Ποιος καθόρισε πρώτος την ταχύτητα του φωτός; Πότε μετρήθηκε για πρώτη φορά η ταχύτητα του φωτός; Πώς μετριέται η ταχύτητα του φωτός στη φυσική;

Παρά το γεγονός ότι στη συνηθισμένη ζωή δεν χρειάζεται να υπολογίσουμε την ταχύτητα του φωτός, πολλοί ενδιαφέρονται για αυτή την ποσότητα από την παιδική ηλικία.

Παρακολουθώντας κεραυνούς κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, κάθε παιδί πιθανότατα προσπάθησε να καταλάβει τι προκάλεσε την καθυστέρηση μεταξύ του φλας και των κεραυνών. Προφανώς, το φως και ο ήχος έχουν διαφορετικές ταχύτητες. Γιατί συμβαίνει αυτό? Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός και πώς μπορεί να μετρηθεί;

Στην επιστήμη, η ταχύτητα του φωτός είναι η ταχύτητα με την οποία οι ακτίνες κινούνται στον αέρα ή στο κενό. Το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που γίνεται αντιληπτή από το ανθρώπινο μάτι. Είναι σε θέση να κινείται σε οποιοδήποτε περιβάλλον, κάτι που έχει άμεσο αντίκτυπο στην ταχύτητά του.

Από τα αρχαία χρόνια έγιναν προσπάθειες μέτρησης αυτής της ποσότητας. Οι επιστήμονες της αρχαιότητας πίστευαν ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν άπειρη. Την ίδια άποψη εξέφρασαν οι φυσικοί του 16ου-17ου αιώνα, αν και ακόμη και τότε ορισμένοι ερευνητές, όπως ο Robert Hooke και ο Galileo Galilei, υπέθεταν το πεπερασμένο.

Μια σημαντική ανακάλυψη στη μελέτη της ταχύτητας του φωτός συνέβη χάρη στον Δανό αστρονόμο Olaf Roemer, ο οποίος ήταν ο πρώτος που επέστησε την προσοχή στην καθυστέρηση στην έκλειψη του φεγγαριού του Δία Io σε σύγκριση με τους αρχικούς υπολογισμούς.

Στη συνέχεια, ο επιστήμονας προσδιόρισε την κατά προσέγγιση τιμή ταχύτητας στα 220 χιλιάδες μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Ο Βρετανός αστρονόμος Τζέιμς Μπράντλεϊ μπόρεσε να υπολογίσει αυτή την τιμή με μεγαλύτερη ακρίβεια, αν και έκανε ελαφρώς λάθος στους υπολογισμούς του.


Στη συνέχεια, έγιναν προσπάθειες για τον υπολογισμό της πραγματικής ταχύτητας του φωτός από επιστήμονες από διαφορετικές χώρες. Ωστόσο, μόνο στις αρχές της δεκαετίας του 1970, με την εμφάνιση των λέιζερ και των μέιζερ που είχαν σταθερή συχνότητα ακτινοβολίας, οι ερευνητές μπόρεσαν να κάνουν έναν ακριβή υπολογισμό και το 1983 η σύγχρονη τιμή με συσχέτιση για το σχετικό σφάλμα ελήφθη ως μια βάση.

Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός με τα δικά σας λόγια;

Με απλά λόγια, η ταχύτητα του φωτός είναι ο χρόνος που χρειάζεται μια ηλιαχτίδα για να διανύσει μια συγκεκριμένη απόσταση. Συνηθίζεται να χρησιμοποιείται το δεύτερο ως μονάδα χρόνου και το μέτρο ως μονάδα απόστασης. Από τη σκοπιά της φυσικής, το φως είναι ένα μοναδικό φαινόμενο που έχει σταθερή ταχύτητα σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον.

Ας υποθέσουμε ότι ένα άτομο τρέχει με ταχύτητα 25 km/h και προσπαθεί να προλάβει ένα αυτοκίνητο που ταξιδεύει με ταχύτητα 26 km/h. Αποδεικνύεται ότι το αυτοκίνητο κινείται 1 km/h πιο γρήγορα από τον δρομέα. Με το φως όλα είναι διαφορετικά. Ανεξάρτητα από την ταχύτητα κίνησης του αυτοκινήτου και του ατόμου, η δέσμη θα κινείται πάντα σε σχέση με αυτά με σταθερή ταχύτητα.

Η ταχύτητα του φωτός εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ουσία στην οποία διαδίδονται οι ακτίνες. Στο κενό έχει σταθερή τιμή, αλλά σε ένα διαφανές περιβάλλον μπορεί να έχει διαφορετικούς δείκτες.

Στον αέρα ή στο νερό η τιμή του είναι πάντα μικρότερη από ό,τι στο κενό. Για παράδειγμα, στους ποταμούς και τους ωκεανούς η ταχύτητα του φωτός είναι περίπου τα ¾ της ταχύτητας στο διάστημα και στον αέρα με πίεση 1 ατμόσφαιρας είναι 2% μικρότερη από ό,τι στο κενό.


Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από την απορρόφηση των ακτίνων στο διαφανές χώρο και την επανεκπομπή τους από φορτισμένα σωματίδια. Το φαινόμενο ονομάζεται διάθλαση και χρησιμοποιείται ενεργά στην κατασκευή τηλεσκοπίων, διοπτρών και άλλου οπτικού εξοπλισμού.

Αν λάβουμε υπόψη συγκεκριμένες ουσίες, τότε στο απεσταγμένο νερό η ταχύτητα του φωτός είναι 226 χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, στο οπτικό γυαλί - περίπου 196 χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Ποια είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό;

Στο κενό, η ταχύτητα του φωτός ανά δευτερόλεπτο έχει σταθερή τιμή 299.792.458 μέτρα, δηλαδή λίγο περισσότερο από 299 χιλιάδες χιλιόμετρα. Στη σύγχρονη άποψη, είναι το απόλυτο. Με άλλα λόγια, κανένα σωματίδιο, κανένα ουράνιο σώμα δεν είναι ικανό να φτάσει την ταχύτητα που αναπτύσσει το φως στο διάστημα.

Ακόμα κι αν υποθέσουμε ότι ο Σούπερμαν θα εμφανιστεί και θα πετάξει με μεγάλη ταχύτητα, η δέσμη θα εξακολουθήσει να τρέχει μακριά του με μεγαλύτερη ταχύτητα.

Αν και η ταχύτητα του φωτός είναι η μέγιστη που μπορεί να επιτευχθεί στο χώρο κενού, πιστεύεται ότι υπάρχουν αντικείμενα που κινούνται πιο γρήγορα.

Για παράδειγμα, οι ηλιαχτίδες, οι σκιές ή οι φάσεις ταλάντωσης στα κύματα είναι ικανές για αυτό, αλλά με μια προειδοποίηση - ακόμα κι αν αναπτύξουν υπερταχύτητα, η ενέργεια και οι πληροφορίες θα μεταδοθούν σε κατεύθυνση που δεν συμπίπτει με την κατεύθυνση της κίνησής τους.


Όσο για το διαφανές μέσο, ​​υπάρχουν αντικείμενα στη Γη που είναι αρκετά ικανά να κινούνται ταχύτερα από το φως. Για παράδειγμα, εάν μια δέσμη που διέρχεται από γυαλί επιβραδύνει την ταχύτητά της, τότε τα ηλεκτρόνια δεν περιορίζονται στην ταχύτητα κίνησης, επομένως όταν περνούν μέσα από γυάλινες επιφάνειες μπορούν να κινηθούν ταχύτερα από το φως.

Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Vavilov–Cherenkov και παρατηρείται συχνότερα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ή στα βάθη των ωκεανών.

Η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός από τον Römer είναι απόδειξη, που ανακαλύφθηκε στις 7 Δεκεμβρίου 1676, ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη, δηλαδή ότι το φως δεν ταξιδεύει με άπειρη ταχύτητα, όπως πιστεύαμε προηγουμένως. Ας δούμε πώς προσπάθησαν να μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός πριν και μετά τον Olaf Roemer.

