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

رد سريع

تمكنوا من وصف الصيغ الرياضيةخصائص الضوء ومسار حركته. أصبح معروفًا بعد ألفي عام من البحث الأول.

ما هو التدفق الضوئي؟

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

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

بعض الحقائق التاريخية

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

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

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

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

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

• ثابت ونهائي.
• بعيد المنال وغير قابل للتغيير.

معرفة هذا الثابت يسمح لك بالحساب بماذا السرعة القصوىيمكن للأشياء أن تتحرك في الفضاء. يتم التعرف على مقدار انتشار شعاع الضوء كثابت أساسي. يتم استخدامه لتوصيف الزمكان. هذا متطرف القيمة المسموح بهالتحريك الجزيئات. ما هي سرعة الضوء في الفراغ؟ تم الحصول على القيمة الحديثة من خلال القياسات المخبريةوالحسابات الرياضية. هي تساوي 299.792.458 مترًا في الثانية وبدقة ± 1.2 م/ث. في العديد من التخصصات، بما في ذلك المدارس، يتم استخدام الحسابات التقريبية لحل المشكلات. تم أخذ مؤشر يساوي 3,108 م/ث.

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

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

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

طبيب العلوم التقنيةأ. جولوبيف.

في منتصف العام الماضي، ظهرت رسالة مثيرة في المجلات. اكتشف مجموعة من الباحثين الأمريكيين أن نبضة ليزر قصيرة جدًا تتحرك في وسط مختار خصيصًا أسرع بمئات المرات من الفراغ. بدت هذه الظاهرة مذهلة تمامًا (سرعة الضوء في الوسط تكون دائمًا أقل منها في الفراغ) بل إنها أثارت الشكوك حول صحة نظرية خاصةالنسبية. وفي الوقت نفسه، تم اكتشاف جسم مادي فائق السطوع - نبض ليزر في وسط تضخيم - لأول مرة ليس في عام 2000، ولكن قبل 35 عامًا، في عام 1965، ونوقشت إمكانية الحركة فوق السطوع على نطاق واسع حتى أوائل السبعينيات. اليوم، اندلع النقاش حول هذه الظاهرة الغريبة بقوة متجددة.

أمثلة على الحركة "فائقة اللمعية".

في أوائل الستينيات، بدأ الحصول على نبضات ضوئية قصيرة عالية الطاقة عن طريق تمرير وميض ليزر عبر مضخم كمي (وسيط ذو كثافة معكوسة).

في وسط التضخيم، تسبب المنطقة الأولية لنبضة ضوئية انبعاثًا محفزًا للذرات في وسط المضخم، وتسبب منطقتها النهائية امتصاصها للطاقة. ونتيجة لذلك، يبدو للمراقب أن النبض يتحرك أسرع من الضوء.

تجربة ليجون وونغ.

ينكسر شعاع الضوء الذي يمر عبر منشور مصنوع من مادة شفافة (على سبيل المثال، الزجاج)، أي أنه يعاني من التشتت.

النبضة الضوئية عبارة عن مجموعة من التذبذبات ذات الترددات المختلفة.

ربما يعلم الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن الحد الأقصى السرعة الممكنةإن حركة الأجسام المادية أو انتشار أية إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. ويشار إليه بالحرف معوتصل سرعتها إلى 300 ألف كيلومتر في الثانية تقريبًا؛ القيمة الدقيقة مع= 299,792,458 م/ث. تعتبر سرعة الضوء في الفراغ إحدى الثوابت الفيزيائية الأساسية. عدم القدرة على تحقيق سرعات تتجاوز مع، يتبع من نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (STR). إذا أمكن إثبات إمكانية إرسال الإشارات بسرعات فائقة السرعة، فسوف تسقط النظرية النسبية. ولم يحدث هذا حتى الآن، رغم المحاولات العديدة لدحض الحظر على وجود سرعات أكبر منها مع. ومع ذلك، في دراسات تجريبيةفي الآونة الأخيرة، تم اكتشاف بعض الظواهر المثيرة للاهتمام للغاية، مما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا، من الممكن مراقبة السرعات الفائقة وفي نفس الوقت لا يتم انتهاك مبادئ النظرية النسبية.

في البداية، دعونا نتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء. أولا: لماذا يستحيل (في الظروف العادية) تجاوز حد الضوء؟ لأنه يتم انتهاك القانون الأساسي لعالمنا - قانون السببية، والذي بموجبه لا يمكن للنتيجة أن تسبق السبب. لم يلاحظ أحد من قبل، على سبيل المثال، أن الدب سقط ميتًا أولاً ثم أطلق الصياد النار. بسرعات تتجاوز مع، يصبح تسلسل الأحداث معكوسًا، ويعود الشريط الزمني إلى الوراء. من السهل التحقق من ذلك من خلال المنطق البسيط التالي.

لنفترض أننا على متن سفينة فضائية معجزة، تتحرك بسرعة أكبر من الضوء. ثم نلحق تدريجياً بالضوء المنبعث من المصدر في أوقات سابقة وأقدم. أولاً، سنلحق بالفوتونات المنبعثة، على سبيل المثال، بالأمس، ثم تلك المنبعثة أول من أمس، ثم أسبوع، أو شهر، أو عام مضى، وهكذا. ولو كان مصدر الضوء مرآة تعكس الحياة، لرأينا أولاً أحداث الأمس، ثم أول أمس، وهكذا. يمكننا أن نرى، على سبيل المثال، رجلاً عجوزاً يتحول تدريجياً إلى رجل في منتصف العمر، ثم إلى شاب، إلى شاب، إلى طفل... أي أن الزمن سيعود إلى الوراء، وننتقل من الحاضر إلى الحاضر. الماضي. ومن ثم فإن الأسباب والنتائج سوف تتغير الأماكن.

