U 19. stoljeću došlo je do nekoliko znanstvenih eksperimenata koji su doveli do otkrića brojnih novih fenomena. Među tim fenomenima je Hans Oerstedovo otkriće stvaranja magnetske indukcije električnom strujom. Kasnije je Michael Faraday otkrio suprotan učinak, koji je nazvan elektromagnetska indukcija.

Jednadžbe Jamesa Maxwella - elektromagnetska priroda svjetlosti

Kao rezultat ovih otkrića uočena je takozvana “interakcija na daljinu” koja je rezultirala novom teorijom elektromagnetizma koju je formulirao Wilhelm Weber, a koja se temeljila na djelovanju na velikim udaljenostima. Kasnije je Maxwell definirao koncept električnog i magnetskog polja, koja su sposobna generirati jedno drugo, što je elektromagnetski val. Kasnije je Maxwell upotrijebio takozvanu "elektromagnetsku konstantu" u svojim jednadžbama - S.

Do tog vremena znanstvenici su se već približili činjenici da je svjetlost elektromagnetske prirode. Fizičko značenje elektromagnetske konstante je brzina širenja elektromagnetskih pobuđenja. Na iznenađenje samog Jamesa Maxwella, izmjerena vrijednost ove konstante u eksperimentima s jediničnim nabojima i strujama pokazala se jednakom brzini svjetlosti u vakuumu.

Prije ovog otkrića čovječanstvo je razdvojilo svjetlost, elektricitet i magnetizam. Maxwellova generalizacija omogućila nam je novi pogled na prirodu svjetlosti, kao određenog fragmenta električnog i magnetskog polja koji se neovisno širi u prostoru.

Donja slika prikazuje dijagram širenja elektromagnetskog vala, koji je također svjetlost. Ovdje je H vektor jakosti magnetskog polja, E je vektor jakosti električnog polja. Oba vektora su okomita jedan na drugi, kao i na smjer širenja vala.

Michelsonov pokus – apsolutnost brzine svjetlosti

Fizika tog vremena bila je uglavnom izgrađena na Galilejevom principu relativnosti, prema kojem zakoni mehanike izgledaju isto u bilo kojem odabranom inercijalnom referentnom okviru. Istodobno, prema zbroju brzina, brzina širenja trebala bi ovisiti o brzini izvora. Međutim, u tom bi se slučaju elektromagnetski val ponašao drugačije ovisno o izboru referentnog okvira, što krši Galilejevo načelo relativnosti. Stoga je Maxwellova naizgled dobro oblikovana teorija bila u klimavom stanju.

Eksperimenti su pokazali da brzina svjetlosti doista ne ovisi o brzini izvora, što znači da je potrebna teorija koja može objasniti tako čudnu činjenicu. Najboljom teorijom u to vrijeme pokazala se teorija "etera" - određenog medija u kojem se svjetlost širi, kao što se zvuk širi u zraku. Tada brzina svjetlosti ne bi bila određena brzinom kretanja izvora, već karakteristikama samog medija – etera.

Za otkrivanje etera poduzeti su mnogi pokusi, od kojih je najpoznatiji pokus američkog fizičara Alberta Michelsona. Ukratko, poznato je da se Zemlja kreće u svemiru. Onda je logično pretpostaviti da se kreće i kroz eter, budući da je potpuna vezanost etera za Zemlju ne samo najviši stupanj egoizma, već jednostavno ne može biti ničim izazvana. Ako se Zemlja giba kroz određeni medij u kojem se širi svjetlost, onda je logično pretpostaviti da se ovdje događa zbrajanje brzina. Odnosno, širenje svjetlosti mora ovisiti o smjeru gibanja Zemlje, koja leti kroz eter. Kao rezultat svojih eksperimenata, Michelson nije otkrio nikakvu razliku u brzini širenja svjetlosti u oba smjera od Zemlje.