Ταχύτητα φωτός (ντο) δεν μετριέται στο κενό. Έχει μια ακριβή σταθερή τιμή σε τυπικές μονάδες. Με διεθνή συμφωνία το 1983, μέτρο ορίζεται η απόσταση που διανύει το φως στο κενό σε χρόνο 1/299.792.458 δευτερολέπτων. Η ταχύτητα του φωτός είναι ακριβώς 299792458 m/s. Μια ίντσα ορίζεται ως 2,54 εκατοστά. Επομένως, σε μη μετρικές μονάδες, η ταχύτητα του φωτός έχει επίσης ακριβή τιμή. Αυτός ο ορισμός έχει νόημα μόνο επειδή η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή και αυτό το γεγονός πρέπει να επιβεβαιωθεί πειραματικά. Είναι επίσης απαραίτητο να προσδιοριστεί πειραματικά η ταχύτητα του φωτός σε μέσα όπως το νερό και ο αέρας.

Μέχρι τον δέκατο έβδομο αιώνα, πίστευαν ότι το φως ταξιδεύει αμέσως. Αυτό επιβεβαιώθηκε από τις παρατηρήσεις μιας σεληνιακής έκλειψης. Στην πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός θα πρέπει να υπάρχει μια καθυστέρηση μεταξύ της θέσης της Γης σε σχέση με τη Σελήνη και της θέσης της σκιάς της Γης στην επιφάνεια της Σελήνης, αλλά δεν έχει βρεθεί τέτοια καθυστέρηση. Τώρα γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ γρήγορη για να παρατηρήσουμε την καθυστέρηση.

Η ταχύτητα του φωτός εικάζεται και συζητείται από την αρχαιότητα, αλλά μόνο τρεις επιστήμονες (όλοι Γάλλοι) κατάφεραν να τη μετρήσουν χρησιμοποιώντας γήινα μέσα. Αυτό ήταν ένα πολύ παλιό και πολύ περίπλοκο πρόβλημα.

Ωστόσο, κατά τους προηγούμενους αιώνες, οι φιλόσοφοι και οι επιστήμονες έχουν συσσωρεύσει ένα αρκετά εκτεταμένο απόθεμα πληροφοριών σχετικά με τις ιδιότητες του φωτός. 300 χρόνια π.Χ., την εποχή που ο Ευκλείδης δημιούργησε τη γεωμετρία του, οι Έλληνες μαθηματικοί γνώριζαν ήδη πολλά για το φως. Ήταν γνωστό ότι το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή και ότι όταν ανακλάται από έναν επίπεδο καθρέφτη, η γωνία πρόσπτωσης της δέσμης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης. Οι αρχαίοι επιστήμονες γνώριζαν καλά το φαινόμενο της διάθλασης του φωτός. Βρίσκεται στο γεγονός ότι το φως, που περνά από ένα μέσο, ​​για παράδειγμα αέρα, σε ένα μέσο διαφορετικής πυκνότητας, για παράδειγμα το νερό, διαθλάται.

Ο Κλαύδιος Πτολεμαίος, αστρονόμος και μαθηματικός από την Αλεξάνδρεια, συνέταξε πίνακες με μετρούμενες γωνίες πρόσπτωσης και διάθλασης, αλλά ο νόμος της διάθλασης του φωτός ανακαλύφθηκε μόλις το 1621 από τον Ολλανδό μαθηματικό από το Leiden Willebrord Snellius, ο οποίος ανακάλυψε ότι η αναλογία των ημιτόνων του η γωνία πρόσπτωσης και η γωνία διάθλασης είναι σταθερές για οποιαδήποτε δύο μέσα διαφορετικών πυκνοτήτων.

Πολλοί αρχαίοι φιλόσοφοι, συμπεριλαμβανομένου του μεγάλου Αριστοτέλη και του Ρωμαίου πολιτικού Lucius Seneca, σκέφτηκαν τους λόγους για την εμφάνιση του ουράνιου τόξου. Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι τα χρώματα εμφανίζονται ως αποτέλεσμα της ανάκλασης του φωτός από σταγονίδια νερού. Ο Σενέκας είχε επίσης περίπου την ίδια άποψη, πιστεύοντας ότι τα σύννεφα, που αποτελούνται από σωματίδια υγρασίας, είναι ένα είδος καθρέφτη. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, ο άνθρωπος σε όλη την ιστορία του έχει δείξει ενδιαφέρον για τη φύση του φωτός, όπως αποδεικνύεται από τους μύθους, τους θρύλους, τις φιλοσοφικές διαμάχες και τις επιστημονικές παρατηρήσεις που έχουν φτάσει σε εμάς.

Όπως οι περισσότεροι αρχαίοι επιστήμονες (εκτός από τον Εμπεδοκλή), ο Αριστοτέλης πίστευε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι άπειρη. Θα ήταν περίεργο αν σκεφτόταν διαφορετικά. Άλλωστε, μια τέτοια τεράστια ταχύτητα δεν μπορούσε να μετρηθεί με καμία από τις τότε υπάρχουσες μεθόδους ή όργανα. Αλλά ακόμη και σε μεταγενέστερους χρόνους, οι επιστήμονες συνέχισαν να σκέφτονται και να διαφωνούν για αυτό. Πριν από περίπου 900 χρόνια, ο Άραβας επιστήμονας Avicenna εξέφρασε την υπόθεση ότι, αν και η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ υψηλή, πρέπει να είναι μια πεπερασμένη τιμή. Αυτή ήταν επίσης η γνώμη ενός από τους συγχρόνους του, του Άραβα φυσικού Alhazen, ο οποίος εξήγησε πρώτος τη φύση του λυκόφωτος. Ούτε ο ένας ούτε ο άλλος, φυσικά, είχαν την ευκαιρία να επιβεβαιώσουν πειραματικά τη γνώμη τους.

Το πείραμα του Γαλιλαίου

Τέτοιες διαμάχες θα μπορούσαν να συνεχιστούν επ' αόριστον. Για να λυθεί το πρόβλημα, χρειαζόταν ξεκάθαρη, αδιαμφισβήτητη εμπειρία. Ο πρώτος που ξεκίνησε αυτό το μονοπάτι ήταν ο Ιταλός Galileo Galilei, ο οποίος ήταν εντυπωσιακός στην ευελιξία της ιδιοφυΐας του. Πρότεινε δύο άτομα που στέκονται σε κορυφές λόφων σε απόσταση αρκετών χιλιομέτρων μεταξύ τους να στέλνουν σήματα χρησιμοποιώντας φανάρια εξοπλισμένα με παντζούρια. Εξέφρασε αυτήν την ιδέα, που εφαρμόστηκε αργότερα από επιστήμονες της Ακαδημίας της Φλωρεντίας, στο έργο του «Συνομιλίες και μαθηματικές αποδείξεις σχετικά με δύο νέους κλάδους της επιστήμης, που σχετίζονται με τη μηχανική και την τοπική κίνηση» (δημοσιεύτηκε στο Leiden το 1638).

Ο Galileo έχει τρεις συνομιλητές που συζητούν. Ο πρώτος, ο Sagredo, ρωτά: «Αλλά τι είδους και ποιου βαθμού ταχύτητας πρέπει να είναι αυτή η κίνηση; Να το θεωρήσουμε στιγμιαίο ή να συμβαίνει στο χρόνο, όπως όλες οι άλλες κινήσεις; Ο Simplicio, ο ανάδρομος, απαντά αμέσως: «Η καθημερινή εμπειρία δείχνει ότι το φως από τη φλόγα των πυροβολισμών αποτυπώνεται στο μάτι μας χωρίς καμία απώλεια χρόνου, σε αντίθεση με τον ήχο, που φτάνει στο αυτί μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα». Ο Sagredo αντιτίθεται σε αυτό με βάσιμους λόγους: «Από αυτή τη γνωστή εμπειρία, δεν μπορώ να βγάλω άλλο συμπέρασμα από το ότι ο ήχος φτάνει στα αυτιά μας σε μεγαλύτερα διαστήματα από το φως».