على الرغم من أن هذه المناقشة تتجاهل تمامًا التفاصيل الفنية لعملية مراقبة الضوء، إلا أنها من وجهة نظر أساسية توضح بوضوح أن الحركة بسرعات فائقة الضوء تؤدي إلى وضع مستحيل في عالمنا. ومع ذلك، فقد وضعت الطبيعة شروطًا أكثر صرامة: الحركة ليس فقط بسرعة فائقة السرعة لا يمكن تحقيقها، ولكن أيضًا بسرعة تساوي سرعة الضوء - لا يمكن الاقتراب منها إلا. ويترتب على النظرية النسبية أنه عندما تزداد سرعة الحركة، تنشأ ثلاثة ظروف: زيادة كتلة الجسم المتحرك، وتناقص حجمه في اتجاه الحركة، وتباطأ تدفق الزمن على هذا الجسم (من النقطة وجهة نظر مراقب خارجي "يستريح"). عند السرعات العادية، تكون هذه التغييرات ضئيلة، ولكن مع اقترابها من سرعة الضوء تصبح أكثر وضوحًا، وفي الحد الأقصى - عند سرعة تساوي مع- تصبح الكتلة كبيرة بلا حدود، ويفقد الجسم حجمه تمامًا في اتجاه الحركة ويتوقف الزمن عليه. ولذلك لا يمكن لأي جسم مادي أن يصل إلى سرعة الضوء. فقط الضوء نفسه لديه مثل هذه السرعة! (وأيضًا جسيم "شامل الاختراق" - النيوترينو، الذي، مثل الفوتون، لا يمكنه التحرك بسرعة أقل من مع.)

الآن عن سرعة نقل الإشارة. ومن المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات التي يجب نقلها. ممتاز موجه كهرومغناطيسية- هذا هو الجيوب الأنفية اللانهائية ذات تردد واحد بدقة، ولا يمكنه حمل أي معلومات، لأن كل فترة من هذا الجيوب الأنفية تكرر تمامًا الفترة السابقة. سرعة حركة مرحلة الموجة الجيبية - ما يسمى بسرعة الطور - يمكن في وسط تحت ظروف معينة أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. لا توجد قيود هنا، لأن سرعة الطور ليست سرعة الإشارة - فهي غير موجودة بعد. لإنشاء إشارة، تحتاج إلى إنشاء نوع من "العلامة" على الموجة. يمكن أن تكون هذه العلامة، على سبيل المثال، تغييرا في أي من معلمات الموجة - السعة أو التردد أو المرحلة الأولية. ولكن بمجرد وضع العلامة، تفقد الموجة جيبيتها. تصبح معدلة، وتتكون من مجموعة من الموجات الجيبية البسيطة ذات السعات والترددات المختلفة المراحل الأولية- مجموعات الموجات. السرعة التي تتحرك بها العلامة في الموجة المعدلة هي سرعة الإشارة. عند الانتشار في وسط ما، تتزامن هذه السرعة عادةً مع سرعة المجموعة التي تميز انتشار مجموعة الموجات المذكورة أعلاه ككل (انظر "العلم والحياة" رقم 2، 2000). في الظروف العادية، تكون سرعة المجموعة، وبالتالي سرعة الإشارة، أقل من سرعة الضوء في الفراغ. وليس من قبيل الصدفة أن يتم استخدام عبارة "في الظروف العادية" هنا، لأنه في بعض الحالات يمكن أن تتجاوز سرعة المجموعة معأو حتى تفقد معناها، ولكنها بعد ذلك لا تتعلق بانتشار الإشارة. تثبت محطة الخدمة أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من مع.

لماذا هو كذلك؟ لأن هناك عائق أمام إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من معيخدم نفس قانون السببية. دعونا نتخيل مثل هذا الموقف. في مرحلة ما، يقوم وميض الضوء (الحدث 1) بتشغيل جهاز يرسل إشارة راديو معينة، وفي نقطة بعيدة B، تحت تأثير إشارة الراديو هذه، يحدث انفجار (الحدث 2). ومن الواضح أن الحدث 1 (التوهج) هو السبب، والحدث 2 (الانفجار) هو النتيجة، التي حدثت بعد السبب. ولكن إذا انتشرت إشارة الراديو بسرعة فائقة، فإن المراقب بالقرب من النقطة B سيرى انفجارًا أولاً، وعندها فقط سيصل إليه بالسرعة معوميض من الضوء هو سبب الانفجار. بمعنى آخر، بالنسبة لهذا المراقب، كان الحدث 2 قد وقع قبل الحدث 1، أي أن التأثير كان سيسبق السبب.

ومن المناسب التأكيد على أن “الحظر الفائق للضوء” للنظرية النسبية يفرض فقط على الحركة الهيئات الماديةونقل الإشارة. في العديد من المواقف، تكون الحركة بأي سرعة ممكنة، لكن هذه لن تكون حركة الأشياء أو الإشارات المادية. على سبيل المثال، تخيل اثنين من المسطرين الطويلين إلى حد ما يقعان في نفس المستوى، أحدهما يقع أفقيا، والآخر يتقاطع معه بزاوية صغيرة. إذا تم تحريك المسطرة الأولى للأسفل (في الاتجاه المشار إليه بالسهم) بسرعة عالية، فيمكن جعل نقطة تقاطع المسطرتين تسير بالسرعة المطلوبة، لكن هذه النقطة ليست جسمًا ماديًا. مثال آخر: إذا أخذت مصباحًا يدويًا (أو، على سبيل المثال، ليزر ينتج شعاعًا ضيقًا) ووصفت بسرعة قوسًا في الهواء، إذن السرعة الخطيةسيزداد شعاع الضوء مع المسافة وسيتجاوز مسافة كبيرة بما فيه الكفاية مع.ستتحرك بقعة الضوء بين النقطتين A وB بسرعة فائقة السرعة، لكن هذا لن يكون بمثابة إرسال إشارة من A إلى B، لأن بقعة الضوء هذه لا تحمل أي معلومات حول النقطة A.

يبدو أن مسألة السرعات الفائقة للضوء قد تم حلها. لكن في ستينيات القرن العشرين، طرح علماء الفيزياء النظرية فرضية وجود جسيمات فائقة السطوع تسمى التاكيونات. هذه جسيمات غريبة جدًا: فهي ممكنة من الناحية النظرية، ولكن لتجنب التناقضات مع النظرية النسبية، كان لا بد من تخصيص كتلة سكون خيالية لها. فيزيائيا، الكتلة الخيالية غير موجودة، بل هي تجريد رياضي بحت. ومع ذلك، فإن هذا لم يسبب قلقا خاصا، لأن التاكيونات لا يمكن أن تكون في حالة راحة - فهي موجودة (إذا كانت موجودة!) فقط بسرعات تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ، وفي هذه الحالة تبين أن كتلة التاكيون حقيقية. هناك بعض التشابه هنا مع الفوتونات: الفوتون لديه كتلة سكون صفر، ولكن هذا يعني ببساطة أن الفوتون لا يمكن أن يكون في حالة سكون، ولا يمكن إيقاف الضوء.

