Чему равна скорость света в веществе. Какой скорости достигает свет в вакууме

Скорость света в различных средах различается значительно. Сложность состоит в том, что человеческий глаз не видит его во всем спектральном диапазоне. Природа происхождения световых лучей интересовала ученых еще в древности. Первые попытки расчета скорости света были предприняты еще за 300 лет до н.э. В тот период ученые определили, что волна распространяется по прямой линии.

Быстрый ответ

Им удалось описать математическими формулами свойства и света и траекторию его движения. стала известной через 2 тысячи лет после проведения первых исследований.

Что такое световой поток?

Световой луч представляет собой электромагнитную волну в сочетании с фотонами. Под фотонами понимают простейшие элементы, которые также называют квантами электромагнитного излучения. Световой поток во всех спектрах невидим. Он не перемещается в пространстве в традиционном понимании этого слова. Для описания состояния электромагнитной волны с квантовыми частицами введено понятие показателя преломления оптической среды.

Световой поток переносится в пространстве в виде луча с малым поперечным сечением. Способ движения в пространстве выведен геометрическими методами. Это прямолинейный пучок, который на границе с различными средами начинает преломляться, формируя криволинейную траекторию. Ученые доказали, что максимальная скорость создается в вакууме, в других средах скорость движения может различаться в разы. Учеными разработана система, световой луч и выведенная величина в которой является основной для выведения и отсчета некоторых единиц СИ.

Немного исторических фактов

Примерно около 900 лет назад Авиценой было выдвинуто предположение, что независимо от номинала величины скорость света имеет конечное значение. Галилео Галилей пытался опытным путем вычислить скорость светового потока. С помощью двух фонариков экспериментаторы пытались засечь время, за которое световой пучок от одного объекта будет виден другому. Но такой эксперимент выявился неудачным. Скорость оказалась столь высока, что им не удалось засечь время задержки.

Галилео Галилей обратил внимание на то, что у Юпитера промежуток между затмениями четырех его спутников составил 1320 секунд. На основе этих открытий в 1676 году астроном из Дании Оле Ремер рассчитал скорость распространения светового пучка, как значение 222 тысячи км/сек. На тот период данное измерение было наиболее точным, но его не могли проверить земными мерками.

Через 200 лет Луизи Физо смог вычислить скорость движения светового луча опытным путем. Он создал специальную установку с зеркалом и зубчатым механизмом, который вращался на огромной скорости. Световой поток отражался от зеркала и через 8 км возвращался назад. При увеличении скорости колеса возникал тот момент, когда зубчатый механизм перекрывал луч. Таким образом, скорость луча была установлена, как 312 тысяч километров в секунду.

Фуко усовершенствовал это оборудование, уменьшив параметры за счет замены зубчатого механизма плоским зеркалом. У него точность измерений получилась наиболее приближенной к современному эталону и составила 288 тысяч метров в секунду. Фуко предпринял попытки рассчитать скорость света в инородной среде, взяв за основу воду. Физику удалось сделать вывод, что данная величина не постоянная и зависит от особенностей преломления в данной среде.

Вакуум представляет собой пространство, свободное от вещества. Скорость света в вакууме в системе Си обозначена латинской буквой C. Она является недостижимой. Ни один предмет нельзя разогнать до такого значения. Физики только предполагают, что может произойти с объектами, если они разгонятся до такой степени. Скорость распространения светового луча обладает постоянными характеристиками, она:

• постоянная и конечная;
• недостижимая и неизменная.

Знание этой константы позволяет вычислить, с какой максимальной скоростью объекты могут перемещаться в космосе. Величина распространения луча света признана фундаментальной постоянной. Она используется для характеристик пространства времени. Это предельно допустимое значение для движущихся частиц. Какая скорость света в вакууме? Современную величину получили посредством лабораторных измерений и математических подсчетов. Она равна 299.792.458 метров в секунду с точностью до ± 1,2 м/с . Во многих дисциплинах, в том числе в школьных, при решении задач используются приближенных вычисления. Берется показатель, равный 3 108 м/с.

Световые волны видимого человеку спектра и рентгеновские волны возможно разогнать до показаний, приближающихся до скорости распространения света. Они не могут сравняться с этой константой, а также превысить ее значение. Константа выведена на основе отслеживания поведения космических лучей в момент разгона их в специальных ускорителях. Она зависит от той инерциальной среды, в которой происходит распространение луча. В воде прохождение света ниже на 25%, а воздухе будет зависеть от температуры и давления на момент вычислений.

Все расчеты проведены с использованием теории относительности и закону причинности, выведенному Энштейном. Физик считает, что если объекты достигнут скорости 1 079 252 848,8 километров/час и превысят ее, то произойдут необратимые изменения в строении нашего мира, система поломается. Время начнет отсчитываться в обратном порядке, нарушая порядок событий.