Εδώ παρεμβαίνει ο Salviati (εκφράζοντας τη γνώμη του Galileo): «Τα μικρά στοιχεία αυτών και άλλων παρόμοιων παρατηρήσεων με ανάγκασαν να σκεφτώ κάποιον τρόπο για να βεβαιωθώ αναμφισβήτητα ότι ο φωτισμός, δηλ. Η διάδοση του φωτός είναι πραγματικά στιγμιαία. Το πείραμα που κατέληξα είναι το εξής. Δύο άτομα κρατούν το καθένα μια φωτιά, κλεισμένη σε ένα φανάρι ή κάτι παρόμοιο, που μπορεί να ανοίξει και να κλείσει με την κίνηση του χεριού σε πλήρη θέα του συντρόφου. στέκονται ο ένας απέναντι από τον άλλο «σε απόσταση πολλών αγκώνων, οι συμμετέχοντες αρχίζουν να εξασκούνται στο κλείσιμο και το άνοιγμα πυρός μπροστά στον σύντροφό τους με τέτοιο τρόπο ώστε μόλις ο ένας αντιληφθεί το φως του άλλου, ανοίγει αμέσως το δικό του. Κατάφερα να το παράγω μόνο σε μικρή απόσταση - λιγότερο από ένα μίλι - και γι' αυτό δεν μπορούσα να είμαι σίγουρος αν η εμφάνιση του αντίθετου φωτός έγινε όντως ξαφνικά. Αλλά αν δεν συμβεί ξαφνικά, τότε, σε κάθε περίπτωση, με εξαιρετική ταχύτητα».

Τα μέσα που διέθετε ο Γαλιλαίος εκείνη την εποχή, φυσικά, δεν επέτρεπαν να λυθεί τόσο εύκολα αυτό το ζήτημα και το γνώριζε πλήρως. Η συζήτηση συνεχίστηκε. Ο Ρόμπερτ Μπόιλ, ο διάσημος Ιρλανδός επιστήμονας που έδωσε τον πρώτο σωστό ορισμό του χημικού στοιχείου, πίστευε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη και μια άλλη ιδιοφυΐα του 17ου αιώνα, ο Ρόμπερτ Χουκ, πίστευε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ γρήγορη για να προσδιοριστεί πειραματικά. . Από την άλλη πλευρά, ο αστρονόμος Johannes Kepler και ο μαθηματικός René Descartes είχαν την άποψη του Αριστοτέλη.

Römer και ο δορυφόρος του Δία

Το πρώτο ρήγμα σε αυτό το τείχος έγινε το 1676. Αυτό συνέβη ως ένα βαθμό τυχαία. Ένα θεωρητικό πρόβλημα, όπως έχει συμβεί περισσότερες από μία φορές στην ιστορία της επιστήμης, επιλύθηκε κατά την εκτέλεση ενός καθαρά πρακτικού έργου. Οι ανάγκες της επέκτασης του εμπορίου και η αυξανόμενη σημασία της ναυσιπλοΐας ώθησαν τη Γαλλική Ακαδημία Επιστημών να αρχίσει να βελτιώνει τους γεωγραφικούς χάρτες, οι οποίοι, ειδικότερα, απαιτούσαν έναν πιο αξιόπιστο τρόπο προσδιορισμού του γεωγραφικού μήκους. Το γεωγραφικό μήκος καθορίζεται με έναν αρκετά απλό τρόπο - από τη διαφορά χρόνου σε δύο διαφορετικά σημεία του πλανήτη, αλλά εκείνη την εποχή δεν ήξεραν ακόμη πώς να φτιάξουν αρκετά ακριβή ρολόγια. Οι επιστήμονες έχουν προτείνει τη χρήση κάποιου ουράνιου φαινομένου που παρατηρείται κάθε μέρα την ίδια ώρα για να προσδιορίσουν την ώρα του Παρισιού και την ώρα στο πλοίο. Από αυτό το φαινόμενο ένας πλοηγός ή γεωγράφος μπορούσε να ρυθμίσει το ρολόι του και να μάθει την ώρα του Παρισιού. Ένα τέτοιο φαινόμενο, ορατό από οποιαδήποτε τοποθεσία στη θάλασσα ή στη στεριά, είναι η έκλειψη ενός από τα τέσσερα μεγάλα φεγγάρια του Δία, που ανακαλύφθηκε από τον Γαλιλαίο το 1609.

Μεταξύ των επιστημόνων που εργάζονταν πάνω σε αυτό το θέμα ήταν ο νεαρός Δανός αστρονόμος Ole Roemer, ο οποίος τέσσερα χρόνια νωρίτερα είχε προσκληθεί από τον Γάλλο αστρονόμο Jean Picard να εργαστεί στο νέο αστεροσκοπείο του Παρισιού.

Όπως και άλλοι αστρονόμοι της εποχής, ο Roemer γνώριζε ότι η περίοδος μεταξύ δύο εκλείψεων του πλησιέστερου φεγγαριού του Δία διέφερε καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. παρατηρήσεις από το ίδιο σημείο, με διαφορά έξι μηνών, δίνουν μέγιστη διαφορά 1320 δευτερολέπτων. Αυτά τα 1320 δευτερόλεπτα ήταν ένα μυστήριο για τους αστρονόμους και κανείς δεν μπορούσε να βρει μια ικανοποιητική εξήγηση για αυτά. Φαινόταν να υπάρχει κάποιο είδος σχέσης μεταξύ της περιόδου τροχιάς του δορυφόρου και της θέσης της Γης σε τροχιά σε σχέση με τον Δία. Και έτσι ο Roemer, έχοντας ελέγξει διεξοδικά όλες αυτές τις παρατηρήσεις και τους υπολογισμούς, απροσδόκητα απλά έλυσε το αίνιγμα.

Ο Roemer υπέθεσε ότι 1320 δευτερόλεπτα (ή 22 λεπτά) είναι ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει από τη θέση της Γης που βρίσκεται πιο κοντά στον Δία στην τροχιά του στη θέση που βρίσκεται πιο μακριά από τον Δία, όπου η Γη καταλήγει μετά από έξι μήνες. Με άλλα λόγια, η πρόσθετη απόσταση που διανύει το φως που ανακλάται από το φεγγάρι του Δία είναι ίση με τη διάμετρο της τροχιάς της Γης (Εικ. 1).

Ρύζι. 1.Σχήμα του συλλογισμού του Roemer.
Η περίοδος τροχιάς του δορυφόρου που βρίσκεται πιο κοντά στον Δία είναι περίπου 42,5 ώρες. Επομένως, ο δορυφόρος έπρεπε να κρύβεται από τον Δία (ή να φύγει από τη ζώνη έκλειψης) κάθε 42,5 ώρες. Αλλά κατά τη διάρκεια των έξι μηνών, όταν η Γη απομακρύνθηκε από τον Δία, παρατηρήθηκαν εκλείψεις κάθε φορά με ολοένα και μεγαλύτερη καθυστέρηση σε σύγκριση με τις προβλεπόμενες ημερομηνίες. Ο Roemer κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το φως δεν ταξιδεύει ακαριαία, αλλά έχει μια πεπερασμένη ταχύτητα. Επομένως, χρειάζεται όλο και περισσότερος χρόνος για να φτάσει στη Γη καθώς κινείται στην τροχιά της γύρω από τον Ήλιο και απομακρύνεται από τον Δία.

Την εποχή του Römer, η διάμετρος της τροχιάς της Γης πιστευόταν ότι ήταν περίπου 182.000.000 μίλια (292.000.000 km). Διαιρώντας αυτή την απόσταση με 1320 δευτερόλεπτα, ο Roemer διαπίστωσε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι 138.000 μίλια (222.000 km) ανά δευτερόλεπτο.