وتبين أن أصعب شيء هو، كما هو متوقع، التوفيق بين فرضية تاكيون وقانون السببية. المحاولات التي بذلت في هذا الاتجاه، على الرغم من كونها بارعة للغاية، إلا أنها لم تؤد إلى نجاح واضح. لم يتمكن أحد من تسجيل التاكيونات تجريبيًا أيضًا. ونتيجة لذلك، الاهتمام بالتاكيونات باعتبارها فائقة السطوع الجسيمات الأوليةتلاشى تدريجيا.

ومع ذلك، في الستينيات، تم اكتشاف ظاهرة تجريبية، والتي أربكت الفيزيائيين في البداية. تم وصف ذلك بالتفصيل في مقال بقلم A. N. Oraevsky "موجات فائقة السطوع في وسائط التضخيم" (UFN No. 12، 1998). سنلخص هنا جوهر الأمر بإيجاز، ونحيل القارئ المهتم بالتفاصيل إلى المقالة المحددة.

بعد فترة وجيزة من اكتشاف الليزر - في أوائل الستينيات - ظهرت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية عالية الطاقة قصيرة (مدة حوالي 1 ns = 10 -9 s). وللقيام بذلك، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة عبر مضخم كمي بصري. تم تقسيم النبض إلى قسمين بواسطة مرآة تقسيم الشعاع. تم إرسال أحدهما، وهو أقوى، إلى مكبر الصوت، والآخر تم نشره في الهواء وكان بمثابة نبض مرجعي يمكن من خلاله مقارنة النبض الذي يمر عبر مكبر الصوت. وتم تغذية كلا النبضتين إلى أجهزة الكشف الضوئي، ويمكن ملاحظة إشارات الخرج الخاصة بهما بصريًا على شاشة راسم الذبذبات. وكان من المتوقع أن تشهد النبضة الضوئية المارة عبر المضخم بعض التأخير فيها مقارنة بالنبضة المرجعية، أي أن سرعة انتشار الضوء في المضخم ستكون أقل منها في الهواء. تخيل دهشة الباحثين عندما اكتشفوا أن النبض ينتشر عبر مكبر الصوت بسرعة ليست فقط أكبر من الهواء، ولكن أيضًا أعلى بعدة مرات من سرعة الضوء في الفراغ!

بعد أن تعافى من الصدمة الأولى، بدأ الفيزيائيون في البحث عن سبب هذه النتيجة غير المتوقعة. لم يكن لدى أحد أدنى شك في مبادئ النظرية النسبية الخاصة، وهذا ما ساعد في العثور على التفسير الصحيح: إذا تم الحفاظ على مبادئ SRT، فيجب البحث عن الإجابة في خصائص الوسط المضخم.

دون الخوض في التفاصيل هنا، سنشير فقط إلى أن التحليل التفصيلي لآلية عمل وسط التضخيم أوضح الوضع تمامًا. كانت النقطة عبارة عن تغير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - وهو التغيير الناجم عن التغير في كسب الوسط حتى قيمة سالبةأثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة، عندما يمتص الوسط الطاقة بالفعل، لأن احتياطيه الخاص قد تم استهلاكه بالفعل بسبب انتقاله إلى النبضة الضوئية. ولا يسبب الامتصاص زيادة في الدفعة بل إضعافها، وبالتالي تقوى الدفعة في الجزء الأمامي وتضعف في الجزء الخلفي. لنتخيل أننا نرصد نبضة باستخدام جهاز يتحرك بسرعة الضوء في وسط مكبر الصوت. إذا كان الوسط شفافا، فسنرى الدافع متجمدا في حالة من عدم الحركة. وفي البيئة التي تحدث فيها العملية المذكورة أعلاه، فإن تقوية الحافة الأمامية وضعف الحافة الخلفية للنبضة سوف يظهر للراصد بشكل يبدو وكأن الوسط هو الذي حرك النبضة إلى الأمام. لكن بما أن الجهاز (الراصد) يتحرك بسرعة الضوء، والنبضة تتفوق عليه، فإن سرعة النبضة تتجاوز سرعة الضوء! هذا هو التأثير الذي سجله المجربون. وهنا لا يوجد حقًا تناقض مع النظرية النسبية: إن عملية التضخيم هي ببساطة بحيث يتبين أن تركيز الفوتونات التي خرجت سابقًا أكبر من تلك التي خرجت لاحقًا. ليست الفوتونات هي التي تتحرك بسرعات فائقة السرعة، ولكن غلاف النبضة، ولا سيما الحد الأقصى لها، هو الذي يتم ملاحظته على مرسمة الذبذبات.

وهكذا، في حين أنه في الوسائط العادية يوجد دائمًا ضعف في الضوء وانخفاض في سرعته، والذي يحدده مؤشر الانكسار، في وسائط الليزر النشطة لا يوجد فقط تضخيم للضوء، ولكن أيضًا انتشار النبض بسرعة فائقة السرعة.

حاول بعض علماء الفيزياء أن يثبتوا تجريبيًا وجود حركة فائقة السطوع أثناء تأثير النفق، وهي إحدى الظواهر المدهشة في التاريخ. ميكانيكا الكم. يتمثل هذا التأثير في حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بتعبير أدق، الأجسام الدقيقة التي تظهر في ظروف مختلفة خصائص الجسيم وخصائص الموجة) قادرة على اختراق ما يسمى بالحاجز المحتمل - وهي ظاهرة غير موجودة تمامًا مستحيل في الميكانيكا الكلاسيكية (حيث يكون مثل هذا الموقف مشابهًا: فالكرة التي يتم رميها على الحائط ستنتهي على الجانب الآخر من الجدار، أو سيتم نقل الحركة الشبيهة بالموجة المنقولة إلى حبل مربوط بالجدار إلى حبل مربوط إلى الحائط من الجانب الآخر). جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم هو كما يلي. إذا صادف جسم دقيق له طاقة معينة في طريقه منطقة ذات طاقة وضع تزيد عن طاقة الجسم الصغير، فإن هذه المساحة تكون حاجزا له، ويتحدد ارتفاعها بفارق الطاقة. لكن الجسم الصغير "يتسرب" عبر الحاجز! تم منح هذه الإمكانية له من خلال علاقة عدم اليقين المعروفة لهايزنبرغ، والتي تم كتابتها للطاقة ووقت التفاعل. إذا حدث تفاعل جسم مجهري مع حاجز خلال فترة زمنية معينة إلى حد ما، فإن طاقة الجسم الدقيق، على العكس من ذلك، ستتسم بعدم اليقين، وإذا كان عدم اليقين هذا في حدود ارتفاع الحاجز، فإن هذا الأخير يتوقف عن أن يكون عقبة لا يمكن التغلب عليها أمام الكائن الصغير. أصبحت سرعة الاختراق عبر حاجز محتمل موضوع بحث لعدد من علماء الفيزياء، الذين يعتقدون أنه يمكن أن يتجاوز مع.

