قرن نوزدهم شاهد چندین آزمایش علمی بود که منجر به کشف تعدادی از پدیده های جدید شد. از جمله این پدیده ها می توان به کشف هانس ارستد در مورد تولید القای مغناطیسی توسط جریان الکتریکی اشاره کرد. بعدها، مایکل فارادی اثر معکوس را کشف کرد که القای الکترومغناطیسی نامیده شد.

معادلات جیمز ماکسول - ماهیت الکترومغناطیسی نور

در نتیجه این اکتشافات، به اصطلاح "برهم کنش از راه دور" مورد توجه قرار گرفت که نتیجه آن نظریه جدید الکترومغناطیس است که توسط ویلهلم وبر فرموله شد، که بر اساس کنش دوربرد بود. بعدها ماکسول مفهوم میدان های الکتریکی و مغناطیسی را تعریف کرد که قادر به تولید یکدیگر هستند که یک موج الکترومغناطیسی است. متعاقباً، ماکسول از به اصطلاح "ثابت الکترومغناطیسی" در معادلات خود استفاده کرد - با.

در آن زمان، دانشمندان قبلاً به این واقعیت نزدیک شده بودند که نور ماهیت الکترومغناطیسی دارد. معنای فیزیکی ثابت الکترومغناطیسی سرعت انتشار تحریکات الکترومغناطیسی است. در کمال تعجب خود جیمز ماکسول، مقدار اندازه‌گیری شده این ثابت در آزمایش‌ها با بارهای واحد و جریان برابر با سرعت نور در خلاء بود.

قبل از این کشف، بشریت نور، الکتریسیته و مغناطیس را از هم جدا کرد. تعمیم ماکسول به ما اجازه داد تا نگاه جدیدی به ماهیت نور داشته باشیم، به عنوان قطعه خاصی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی که به طور مستقل در فضا منتشر می شود.

شکل زیر نموداری از انتشار یک موج الکترومغناطیسی را نشان می دهد که آن هم نور است. در اینجا H بردار شدت میدان مغناطیسی است، E بردار شدت میدان الکتریکی است. هر دو بردار بر یکدیگر و همچنین بر جهت انتشار موج عمود هستند.

آزمایش مایکلسون - مطلق بودن سرعت نور

فیزیک آن زمان تا حد زیادی بر اساس اصل نسبیت گالیله بنا شده بود که طبق آن قوانین مکانیک در هر چارچوب مرجع اینرسی انتخاب شده یکسان به نظر می رسند. در عین حال، با توجه به اضافه شدن سرعت ها، سرعت انتشار باید به سرعت منبع بستگی داشته باشد. با این حال، در این مورد، موج الکترومغناطیسی بسته به انتخاب چارچوب مرجع، رفتار متفاوتی خواهد داشت، که اصل نسبیت گالیله را نقض می کند. بنابراین، نظریه به ظاهر خوب شکل گرفته ماکسول در وضعیت متزلزلی قرار داشت.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که سرعت نور واقعاً به سرعت منبع بستگی ندارد، به این معنی که نظریه‌ای لازم است که بتواند چنین واقعیت عجیبی را توضیح دهد. بهترین نظریه در آن زمان نظریه "اتر" بود - رسانه خاصی که در آن نور منتشر می شود، همانطور که صدا در هوا منتشر می شود. سپس سرعت نور نه با سرعت حرکت منبع، بلکه با ویژگی های خود محیط - اتر تعیین می شود.

آزمایش های زیادی برای کشف اتر انجام شده است که معروف ترین آنها آزمایش آلبرت مایکلسون فیزیکدان آمریکایی است. به طور خلاصه، مشخص است که زمین در فضای بیرونی حرکت می کند. پس منطقی است که فرض کنیم از طریق اتر نیز حرکت می کند، زیرا پیوستن کامل اتر به زمین نه تنها بالاترین درجه خودگرایی است، بلکه به سادگی نمی تواند توسط هیچ چیز ایجاد شود. اگر زمین در محیط خاصی حرکت کند که نور در آن منتشر می شود، منطقی است که فرض کنیم سرعت ها در اینجا اتفاق می افتد. یعنی انتشار نور باید به جهت حرکت زمین که از اتر می گذرد بستگی داشته باشد. مایکلسون در نتیجه آزمایشات خود هیچ تفاوتی بین سرعت انتشار نور در هر دو جهت از زمین کشف نکرد.

فیزیکدان هلندی هندریک لورنتس سعی کرد این مشکل را حل کند. بر اساس فرض او، "باد اثیری" اجسام را به گونه ای تحت تاثیر قرار می دهد که اندازه آنها را در جهت حرکت خود کاهش می دهند. بر اساس این فرض، هم زمین و هم دستگاه مایکلسون این انقباض لورنتس را تجربه کردند، در نتیجه آلبرت مایکلسون سرعت یکسانی را برای انتشار نور در هر دو جهت به دست آورد. و اگرچه لورنتز در به تأخیر انداختن مرگ نظریه اتر تا حدودی موفق بود، دانشمندان هنوز احساس می کردند که این نظریه "دور از ذهن" است. بنابراین، قرار بود اتر دارای تعدادی ویژگی "افسانه ای" باشد، از جمله بی وزنی و عدم مقاومت در برابر اجسام متحرک.

پایان تاریخ اتر در سال 1905 با انتشار مقاله "در مورد الکترودینامیک اجسام متحرک" توسط آلبرت انیشتین که در آن زمان کمتر شناخته شده بود، به پایان رسید.

نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین

آلبرت انیشتین بیست و شش ساله دیدگاهی کاملاً جدید و متفاوت در مورد ماهیت فضا و زمان بیان کرد که برخلاف ایده های آن زمان بود و به ویژه اصل نسبیت گالیله را به شدت نقض می کرد. به گفته انیشتین، آزمایش مایکلسون به این دلیل که فضا و زمان دارای چنان ویژگی هایی هستند که سرعت نور یک مقدار مطلق است، نتایج مثبتی به دست نیاورد. یعنی صرف نظر از اینکه ناظر در چه چارچوب مرجعی قرار دارد، سرعت نور نسبت به او همیشه یکسان است، 300000 کیلومتر بر ثانیه. از این رو عدم امکان اضافه کردن سرعت نسبت به نور به وجود آمد - مهم نیست منبع نور چقدر سریع حرکت می کند، سرعت نور تغییر نمی کند (افزودن یا تفریق).