Με την πρώτη ματιά, μπορεί να φαίνεται ότι η απόκτηση ενός αριθμητικού αποτελέσματος με τέτοιο σφάλμα (σχεδόν 80.000 χλμ. ανά δευτερόλεπτο) δεν είναι σπουδαίο επίτευγμα. Αλλά σκεφτείτε τι πέτυχε ο Roemer. Για πρώτη φορά στην ιστορία της ανθρωπότητας, αποδείχθηκε ότι η κίνηση, που θεωρούνταν απείρως γρήγορη, είναι προσβάσιμη στη γνώση και τη μέτρηση.

Επιπλέον, στην πρώτη προσπάθεια, ο Roemer έλαβε μια τιμή της σωστής σειράς. Αν λάβουμε υπόψη ότι οι επιστήμονες εξακολουθούν να εργάζονται για την αποσαφήνιση της διαμέτρου της τροχιάς της Γης και του χρόνου των εκλείψεων των δορυφόρων του Δία, τότε το λάθος του Roemer δεν θα εκπλήξει. Τώρα γνωρίζουμε ότι η μέγιστη καθυστέρηση μιας δορυφορικής έκλειψης δεν είναι 22 λεπτά, όπως πίστευε ο Roemer, αλλά περίπου 16 λεπτά 36 δευτερόλεπτα, και η διάμετρος της τροχιάς της Γης δεν είναι περίπου 292.000.000 km, αλλά 300.000.000 km. Εάν γίνουν αυτές οι διορθώσεις στον υπολογισμό του Roemer, αποδεικνύεται ότι η ταχύτητα του φωτός είναι 300.000 km ανά δευτερόλεπτο, και αυτό το αποτέλεσμα είναι κοντά στον πιο ακριβή αριθμό που ελήφθη από τους επιστήμονες της εποχής μας.

Η κύρια απαίτηση για μια καλή υπόθεση είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να γίνουν σωστές προβλέψεις. Με βάση τον υπολογισμό του για την ταχύτητα του φωτός, ο Römer ήταν σε θέση να προβλέψει με ακρίβεια ορισμένες εκλείψεις αρκετούς μήνες νωρίτερα. Για παράδειγμα, τον Σεπτέμβριο του 1676, προέβλεψε ότι τον Νοέμβριο ένας δορυφόρος του Δία θα εμφανιζόταν με περίπου δέκα λεπτά καθυστέρηση. Ο μικροσκοπικός δορυφόρος δεν απογοήτευσε τον Roemer και εμφανίστηκε την προβλεπόμενη ώρα με ακρίβεια ενός δευτερολέπτου. Αλλά οι παριζιάνικοι φιλόσοφοι δεν πείστηκαν ούτε από αυτή την επιβεβαίωση της θεωρίας του Roemer. Ωστόσο, ο Ισαάκ Νεύτων και ο μεγάλος Ολλανδός αστρονόμος και φυσικός Κρίστιαν Χάιγκενς τάχθηκαν υπέρ του Δανού. Και λίγο καιρό αργότερα, τον Ιανουάριο του 1729, ο Άγγλος αστρονόμος Τζέιμς Μπράντλεϊ, με λίγο διαφορετικό τρόπο, κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα με τον Ρόμερ. Δεν υπήρχε περιθώριο αμφιβολίας. Ο Ρόμερ έβαλε τέλος στην επικρατούσα πεποίθηση των επιστημόνων ότι το φως ταξιδεύει ακαριαία, ανεξάρτητα από την απόσταση.

Ο Roemer απέδειξε ότι, αν και η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ υψηλή, είναι ωστόσο πεπερασμένη και μπορεί να μετρηθεί. Ωστόσο, ενώ αποτίουν φόρο τιμής στο επίτευγμα του Roemer, ορισμένοι επιστήμονες δεν ήταν ακόμα απόλυτα ικανοποιημένοι. Η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός με τη μέθοδο του βασίστηκε σε αστρονομικές παρατηρήσεις και απαιτούσε πολύ χρόνο. Ήθελαν να πραγματοποιήσουν μετρήσεις στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας καθαρά γήινα μέσα, χωρίς να ξεφεύγουν από τα όρια του πλανήτη μας, ώστε όλες οι πειραματικές συνθήκες να είναι υπό έλεγχο. Ο Γάλλος φυσικός Marin Marsenne, σύγχρονος και φίλος του Descartes, κατάφερε να μετρήσει την ταχύτητα του ήχου πριν από τριάντα πέντε χρόνια. Γιατί δεν μπορούμε να κάνουμε το ίδιο με το φως;

Η πρώτη διάσταση με γήινα μέσα

Ωστόσο, η λύση σε αυτό το πρόβλημα έπρεπε να περιμένει σχεδόν δύο αιώνες. Το 1849, ο Γάλλος φυσικός Armand Hippolyte Louis Fizeau βρήκε μια αρκετά απλή μέθοδο. Στο Σχ. Το σχήμα 2 δείχνει ένα απλοποιημένο διάγραμμα εγκατάστασης. Ο Φιζό κατεύθυνε μια δέσμη φωτός από μια πηγή σε έναν καθρέφτη ΣΕ, τότε αυτή η δέσμη αντανακλάται στον καθρέφτη ΕΝΑ. Ο ένας καθρέφτης τοποθετήθηκε στο Suresnes, στο σπίτι του πατέρα Fizeau, και ο άλλος στη Μονμάρτρη στο Παρίσι. η απόσταση μεταξύ των κατόπτρων ήταν περίπου 8,66 km. Ανάμεσα στους καθρέφτες ΕΝΑΚαι ΣΕτοποθετήθηκε ένα γρανάζι που μπορούσε να περιστραφεί με δεδομένη ταχύτητα (αρχή στροβοσκοπίου). Τα δόντια του περιστρεφόμενου τροχού διέκοψαν τη φωτεινή δέσμη, σπάζοντας την σε παλμούς. Με αυτόν τον τρόπο στάλθηκε μια αλυσίδα από σύντομα φλας.

Ρύζι. 2.Εγκατάσταση Fizeau.
174 χρόνια αφότου ο Roemer υπολόγισε την ταχύτητα του φωτός από τις παρατηρήσεις των εκλείψεων του φεγγαριού του Δία, ο Fizeau κατασκεύασε μια συσκευή για τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός σε επίγειες συνθήκες. Μηχανισμός ντοέσπασε τη δέσμη του φωτός σε λάμψεις. Ο Fizeau μέτρησε τον χρόνο που χρειάστηκε το φως για να διανύσει την απόσταση από την οποία ντοστον καθρέφτη ΕΝΑκαι πίσω, ίσο με 17,32 χλμ. Η αδυναμία αυτής της μεθόδου ήταν ότι η στιγμή της μεγαλύτερης φωτεινότητας του φωτός καθοριζόταν από τον παρατηρητή με το μάτι. Τέτοιες υποκειμενικές παρατηρήσεις δεν είναι αρκετά ακριβείς.