Taj je problem pokušao riješiti nizozemski fizičar Hendrik Lorentz. Prema njegovoj pretpostavci, “eterični vjetar” djelovao je na tijela na način da su smanjivala svoju veličinu u smjeru kretanja. Na temelju ove pretpostavke, i Zemlja i Michelsonov uređaj doživjeli su ovu Lorentzovu kontrakciju, uslijed koje je Albert Michelson dobio istu brzinu širenja svjetlosti u oba smjera. I premda je Lorentz bio donekle uspješan u odgađanju smrti teorije o eteru, znanstvenici su i dalje smatrali da je ova teorija "nategnuta". Dakle, eter je trebao imati niz "bajkovitih" svojstava, uključujući bestežinsko stanje i odsutnost otpora tijelima koja se kreću.

Kraj povijesti etera došao je 1905. godine objavljivanjem članka “O elektrodinamici pokretnih tijela” tada malo poznatog Alberta Einsteina.

Posebna teorija relativnosti Alberta Einsteina

Dvadesetšestogodišnji Albert Einstein izrazio je potpuno novi, drugačiji pogled na prirodu prostora i vremena, koji je bio u suprotnosti s tadašnjim idejama, a posebno je grubo kršio Galilejevo načelo relativnosti. Prema Einsteinu, Michelsonov eksperiment nije dao pozitivne rezultate iz razloga što prostor i vrijeme imaju takva svojstva da je brzina svjetlosti apsolutna vrijednost. Odnosno, bez obzira u kojem se referentnom okviru promatrač nalazi, brzina svjetlosti u odnosu na njega uvijek je ista, 300 000 km/s. Iz toga je slijedila nemogućnost primjene zbrajanja brzina u odnosu na svjetlost – koliko god se izvor svjetlosti brzo kretao, brzina svjetlosti se neće promijeniti (zbrojiti ili oduzeti).

Einstein je koristio Lorentzovu kontrakciju da bi opisao promjene u parametrima tijela koja se kreću brzinama bliskim brzini svjetlosti. Tako će se, primjerice, duljina takvih tijela smanjiti, a njihovo vlastito vrijeme usporiti. Koeficijent takvih promjena naziva se Lorentzov faktor. Einsteinova poznata formula E=mc 2 zapravo uključuje i Lorentzov faktor ( E= ymc 2), koja je općenito jednaka jedinici u slučaju kada je brzina tijela v jednaka nuli. Kako se brzina tijela približava v do brzine svjetlosti c Lorentzov faktor g juri prema beskraju. Iz ovoga slijedi da će za ubrzanje tijela do brzine svjetlosti biti potrebna beskonačna količina energije, pa je stoga nemoguće prijeći tu granicu brzine.

Postoji i argument u korist ove tvrdnje koji se zove "relativnost simultanosti".

Paradoks relativnosti simultanosti SRT

Ukratko, fenomen relativnosti simultanosti je da satovi koji se nalaze na različitim točkama u prostoru mogu raditi "u isto vrijeme" samo ako su u istom inercijalnom referentnom okviru. Odnosno, vrijeme na satu ovisi o izboru referentnog sustava.

Iz toga proizlazi paradoks da se događaj B, koji je posljedica događaja A, može dogoditi istovremeno s njim. Osim toga, moguće je odabrati referentne sustave na način da će se događaj B dogoditi ranije od događaja A koji ga je uzrokovao. Takav fenomen krši načelo uzročnosti, koje je prilično čvrsto ukorijenjeno u znanosti i nikada nije dovedeno u pitanje. Međutim, ova hipotetska situacija se promatra samo u slučaju kada je udaljenost između događaja A i B veća od vremenskog intervala između njih pomnoženog s "elektromagnetskom konstantom" - S. Dakle, konstanta c, koja je jednaka brzini svjetlosti, najveća je brzina prijenosa informacija. U protivnom bi se povrijedilo načelo kauzaliteta.

Kako se mjeri brzina svjetlosti?