انیشتین از انقباض لورنتس برای توصیف تغییرات در پارامترهای اجسامی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند استفاده کرد. بنابراین، برای مثال، طول چنین اجسامی کاهش می یابد و زمان خود آنها کاهش می یابد. ضریب چنین تغییراتی را عامل لورنتس می نامند. فرمول معروف اینشتین E=mc 2در واقع شامل عامل لورنتس نیز می شود ( E= ymc 2) که به طور کلی برابر با وحدت در حالتی است که سرعت بدن vبرابر با صفر با نزدیک شدن به سرعت بدن vبه سرعت نور جفاکتور لورنتس yبه سوی بی نهایت می شتابد از این نتیجه می شود که برای شتاب دادن به یک جسم به سرعت نور، انرژی بی نهایت مورد نیاز است و بنابراین عبور از این محدودیت سرعت غیرممکن است.

همچنین استدلالی به نفع این گزاره وجود دارد به نام «نسبیت همزمانی».

پارادوکس نسبیت همزمانی SRT

به طور خلاصه، پدیده نسبیت همزمانی این است که ساعت‌هایی که در نقاط مختلف فضا قرار دارند، تنها در صورتی می‌توانند «در یک زمان» کار کنند که در یک چارچوب مرجع اینرسی باشند. یعنی زمان روی ساعت به انتخاب سیستم مرجع بستگی دارد.

از این پارادوکس ناشی می شود که رویداد B که پیامد رویداد A است، می تواند همزمان با آن رخ دهد. علاوه بر این، می توان سیستم های مرجع را به گونه ای انتخاب کرد که رویداد B زودتر از رویداد A رخ دهد که باعث آن شده است. با این حال، این وضعیت فرضی تنها در صورتی مشاهده می شود که فاصله بین رویدادهای A و B بیشتر از فاصله زمانی بین آنها ضرب در "ثابت الکترومغناطیسی" باشد - با. بنابراین، ثابت جکه برابر با سرعت نور است، حداکثر سرعت انتقال اطلاعات است. در غیر این صورت اصل علیت نقض می شود.

سرعت نور چگونه اندازه گیری می شود؟

مشاهدات اولاف رومر

دانشمندان دوران باستان اکثراً معتقد بودند که نور با سرعت بی نهایت حرکت می کند و اولین تخمین سرعت نور قبلاً در سال 1676 به دست آمد. اولاف رومر، ستاره شناس دانمارکی، مشتری و قمرهای آن را رصد کرد. در لحظه ای که زمین و مشتری در دو طرف خورشید قرار داشتند، خورشید گرفتگی ماهواره مشتری Io با 22 دقیقه تاخیر نسبت به زمان محاسبه شده بود. تنها راه حلی که اولاف رومر یافت این است که سرعت نور محدود است. به همین دلیل، اطلاعات مربوط به رویداد مشاهده شده 22 دقیقه به تاخیر می افتد، زیرا مدتی طول می کشد تا فاصله ماهواره Io تا تلسکوپ ستاره شناس را طی کند. بر اساس محاسبات رومر، سرعت نور 220000 کیلومتر بر ثانیه بود.

مشاهدات جیمز بردلی

در سال 1727، ستاره شناس انگلیسی، جیمز بردلی، پدیده انحراف نور را کشف کرد. ماهیت این پدیده این است که با حرکت زمین به دور خورشید و همچنین در طول چرخش خود زمین، جابجایی ستارگان در آسمان شب مشاهده می شود. از آنجایی که ناظر زمینی و خود زمین دائماً جهت حرکت خود را نسبت به ستاره مشاهده شده تغییر می دهند، نور ساطع شده از ستاره فواصل مختلفی را طی می کند و در طول زمان در زوایای مختلف به ناظر سقوط می کند. سرعت محدود نور منجر به این واقعیت می شود که ستارگان در آسمان یک بیضی را در طول سال توصیف می کنند. این آزمایش به جیمز بردلی اجازه داد تا سرعت نور را 308000 کیلومتر بر ثانیه تخمین بزند.

تجربه لوئیس فیزو

در سال 1849، فیزیکدان فرانسوی لوئیس فیزو آزمایشی آزمایشگاهی برای اندازه گیری سرعت نور انجام داد. این فیزیکدان آینه ای را در پاریس در فاصله 8633 متری از منبع نصب کرد، اما طبق محاسبات رومر، نور این فاصله را در صد هزارم ثانیه طی می کند. در آن زمان چنین دقت ساعت دست نیافتنی بود. فیزو سپس از چرخ دنده ای استفاده کرد که در مسیر از منبع به آینه و از آینه به ناظر می چرخید و دندانه های آن به طور دوره ای نور را مسدود می کرد. در شرایطی که پرتو نوری از منبع به آینه از بین دندان ها عبور می کرد و در راه برگشت به دندان برخورد می کرد، فیزیکدان سرعت چرخش چرخ را دو برابر می کرد. با افزایش سرعت چرخش، نور تقریباً از بین رفت تا اینکه سرعت چرخش به 12.67 دور در ثانیه رسید. در این لحظه نور دوباره ناپدید شد.

چنین مشاهده ای به این معنی است که نور دائماً به دندان ها "برخورد" می کند و زمان "لغزش" بین آنها را ندارد. فیزو با دانستن سرعت چرخش چرخ، تعداد دندانه ها و دو برابر فاصله منبع تا آینه، سرعت نور را محاسبه کرد که برابر با 315000 کیلومتر بر ثانیه بود.

یک سال بعد، یک فیزیکدان فرانسوی دیگر، لئون فوکو، آزمایش مشابهی را انجام داد که در آن به جای چرخ دنده از یک آینه گردان استفاده کرد. مقداری که او برای سرعت نور در هوا به دست آورد 298000 کیلومتر بر ثانیه بود.

یک قرن بعد، روش فیزو به قدری بهبود یافت که آزمایش مشابهی که در سال 1950 توسط E. Bergstrand انجام شد، مقدار سرعت 299793.1 کیلومتر بر ثانیه را نشان داد. این عدد تنها 1 کیلومتر بر ثانیه با مقدار فعلی سرعت نور متفاوت است.