Όταν το γρανάζι ήταν ακίνητο και στην αρχική του θέση, ο παρατηρητής μπορούσε να δει το φως από την πηγή μέσα από το κενό μεταξύ των δύο δοντιών. Τότε ο τροχός τέθηκε σε κίνηση με συνεχώς αυξανόμενη ταχύτητα και ήρθε μια στιγμή που ο παλμός φωτός, έχοντας περάσει από το κενό ανάμεσα στα δόντια, επέστρεψε, αντανακλώντας από τον καθρέφτη ΕΝΑ, και καθυστέρησε από το δόντι. Σε αυτή την περίπτωση, ο παρατηρητής δεν είδε τίποτα. Καθώς το γρανάζι περιστρεφόταν περαιτέρω, το φως επανεμφανίστηκε, έγινε πιο φωτεινό και τελικά έφτασε στη μέγιστη έντασή του. Το γρανάζι που χρησιμοποιούσε ο Fizeau είχε 720 δόντια και το φως έφτασε στη μέγιστη έντασή του στις 25 στροφές ανά δευτερόλεπτο. Με βάση αυτά τα δεδομένα, ο Fizeau υπολόγισε την ταχύτητα του φωτός ως εξής. Το φως διανύει την απόσταση μεταξύ των καθρεπτών και της πλάτης κατά τη διάρκεια του χρόνου που χρειάζεται για να γυρίσει ο τροχός από το ένα διάστημα μεταξύ των δοντιών στο άλλο, δηλ. για 1/25; 1/720, που είναι 1/18000 του δευτερολέπτου. Η απόσταση που διανύθηκε είναι ίση με τη διπλάσια απόσταση μεταξύ των κατόπτρων, δηλ. 17,32 χλμ. Ως εκ τούτου, η ταχύτητα του φωτός είναι 17,32 · 18.000, ή περίπου 312.000 km ανά δευτερόλεπτο.

Βελτίωση Φουκώ

Όταν ο Fizeau ανακοίνωσε το αποτέλεσμα της μέτρησής του, οι επιστήμονες αμφέβαλλαν για την αξιοπιστία αυτής της κολοσσιαίας φιγούρας, σύμφωνα με την οποία το φως φτάνει στη Γη από τον Ήλιο σε 8 λεπτά και μπορεί να κάνει κύκλους γύρω από τη Γη σε ένα όγδοο του δευτερολέπτου. Φαινόταν απίστευτο ότι ο άνθρωπος μπορούσε να μετρήσει τόσο τεράστια ταχύτητα με τόσο πρωτόγονα όργανα. Το φως διανύει περισσότερα από οκτώ χιλιόμετρα μεταξύ των κατόπτρων Fizeau σε 1/36000 του δευτερολέπτου; Αδύνατον, είπαν πολλοί. Ωστόσο, ο αριθμός που έλαβε ο Fizeau ήταν πολύ κοντά στο αποτέλεσμα του Roemer. Αυτό δύσκολα θα μπορούσε να είναι μια απλή σύμπτωση.

Δεκατρία χρόνια αργότερα, ενώ οι σκεπτικιστές εξακολουθούσαν να αμφιβάλλουν και να κάνουν ειρωνικές παρατηρήσεις, ο Jean Bernard Leon Foucault, γιος ενός Παριζιάνου εκδότη και κάποτε ετοιμαζόταν να γίνει γιατρός, καθόρισε την ταχύτητα του φωτός με λίγο διαφορετικό τρόπο. Εργάστηκε με τον Fizeau για αρκετά χρόνια και σκέφτηκε πολύ πώς να βελτιώσει την εμπειρία του. Αντί για γρανάζι, ο Φουκώ χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη.

Ρύζι. 3.Εγκατάσταση του Φουκώ.
Μετά από κάποιες βελτιώσεις, ο Michelson χρησιμοποίησε αυτή τη συσκευή για να προσδιορίσει την ταχύτητα του φωτός. Σε αυτή τη συσκευή, ο οδοντωτός τροχός (βλ. Εικ. 2) αντικαθίσταται από έναν περιστρεφόμενο επίπεδο καθρέφτη ντο. Αν ο καθρέφτης ντοακίνητο ή γυρίζει πολύ αργά, το φως αντανακλάται σε έναν ημιδιαφανή καθρέφτη σιπρος την κατεύθυνση που υποδεικνύεται από τη συμπαγή γραμμή. Όταν ο καθρέφτης περιστρέφεται γρήγορα, η ανακλώμενη δέσμη μετακινείται στη θέση που υποδεικνύεται από τη διακεκομμένη γραμμή. Κοιτώντας μέσα από το προσοφθάλμιο, ο παρατηρητής μπορούσε να μετρήσει τη μετατόπιση της δέσμης. Αυτή η μέτρηση του έδωσε διπλάσια γωνία;, δηλ. γωνία περιστροφής του καθρέφτη κατά το χρόνο από τον οποίο προερχόταν η φωτεινή δέσμη ντοστον κοίλο καθρέφτη ΕΝΑκαι πίσω στο ντο. Γνωρίζοντας την ταχύτητα περιστροφής του καθρέφτη ντο, απόσταση από ΕΝΑπριν ντοκαι γωνία περιστροφής καθρέφτη ντοΚατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ήταν δυνατός ο υπολογισμός της ταχύτητας του φωτός.

Ο Φουκώ απολάμβανε τη φήμη του ταλαντούχου ερευνητή. Το 1855, του απονεμήθηκε το μετάλλιο Copley της Βασιλικής Εταιρείας της Αγγλίας για το πείραμά του με ένα εκκρεμές, το οποίο παρείχε στοιχεία για την περιστροφή της Γης στον άξονά της. Κατασκεύασε επίσης το πρώτο γυροσκόπιο κατάλληλο για πρακτική χρήση. Η αντικατάσταση ενός γραναζιού με έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη στο πείραμα του Fizeau (αυτή η ιδέα προτάθηκε το 1842 από τον Dominico Arago, αλλά δεν εφαρμόστηκε) κατέστησε δυνατή τη συντόμευση της διαδρομής που διανύει μια δέσμη φωτός από περισσότερα από 8 χιλιόμετρα σε 20 μέτρα Περιστροφή ο καθρέφτης (Εικ. 3) παρέσυρε τη δέσμη επιστροφής υπό ελαφρά γωνία, γεγονός που επέτρεψε τη διεξαγωγή των απαραίτητων μετρήσεων για τον υπολογισμό της ταχύτητας του φωτός. Το αποτέλεσμα που έλαβε ο Foucault ήταν 298.000 km/sec, δηλ. περίπου 17.000 km λιγότερο από την τιμή που έλαβε το Fizeau. (Σε ένα άλλο πείραμα, ο Φουκώ τοποθέτησε έναν σωλήνα νερού ανάμεσα σε έναν ανακλαστικό και έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη για να προσδιορίσει την ταχύτητα του φωτός στο νερό. Αποδείχθηκε ότι η ταχύτητα του φωτός στον αέρα είναι μεγαλύτερη.)

Δέκα χρόνια αργότερα, η Marie Alfred Cornu, καθηγήτρια πειραματικής φυσικής στην École Polytechnique Supérieure στο Παρίσι, επέστρεψε ξανά στον οδοντωτό τροχό, αλλά είχε ήδη 200 δόντια. Το αποτέλεσμα του Cornu ήταν κοντά στο προηγούμενο. Πήρε το νούμερο 300.000 χλμ. ανά δευτερόλεπτο. Αυτό συνέβη το 1872, όταν ο νεαρός Michelson, τελειόφοιτος στη Ναυτική Ακαδημία στην Αννάπολη, κλήθηκε σε μια εξέταση οπτικής να μιλήσει για τη συσκευή του Φουκώ για τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός. Ποτέ δεν πέρασε από το μυαλό κανενός τότε ότι στα εγχειρίδια φυσικής από τα οποία θα μελετούσαν οι μελλοντικές γενιές μαθητών, ο Michelson θα είχε πολύ περισσότερο χώρο από τον Fizeau ή τον Foucault.

Την άνοιξη του 1879, οι New York Times ανέφεραν: «Ένα νέο φωτεινό αστέρι εμφανίστηκε στον επιστημονικό ορίζοντα της Αμερικής. Ένας κατώτερος ανθυπολοχαγός στη ναυτική υπηρεσία, απόφοιτος της Ναυτικής Ακαδημίας στην Αννάπολη, ο Albert A. Michelson, ο οποίος δεν είναι ακόμη είκοσι επτά ετών, έχει επιτύχει εξαιρετική επιτυχία στον τομέα της οπτικής: μέτρησε την ταχύτητα του φωτός». Σε ένα άρθρο με τίτλο «Science to the People», η Daily Tribune έγραψε: «Η τοπική εφημερίδα της Βιρτζίνια Σίτι, μια πόλη ορυχείων στη μακρινή Νεβάδα, αναφέρει περήφανα: «Ο δεύτερος υπολοχαγός Albert A. Michelson, γιος του Samuel Michelson, κατάστημα ξηρών ειδών ιδιοκτήτης στην πόλη μας, τράβηξε την προσοχή ολόκληρης της χώρας με ένα αξιόλογο επιστημονικό επίτευγμα: μέτρησε την ταχύτητα του φωτός».