Zapažanja Olafa Roemera

Znanstvenici antike većinom su vjerovali da se svjetlost kreće beskonačnom brzinom, a prva procjena brzine svjetlosti dobivena je već 1676. godine. Danski astronom Olaf Roemer promatrao je Jupiter i njegove mjesece. U trenutku kada su Zemlja i Jupiter bili na suprotnim stranama Sunca, pomrčina Jupiterovog mjeseca Io kasnila je 22 minute u odnosu na izračunato vrijeme. Jedino rješenje koje je Olaf Roemer pronašao je da je brzina svjetlosti ograničena. Iz tog razloga informacije o promatranom događaju kasne 22 minute, budući da je potrebno neko vrijeme da se prijeđe udaljenost od satelita Io do teleskopa astronoma. Prema Roemerovim proračunima, brzina svjetlosti bila je 220 000 km/s.

Zapažanja Jamesa Bradleya

Godine 1727. engleski astronom James Bradley otkrio je fenomen svjetlosne aberacije. Suština ovog fenomena je da se pri kretanju Zemlje oko Sunca, kao i pri Zemljinoj vlastitoj rotaciji, uočava pomicanje zvijezda na noćnom nebu. Budući da promatrač Zemljanin i sama Zemlja stalno mijenjaju smjer kretanja u odnosu na promatranu zvijezdu, svjetlost koju emitira zvijezda prelazi različite udaljenosti i pada pod različitim kutovima na promatrača tijekom vremena. Ograničena brzina svjetlosti dovodi do toga da zvijezde na nebu tijekom cijele godine opisuju elipsu. Ovaj eksperiment omogućio je Jamesu Bradleyu da procijeni brzinu svjetlosti - 308 000 km/s.

Iskustvo Louisa Fizeaua

Godine 1849. francuski fizičar Louis Fizeau proveo je laboratorijski eksperiment za mjerenje brzine svjetlosti. Fizičar je postavio zrcalo u Parizu na udaljenosti od 8633 metra od izvora, no prema Roemerovim izračunima svjetlost će tu udaljenost prijeći za stotisućinke sekunde. Takva točnost sata tada je bila nedostižna. Fizeau je zatim koristio zupčanik koji se okretao na putu od izvora do zrcala i od zrcala do promatrača, čiji su zupci povremeno blokirali svjetlost. U slučaju kada je svjetlosna zraka od izvora do zrcala prošla između zuba, a na povratku udarila u zub, fizičar je udvostručio brzinu rotacije kotača. Kako se brzina rotacije kotača povećavala, svjetlost je gotovo prestala nestajati sve dok brzina rotacije nije dosegla 12,67 okretaja u sekundi. U ovom trenutku svjetlost je ponovno nestala.

Takvo zapažanje značilo je da je svjetlo stalno "udaralo" o zube i nije imalo vremena "skliznuti" između njih. Poznavajući brzinu rotacije kotača, broj zubaca i dvostruku udaljenost od izvora do zrcala, Fizeau je izračunao brzinu svjetlosti, koja se pokazala jednakom 315 000 km/s.

Godinu dana kasnije, drugi francuski fizičar Leon Foucault proveo je sličan eksperiment u kojem je umjesto zupčanika koristio rotirajuće zrcalo. Vrijednost koju je dobio za brzinu svjetlosti u zraku bila je 298 000 km/s.

Stoljeće kasnije, Fizeauova metoda je toliko poboljšana da je sličan eksperiment koji je 1950. godine izveo E. Bergstrand dao vrijednost brzine od 299 793,1 km/s. Taj se broj razlikuje samo 1 km/s od trenutne vrijednosti brzine svjetlosti.

Daljnja mjerenja

Pojavom lasera i povećanjem točnosti mjernih instrumenata pogrešku mjerenja bilo je moguće svesti na 1 m/s. Tako su 1972. američki znanstvenici koristili laser za svoje pokuse. Mjerenjem frekvencije i valne duljine laserske zrake uspjeli su dobiti vrijednost od 299.792.458 m/s. Važno je napomenuti da je daljnje povećanje točnosti mjerenja brzine svjetlosti u vakuumu bilo nemoguće, ne zbog tehničke nesavršenosti instrumenata, već zbog pogreške samog etalona metra. Zbog toga je 1983. godine XVII. Opća konferencija za utege i mjere definirala metar kao udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu u vremenu jednakom 1/299,792,458 sekundi.