اندازه گیری های بیشتر

با ظهور لیزر و افزایش دقت ابزار اندازه گیری، امکان کاهش خطای اندازه گیری تا 1 متر بر ثانیه وجود داشت. بنابراین در سال 1972، دانشمندان آمریکایی از لیزر برای آزمایشات خود استفاده کردند. با اندازه گیری فرکانس و طول موج پرتو لیزر توانستند مقدار 299792458 متر بر ثانیه را به دست آورند. قابل ذکر است که افزایش بیشتر دقت در اندازه گیری سرعت نور در خلاء، نه به دلیل نقص فنی ابزار، بلکه به دلیل خطای خود استاندارد متر غیرممکن بود. به همین دلیل، در سال 1983، هفدهم کنفرانس عمومی وزن ها و اندازه ها، متر را به عنوان مسافتی که نور در خلاء در زمانی برابر با 1/299،792،458 ثانیه طی می کند، تعریف کرد.

بیایید آن را جمع بندی کنیم

بنابراین، از تمام موارد فوق چنین نتیجه می شود که سرعت نور در خلاء یک ثابت فیزیکی اساسی است که در بسیاری از نظریه های بنیادی ظاهر می شود. این سرعت مطلق است، یعنی به انتخاب سیستم مرجع بستگی ندارد و با حداکثر سرعت انتقال اطلاعات نیز برابر است. نه تنها امواج الکترومغناطیسی (نور)، بلکه تمام ذرات بدون جرم نیز با این سرعت حرکت می کنند. از جمله، احتمالا، گراویتون، ذره ای از امواج گرانشی. در میان چیزهای دیگر، به دلیل اثرات نسبیتی، زمان خود نور به معنای واقعی کلمه ثابت می ماند.

چنین خصوصیاتی از نور، به ویژه عدم کاربرد اصل اضافه کردن سرعت به آن، در سر نمی گنجد. با این حال، بسیاری از آزمایش‌ها ویژگی‌های ذکر شده در بالا را تأیید می‌کنند و تعدادی از نظریه‌های بنیادی دقیقاً بر اساس این ماهیت نور ساخته شده‌اند.

سرعت نور در رسانه های مختلف به طور قابل توجهی متفاوت است. مشکل این است که چشم انسان آن را در کل محدوده طیفی نمی بیند. ماهیت منشأ پرتوهای نور از زمان های قدیم دانشمندان را مورد توجه قرار داده است. اولین تلاش ها برای محاسبه سرعت نور در 300 سال قبل از میلاد انجام شد. در آن زمان دانشمندان تشخیص دادند که این موج در یک خط مستقیم منتشر می شود.

پاسخ سریع

آنها توانستند با فرمول های ریاضی خواص نور و مسیر حرکت آن را توصیف کنند. 2 هزار سال پس از اولین تحقیق شناخته شد.

شار نورانی چیست؟

پرتو نور یک موج الکترومغناطیسی است که با فوتون ها ترکیب می شود. فوتون ها به عنوان ساده ترین عناصر شناخته می شوند که به آنها کوانتوم های تابش الکترومغناطیسی نیز می گویند. شار نور در تمام طیف ها نامرئی است. در فضا به معنای سنتی کلمه حرکت نمی کند. برای توصیف وضعیت یک موج الکترومغناطیسی با ذرات کوانتومی، مفهوم ضریب شکست یک محیط نوری معرفی شده است.

شار نور به صورت پرتویی با مقطع کوچک در فضا منتقل می شود. روش حرکت در فضا با روش های هندسی به دست می آید. این یک پرتو مستطیل است که در مرز با رسانه های مختلف شروع به شکست می کند و یک مسیر منحنی را تشکیل می دهد. دانشمندان ثابت کرده اند که حداکثر سرعت در خلاء ایجاد می شود، سرعت حرکت می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. دانشمندان سیستمی را توسعه داده اند که در آن یک پرتو نور و یک مقدار مشتق شده مبنایی برای استخراج و خواندن واحدهای SI خاص است.

برخی از حقایق تاریخی

حدود 900 سال پیش، ابن سینا پیشنهاد کرد که بدون توجه به مقدار اسمی، سرعت نور دارای مقدار محدودی است. گالیله سعی کرد سرعت نور را به صورت تجربی محاسبه کند. آزمایش‌کنندگان با استفاده از دو چراغ قوه سعی کردند مدت زمانی را که در طی آن یک پرتو نور از یک جسم برای جسم دیگر قابل مشاهده است، اندازه‌گیری کنند. اما چنین آزمایشی ناموفق بود. سرعت آنقدر زیاد بود که نتوانستند زمان تاخیر را تشخیص دهند.

گالیله گالیله متوجه شد که مشتری بین کسوف های چهار قمر خود 1320 ثانیه فاصله دارد. بر اساس این اکتشافات، در سال 1676، ستاره شناس دانمارکی اوله رومر، سرعت انتشار یک پرتو نور را 222 هزار کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد. در آن زمان، این اندازه گیری دقیق ترین بود، اما با استانداردهای زمینی قابل تأیید نبود.

لوئیز فیزو پس از 200 سال توانست سرعت پرتو نور را به صورت تجربی محاسبه کند. او با یک آینه و مکانیزم چرخ دنده ای که با سرعت زیاد می چرخید، یک نصب ویژه ایجاد کرد. شار نور از آینه منعکس شد و پس از 8 کیلومتر برگشت. با افزایش سرعت چرخ، لحظه ای به وجود آمد که مکانیزم چرخ دنده پرتو را مسدود کرد. بدین ترتیب سرعت پرتو 312 هزار کیلومتر بر ثانیه تعیین شد.

فوکو این تجهیزات را بهبود بخشید و با جایگزینی مکانیزم دنده با یک آینه تخت، پارامترها را کاهش داد. دقت اندازه گیری او نزدیک به استاندارد مدرن بود و به 288 هزار متر در ثانیه رسید. فوکو تلاش هایی برای محاسبه سرعت نور در یک محیط خارجی با استفاده از آب به عنوان پایه انجام داد. این فیزیکدان توانست به این نتیجه برسد که این مقدار ثابت نیست و به ویژگی های شکست در یک محیط معین بستگی دارد.

