauli là đúng, theo đó không thể có nhiều hơn một hạt ở mỗi mức năng lượng. Các hạt thuộc lớp này được gọi là fermion (đó là các electron, proton và neutron; cùng loại bao gồm các hạt bao gồm một số lẻ fermion) và định luật phân bố của chúng được gọi là thống kê Fermi-Dirac. Các hạt thuộc lớp khác được gọi là boson và không tuân theo nguyên lý Pauli: vô số boson có thể tích lũy ở một mức năng lượng. Trong trường hợp này chúng ta nói về số liệu thống kê Bose-Einstein. Boson bao gồm các photon, một số hạt cơ bản có thời gian tồn tại ngắn (ví dụ, meson pi), cũng như các nguyên tử gồm một số fermion chẵn. Ở nhiệt độ rất thấp, các boson tụ tập ở mức năng lượng cơ bản thấp nhất của chúng; thì người ta nói rằng xảy ra hiện tượng ngưng tụ Bose-Einstein. Các nguyên tử ngưng tụ mất đi các đặc tính riêng của chúng và hàng triệu nguyên tử trong số chúng bắt đầu hoạt động như một, các hàm sóng của chúng hợp nhất và hành vi của chúng được mô tả bằng một phương trình duy nhất. Điều này cho phép nói rằng các nguyên tử của chất ngưng tụ đã trở nên kết hợp, giống như các photon trong bức xạ laser. Các nhà nghiên cứu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ đã sử dụng đặc tính này của ngưng tụ Bose-Einstein để tạo ra “laser nguyên tử” (xem Khoa học và Đời sống số 10, 1997).

Tự minh bạch. Đây là một trong những tác dụng của quang học phi tuyến - quang học của trường ánh sáng mạnh. Nó bao gồm thực tế là một xung ánh sáng rất ngắn và mạnh truyền qua mà không bị suy giảm qua một môi trường hấp thụ bức xạ liên tục hoặc các xung dài: môi trường mờ đục trở nên trong suốt đối với nó. Độ trong suốt tự tạo ra được quan sát thấy trong các khí hiếm có thời gian phát xung khoảng 10-7 - 10-8 giây và trong môi trường ngưng tụ - dưới 10-11 giây. Trong trường hợp này, xung bị trễ - vận tốc nhóm của nó giảm đi rất nhiều. Hiệu ứng này lần đầu tiên được McCall và Khan chứng minh vào năm 1967 trên ruby ​​​​ở nhiệt độ 4 K. Năm 1970, độ trễ tương ứng với vận tốc xung nhỏ hơn ba bậc độ lớn (1000 lần) so với tốc độ ánh sáng trong chân không trong rubidium hơi nước.

Bây giờ chúng ta hãy quay lại thí nghiệm độc đáo năm 1999. Nó được thực hiện bởi Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Viện Rowland) và Steve Harris (Đại học Stanford). Họ làm lạnh một đám mây nguyên tử natri dày đặc, có từ tính cho đến khi chúng trở lại trạng thái cơ bản, mức năng lượng thấp nhất. Trong trường hợp này, chỉ những nguyên tử bị cô lập có mômen lưỡng cực từ hướng ngược với hướng của từ trường. Sau đó, các nhà nghiên cứu làm lạnh đám mây xuống dưới 435 nK (nanokelvin, hay 0,000000435 K, gần như bằng không tuyệt đối).

Sau đó, chất ngưng tụ được chiếu sáng bằng một “chùm tia ghép” ánh sáng laser phân cực tuyến tính có tần số tương ứng với năng lượng kích thích yếu của nó. Các nguyên tử chuyển sang mức năng lượng cao hơn và ngừng hấp thụ ánh sáng. Kết quả là chất ngưng tụ trở nên trong suốt đối với bức xạ laser tiếp theo. Và ở đây những hiệu ứng rất lạ và bất thường đã xuất hiện. Các phép đo cho thấy, trong những điều kiện nhất định, một xung truyền qua ngưng tụ Bose-Einstein có độ trễ tương ứng với sự chậm lại của ánh sáng hơn bảy bậc độ lớn - hệ số 20 triệu. Tốc độ của xung ánh sáng giảm xuống còn 17 m/s và chiều dài của nó giảm đi nhiều lần - xuống còn 43 micromet.

Các nhà nghiên cứu tin rằng bằng cách tránh làm nóng chất ngưng tụ bằng tia laser, họ sẽ có thể làm chậm ánh sáng hơn nữa – có lẽ đến tốc độ vài centimet mỗi giây.

Một hệ thống có những đặc điểm khác thường như vậy sẽ giúp nghiên cứu các đặc tính quang học lượng tử của vật chất, cũng như tạo ra nhiều thiết bị khác nhau cho máy tính lượng tử trong tương lai, chẳng hạn như các công tắc photon đơn.