Φίλιπ Γκιμπς , 1997

Εάν βρείτε κάποιο σφάλμα, επισημάνετε ένα κομμάτι κειμένου και κάντε κλικ Ctrl+Enter.

Προβολές: 162

1) Η ταχύτητα του φωτός μετρήθηκε για πρώτη φορά από τον Δανό επιστήμονα Roemer το 1676 χρησιμοποιώντας την αστρονομική μέθοδο. Χρονομέτρησε την ώρα που το μεγαλύτερο από τα φεγγάρια του Δία, η Ιώ, βρισκόταν στη σκιά αυτού του τεράστιου πλανήτη.

Ο Ρόμερ έκανε μετρήσεις τη στιγμή που ο πλανήτης μας ήταν πιο κοντά στον Δία και τη στιγμή που ήμασταν λίγο πιο μακριά από τον Δία από αστρονομικούς όρους. Στην πρώτη περίπτωση, το διάστημα μεταξύ των εστιών ήταν 48 ώρες 28 λεπτά. Στη δεύτερη περίπτωση, ο δορυφόρος καθυστέρησε 22 λεπτά. Από αυτό συνήχθη το συμπέρασμα ότι το φως χρειαζόταν 22 λεπτά για να διανύσει την απόσταση από την προηγούμενη παρατήρηση στην παρούσα παρατήρηση. Έτσι, η θεωρία για την πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός αποδείχθηκε και η ταχύτητά του υπολογίστηκε κατά προσέγγιση· ήταν περίπου 299.800 km/s.

2) Η εργαστηριακή μέθοδος σας επιτρέπει να προσδιορίσετε την ταχύτητα του φωτός σε μικρή απόσταση και με μεγάλη ακρίβεια. Τα πρώτα εργαστηριακά πειράματα πραγματοποιήθηκαν από τον Foucault και στη συνέχεια από τον Fizeau.

Οι επιστήμονες και τα πειράματά τους

Η ταχύτητα του φωτός καθορίστηκε για πρώτη φορά το 1676 από τον O. K. Roemer από την αλλαγή στα χρονικά διαστήματα μεταξύ των εκλείψεων των δορυφόρων του Δία. Το 1728, καθιερώθηκε από τον J. Bradley, με βάση τις παρατηρήσεις του για την εκτροπή του αστρικού φωτός. Το 1849, ο A.I.L. Fizeau ήταν ο πρώτος που μέτρησε την ταχύτητα του φωτός κατά το χρόνο που χρειάζεται το φως για να διανύσει μια ακριβώς γνωστή απόσταση (βάση), καθώς ο δείκτης διάθλασης του αέρα διαφέρει πολύ λίγο από το 1, οι μετρήσεις στο έδαφος δίνουν μια τιμή πολύ κοντά στην ταχύτητα.

Η εμπειρία του Fizeau

Το πείραμα Fizeau είναι ένα πείραμα για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός σε κινούμενα μέσα (σώματα), που πραγματοποιήθηκε το 1851 από τον Louis Fizeau. Το πείραμα καταδεικνύει την επίδραση της σχετικιστικής προσθήκης ταχυτήτων. Το όνομα του Fizeau συνδέεται επίσης με το πρώτο πείραμα για τον εργαστηριακό προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός.

Στο πείραμα του Fizeau, μια δέσμη φωτός από μια φωτεινή πηγή S, που αντανακλάται από έναν ημιδιαφανή καθρέφτη 3, διακόπτεται περιοδικά από έναν περιστρεφόμενο οδοντωτό δίσκο 2, περνά από τη βάση 4-1 (περίπου 8 km) και, αντανακλάται από τον καθρέφτη 1, επιστρέφει στο δίσκο. Όταν το φως χτύπησε το δόντι, δεν έφτασε στον παρατηρητή και το φως που έπεφτε στο κενό μεταξύ των δοντιών μπορούσε να παρατηρηθεί μέσω του προσοφθάλμιου φακού 4. Με βάση τις γνωστές ταχύτητες περιστροφής του δίσκου, ο χρόνος που χρειάστηκε το φως για να προσδιορίστηκε η διαδρομή μέσω της βάσης. Ο Fizeau έλαβε την τιμή c = 313300 km/s.

Η εμπειρία του Φουκώ

Το 1862, ο J. B. L. Foucault υλοποίησε την ιδέα που εξέφρασε το 1838 ο D. Argo, χρησιμοποιώντας έναν ταχέως περιστρεφόμενο καθρέφτη (512 στροφές ανά δευτερόλεπτο) αντί για οδοντωτό δίσκο. Αντανακλώντας από τον καθρέφτη, μια δέσμη φωτός κατευθύνθηκε προς τη βάση και κατά την επιστροφή έπεσε ξανά στον ίδιο καθρέφτη, ο οποίος είχε χρόνο να περιστραφεί σε μια συγκεκριμένη μικρή γωνία. Με βάση μόλις 20 m, ο Foucault βρήκε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι 298.000.500 km/s. Τα σχήματα και οι βασικές ιδέες των μεθόδων Fizeau και Foucault χρησιμοποιήθηκαν επανειλημμένα σε επόμενες εργασίες για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός.

Προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός με τη μέθοδο του περιστρεφόμενου καθρέφτη (μέθοδος Foucault): S – πηγή φωτός; R – ταχέως περιστρεφόμενος καθρέφτης. Το C είναι ένα σταθερό κοίλο κάτοπτρο του οποίου το κέντρο συμπίπτει με τον άξονα περιστροφής R (έτσι το φως που ανακλάται από το C πάντα πέφτει πίσω στο R). M – ημιδιαφανής καθρέφτης; L – φακός; E – προσοφθάλμιο; RC – με ακρίβεια μετρημένη απόσταση (βάση). Η διακεκομμένη γραμμή δείχνει τη θέση R, η οποία έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια του χρόνου που το φως διανύει τη διαδρομή RC και πίσω, και την αντίστροφη διαδρομή της δέσμης των ακτίνων μέσω του φακού L, που συλλέγει την ανακλώμενη δέσμη στο σημείο S', και όχι στο σημείο S, όπως θα συνέβαινε με ένα σταθερό κάτοπτρο R. Η ταχύτητα του φωτός καθορίζεται με τη μέτρηση της μετατόπισης SS».

Η τιμή c = 299796 4 km/s που έλαβε ο A. Michelson το 1926 ήταν τότε η πιο ακριβής και συμπεριλήφθηκε στους διεθνείς πίνακες φυσικών μεγεθών. οπτική ίνα ταχύτητας φωτός

Οι μετρήσεις της ταχύτητας του φωτός τον 19ο αιώνα έπαιξαν σημαντικό ρόλο στη φυσική, επιβεβαιώνοντας περαιτέρω την κυματική θεωρία του φωτός. Η σύγκριση του Φουκώ το 1850 για την ταχύτητα του φωτός της ίδιας συχνότητας στον αέρα και το νερό έδειξε ότι η ταχύτητα στο νερό είναι u = c/n(n), όπως προβλέπεται από την κυματική θεωρία. Καθιερώθηκε επίσης μια σύνδεση μεταξύ της οπτικής και της θεωρίας του ηλεκτρομαγνητισμού: η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός συνέπεσε με την ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, υπολογιζόμενη από την αναλογία ηλεκτρομαγνητικών και ηλεκτροστατικών μονάδων ηλεκτρικού φορτίου.