خلاء فضایی عاری از ماده است. سرعت نور در خلاء در سیستم C با حرف لاتین C مشخص می شود. دست نیافتنی است. هیچ موردی را نمی توان به چنین مقداری اورکلاک کرد. فیزیکدانان تنها می توانند تصور کنند که اگر اجسام تا این حد شتاب بگیرند چه اتفاقی ممکن است بیفتد. سرعت انتشار یک پرتو نور دارای ویژگی های ثابتی است که عبارتند از:

• ثابت و نهایی؛
• دست نیافتنی و تغییرناپذیر

دانستن این ثابت به ما امکان می دهد حداکثر سرعت حرکت اجسام در فضا را محاسبه کنیم. مقدار انتشار یک پرتو نور به عنوان یک ثابت اساسی تشخیص داده می شود. برای توصیف فضا-زمان استفاده می شود. این حداکثر مقدار مجاز برای ذرات متحرک است. سرعت نور در خلاء چقدر است؟ مقدار فعلی از طریق اندازه گیری های آزمایشگاهی و محاسبات ریاضی به دست آمد. او برابر با 299.792.458 متر بر ثانیه با دقت ± 1.2 m/s. در بسیاری از رشته ها، از جمله مدارس، از محاسبات تقریبی برای حل مسائل استفاده می شود. شاخصی برابر با 3108 متر بر ثانیه گرفته شده است.

امواج نور در طیف مرئی انسان و امواج اشعه ایکس را می توان تا خوانش هایی که به سرعت نور نزدیک می شوند شتاب داد. آنها نه می توانند با این ثابت برابری کنند و نه از مقدار آن تجاوز کنند. ثابت بر اساس ردیابی رفتار پرتوهای کیهانی در لحظه شتاب آنها در شتاب دهنده های ویژه به دست آمد. این بستگی به محیط اینرسی دارد که پرتو در آن منتشر می شود. در آب، انتقال نور 25٪ کمتر است و در هوا به دما و فشار در زمان محاسبات بستگی دارد.

تمام محاسبات با استفاده از نظریه نسبیت و قانون علیت که توسط انیشتین به دست آمده است انجام شد. این فیزیکدان معتقد است که اگر اجسام به سرعت 1,079,252,848.8 کیلومتر در ساعت برسند و از آن فراتر بروند، آنگاه تغییرات غیرقابل برگشتی در ساختار جهان ما رخ می دهد و سیستم از بین می رود. زمان شروع به شمارش معکوس خواهد کرد و نظم وقایع را مختل می کند.

تعریف متر از سرعت پرتو نور گرفته شده است. به عنوان منطقه ای درک می شود که یک پرتو نور موفق می شود در 1/299792458 ثانیه از آن عبور کند. این مفهوم را نباید با استاندارد اشتباه گرفت. استاندارد متر یک دستگاه فنی ویژه مبتنی بر کادمیوم با سایه زنی است که به شما امکان می دهد فاصله مشخصی را به صورت فیزیکی مشاهده کنید.

برای تعیین سرعت (مسافت طی شده/زمان طی شده) باید استانداردهای مسافت و زمان را انتخاب کنیم. استانداردهای مختلف ممکن است اندازه گیری سرعت متفاوتی را ارائه دهند.

آیا سرعت نور ثابت است؟

[در واقع، ثابت ساختار ریز به مقیاس انرژی بستگی دارد، اما در اینجا به حد کم انرژی آن اشاره می کنیم.]

نظریه نسبیت خاص

تعریف متر در سیستم SI نیز بر اساس فرض صحت نظریه نسبیت است. سرعت نور مطابق با اصل اساسی نظریه نسبیت ثابت است. این فرض شامل دو ایده است:

• سرعت نور به حرکت ناظر بستگی ندارد.
• سرعت نور به مختصات زمان و مکان بستگی ندارد.

این ایده که سرعت نور مستقل از سرعت ناظر است، خلاف تصور است. برخی از مردم حتی نمی توانند موافق باشند که این ایده منطقی است. در سال 1905، انیشتین نشان داد که اگر فرض ماهیت مطلق فضا و زمان را کنار بگذاریم، این ایده از نظر منطقی درست است.

در سال 1879، اعتقاد بر این بود که نور باید از طریق رسانه ای در فضا حرکت کند، همانطور که صوت از هوا و سایر مواد عبور می کند. مایکلسون و مورلیآزمایشی برای تشخیص اتر با مشاهده تغییرات در سرعت نور هنگامی که جهت حرکت زمین نسبت به خورشید در طول سال تغییر می کند، انجام داد. در کمال تعجب، هیچ تغییری در سرعت نور مشاهده نشد.

دکترای علوم فنی A. GOLUBEV

مفهوم سرعت انتشار موج تنها در صورت عدم وجود پراکندگی ساده است.

Lin Westergaard Heu در نزدیکی تاسیساتی که در آن یک آزمایش منحصر به فرد انجام شد.

بهار گذشته مجلات علمی و عامه پسند در سرتاسر جهان خبرهای هیجان انگیزی را منتشر کردند. فیزیکدانان آمریکایی آزمایش منحصر به فردی را انجام دادند: آنها توانستند سرعت نور را به 17 متر در ثانیه کاهش دهند.

همه می دانند که نور با سرعت بسیار زیاد - تقریباً 300 هزار کیلومتر در ثانیه - حرکت می کند. مقدار دقیق مقدار آن در خلاء = 299792458 m/s یک ثابت فیزیکی اساسی است. طبق نظریه نسبیت، این حداکثر سرعت انتقال سیگنال ممکن است.

در هر محیط شفاف، نور آهسته تر حرکت می کند. سرعت v بستگی به ضریب شکست محیط n دارد: v = c/n. ضریب شکست هوا 1.0003، آب - 1.33، انواع شیشه ها - از 1.5 تا 1.8 است. الماس یکی از بالاترین مقادیر ضریب شکست را دارد - 2.42. بنابراین، سرعت نور در مواد معمولی بیش از 2.5 برابر کاهش نمی یابد.

در اوایل سال 1999، گروهی از فیزیکدانان مؤسسه تحقیقات علمی رولند در دانشگاه هاروارد (ماساچوست، ایالات متحده آمریکا) و دانشگاه استنفورد (کالیفرنیا) اثر کوانتومی ماکروسکوپی - به اصطلاح شفافیت خود القا شده، عبور پالس های لیزر از طریق یک محیط را مورد مطالعه قرار دادند. که معمولاً مات است. این محیط اتم های سدیم در حالت خاصی به نام میعانات بوز-اینشتین بود. هنگامی که با یک پالس لیزر تابش می شود، خواص نوری به دست می آورد که سرعت گروهی پالس را در مقایسه با سرعت در خلاء 20 میلیون بار کاهش می دهد. آزمایشگران توانستند سرعت نور را به 17 متر بر ثانیه برسانند!