Sažmimo to

Dakle, iz svega navedenog proizlazi da je brzina svjetlosti u vakuumu temeljna fizikalna konstanta koja se pojavljuje u mnogim temeljnim teorijama. Ova brzina je apsolutna, odnosno ne ovisi o izboru referentnog sustava, a također je jednaka maksimalnoj brzini prijenosa informacija. Tom se brzinom ne kreću samo elektromagnetski valovi (svjetlost), već i sve čestice bez mase. Uključujući, vjerojatno, graviton, česticu gravitacijskih valova. Između ostalog, zbog relativističkih učinaka, vlastito vrijeme svjetlosti doslovno stoji.

Takva svojstva svjetlosti, posebno neprimjenjivost principa zbrajanja brzina na nju, ne idu u glavu. Međutim, mnogi eksperimenti potvrđuju gore navedena svojstva, a brojne temeljne teorije izgrađene su upravo na ovoj prirodi svjetlosti.

Brzina svjetlosti u različitim medijima značajno varira. Poteškoća je u tome što ga ljudsko oko ne vidi u cijelom spektralnom rasponu. Priroda podrijetla svjetlosnih zraka zanima znanstvenike od davnih vremena. Prvi pokušaji izračunavanja brzine svjetlosti učinjeni su još 300. godine pr. Tada su znanstvenici utvrdili da se val širi pravocrtno.

Brzi odgovor

Uspjeli su matematičkim formulama opisati svojstva svjetlosti i putanju njezina kretanja. postalo poznato 2 tisuće godina nakon prvih istraživanja.

Što je svjetlosni tok?

Svjetlosna zraka je elektromagnetski val u kombinaciji s fotonima. Pod fotonima se podrazumijevaju najjednostavniji elementi, koji se nazivaju i kvanti elektromagnetskog zračenja. Svjetlosni tok u svim spektrima je nevidljiv. Ne kreće se u prostoru u tradicionalnom smislu riječi. Za opisivanje stanja elektromagnetskog vala s kvantnim česticama uvodi se pojam indeksa loma optičkog medija.

Svjetlosni tok se u prostoru prenosi u obliku snopa malog presjeka. Metoda kretanja u prostoru izvodi se geometrijskim metodama. Ovo je pravocrtna zraka, koja se na granici s različitim medijima počinje lomiti, tvoreći krivuljastu putanju. Znanstvenici su dokazali da se maksimalna brzina stvara u vakuumu; u drugim okruženjima brzina kretanja može značajno varirati. Znanstvenici su razvili sustav u kojem su svjetlosni snop i izvedena vrijednost osnova za izvođenje i očitavanje određenih SI jedinica.

Neke povijesne činjenice

Prije otprilike 900 godina, Avicena je sugerirao da, bez obzira na nominalnu vrijednost, brzina svjetlosti ima konačnu vrijednost. Galileo Galilei pokušao je eksperimentalno izračunati brzinu svjetlosti. Koristeći dvije baterijske svjetiljke, eksperimentatori su pokušali izmjeriti vrijeme tijekom kojeg će svjetlosna zraka s jednog objekta biti vidljiva drugom. Ali takav se eksperiment pokazao neuspješnim. Brzina je bila toliko velika da nisu mogli otkriti vrijeme kašnjenja.

Galileo Galilei primijetio je da Jupiter ima interval između pomrčina svoja četiri satelita od 1320 sekundi. Na temelju tih otkrića danski je astronom Ole Roemer 1676. godine izračunao brzinu širenja svjetlosne zrake od 222 tisuće km/s. U to vrijeme to je mjerenje bilo najtočnije, ali se nije moglo provjeriti zemaljskim mjerilima.