في يونيو 1998، عقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركة الفائقة في كولونيا، حيث تمت مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها في أربعة مختبرات - في بيركلي وفيينا وكولونيا وفلورنسا.

وأخيرا، في عام 2000، ظهرت تقارير عن تجربتين جديدتين ظهرت فيهما تأثيرات الانتشار الفائق للضوء. تم تنفيذ إحداها بواسطة ليجون وونغ وزملائه في معهد برينستون للأبحاث (الولايات المتحدة الأمريكية). والنتيجة هي أن دخول نبضة ضوئية إلى غرفة مملوءة ببخار السيزيوم يزيد من سرعتها بمقدار 300 مرة. اتضح أن الجزء الرئيسي من النبض خرج من الجدار البعيد للغرفة حتى قبل دخول النبض إلى الغرفة عبر الجدار الأمامي. هذا الوضع يتناقض ليس فقط الفطرة السليمةبل في جوهرها النظرية النسبية.

تسببت رسالة L. Wong في مناقشة مكثفة بين الفيزيائيين، ومعظمهم لم يميلوا إلى رؤية انتهاك لمبادئ النسبية في النتائج التي تم الحصول عليها. ويعتقدون أن التحدي يكمن في شرح هذه التجربة بشكل صحيح.

في تجربة L. Wong، كانت مدة نبضة الضوء التي تدخل الغرفة مع بخار السيزيوم حوالي 3 ميكروثانية. يمكن أن توجد ذرات السيزيوم في ستة عشر حالة ميكانيكية كمومية محتملة، تسمى "المستويات الفرعية المغناطيسية فائقة الدقة للحالة الأرضية". وباستخدام الضخ الضوئي بالليزر، تم جلب جميع الذرات تقريبًا إلى حالة واحدة فقط من هذه الحالات الستة عشر، وهو ما يتوافق مع درجة حرارة الصفر المطلق تقريبًا على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). وكان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ، ينتقل الضوء مسافة 6 سنتيمترات خلال 0.2 ns. كما أظهرت القياسات، مرت نبضة الضوء عبر الحجرة التي تحتوي على السيزيوم في وقت أقل بمقدار 62 ns مما كانت عليه في الفراغ. بمعنى آخر، الوقت الذي تستغرقه النبضة للمرور عبر وسط السيزيوم له علامة ناقص! في الواقع، إذا طرحنا 62 ns من 0.2 ns، نحصل على وقت "سلبي". هذا "التأخير السلبي" في الوسط - قفزة زمنية غير مفهومة - يساوي الوقت الذي تمر فيه النبضة 310 مرة عبر الحجرة في الفراغ. وكانت نتيجة هذا "الانعكاس الزمني" أن النبضة الخارجة من الحجرة تمكنت من التحرك بعيدًا عنها بمقدار 19 مترًا قبل أن تصل النبضة الواردة إلى الجدار القريب للغرفة. كيف يمكن تفسير مثل هذا الموقف المذهل (ما لم نشك بالطبع في نقاء التجربة)؟

إذا حكمنا من خلال المناقشة الجارية، لم يتم العثور على تفسير دقيق حتى الآن، ولكن ليس هناك شك في أن خصائص التشتت غير العادية للوسط تلعب دورًا هنا: بخار السيزيوم، الذي يتكون من ذرات مثارة بواسطة ضوء الليزر، هو وسط ذو تشتت غير طبيعي . دعونا نتذكر بإيجاز ما هو عليه.

تشتت المادة هو اعتماد على معامل انكسار الطور (العادي). نعلى الطول الموجي للضوء l. وفي حالة التشتت الطبيعي، يزداد معامل الانكسار مع تناقص الطول الموجي، وهذا هو الحال في الزجاج والماء والهواء وجميع المواد الأخرى الشفافة للضوء. في المواد التي تمتص الضوء بقوة، ينعكس مسار معامل الانكسار مع تغير الطول الموجي ويصبح أكثر حدة: مع انخفاض l (زيادة التردد w)، ينخفض ​​معامل الانكسار بشكل حاد ويصبح أقل من الوحدة في منطقة معينة من الطول الموجي (سرعة المرحلة الخامسو> مع). هذا هو التشتت الشاذ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في المادة بشكل جذري. سرعة المجموعة الخامستصبح gr أكبر من سرعة الطور للموجات ويمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ (وتصبح سلبية أيضًا). يشير L. Wong إلى هذا الظرف باعتباره السبب الكامن وراء إمكانية تفسير نتائج تجربته. ولكن تجدر الإشارة إلى أن الشرط الخامسغرام > معهو شكلي بحت، حيث تم تقديم مفهوم سرعة المجموعة لحالة التشتت الصغير (العادي)، للوسائط الشفافة، عندما لا تغير مجموعة من الموجات شكلها تقريبًا أثناء الانتشار. في مناطق التشتت الشاذ، يتشوه نبض الضوء بسرعة ويفقد مفهوم السرعة الجماعية معناه؛ في هذه الحالة، يتم تقديم مفاهيم سرعة الإشارة وسرعة انتشار الطاقة، والتي تتزامن في الوسائط الشفافة مع سرعة المجموعة، وفي الوسائط ذات الامتصاص تظل أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ولكن هذا هو الشيء المثير للاهتمام في تجربة وونغ: نبضة الضوء، التي تمر عبر وسط ذي تشتت غير طبيعي، لا تتشوه، بل تحتفظ بشكلها تمامًا! وهذا يتوافق مع الافتراض القائل بأن الدفعة تنتشر بسرعة جماعية. لكن إذا كان الأمر كذلك، فيتبين أنه لا يوجد امتصاص في الوسط، على الرغم من أن التشتت الشاذ للوسط يرجع بالتحديد إلى الامتصاص! وونج نفسه، رغم اعترافه بأن الكثير لا يزال غير واضح، يعتقد أن ما يحدث في إعداده التجريبي يمكن تفسيره بوضوح، للوهلة الأولى، على النحو التالي.