Οι σύγχρονες μετρήσεις της ταχύτητας του φωτός χρησιμοποιούν μια εκσυγχρονισμένη μέθοδο Fizeau, αντικαθιστώντας τον οδοντωτό τροχό με παρεμβολή ή κάποιον άλλο διαμορφωτή φωτός που διακόπτει ή εξασθενεί εντελώς τη δέσμη φωτός. Ο δέκτης ακτινοβολίας είναι φωτοκύτταρο ή φωτοηλεκτρικός πολλαπλασιαστής. Η χρήση ενός λέιζερ ως πηγής φωτός, ενός διαμορφωτή υπερήχων με σταθεροποιημένη συχνότητα και αύξηση της ακρίβειας μέτρησης του μήκους βάσης θα μειώσει τα σφάλματα μέτρησης και θα λάβει τιμή c = 299792,5 0,15 km/s. Εκτός από τις άμεσες μετρήσεις της ταχύτητας του φωτός με βάση το χρόνο διέλευσης μιας γνωστής βάσης, χρησιμοποιούνται ευρέως έμμεσες μέθοδοι, δίνοντας μεγαλύτερη ακρίβεια.

Η πιο ακριβής μέτρηση της τιμής «c» είναι εξαιρετικά σημαντική όχι μόνο σε γενικούς θεωρητικούς όρους και για τον προσδιορισμό των τιμών άλλων φυσικών μεγεθών, αλλά και για πρακτικούς σκοπούς. Σε αυτούς, ειδικότερα. Αναφέρεται στον προσδιορισμό των αποστάσεων στο χρόνο διέλευσης ραδιοφωνικών ή φωτεινών σημάτων σε ραντάρ, οπτική εμβέλεια, φωτεινή εμβέλεια και άλλες παρόμοιες μετρήσεις.

Εύρος φωτός

Ο ανιχνευτής εύρους φωτός είναι μια γεωδαιτική συσκευή που σας επιτρέπει να μετράτε αποστάσεις δεκάδων (μερικές φορές εκατοντάδων) χιλιομέτρων με υψηλή ακρίβεια (έως και αρκετά χιλιοστά). Για παράδειγμα, ένας ανιχνευτής απόστασης μετρά την απόσταση από τη Γη στη Σελήνη με ακρίβεια αρκετών εκατοστών.

Το αποστασιόμετρο λέιζερ είναι μια συσκευή για τη μέτρηση αποστάσεων με χρήση δέσμης λέιζερ.

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι «ακριβώς 299.792.458 μέτρα ανά δευτερόλεπτο». Σήμερα μπορούμε να ονομάσουμε με ακρίβεια αυτό το σχήμα επειδή η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι μια καθολική σταθερά, η οποία μετρήθηκε με χρήση λέιζερ.

Όταν πρόκειται για τη χρήση αυτού του εργαλείου σε ένα πείραμα, είναι δύσκολο να διαφωνήσεις με τα αποτελέσματα. Όσο για το γιατί η ταχύτητα του φωτός μετριέται σε έναν τέτοιο ακέραιο αριθμό, δεν προκαλεί έκπληξη: το μήκος ενός μέτρου προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη σταθερά: «Το μήκος της διαδρομής που διανύει το φως στο κενό σε χρονικό διάστημα 1 /299.792.458 του δευτερολέπτου."

Πριν από μερικές εκατοντάδες χρόνια αποφασίστηκε, ή τουλάχιστον υποτέθηκε, ότι η ταχύτητα του φωτός δεν έχει όριο, ενώ στην πραγματικότητα είναι απλώς πολύ υψηλή. Αν η απάντηση καθόριζε αν θα γινόταν η κοπέλα του Τζάστιν Μπίμπερ, ένας σύγχρονος έφηβος θα απαντούσε σε αυτή την ερώτηση: «Η ταχύτητα του φωτός είναι ελαφρώς πιο αργή από το πιο γρήγορο πράγμα στο σύμπαν».

Ο πρώτος που ασχολήθηκε με το ζήτημα του άπειρου της ταχύτητας του φωτός ήταν ο φιλόσοφος Εμπεδοκλής τον πέμπτο αιώνα π.Χ. Ένας άλλος αιώνας αργότερα, ο Αριστοτέλης θα διαφωνούσε με τη δήλωση του Εμπεδοκλή και η διαμάχη θα συνεχιζόταν για περισσότερα από 2.000 χρόνια.

Ο Ολλανδός επιστήμονας Issac Backman ήταν ο πρώτος γνωστός επιστήμονας που έκανε ένα πραγματικό πείραμα για να ελέγξει εάν το φως είχε κάποια ταχύτητα, το 1629. Ζώντας σε έναν αιώνα μακριά από την εφεύρεση του λέιζερ, ο Backman συνειδητοποίησε ότι η βάση του πειράματος θα έπρεπε να είναι μια έκρηξη οποιασδήποτε προέλευσης, έτσι στα πειράματά του χρησιμοποίησε πυρίτιδα.

Ο Μπάκμαν τοποθέτησε καθρέφτες σε διαφορετικές αποστάσεις από την έκρηξη και αργότερα ρώτησε τους ανθρώπους που παρακολουθούσαν αν έβλεπαν διαφορά στην αντίληψη της λάμψης φωτός που αντανακλάται σε καθέναν από τους καθρέφτες. Όπως μπορείτε να μαντέψετε, το πείραμα ήταν «ασαφές». Ένα παρόμοιο, πιο διάσημο πείραμα, αλλά χωρίς τη χρήση έκρηξης, μπορεί να είχε πραγματοποιηθεί, ή τουλάχιστον εφευρέθηκε, από τον Galileo Galilei μόλις μια δεκαετία αργότερα, το 1638. Ο Γαλιλαίος, όπως και ο Μπάκμαν, υποψιαζόταν ότι η ταχύτητα του φωτός δεν ήταν άπειρη και σε ορισμένα έργα του έκανε αναφορά στη συνέχεια του πειράματος, αλλά με τη συμμετοχή φακών. Στο πείραμά του (αν έκανε ποτέ ένα!) τοποθέτησε δύο φώτα σε απόσταση ενός μιλίου και προσπάθησε να δει αν υπήρχε καθυστέρηση. Το αποτέλεσμα του πειράματος ήταν επίσης ασαφές. Το μόνο πράγμα που μπορούσε να προτείνει ο Γαλιλαίος ήταν ότι αν το φως δεν ήταν άπειρο, ήταν πολύ γρήγορο και τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε τόσο μικρή κλίμακα ήταν καταδικασμένα σε αποτυχία.

Αυτό συνεχίστηκε μέχρι που ο Δανός αστρονόμος Όλαφ Ρόμερ ξεκίνησε σοβαρά πειράματα με την ταχύτητα του φωτός. Τα πειράματα του Γαλιλαίου στο λόφο με φανάρια έμοιαζαν με επιστημονικό έργο γυμνασίου σε σύγκριση με τα πειράματα του Ρόμερ. Καθόρισε ότι το πείραμα θα έπρεπε να πραγματοποιηθεί στο διάστημα. Έτσι, εστίασε την προσοχή του στην παρατήρηση των πλανητών και παρουσίασε τις καινοτόμες απόψεις του στις 22 Αυγούστου 1676.

Συγκεκριμένα, κατά τη μελέτη ενός από τα φεγγάρια του Δία, ο Roemer παρατήρησε ότι ο χρόνος μεταξύ των εκλείψεων ποικίλλει καθ 'όλη τη διάρκεια του έτους (ανάλογα με το αν ο Δίας κινείται προς ή μακριά από τη Γη). Ενδιαφερόμενος για αυτό, ο Roemer κράτησε προσεκτικές σημειώσεις σχετικά με τις φορές που εμφανίστηκε το φεγγάρι που παρατηρούσε, η Io, και συνέκρινε τον τρόπο με τον οποίο αυτοί οι χρόνοι συγκρίθηκαν με τους χρόνους που κανονικά θα ήταν αναμενόμενο. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, ο Roemer παρατήρησε ότι ακριβώς όπως η Γη απομακρυνόταν από τον Δία καθώς περιφερόταν γύρω από τον Ήλιο, ο χρόνος που εμφανίστηκε η Io θα υστερούσε περισσότερο από τον χρόνο που σημειώθηκε προηγουμένως στα αρχεία. Ο Roemer (σωστά) θεώρησε ότι αυτό συμβαίνει επειδή το φως χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να διανύσει την απόσταση από τη Γη στον Δία καθώς η ίδια η απόσταση αυξάνεται.