Nakon 200 godina, Louise Fizeau uspjela je eksperimentalno izračunati brzinu svjetlosnog snopa. Napravio je posebnu instalaciju s ogledalom i mehanizmom zupčanika koji se okreće velikom brzinom. Svjetlosni tok se reflektirao od zrcala i vratio natrag nakon 8 km. Kako se brzina kotača povećavala, pojavio se trenutak kada je mehanizam zupčanika blokirao gredu. Tako je brzina snopa postavljena na 312 tisuća kilometara u sekundi.

Foucault je poboljšao ovu opremu, smanjujući parametre zamjenom zupčanika ravnim zrcalom. Pokazalo se da je njegova točnost mjerenja najbliža modernom standardu i iznosila je 288 tisuća metara u sekundi. Foucault je pokušao izračunati brzinu svjetlosti u stranom mediju, koristeći vodu kao osnovu. Fizičar je uspio zaključiti da ta vrijednost nije konstantna i ovisi o karakteristikama refrakcije u određenom mediju.

Vakuum je prostor bez materije. Brzina svjetlosti u vakuumu u sustavu C označava se latiničnim slovom C. Nedostižna je. Nijedna se stavka ne može overclockati na takvu vrijednost. Fizičari mogu samo zamisliti što bi se moglo dogoditi objektima ako se ubrzaju do te mjere. Brzina širenja svjetlosnog snopa ima konstantne karakteristike, a to je:

• stalan i konačan;
• nedostižna i nepromjenjiva.

Poznavanje ove konstante omogućuje nam izračunavanje maksimalne brzine kojom se objekti mogu kretati u prostoru. Količina širenja svjetlosnog snopa prepoznata je kao temeljna konstanta. Koristi se za karakterizaciju prostor-vremena. To je najveća dopuštena vrijednost za pokretne čestice. Kolika je brzina svjetlosti u vakuumu? Trenutna vrijednost dobivena je laboratorijskim mjerenjima i matematičkim izračunima. Ona jednako 299,792,458 metara u sekundi s točnošću od ± 1,2 m/s. U mnogim disciplinama, uključujući školske, za rješavanje problema koriste se približni izračuni. Uzima se pokazatelj jednak 3,108 m/s.

Svjetlosni valovi u ljudskom vidljivom spektru i valovi X-zraka mogu se ubrzati do očitanja koja se približavaju brzini svjetlosti. Oni ne mogu biti jednaki ovoj konstanti, niti premašiti njezinu vrijednost. Konstanta je izvedena na temelju praćenja ponašanja kozmičkih zraka u trenutku njihovog ubrzanja u posebnim akceleratorima. Ovisi o inercijskoj sredini u kojoj se zraka širi. U vodi je prijenos svjetlosti manji za 25%, au zraku će ovisiti o temperaturi i tlaku u trenutku izračuna.

Svi izračuni provedeni su korištenjem teorije relativnosti i zakona uzročnosti koji je izveo Einstein. Fizičar vjeruje da ako objekti dostignu brzinu od 1.079.252.848,8 kilometara na sat i prekorače je, tada će doći do nepovratnih promjena u strukturi našeg svijeta i sustav će se raspasti. Vrijeme će se početi odbrojavati, remeteći redoslijed događaja.

Definicija metra izvedena je iz brzine svjetlosne zrake. Podrazumijeva se kao područje koje svjetlosna zraka uspije prijeći u 1/299792458 sekunde. Ovaj koncept ne treba brkati sa standardom. Mjerni standard je poseban tehnički uređaj na bazi kadmija sa sjenčanjem koji vam omogućuje da fizički vidite zadanu udaljenost.

Za određivanje brzine (prijeđena udaljenost/utrošeno vrijeme) moramo odabrati standarde udaljenosti i vremena. Različiti standardi mogu dati različita mjerenja brzine.

Je li brzina svjetlosti konstantna?

[Zapravo, konstanta fine strukture ovisi o energetskoj ljestvici, ali ovdje govorimo o njenoj niskoenergetskoj granici.]