تتكون نبضة الضوء من العديد من المكونات ذات الأطوال الموجية (الترددات) المختلفة. ويبين الشكل ثلاثة من هذه المكونات (الموجات 1-3). عند نقطة ما، تكون الموجات الثلاث في الطور (تتطابق الحدود القصوى لها)؛ هنا، يضيفون، يعززون بعضهم البعض ويشكلون دفعة. ومع انتشارها في الفضاء، تصبح الموجات متوقفة وبالتالي "يلغي" بعضها البعض.

وفي منطقة التشتت الشاذ (داخل خلية السيزيوم)، تصبح الموجة الأقصر (الموجة 1) أطول. وعلى العكس من ذلك، فإن الموجة التي كانت الأطول بين الموجات الثلاثة (الموجة 3) تصبح الأقصر.

وبالتالي تتغير أطوار الموجات تبعا لذلك. وبمجرد مرور الموجات عبر خلية السيزيوم، يتم استعادة مقدماتها الموجية. بعد أن خضعت لتعديل طور غير عادي في مادة ذات تشتت غير طبيعي، فإن الموجات الثلاث المعنية تجد نفسها مرة أخرى في طور في مرحلة ما. هنا تتجمع مرة أخرى وتشكل نبضة بنفس الشكل تمامًا مثل تلك التي تدخل وسط السيزيوم.

عادة في الهواء، وفي الواقع في أي وسط شفاف ذي تشتت عادي، لا يمكن لنبضة الضوء أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار على مسافة بعيدة، أي أنه لا يمكن أن يتم تنفيذ جميع مكوناتها على مراحل عند أي نقطة بعيدة على طول مسار الانتشار. وفي الظروف العادية، تظهر نبضة خفيفة في هذه النقطة البعيدة بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك، نظرا للخصائص الشاذة للوسيط المستخدم في التجربة، فقد تبين أن النبض عند نقطة نائية يتم مراحله بنفس الطريقة عند دخول هذه الوسيلة. وهكذا فإن النبضة الضوئية تتصرف كما لو أن لها تأخيراً زمنياً سالباً في طريقها إلى نقطة بعيدة، أي أنها ستصل إليها ليس متأخراً، بل أبكر من مرورها عبر الوسط!

يميل معظم الفيزيائيين إلى ربط هذه النتيجة بظهور مادة أولية منخفضة الشدة في الوسط المشتت للغرفة. والحقيقة هي أنه أثناء التحلل الطيفي للنبضة، يحتوي الطيف على مكونات ذات ترددات عالية بشكل تعسفي ذات سعة صغيرة لا تذكر، ما يسمى بالسلائف، التي تسبق "الجزء الرئيسي" من النبضة. تعتمد طبيعة النشأة وشكل المادة الأولية على قانون التشتت في الوسط. ومع أخذ ذلك في الاعتبار، يُقترح تفسير تسلسل الأحداث في تجربة وونغ على النحو التالي. الموجة القادمة، "تمتد" النذير أمامها، تقترب من الكاميرا. وقبل أن تضرب ذروة الموجة الواردة الجدار القريب من الحجرة، يبدأ ظهور نبضة في الحجرة، تصل إلى الجدار البعيد وتنعكس عنه، لتشكل "موجة عكسية". هذه الموجة تنتشر أسرع 300 مرة مع، يصل إلى الجدار القريب ويلتقي بالموجة القادمة. تلتقي قمم إحدى الموجات مع قيعان موجة أخرى، بحيث تدمر بعضها البعض، ونتيجة لذلك لا يتبقى شيء. وتبين أن الموجة الواردة "تسدد الدين" لذرات السيزيوم، التي "أعطتها" الطاقة في الطرف الآخر من الغرفة. أي شخص شاهد فقط بداية التجربة ونهايتها لن يرى سوى نبضة من الضوء "تقفز" للأمام في الوقت المناسب، وتتحرك بشكل أسرع مع.

يعتقد L. Wong أن تجربته لا تتفق مع النظرية النسبية. ويعتقد أن القول بعدم إمكانية الوصول إلى السرعة الفائقة للضوء ينطبق فقط على الأجسام ذات الكتلة الساكنة. ويمكن تمثيل الضوء إما على شكل موجات، والتي لا ينطبق عليها مفهوم الكتلة بشكل عام، أو على شكل فوتونات لها كتلة ساكنة، كما هو معروف، تساوي الصفر. ولذلك فإن سرعة الضوء في الفراغ، بحسب وونغ، ليست هي الحد الأقصى. ومع ذلك، يعترف وونغ بأن التأثير الذي اكتشفه لا يجعل من الممكن نقل المعلومات بسرعة أكبر من مع.

يقول بي ميلوني، عالم الفيزياء في مختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة: "المعلومات هنا موجودة بالفعل في الحافة الأمامية للنبضة. ويمكن أن تعطي الانطباع بإرسال المعلومات بشكل أسرع من الضوء، حتى عندما لا يرسلونها."

يعتقد معظم علماء الفيزياء ذلك عمل جديدلا يوجه ضربة ساحقة للمبادئ الأساسية. لكن ليس كل الفيزيائيين يعتقدون أن المشكلة قد تم حلها. البروفيسور أ. رانفاني من الإيطالي مجموعة بحثالذي أجرى تجربة أخرى مثيرة للاهتمام في عام 2000، يعتقد أن السؤال لا يزال مفتوحا. اكتشفت هذه التجربة، التي أجراها دانيال موغناي وأنيديو رانفاني وروكو روجيري، أن موجات الراديو ذات الموجات السنتيمترية في الهواء العادي تنتقل بسرعات تتجاوز معبنسبة 25%.