На основе скорости светового луча выведено определение метра. Под ним понимают участок, который успевает пройти световой луч за 1/299792458 секунды. Не следует смешивать данное понятие с эталоном. Эталон метра - это специальное техническое устройство на кадмиевой основе со штриховкой, позволяющее видеть данное расстояние физически.

Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.

Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью - почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с - фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.

В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха - 1,0003, воды - 1,33, различных сортов стекла - от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз - 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект - так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!

Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.

Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости - фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны - бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления - тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.

Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.

Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но "красный" спортсмен бежит быстрее, чем "оранжевый", "оранжевый" - быстрее, чем "желтый", и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии - большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.

Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики - теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Все частицы - как заключенные в атоме, так и свободные - делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком - основном - энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания "атомного лазера" (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.).

Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики - оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10-7 - 10-8 с и в конденсированных средах - менее 10-11 c. При этом возникает запаздывание импульса - его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.

Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние - на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).

После этого конденсат осветили "связующим пучком" линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков - в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз - до 43 микрометров.

Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет - возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.

Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.

Человека всегда интересовала природа света, о чем свидетельствуют мифы, легенды, дошедшие до нас философские споры и научные наблюдения. Свет всегда был поводом для дискуссий древних философов, а попытки его изучения предпринимались еще во времена возникновения эвклидовой геометрии - за 300 лет до н.э. Уже тогда было известно о прямолинейности распространения света, равенстве углов падения и отражения, явлении преломления света, обсуждались причины возникновения радуги. Аристотель считал, что скорость света бесконечно велика, а значит, логически рассуждая, и света не подлежит обсуждению. Типичный случай, когда проблема своей глубиной опережает эпоху понимания ответа.

Каких-то 900 лет назад Авиценна предположил, что какой бы большой ни была скорость света она, все-таки, имеет конечную величину. Такого мнения был не только он, но никому не удавалось доказать это экспериментально. Гениальный Галилео Галилей предложил эксперимент механистического понимания проблемы: два человека, стоящие на расстоянии нескольких километров друг от друга, подают сигналы, открывая заслонку фонаря. Как только второй участник увидит свет от первого фонаря, он открывает свою заслонку и первый участник фиксирует время получения ответного светового сигнала. Затем расстояние увеличивается и все повторяется. Ожидалось зафиксировать увеличение задержки и на этой основе выполнить расчет скорости света. Эксперимент закончился ничем, потому как «все было не внезапно, но чрезвычайно быстро».

Первым измерил скорость света в вакууме в 1676 году астроном Оле Ремер - он воспользовался открытием Галилея: тот обнаружил в 1609 году четыре у которых в течение полугода разница времени между двумя затмениями спутника составляла 1320 секунд. Пользуясь астрономическими сведениями своего времени Ремер получил значение скорости света равным 222000 км в секунду. Потрясающим оказалось то, что сам метод измерения невероятно точен - применение ныне известных данных диаметра Юпитера и времени запаздывания затемнения спутника дает скорость света в вакууме, на уровне современных значений, полученных другими способами.

Поначалу к опытам Ремера была только одна претензия - необходимо было провести измерения земными средствами. Прошло почти 200 лет, и Луи Физо построил остроумную установку, в которой луч света отражался от зеркала на расстоянии более 8 км и приходил обратно. Тонкость была в том, что он проходил по дороге туда-обратно через впадины зубчатого колеса, и если скорость вращения колеса увеличивать, то настанет момент, когда свет перестанет быть виден. Остальное - дело техники. Результат измерения - 312000 км в секунду. Мы сейчас видим, что Физо был еще ближе к истине.

Следующий шаг в измерении скорости света сделал Фуко, который заменил зубчатое колесо Это позволило уменьшить габариты установки и увеличить точность измерения до 288000 км в секунду. Не меньшей важности был и проделанный Фуко эксперимент, в котором он определил скорость света в среде. Для этого между зеркалами установки была помещена труба с водой. В этом опыте было установлено уменьшение скорости света при его распространении в среде в зависимости от коэффициента преломления.

Во второй половине 19-го века наступило время Майкельсона, который посвятил 40 лет своей жизни измерениям в области света. Венцом его работы стала установка, на которой он измерил скорость света в вакууме используя вакуумированную металлическую трубу длиной более полутора километров. Другим фундаментальным достижением Майкельсона было доказательство того факта, что для любой длины волны скорость света в вакууме одинаковая и в качестве современного эталона составляет 299792458+/- 1.2 м/c. Такие измерения проводились на основании уточненных значений эталонного метра, определение которого утверждено с 1983 г. в качестве международного стандарта.

Мудрый Аристотель был неправ, но чтобы это доказать понадобилось почти 2000 лет.