Δυστυχώς, οι υπολογισμοί του χάθηκαν στην πυρκαγιά της Κοπεγχάγης του 1728, αλλά έχουμε πολλές πληροφορίες για την ανακάλυψή του από τις ιστορίες των συγχρόνων του, καθώς και από τις αναφορές άλλων επιστημόνων που χρησιμοποίησαν τους υπολογισμούς του Roemer στα έργα τους. Η ουσία τους είναι ότι μέσω πολλών υπολογισμών που σχετίζονται με τη διάμετρο της Γης και την τροχιά του Δία, ο Roemer μπόρεσε να συμπεράνει ότι το φως θα χρειαζόταν περίπου 22 λεπτά για να διανύσει μια απόσταση ίση με τη διάμετρο της τροχιάς της Γης γύρω από τον Ήλιο. Ο Christiaan Huygens αργότερα μετατρέπει αυτούς τους υπολογισμούς σε πιο κατανοητούς αριθμούς, δείχνοντας ότι ο Roemer υπολογίζει ότι το φως ταξιδεύει περίπου 220.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Αυτός ο αριθμός εξακολουθεί να είναι πολύ διαφορετικός από τα σύγχρονα δεδομένα, αλλά θα επιστρέψουμε σε αυτά σύντομα.

Όταν οι πανεπιστημιακοί συνάδελφοι του Roemer εξέφρασαν ανησυχία για τη θεωρία του, εκείνος τους είπε ήρεμα ότι η έκλειψη της 9ης Νοεμβρίου 1676 θα γινόταν 10 λεπτά αργότερα. Όταν συνέβη αυτό, οι αμφίβολοι έμειναν έκπληκτοι, γιατί το ουράνιο σώμα επιβεβαίωσε τη θεωρία του.

Οι συνάδελφοι του Roemer έμειναν εξαιρετικά έκπληκτοι με τους υπολογισμούς του, αφού ακόμη και σήμερα η εκτίμησή του για την ταχύτητα του φωτός θεωρείται εκπληκτικά ακριβής, δεδομένου ότι έγινε 300 χρόνια πριν εφευρεθούν τα λέιζερ και το Διαδίκτυο. Αν και τα 80.000 χιλιόμετρα είναι πολύ αργά, λαμβάνοντας υπόψη την κατάσταση της επιστήμης και της τεχνολογίας εκείνη την εποχή, το αποτέλεσμα είναι πραγματικά εντυπωσιακό. Επιπλέον, ο Roemer βασίστηκε μόνο στις δικές του εικασίες.

Αυτό που προκαλεί ακόμη μεγαλύτερη έκπληξη, ο λόγος για την πολύ χαμηλή ταχύτητα δεν ήταν στους υπολογισμούς του Roemer, αλλά στο γεγονός ότι δεν υπήρχαν ακριβή στοιχεία για τις τροχιές της Γης και του Δία τη στιγμή που έκανε τους υπολογισμούς του. Αυτό σημαίνει ότι ο επιστήμονας έκανε λάθος μόνο επειδή οι άλλοι επιστήμονες δεν ήταν τόσο έξυπνοι όσο αυτός. Έτσι, αν βάλετε υπάρχοντα σύγχρονα δεδομένα στους αρχικούς υπολογισμούς που έκανε, οι υπολογισμοί της ταχύτητας του φωτός είναι σωστοί.

Αν και οι υπολογισμοί ήταν τεχνικά λανθασμένοι, και ο James Bradley βρήκε έναν πιο ακριβή ορισμό της ταχύτητας του φωτός το 1729, ο Roemer έμεινε στην ιστορία ως ο πρώτος άνθρωπος που απέδειξε ότι η ταχύτητα του φωτός μπορούσε να προσδιοριστεί. Αυτό το έκανε παρατηρώντας την κίνηση μιας γιγαντιαίας αέριας μπάλας που βρίσκεται σε απόσταση περίπου 780 εκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη.

Ταχύτητα φωτός στο κενό- την απόλυτη τιμή της ταχύτητας διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο κενό. Στη φυσική συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα ντο.
Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι μια θεμελιώδης σταθερά, ανεξάρτητα από την επιλογή του αδρανειακού πλαισίου αναφοράς.
Εξ ορισμού, είναι ακριβώς 299.792.458 m/s (τιμή κατά προσέγγιση 300 χιλιάδες km/s).
Σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, είναι μέγιστη ταχύτητα για τη διάδοση τυχόν φυσικών αλληλεπιδράσεων που μεταδίδουν ενέργεια και πληροφορίες.

Πώς καθορίστηκε η ταχύτητα του φωτός;

Για πρώτη φορά προσδιορίστηκε η ταχύτητα του φωτός σε 1676 O. K. Roemerμε αλλαγές στα χρονικά διαστήματα μεταξύ των εκλείψεων των δορυφόρων του Δία.

Το 1728 εγκαταστάθηκε από τον J. Bradley, με βάση τις παρατηρήσεις του για τις εκτροπές του αστρικού φωτός.

Το 1849 ο A. I. L. Fizeauήταν ο πρώτος που μέτρησε την ταχύτητα του φωτός με το χρόνο που χρειάζεται το φως για να διανύσει μια ακριβώς γνωστή απόσταση (βάση). Δεδομένου ότι ο δείκτης διάθλασης του αέρα διαφέρει πολύ λίγο από το 1, οι μετρήσεις στο έδαφος δίνουν μια τιμή πολύ κοντά στο c.
Στο πείραμα του Fizeau, μια δέσμη φωτός από μια πηγή S, που αντανακλάται από έναν ημιδιαφανή καθρέφτη N, διακόπτεται περιοδικά από έναν περιστρεφόμενο οδοντωτό δίσκο W, περνούσε τη βάση MN (περίπου 8 km) και, αντανακλούμενη από τον καθρέφτη M, επέστρεφε στο δίσκος. Όταν το φως χτύπησε το δόντι, δεν έφτασε στον παρατηρητή και το φως που έπεφτε στο κενό μεταξύ των δοντιών μπορούσε να παρατηρηθεί μέσω του προσοφθάλμιου φακού E. Με βάση τις γνωστές ταχύτητες περιστροφής του δίσκου, ο χρόνος που χρειάστηκε το φως για να προσδιορίστηκε η διαδρομή μέσω της βάσης. Ο Fizeau έλαβε την τιμή c = 313300 km/s.

Το 1862 ο J. B. L. Foucaultυλοποίησε την ιδέα που εξέφρασε το 1838 ο D. Arago, χρησιμοποιώντας έναν ταχέως περιστρεφόμενο καθρέφτη (512 r/s) αντί για οδοντωτό δίσκο. Αντανακλώντας από τον καθρέφτη, η δέσμη φωτός κατευθύνθηκε προς τη βάση και κατά την επιστροφή έπεσε ξανά στον ίδιο καθρέφτη, ο οποίος είχε χρόνο να περιστραφεί σε μια συγκεκριμένη μικρή γωνία. Με βάση μόλις 20 μ., ο Φουκώ διαπίστωσε ότι η ταχύτητα το φως είναι ίσο με 29800080 ± 500 km/s.Τα σχήματα και οι κύριες ιδέες των πειραμάτων των Fizeau και Foucault χρησιμοποιήθηκαν επανειλημμένα σε επόμενες εργασίες για τον ορισμό του s.