لتلخيص، يمكننا أن نقول ما يلي. يعمل السنوات الأخيرةأظهر أنه في ظل ظروف معينة يمكن أن تحدث سرعة فائقة السرعة بالفعل. ولكن ما الذي يتحرك بالضبط بسرعات فائقة السرعة؟ النظرية النسبية، كما ذكرنا سابقًا، تحظر مثل هذه السرعة بالنسبة للأجسام المادية والإشارات التي تحمل المعلومات. ومع ذلك، فإن بعض الباحثين يحاولون باستمرار إثبات التغلب على حاجز الضوء المخصص للإشارات. والسبب في ذلك يكمن في حقيقة أن النظرية النسبية الخاصة ليس لها مبرر رياضي صارم (يعتمد، على سبيل المثال، على معادلات ماكسويل لـ حقل كهرومغناطيسي) استحالة إرسال الإشارات بسرعة أكبر من مع. يمكن للمرء أن يقول أن مثل هذه الاستحالة في STR تم إثباتها بطريقة حسابية بحتة، استنادًا إلى صيغة أينشتاين لإضافة السرعات، ولكن هذا ما يؤكده بشكل أساسي مبدأ السببية. أينشتاين نفسه، بالنظر إلى مسألة نقل الإشارة الفائقة، كتب أنه في هذه الحالة "... نحن مضطرون إلى النظر في إمكانية وجود آلية لنقل الإشارة، حيث يسبق الفعل المحقق السبب. ولكن، على الرغم من أن هذا ينتج عن نقطة منطقية بحتة وجهة النظر لا تحتوي على نفسها، في رأيي، لا توجد تناقضات، ومع ذلك فهي تتناقض مع طبيعة تجربتنا بأكملها لدرجة أن استحالة الافتراض الخامس > قيبدو أنه مثبت بما فيه الكفاية." إن مبدأ السببية هو حجر الزاوية الذي يكمن وراء استحالة نقل الإشارات فائقة السطوع. وعلى ما يبدو، فإن جميع عمليات البحث عن إشارات فائقة السطوع دون استثناء سوف تتعثر حول هذا الحجر، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات. إشارات، فهذه هي طبيعة عالمنا.

في الختام، يجب التأكيد على أن كل ما سبق ينطبق على وجه التحديد على عالمنا، إلى عالمنا. تم إنشاء هذا الشرط بسبب مؤخرافي الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، تظهر فرضيات جديدة تسمح بوجود العديد من الأكوان المخفية عنا والمتصلة بأنفاق طوبولوجية - قافزات. وجهة النظر هذه مشتركة، على سبيل المثال، عالم الفيزياء الفلكية الشهير N. S. كارداشيف. بالنسبة للمراقب الخارجي، تتم الإشارة إلى مداخل هذه الأنفاق بواسطة مجالات الجاذبية الشاذة، مثل الثقوب السوداء. إن التحركات في مثل هذه الأنفاق، كما يقترح واضعو الفرضيات، ستمكن من تجاوز الحد الأقصى للسرعة الذي تفرضه سرعة الضوء في الفضاء العادي، وبالتالي تحقيق فكرة إنشاء آلة الزمن. .. من الممكن أن تحدث أشياء غير عادية في مثل هذه الأكوان بالفعل. وعلى الرغم من أن مثل هذه الفرضيات تذكرنا الآن بقصص الخيال العلمي، إلا أنه لا ينبغي للمرء أن يرفض بشكل قاطع الاحتمال الأساسي لنموذج متعدد العناصر لبنية العالم المادي. والشيء الآخر هو أن كل هذه الأكوان الأخرى ستبقى على الأرجح نقية الانشاءات الرياضيةعلماء الفيزياء النظرية الذين يعيشون في عالمنا، وبقوة أفكارهم، يحاولون العثور على عوالم مغلقة أمامنا...

راجع الموضوع في نفس الموضوع

سرعة الضوء هي كمية القياس الأكثر غرابة المعروفة حتى الآن. أول من حاول تفسير ظاهرة انتشار الضوء هو ألبرت أينشتاين. كان هو الذي توصل إلى الصيغة المعروفة ه = مولودية² ، أين ههي الطاقة الإجمالية للجسم، م- الكتلة و ج- سرعة الضوء في الفراغ .

نُشرت الصيغة لأول مرة في مجلة Annalen der Physik في عام 1905. وفي نفس الوقت تقريبًا، طرح أينشتاين نظرية حول ما يمكن أن يحدث لجسم يتحرك بسرعة مطلقة. واستنادا إلى حقيقة أن سرعة الضوء هي كمية ثابتة، فقد توصل إلى استنتاج مفاده أن المكان والزمان يجب أن يتغيرا.

وهكذا، عند سرعة الضوء، سوف يتقلص الجسم إلى ما لا نهاية، وستزداد كتلته إلى ما لا نهاية، وسيتوقف الزمن عمليا.

في عام 1977، كان من الممكن حساب سرعة الضوء، وكان الرقم 299,792,458 ± 1.2 متر في الثانية. ولإجراء حسابات أكثر تقريبية، يُفترض دائمًا أن القيمة تبلغ 300000 كم/ثانية. ومن هذه القيمة ترتكز جميع الأبعاد الكونية الأخرى. هكذا يكون المفهوم" سنة ضوئية" و"الفرسخ الفلكي" (3.26 سنة ضوئية).

من المستحيل التحرك بسرعة الضوء، ناهيك عن التغلب عليها. على الأقل في هذه المرحلة من التطور البشري. ومن ناحية أخرى، يحاول كتاب الخيال العلمي حل هذه المشكلة على صفحات رواياتهم منذ حوالي 100 عام. ربما يصبح الخيال العلمي يومًا ما حقيقة، لأنه في القرن التاسع عشر، تنبأ جول فيرن بظهور المروحية والطائرة والكرسي الكهربائي، وكان حينها خيالًا علميًا خالصًا!

قبل وقت طويل من قيام العلماء بقياس سرعة الضوء، كان عليهم أن يعملوا بجد لتحديد مفهوم "الضوء". وكان أرسطو من أوائل من فكروا في هذا الأمر، حيث اعتبر الضوء نوعًا من المواد المتحركة المنتشرة في الفضاء. أصر زميله الروماني القديم وتابعه لوكريتيوس كاروس على التركيب الذري للضوء.

ل القرن السابع عشرتم تشكيل نظريتين رئيسيتين لطبيعة الضوء - الجسيمية والموجة. وكان نيوتن من أتباع الأول. في رأيه، جميع مصادر الضوء تنبعث منها جزيئات صغيرة. أثناء "الرحلة" تشكل خطوطًا مضيئة - أشعة. وأصر خصمه العالم الهولندي كريستيان هويجنز على أن الضوء هو نوع من الحركة الموجية.

نتيجة للنزاعات المستمرة منذ قرون، توصل العلماء إلى توافق في الآراء: كلتا النظريتين لهما الحق في الحياة، والضوء هو طيف من الموجات الكهرومغناطيسية المرئية للعين.

قليلا من التاريخ. كيف تم قياس سرعة الضوء؟

كان معظم العلماء القدماء مقتنعين بأن سرعة الضوء لا نهائية. ومع ذلك، فإن نتائج البحث التي أجراها غاليليو وهوك سمحت بطبيعتها المتطرفة، وهو ما أكده بوضوح في القرن السابع عشر عالم الفلك والرياضيات الدنماركي المتميز أولاف رومر.