قبل از توصیف ماهیت این آزمایش منحصر به فرد، اجازه دهید معنای برخی از مفاهیم فیزیکی را یادآوری کنیم.

سرعت گروههنگامی که نور در یک محیط منتشر می شود، دو سرعت از هم متمایز می شود: فاز و گروه. سرعت فاز v f حرکت فاز یک موج تک رنگ ایده آل - یک موج سینوسی بی نهایت با یک فرکانس را مشخص می کند و جهت انتشار نور را تعیین می کند. سرعت فاز در محیط با ضریب شکست فاز مطابقت دارد - همان چیزی که مقادیر آن برای مواد مختلف اندازه گیری می شود. ضریب شکست فاز و در نتیجه سرعت فاز به طول موج بستگی دارد. این وابستگی پراکندگی نامیده می شود. به ویژه منجر به تجزیه نور سفیدی می شود که از یک منشور به یک طیف می گذرد.

اما یک موج نور واقعی شامل مجموعه ای از امواج با فرکانس های مختلف است که در یک بازه طیفی معین گروه بندی شده اند. چنین مجموعه ای گروهی از امواج، بسته موج یا پالس نور نامیده می شود. این امواج به دلیل پراکندگی با سرعت فازهای مختلف در محیط منتشر می شوند. در این حالت تکانه کشیده می شود و شکل آن تغییر می کند. بنابراین، برای توصیف حرکت یک ضربه، گروهی از امواج به عنوان یک کل، مفهوم سرعت گروهی معرفی شده است. تنها در مورد یک طیف باریک و در یک محیط با پراکندگی ضعیف، زمانی که تفاوت در سرعت فاز اجزای جداگانه کم باشد، منطقی است. برای درک بهتر وضعیت، می‌توانیم تشبیه واضحی ارائه کنیم.

بیایید تصور کنیم که هفت ورزشکار در خط استارت صف کشیده اند و پیراهن هایی با رنگ های مختلف به تن دارند و مطابق با رنگ های طیف: قرمز، نارنجی، زرد و غیره. با علامت تپانچه شروع، آنها به طور همزمان شروع به دویدن می کنند، اما "قرمز" ” ورزشکار سریعتر از “نارنجی” می دود، “نارنجی” سریعتر از “زرد” و غیره است، به طوری که به صورت زنجیره ای کشیده می شوند که طول آن به طور مداوم افزایش می یابد. حال تصور کنید که ما از بالا به آن‌ها از چنان ارتفاعی نگاه می‌کنیم که نمی‌توانیم تک تک دوندگان را تشخیص دهیم، بلکه فقط یک نقطه رنگارنگ را می‌بینیم. آیا می توان در مورد سرعت حرکت این نقطه به طور کلی صحبت کرد؟ این امکان پذیر است، اما فقط در صورتی که خیلی تار نباشد، زمانی که تفاوت در سرعت دوندگان رنگ های مختلف کم باشد. در غیر این صورت، نقطه ممکن است در تمام طول مسیر کشیده شود و سوال سرعت آن معنا را از دست بدهد. این مربوط به پراکندگی قوی - گسترش زیادی از سرعت است. اگر دونده‌ها لباس‌هایی با رنگ تقریباً یکسان بپوشند که فقط از نظر سایه‌ها متفاوت است (مثلاً از قرمز تیره تا قرمز روشن)، این با طیف باریک سازگار می‌شود. سپس سرعت دوندگان تفاوت چندانی نخواهد داشت.

آمار بوز-انیشتیناین یکی از انواع به اصطلاح آمار کوانتومی است - نظریه ای که وضعیت سیستم های حاوی تعداد بسیار زیادی ذرات را توصیف می کند که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند.

همه ذرات - هم ذرات موجود در یک اتم و هم ذرات آزاد - به دو دسته تقسیم می شوند. برای یکی از آنها، اصل طرد پائولی معتبر است که طبق آن در هر سطح انرژی بیش از یک ذره وجود ندارد. ذرات این طبقه فرمیون نامیده می شوند (اینها الکترون، پروتون و نوترون هستند؛ همان طبقه شامل ذراتی است که از تعداد فرد فرمیون تشکیل شده است) و قانون توزیع آنها را آمار فرمی دیراک می نامند. ذرات دسته دیگر بوزون نامیده می شوند و از اصل پائولی پیروی نمی کنند: تعداد نامحدودی از بوزون ها می توانند در یک سطح انرژی جمع شوند. در این مورد ما در مورد آمار بوز-انیشتین صحبت می کنیم. بوزون ها شامل فوتون ها، برخی از ذرات بنیادی کوتاه مدت (مثلاً پی مزون ها) و همچنین اتم هایی هستند که از تعداد زوج فرمیون تشکیل شده اند. در دماهای بسیار پایین، بوزون‌ها در پایین‌ترین سطح انرژی (پایه) خود جمع می‌شوند. سپس آنها می گویند که تراکم بوز-انیشتین رخ می دهد. اتم های میعان خصوصیات فردی خود را از دست می دهند و چندین میلیون از آنها شروع به رفتار یکپارچه می کنند، توابع موج آنها ادغام می شوند و رفتار آنها با یک معادله توصیف می شود. این باعث می شود که بگوییم اتم های میعان مانند فوتون های تابش لیزر منسجم شده اند. محققان موسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا از این خاصیت میعانات بوز-اینشتین برای ایجاد "لیزر اتمی" استفاده کردند (به Science and Life شماره 10، 1997 مراجعه کنید).