Хотя в обыденной жизни редко кому приходится непосредственно рассчитывать, чему равна скорость света, интерес к данному вопросу проявляется еще в детстве. Удивительно, но все мы ежедневно сталкиваемся с признаком константы скорости распространения электромагнитных волн. Скорость света - это фундаментальная величина, благодаря которой вся Вселенная существует именно в том виде, какой мы ее знаем.

Наверняка, каждый, наблюдая в детстве за вспышкой молнии и последующим за ней раскатом грома, пытался понять, чем вызвана задержка между первым и вторым явлением. Несложные мысленные рассуждения быстро приводили к закономерному выводу: скорость света и звука различна. Это первое знакомство с двумя важными физическими величинами. Впоследствии кто-то получал необходимые знания и мог легко объяснить происходящее. Что же является причиной странного поведения грома? Ответ заключается в том, что скорость света, составляющая около 300 тыс. км/с, почти в миллион раз превышает скорость распространения в воздухе (330 м/с). Поэтому человек сначала видит от молнии и лишь через время слышит грохот грома. Например, если от эпицентра до наблюдателя 1 км, то свет преодолеет это расстояние за 3 микросекунды, а вот звуку понадобится целых 3 с. Зная скорость света и время задержки между вспышкой и громом, можно вычислить расстояние.

Попытки измерить ее предпринимались давно. Сейчас довольно забавно читать о проводимых экспериментах, однако, в те далекие времена, до появления точных приборов, все было более чем серьезно. При попытках узнать, какова скорость света, был проведен один интересный опыт. С одного конца вагона быстро перемещающегося поезда находился человек с точным хронометром, а с противоположной стороны его помощник по команде открывал заслонку лампы. Согласно задумке, хронометр должен был позволить определить скорость распространения фотонов света. Причем благодаря смене позиций лампы и хронометра (при сохраняющемся направлении движения поезда), удалось бы узнать, постоянна ли скорость света, или ее можно увеличить/уменьшить (в зависимости от направления луча, теоретически, быстрота движения поезда могла бы влиять на измеряемую в эксперименте скорость). Конечно, опыт не удался, так как скорость света и регистрация хронометром несопоставима.

Впервые максимально точное измерение было выполнено в 1676 году благодаря наблюдениям за Олаф Ремер обратил внимание, что реальное появление Ио и расчетные данные различались на 22 минуты. Когда планеты сближались, задержка уменьшалась. Зная расстояние, удалось вычислить скорость света. Она составила около 215 тыс. км/с. Затем, в 1926 году, Д. Бредли, изучая изменение видимых положений звезд (аберрацию), обратил внимание на закономерность. Точка размещения звезды менялась в зависимости от времени года. Следовательно, влияние оказывало положение планеты относительно Солнца. Можно привести аналогию - капли дождя. Без ветра они летят вертикально вниз, но стоит побежать - и их видимая траектория изменяется. Зная скорость вращения планеты вокруг Солнца, удалось вычислить скорость света. Она составила 301 тыс. км/с.

В 1849 году А. Физо провел следующий опыт: между источником света и зеркалом, удаленным на 8 км, находилось вращающееся Скорость его вращения увеличивали до тех пор, пока в следующем зазоре поток отраженного света не превращался в постоянный (немерцающий). Расчеты дали 315 тыс. км/с. Через три года Л. Фуко вращающимся зеркалом и получил 298 тыс. км/с.

Последующие опыты становились все точнее, учитывая преломление в воздухе и пр. В настоящее время актуальными считаются данные, полученные с помощью цезиевых часов и лазерного луча. Согласно им, равна 299 тыс. км/с.

Свет – одно из ключевых понятий оптической физики. Свет представляет собой электромагнитное излучение, доступное человеческому глазу.

Долгие десятилетия лучшие умы бились над проблемой определения, с какой скоростью движется свет и чему она равна, а также всех сопутствующих ему расчетов. В 1676 в кругу физиков произошла революция. Датский астроном, по имени Оле Ремер, опроверг утверждение, что свет распространяется по вселенной с неограниченной скоростью.

В 1676 году Оле Ремер определил, что скорость света в вакууме составляет 299792458 м/с .

Для удобства эту цифру принялись округлять. Номиналом, равным 300000 м/c, пользуются до сих пор.

Данное правило в обычных для нас условиях касается всех объектов без исключения, в том числе рентгеновских лучей, световых и гравитационных волн осязаемого для наших глаз спектра.

Современные физики, изучающие оптику, доказали, что значение скорости света имеет несколько характеристик:

• постоянство;
• недостижимость;
• конечность.

Скорость света в разных средах

Следует помнить, что физическая константа напрямую зависит от окружающей её среды, в особенности от показателя преломления. В связи с этим точная величина способна меняться, ведь она обусловлена частотами.

Формула вычисления скорости света записывается как с = 3 * 10^8 м/с .