قام بقياساته الأولى من خلال مراقبة كسوف آيو، القمر الصناعي لكوكب المشتري، في الوقت الذي كان فيه كوكب المشتري والأرض يقعان على جانبين متقابلين بالنسبة للشمس. سجل رومر أنه عندما تبتعد الأرض عن المشتري مسافة تساوي قطر مدار الأرض، يتغير وقت التأخير. وكانت القيمة القصوى 22 دقيقة. ونتيجة للحسابات، حصل على سرعة 220 ألف كيلومتر في الثانية.

وبعد مرور 50 عامًا، في عام 1728، وبفضل اكتشاف الانحراف، قام عالم الفلك الإنجليزي ج. برادلي "بتحسين" هذا الرقم إلى 308000 كيلومتر في الثانية. وفي وقت لاحق، تم قياس سرعة الضوء من قبل علماء الفيزياء الفلكية الفرنسيين فرانسوا أرغوت وليون فوكو، وحصلوا على ناتج قدره 298000 كم / ثانية. تم اقتراح تقنية قياس أكثر دقة من قبل مبتكر مقياس التداخل، الفيزيائي الأمريكي الشهير ألبرت ميشيلسون.

تجربة مايكلسون لتحديد سرعة الضوء

استمرت التجارب من عام 1924 إلى عام 1927 وتألفت من 5 سلاسل من الملاحظات. وكان جوهر التجربة على النحو التالي. تم تركيب مصدر للضوء ومرآة ومنشور مثمن دوار على جبل ويلسون في محيط لوس أنجلوس، وتم تركيب مرآة عاكسة بعد 35 كم على جبل سان أنطونيو. أولاً، ضرب الضوء من خلال عدسة وشق منشورًا يدور بدوار عالي السرعة (بسرعة 528 دورة في الثانية).

تمكن المشاركون في التجارب من ضبط سرعة الدوران بحيث تكون صورة مصدر الضوء مرئية بوضوح في العدسة. وبما أن المسافة بين القمم وتردد الدوران كانت معروفة، فقد حدد ميكلسون سرعة الضوء وهي 299.796 كم/ثانية.

قرر العلماء أخيرًا تحديد سرعة الضوء في النصف الثاني من القرن العشرين، عندما تم إنشاء أجهزة الليزر والليزر، التي تتميز بأعلى استقرار لتردد الإشعاع. ومع بداية السبعينيات، انخفض الخطأ في القياسات إلى 1 كم/ثانية. ونتيجة لذلك، وبناء على توصية المؤتمر العام الخامس عشر للأوزان والمقاييس، المنعقد عام 1975، تقرر افتراض أن سرعة الضوء في الفراغ تساوي الآن 299792.458 كم/ثانية.

هل يمكن تحقيق سرعة الضوء بالنسبة لنا؟

من الواضح أن استكشاف الزوايا البعيدة للكون لا يمكن تصوره دون أن تطير السفن الفضائية بسرعة هائلة. ويفضل أن يكون بسرعة الضوء. ولكن هل هذا ممكن؟

سرعة حاجز الضوء هي إحدى نتائج النظرية النسبية. كما تعلمون، زيادة السرعة تتطلب زيادة الطاقة. تتطلب سرعة الضوء طاقة لا نهائية تقريبًا.

للأسف، قوانين الفيزياء تتعارض بشكل قاطع مع هذا. بسرعة سفينة فضائيةوبسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية، تتحول الجزيئات المتطايرة نحوه، مثل ذرات الهيدروجين، إلى مصدر قاتل لإشعاع قوي يعادل 10 آلاف سيفرت في الثانية. وهذا يشبه تقريبًا وجودك داخل مصادم الهادرونات الكبير.

ووفقا للعلماء في جامعة جونز هوبكنز، لا توجد حماية كافية في الطبيعة من مثل هذا الإشعاع الكوني الوحشي. سيكتمل تدمير السفينة بالتآكل الناتج عن تأثيرات الغبار بين النجوم.

مشكلة أخرى تتعلق بسرعة الضوء هي تمدد الزمن. الشيخوخة سوف تصبح أطول من ذلك بكثير. كما سيتم تشويه المجال البصري، ونتيجة لذلك سيمر مسار السفينة كما لو كانت داخل نفق، وفي نهايته سيرى الطاقم وميضًا ساطعًا. خلف السفينة سيكون هناك ظلام دامس.

لذا، في المستقبل القريب، سيتعين على البشرية أن تحدد سرعتها "الشهية" بـ 10% من سرعة الضوء. وهذا يعني أن الطيران إلى أقرب نجم إلى الأرض، بروكسيما سنتوري (Proxima Centauri) سيستغرق حوالي 40 عامًا (4.22 سنة ضوئية).

(بما في ذلك الضوء)؛ أحد الصناديق بدني دائم؛ يمثل السرعة القصوى لانتشار أي جسم مادي. التأثيرات (انظر النظرية النسبية) وهو ثابت عند الانتقال من نظام مرجعي إلى آخر.

س.س. في البيئة مع"يعتمد على معامل الانكسار n للوسط، والذي يختلف باختلاف الترددات v ( تشتت الضوء):. وهذا الاعتماد يؤدي إلى الاختلاف سرعة المجموعةمن سرعة المرحلةالضوء في البيئة، إذا كنا لا نتحدث عن أحادية اللون. الضوء (بالنسبة للإشعاع الشمسي في الفراغ، تتطابق هاتان الكميتان). عن طريق تحديد تجريبيا مع"، قم دائمًا بقياس المجموعة S. s. أو ما يسمى سرعة الإشارة، أو معدل نقل الطاقة، فقط في حالات خاصة معينة. حالات لا تساوي المجموعة الأولى.