شفافیت خودساختهاین یکی از اثرات اپتیک غیرخطی است - اپتیک میدان های نوری قدرتمند. این شامل این واقعیت است که یک پالس نوری بسیار کوتاه و قدرتمند بدون تضعیف از محیطی عبور می کند که تابش مداوم یا پالس های طولانی را جذب می کند: یک محیط مات برای آن شفاف می شود. شفافیت خود القا شده در گازهای کمیاب با مدت زمان پالس مرتبه 10-7-10-8 ثانیه و در محیط های متراکم کمتر از 10-11 ثانیه مشاهده می شود. در این مورد، تاخیر پالس رخ می دهد - سرعت گروه آن به شدت کاهش می یابد. این اثر برای اولین بار توسط مک کال و خان ​​در سال 1967 بر روی یاقوت سرخ در دمای 4 کلوین نشان داده شد. در سال 1970، تاخیرهای مربوط به سرعت پالس سه مرتبه (1000 برابر) کمتر از سرعت نور در خلاء در روبیدیم به دست آمد. بخار

اکنون به آزمایش منحصر به فرد سال 1999 می پردازیم. این کار توسط لن وسترگارد هاو، زکری داتون، سایروس بروسی (موسسه رولند) و استیو هریس (دانشگاه استنفورد) انجام شد. آنها یک ابر متراکم و مغناطیسی از اتم های سدیم را خنک کردند تا زمانی که به حالت پایه، پایین ترین سطح انرژی، بازگردند. در این مورد، تنها آن اتم هایی جدا شدند که گشتاور دوقطبی مغناطیسی آنها مخالف جهت میدان مغناطیسی بود. سپس محققان ابر را تا کمتر از 435 نانوکلوین (نانوکلوین یا 0.000000435 K، تقریبا صفر مطلق) خنک کردند.

پس از این، میعانات با یک "پرتو جفت" از نور لیزر قطبی خطی با فرکانس مربوط به انرژی تحریک ضعیف آن روشن شد. اتم ها به سطح انرژی بالاتری رفتند و جذب نور را متوقف کردند. در نتیجه، میعانات نسبت به تابش لیزر زیر شفاف شد. و در اینجا اثرات بسیار عجیب و غیر معمول ظاهر شد. اندازه‌گیری‌ها نشان داد که، تحت شرایط خاص، پالسی که از چگالش بوز-انیشتین می‌گذرد، تاخیری را تجربه می‌کند که مربوط به کند شدن نور با بیش از هفت مرتبه بزرگی است - ضریب 20 میلیون. سرعت پالس نور به 17 متر بر ثانیه کاهش یافت و طول آن چندین بار کاهش یافت - به 43 میکرومتر.

محققان بر این باورند که با اجتناب از گرمایش لیزری میعانات، می‌توانند سرعت نور را حتی بیشتر - شاید تا چند سانتی‌متر در ثانیه - کاهش دهند.

سیستمی با چنین ویژگی‌های غیرعادی امکان مطالعه خواص نوری کوانتومی ماده و همچنین ایجاد دستگاه‌های مختلف برای رایانه‌های کوانتومی آینده، به عنوان مثال، سوئیچ‌های تک فوتون را فراهم می‌کند.

اپی گراف
معلم می پرسد: بچه ها، سریع ترین چیز در جهان چیست؟
Tanechka می گوید: سریع ترین کلمه. فقط گفتم برنمیگردی
وانچکا می گوید: نه، نور سریع ترین است.
به محض فشار دادن سوئیچ، اتاق بلافاصله روشن شد.
و وووچکا می گوید: سریع ترین چیز در جهان اسهال است.
یک بار آنقدر بی حوصله بودم که حرفی نزدم
وقت نکردم چیزی بگویم یا چراغ را روشن کنم.

آیا تا به حال فکر کرده اید که چرا سرعت نور در جهان ما حداکثر، محدود و ثابت است؟ این یک سوال بسیار جالب است، و بلافاصله، به عنوان یک اسپویلر، راز وحشتناک پاسخ به آن را فاش می کنم - هیچ کس دقیقاً نمی داند چرا. سرعت نور گرفته می شود، یعنی. ذهنی پذیرفته شده استبرای یک ثابت، و بر اساس این فرض، و همچنین بر اساس این ایده که همه چارچوب های مرجع اینرسی برابر هستند، آلبرت انیشتین نظریه نسبیت خاص خود را ساخت که صد سال است دانشمندان را عصبانی کرده است و به انیشتین اجازه می دهد زبانش را بچسباند. با مصونیت به دنیا برود و در قبرش به اندازه خوکی که بر سر همه بشریت کاشته است پوزخند بزن.

اما در واقع چرا اینقدر ثابت، حداکثر و تا این حد نهایی است، پاسخی وجود ندارد، این فقط یک بدیهیات است، یعنی. گزاره ای که بر اساس ایمان گرفته شده است، با مشاهدات و عقل سلیم تأیید شده است، اما از نظر منطقی یا ریاضی از جایی قابل استنتاج نیست. و کاملاً محتمل است که چندان درست نباشد ، اما هنوز کسی با هیچ تجربه ای نتوانسته آن را رد کند.

من افکار خودم را در مورد این موضوع دارم، بعداً بیشتر در مورد آنها، اما در حال حاضر، اجازه دهید آن را ساده نگه داریم، روی انگشتان شما™من سعی خواهم کرد حداقل به یک بخش پاسخ دهم - سرعت نور به چه معنی "ثابت" است.

نه، من شما را با آزمایش‌های فکری در مورد اینکه اگر چراغ‌های جلو راکتی که با سرعت نور پرواز می‌کند و غیره را روشن کنید چه اتفاقی می‌افتد خسته نمی‌کنم، این اکنون کمی دور از موضوع است.

اگر به یک کتاب مرجع یا ویکی پدیا نگاه کنید، سرعت نور در خلاء به عنوان یک ثابت فیزیکی اساسی تعریف می شود که دقیقابرابر با 299,792,458 m/s. خب، یعنی به طور تقریبی، حدود 300000 کیلومتر بر ثانیه خواهد بود، اما اگر دقیقا درسته- 299,792,458 متر در ثانیه.

به نظر می رسد، چنین دقتی از کجا می آید؟ هر ثابت ریاضی یا فیزیکی، حتی پی، حتی پایه لگاریتم طبیعی ه، حتی ثابت گرانشی G یا ثابت پلانک ساعت، همیشه حاوی مقداری است اعداد بعد از نقطه اعشار. در پی، در حال حاضر حدود 5 تریلیون از این رقم های اعشار شناخته شده است (اگرچه فقط 39 رقم اول معنای فیزیکی دارند)، ثابت گرانشی امروزه به صورت G~ 6.67384(80)x10 -11 و پلانک ثابت تعریف می شود. ساعت~ 6.62606957(29)x10 -34.

سرعت نور در خلاء است صاف 299792458 متر بر ثانیه، نه یک سانتی متر بیشتر، نه یک نانوثانیه کمتر. می خواهید بدانید این دقت از کجا می آید؟

همه چیز طبق معمول با یونانیان باستان شروع شد. علم، به معنای امروزی کلمه، در میان آنها وجود نداشت. فیلسوفان یونان باستان به این دلیل فیلسوف نامیده می شدند که ابتدا مقداری مزخرف در سر خود اختراع کردند و سپس با استفاده از نتیجه گیری های منطقی (و گاهی آزمایش های فیزیکی واقعی) سعی در اثبات یا رد آن داشتند. با این حال، استفاده از اندازه‌گیری‌ها و پدیده‌های فیزیکی واقعی توسط آنها به عنوان شواهد «دسته دوم» در نظر گرفته شد که نمی‌توان آن را با نتایج منطقی درجه یک که مستقیماً از سر به دست می‌آید مقایسه کرد.

اولین کسی که به وجود سرعت خود نور فکر کرد، فیلسوف امپیدوکلس است که بیان کرد نور حرکت است و حرکت باید دارای سرعت باشد. ارسطو به او اعتراض کرد، او استدلال کرد که نور صرفاً وجود چیزی در طبیعت است، و بس. و هیچ چیز به هیچ جا حرکت نمی کند. اما این چیز دیگری است! اقلیدس و بطلمیوس عموماً معتقد بودند که نور از چشمان ما ساطع می شود و سپس بر روی اجسام می افتد و بنابراین ما آنها را می بینیم. به طور خلاصه، یونانیان باستان تا آنجا که می توانستند احمق بودند تا زمانی که توسط همان رومیان باستان فتح شدند.

در قرون وسطی، اکثر دانشمندان همچنان معتقد بودند که سرعت انتشار نور بی نهایت است، مثلاً دکارت، کپلر و فرما از جمله آنها بودند.

اما برخی مانند گالیله معتقد بودند که نور دارای سرعت است و بنابراین قابل اندازه گیری است. آزمایش گالیله که یک لامپ روشن کرد و به دستیار واقع در چند کیلومتری گالیله نور داد، بسیار شناخته شده است. با دیدن نور، دستیار لامپ خود را روشن کرد و گالیله سعی کرد تاخیر بین این لحظات را اندازه گیری کند. طبیعتاً موفق نشد و در نهایت مجبور شد در نوشته‌هایش بنویسد که اگر نور سرعت دارد، بسیار زیاد است و با تلاش انسان قابل اندازه‌گیری نیست و بنابراین می‌توان آن را بی‌نهایت دانست.

اولین اندازه گیری ثبت شده سرعت نور به ستاره شناس دانمارکی اولاف رومر در سال 1676 نسبت داده شده است. در این سال، ستاره شناسان، مجهز به تلسکوپ های همان گالیله، به طور فعال ماهواره های مشتری را رصد می کردند و حتی دوره های چرخش آنها را محاسبه می کردند. دانشمندان مشخص کرده اند که نزدیکترین قمر به مشتری، آیو، دارای دوره چرخش تقریباً 42 ساعت است. با این حال، رومر متوجه شد که گاهی Io از پشت مشتری 11 دقیقه زودتر از حد انتظار ظاهر می شود و گاهی اوقات 11 دقیقه دیرتر. همانطور که مشخص شد، آیو در آن دوره‌هایی که زمین، در حال چرخش به دور خورشید، با کمترین فاصله به مشتری نزدیک می‌شود، زودتر ظاهر می‌شود و زمانی که زمین در نقطه مقابل مدار قرار می‌گیرد، 11 دقیقه عقب می‌ماند، و بنابراین از آن دورتر است. سیاره مشتری.

رومر با تقسیم احمقانه قطر مدار زمین (و در آن روزها کم و بیش شناخته شده بود) بر 22 دقیقه، رومر سرعت نور را 220000 کیلومتر بر ثانیه دریافت کرد و مقدار واقعی را حدود یک سوم از دست داد.

در سال 1729، اخترشناس انگلیسی، جیمز بردلی، رصد کرد اختلاف منظر(با کمی انحراف در مکان) ستاره اتامین (گاما دراکونیس) این اثر را کشف کرد. انحرافات نور، یعنی تغییر موقعیت ستارگان نزدیک به ما در آسمان به دلیل حرکت زمین به دور خورشید.

از اثر انحراف نور که توسط بردلی کشف شد، همچنین می توان نتیجه گرفت که نور دارای سرعت انتشار محدودی است که بردلی آن را کشف کرد و آن را تقریباً 301000 کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد که در حال حاضر در دقت 1٪ است. ارزشی که امروزه شناخته شده است

این همه اندازه‌گیری‌های روشن‌کننده توسط دانشمندان دیگر دنبال شد، اما از آنجایی که اعتقاد بر این بود که نور یک موج است و یک موج به خودی خود نمی‌تواند منتشر شود، چیزی باید "تحریک" شود، ایده وجود یک " اتر درخشنده» پدید آمد که آلبرت مایکلسون، فیزیکدان آمریکایی، در کشف آن با شکست بدی مواجه شد. او هیچ اتر درخشانی را کشف نکرد، اما در سال 1879 سرعت نور را به 50±299910 کیلومتر بر ثانیه روشن کرد.

تقریباً در همان زمان، ماکسول نظریه الکترومغناطیس خود را منتشر کرد، به این معنی که سرعت نور نه تنها اندازه گیری مستقیم، بلکه همچنین استخراج از مقادیر نفوذپذیری الکتریکی و مغناطیسی ممکن شد، که با روشن کردن مقدار آن انجام شد. سرعت نور در سال 1907 به 299788 کیلومتر بر ثانیه رسید.

سرانجام انیشتین اعلام کرد که سرعت نور در خلاء ثابت است و اصلاً به چیزی بستگی ندارد. برعکس، هر چیز دیگری - اضافه کردن سرعت ها و یافتن سیستم های مرجع صحیح، اثرات اتساع زمانی و تغییرات فواصل هنگام حرکت با سرعت های بالا و بسیاری از اثرات نسبیتی دیگر به سرعت نور بستگی دارد (زیرا در همه فرمول ها به عنوان ثابت). به طور خلاصه، همه چیز در جهان نسبی است و سرعت نور کمیتی است که همه چیزهای دیگر در جهان ما نسبت به آن نسبی هستند. در اینجا، شاید باید نخل را به لورنتس بدهیم، اما بیایید سوداگر نباشیم، اینشتین اینشتین است.