لأول مرة س. تم تحديده في عام 1676 بواسطة O. Ch. Roemer من خلال التغير في الفواصل الزمنية بين كسوفات أقمار المشتري الصناعية. في عام 1728، أنشأها ج. برادلي، بناءً على ملاحظاته حول انحراف ضوء النجوم. في عام 1849، كان A.I.L. Fizeau أول من قام بقياس S. s. بحلول الوقت الذي يستغرقه الضوء ليقطع مسافة معروفة بدقة (القاعدة)؛ وبما أن معامل انكسار الهواء يختلف قليلاً عن 1، فإن القياسات الأرضية تعطي قيمة قريبة جدًا من c. في تجربة فيزو، شعاع الضوء من مصدر س(الشكل 1)، تنعكس بواسطة مرآة شفافة ن، ينقطع بشكل دوري بواسطة قرص مسنن دوار دبليو، مرت القاعدة مينيسوتا(حوالي 8 كم) ن، منعكسة من المرآة م، عاد إلى القرص. عندما يضرب الضوء السن لا يصل إلى الراصد، ويمكن ملاحظة الضوء الذي يسقط بين الأسنان من خلال العدسة العينية ه. واستنادًا إلى السرعات المعروفة لدوران القرص، تم تحديد الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال عبر القاعدة. حصل فيزو على القيمة c = 313300 كم/ث، وفي عام 1862، نفذ جي بي إل فوكو الفكرة التي عبر عنها د.أراغو عام 1838، باستخدام مرآة سريعة الدوران (512 دورة في الدقيقة) بدلاً من القرص المسنن. ينعكس شعاع الضوء من المرآة، وتم توجيهه إلى القاعدة وعند عودته مرة أخرى سقط على نفس المرآة، والتي تمكنت من الدوران بزاوية صغيرة معينة (الشكل 2). بقاعدة يبلغ طولها 20 مترًا فقط، وجد فوكو أن S. s. تساوي 298000500 كم/ث. المخططات والأساسيات تم استخدام أفكار تجارب فيزو وفوكو بشكل متكرر في الأعمال اللاحقة حول تعريف S. s. حصل عليها أ. ميشيلسون (انظر. تجربة ميشيلسون) في عام 1926، كانت قيمة الكيلومتر/الثانية هي الأكثر دقة وتم تضمينها في القيمة الدولية. الجداول المادية كميات

أرز. 1. تحديد سرعة الضوء بطريقة فيزو.

أرز. 2. تحديد سرعة الضوء بطريقة المرآة الدوارة (طريقة فوكو): S - مصدر الضوء؛ R - مرآة تدور بسرعة؛ C عبارة عن مرآة مقعرة ثابتة، يتزامن مركزها مع محور الدوران R (وبالتالي، فإن الضوء المنعكس بواسطة C يقع دائمًا على R)؛ مرآة شفافة M؛ لام - عدسة ه - العدسة. RC - المسافة المقاسة بدقة (القاعدة). يوضح الخط المنقط الموضع R، الذي تغير أثناء مرور الضوء بالمسار RC والعودة، والمسار العكسي لشعاع الأشعة عبر العدسة L، الذي يجمع الشعاع المنعكس عند النقطة S"، وليس مرة أخرى عند النقطة S، كما هو الحال مع المرآة الثابتة L. يتم ضبط مصابيح السرعة عن طريق قياس الإزاحة SS".

قياسات S. s. في القرن 19 لعبت دورًا كبيرًا في تأكيد النظرية الموجية للضوء. مقارنة بين S. s. أجراها فوكو عام 1850. أظهر نفس التردد v في الهواء والماء أن السرعة في الماء متوافقة مع التنبؤ نظرية الموجة. تم أيضًا إنشاء علاقة بين البصريات ونظرية الكهرومغناطيسية: تم قياسها بواسطة S. s. تزامنت مع سرعة المجن. الموجات المحسوبة من النسبة المغناطيسية. والثابت. وحدات الكهرباء تهمة [تجارب W. Weber وF. Kohlrausch في عام 1856 والقياسات اللاحقة الأكثر دقة التي أجراها J. C. Maxwell]. كانت هذه المصادفة إحدى نقاط البداية لإنشاء المغناطيس الكهربائي على يد ماكسويل في الفترة من 1864 إلى 1873. نظريات الضوء.

في الحديث قياسات S. s. يتم استخدام الحديثة. طريقة Fizeau (طريقة التعديل) مع استبدال العجلة المسننة بجهاز كهربائي بصري أو . أو تداخل أو غيره. مُعدِّل ضوئي آخر يقاطع شعاع الضوء أو يضعفه تمامًا (انظر تعديل الضوءمستقبل الإشعاع عبارة عن خلية ضوئية أو أنبوب المضاعف الضوئي.طلب الليزركمصدر للضوء، المغير بالموجات فوق الصوتية مع استقرار. التردد وزيادة دقة قياس طول القاعدة جعل من الممكن تقليل أخطاء القياس والحصول على قيمة كم/ثانية. بالإضافة إلى القياسات المباشرة لـ S. s. واستنادا إلى وقت مرور قاعدة معروفة، يتم استخدام الطرق غير المباشرة على نطاق واسع، مما يعطي دقة أكبر. لذا، استخدم المكانس الكهربائية التي تعمل بالميكروويف. [ل. Froome (K. Froome), 1958] عند طول موجة إشعاع = 4 سم، تم الحصول على القيمة km/s. S. s. يتم تحديده بخطأ أصغر. كحاصل تقسيم العناصر الذرية أو الجزيئية الموجودة بشكل مستقل والخامس الخطوط الطيفية. إيفنسون وزملاؤه في عام 1972 بشأن معيار تردد السيزيوم (انظر معايير التردد الكمي) وجد تردد إشعاع ليزر CH 4 بدقة تصل إلى الرقم الحادي عشر، وباستخدام معيار تردد الكريبتون - الطول الموجي (حوالي 3.39 ميكرومتر) وحصل على ± 0.8 م/ث. بقرار الجمعية العامة للجنة الدولية للبيانات العددية للعلوم والتكنولوجيا - KODATA (1973)، التي قامت بتحليل جميع البيانات المتاحة وموثوقيتها وخطأها، S. p. في الفراغ يعتبر مساوياً لـ 299792458 ±1.2 م/ث.

يعد القياس الأكثر دقة لـ c أمرًا في غاية الأهمية ليس فقط في الأمور النظرية العامة. خطة وتحديد القيمة المادية الأخرى. الكميات، ولكن أيضًا لأغراض عملية. الأهداف. وتشمل هذه، على وجه الخصوص، تحديد المسافات بناءً على زمن انتقال إشارات الراديو أو الضوء رادار، مدى بصري، مدى ضوئي، في أنظمة التتبع عبر الأقمار الصناعية، وما إلى ذلك.

أشعل.:فافيادي في جي، بوبوف يو في، سرعة الضوءوأهميتها في مجال العلوم والتكنولوجيا، مينسك، 1970؛ تايلور دبليو، باركر دبليو، لانجنبيرج د، الثوابت الأساسية والكم، ترانس. من الإنجليزية، م، 1972. صباحا بونش برويفيتش.