تعیین دقیق مقدار این ثابت در طول قرن بیستم ادامه یافت و هر دهه دانشمندان بیشتر و بیشتر دریافتند. اعداد بعد از اعشاربا سرعت نور، تا اینکه سوء ظن مبهمی در سرشان به وجود آمد.

دانشمندان با تعیین دقیق‌تر و دقیق‌تر چند متر نور در خلاء در ثانیه، به این فکر کردند که ما در حال اندازه‌گیری چه چیزی در متر هستیم؟ بالاخره یک متر فقط به اندازه یک چوب پلاتین-ایریدیم است که کسی در موزه ای نزدیک پاریس فراموش کرده است!

و در ابتدا ایده معرفی یک متر استاندارد عالی به نظر می رسید. فرانسوی‌ها در سال 1791 برای اینکه از یاردها، پاها و دیگر نکات مورب رنج نبرند، تصمیم گرفتند که طول یک ده میلیونیم فاصله از قطب شمال تا خط استوا را در امتداد نصف النهار که از پاریس می‌گذرد، به عنوان معیار استاندارد در نظر بگیرند. آنها این فاصله را با دقت موجود در آن زمان اندازه گیری کردند، چوبی را از آلیاژ پلاتین-ایریدیم (به طور دقیق تر، ابتدا برنج، سپس پلاتین و سپس پلاتین-ایریدیم) ریختند و آن را در این اتاق اوزان و اندازه های پاریس قرار دادند. یک نمونه. هر چه جلوتر می رویم، بیشتر معلوم می شود که سطح زمین در حال تغییر است، قاره ها تغییر شکل می دهند، نصف النهارها در حال جابجایی هستند و یک ده میلیونیم آن را فراموش کرده اند و شروع به شمارش یک متر طول چوب کرده اند. که در تابوت کریستالی "مقبره" پاریس قرار دارد.

چنین بت پرستی مناسب یک دانشمند واقعی نیست، این میدان سرخ نیست (!)، و در سال 1960 تصمیم گرفته شد که مفهوم متر را به یک تعریف کاملاً واضح ساده کنیم - متر دقیقاً برابر با 1,650,763.73 طول موج ساطع شده توسط انتقال است. الکترون های بین سطوح انرژی 2p10 و 5d5 ایزوتوپ تحریک نشده عنصر کریپتون-86 در خلاء. خوب، چقدر واضح تر؟

این به مدت 23 سال ادامه داشت، در حالی که سرعت نور در خلاء با دقت فزاینده ای اندازه گیری می شد، تا اینکه در سال 1983، سرانجام حتی سرسخت ترین رتروگرادها نیز متوجه شدند که سرعت نور دقیق ترین و ایده آل ترین ثابت است، نه نوعی ایزوتوپ کریپتون و تصمیم گرفته شد همه چیز را وارونه کنیم (دقیقاً اگر فکرش را بکنید تصمیم گرفته شد همه چیز را وارونه کنید) حالا سرعت نور بایک ثابت واقعی است و یک متر مسافتی است که نور در خلاء در (1/299,792,458) ثانیه طی می کند.

ارزش واقعی سرعت نور امروزه همچنان مشخص می شود، اما آنچه جالب است این است که با هر آزمایش جدید، دانشمندان سرعت نور را مشخص نمی کنند، بلکه طول واقعی متر را مشخص می کنند. و هرچه سرعت نور در دهه‌های آینده دقیق‌تر باشد، در نهایت متر دقیق‌تری به دست خواهیم آورد.

و نه برعکس.

خب حالا برگردیم به گوسفندان. چرا سرعت نور در خلاء جهان ما حداکثر، محدود و ثابت است؟ من اینجوری میفهمم

همه می دانند که سرعت صوت در فلز و تقریباً در هر جسم جامدی بسیار بیشتر از سرعت صوت در هوا است. بررسی این موضوع بسیار آسان است. چرا اینطور است؟ بدیهی است که صدا اساساً یکسان است و سرعت انتشار آن به محیط، به پیکربندی مولکول هایی که این محیط از آنها تشکیل شده است، به چگالی آن، به پارامترهای شبکه بلوری آن بستگی دارد - به طور خلاصه، به وضعیت فعلی رسانه ای که صدا از طریق آن منتقل می شود.

و اگرچه ایده اتر درخشان مدتهاست که کنار گذاشته شده است، خلاء که امواج الکترومغناطیسی از طریق آن منتشر می شوند مطلقاً هیچ چیز مطلق نیست، مهم نیست که چقدر برای ما خالی به نظر می رسد.

می‌دانم که این قیاس تا حدودی دور از ذهن است، اما این درست است روی انگشتان شما™یکسان! دقیقاً به عنوان یک قیاس قابل دسترس، و به هیچ وجه به عنوان یک انتقال مستقیم از یک مجموعه قوانین فیزیکی به قوانین دیگر، من فقط از شما می خواهم که تصور کنید که سرعت انتشار ارتعاشات الکترومغناطیسی (و به طور کلی، هر گونه، از جمله گلوئون و گرانشی)، همانطور که سرعت صوت در فولاد به داخل ریل دوخته شده است. از اینجا می رقصیم.

UPD: به هر حال، من از «خوانندگان ستاره دار» دعوت می کنم تا تصور کنند که آیا سرعت نور در «خلاء دشوار» ثابت می ماند یا خیر. برای مثال، اعتقاد بر این است که در انرژی‌های درجه حرارت 10 تا 30 کلوین، خلاء به سادگی با ذرات مجازی می‌جوشد و شروع به «جوشیدن» می‌کند. تار و پود فضا تکه تکه می شود، کمیت های پلانک محو می شوند و معنای فیزیکی خود را از دست می دهند و غیره. آیا سرعت نور در چنین خلاء همچنان برابر است ج، یا این آغاز یک نظریه جدید از "خلاء نسبیتی" با اصلاحاتی مانند ضرایب لورنتس در سرعت های فوق العاده خواهد بود؟ نمی دانم، نمی دانم، زمان مشخص خواهد کرد...