Specijalna teorija relativnosti

Definicija metra u SI sustavu također se temelji na pretpostavci ispravnosti teorije relativnosti. Brzina svjetlosti je konstantna u skladu s osnovnim postulatom teorije relativnosti. Ovaj postulat sadrži dvije ideje:

• Brzina svjetlosti ne ovisi o kretanju promatrača.
• Brzina svjetlosti ne ovisi o koordinatama u vremenu i prostoru.

Ideja da je brzina svjetlosti neovisna o brzini promatrača je kontraintuitivna. Neki ljudi se čak ne mogu složiti da je ta ideja logična. Godine 1905. Einstein je pokazao da je ta ideja logički točna ako se odustane od pretpostavke o apsolutnoj prirodi prostora i vremena.

Godine 1879. vjerovalo se da svjetlost mora putovati kroz neki medij u prostoru, kao što zvuk putuje kroz zrak i druge tvari. Michelson i Morley proveo eksperiment za detekciju etera promatrajući promjene u brzini svjetlosti kada se smjer gibanja Zemlje u odnosu na Sunce mijenja tijekom godine. Na njihovo iznenađenje, nije otkrivena nikakva promjena u brzini svjetlosti.

Doktor tehničkih znanosti A. GOLUBEV

Koncept brzine širenja vala jednostavan je samo u odsutnosti disperzije.

Lin Westergaard Heu u blizini instalacije gdje je izveden jedinstven eksperiment.

Prošlog su proljeća znanstveni i popularno-znanstveni časopisi diljem svijeta objavili senzacionalne vijesti. Američki fizičari proveli su jedinstven eksperiment: uspjeli su smanjiti brzinu svjetlosti na 17 metara u sekundi.

Svi znaju da svjetlost putuje ogromnom brzinom - gotovo 300 tisuća kilometara u sekundi. Točna vrijednost njegove vrijednosti u vakuumu = 299792458 m/s temeljna je fizikalna konstanta. Prema teoriji relativnosti, to je najveća moguća brzina prijenosa signala.

U svakom prozirnom mediju svjetlost putuje sporije. Njegova brzina v ovisi o indeksu loma sredstva n: v = c/n. Indeks loma zraka je 1,0003, vode - 1,33, raznih vrsta stakla - od 1,5 do 1,8. Dijamant ima jednu od najvećih vrijednosti indeksa loma - 2,42. Dakle, brzina svjetlosti u običnim tvarima neće se smanjiti za više od 2,5 puta.

Početkom 1999. skupina fizičara s Instituta za znanstvena istraživanja Rowland na Sveučilištu Harvard (Massachusetts, SAD) i Sveučilištu Stanford (Kalifornija) proučavala je makroskopski kvantni efekt - takozvanu samoinduciranu prozirnost, prolazak laserskih impulsa kroz medij. koji je inače neproziran. Taj medij bili su atomi natrija u posebnom stanju zvanom Bose-Einsteinov kondenzat. Kada se ozrači laserskim pulsom, dobiva optička svojstva koja smanjuju grupnu brzinu pulsa za 20 milijuna puta u usporedbi s brzinom u vakuumu. Eksperimentatori su uspjeli povećati brzinu svjetlosti na 17 m/s!

Prije nego što opišemo bit ovog jedinstvenog eksperimenta, podsjetimo se značenja nekih fizikalnih pojmova.

Grupna brzina. Pri prostiranju svjetlosti kroz sredstvo razlikuju se dvije brzine: fazna i grupna. Fazna brzina v f karakterizira kretanje faze idealnog monokromatskog vala - beskonačnog sinusnog vala strogo jedne frekvencije i određuje smjer širenja svjetlosti. Fazna brzina u mediju odgovara faznom indeksu loma - istom onom čije se vrijednosti mjere za različite tvari. Fazni indeks loma, a time i fazna brzina, ovisi o valnoj duljini. Ta se ovisnost naziva disperzija; dovodi, posebice, do razlaganja bijele svjetlosti koja prolazi kroz prizmu u spektar.

Ali pravi svjetlosni val sastoji se od skupa valova različitih frekvencija, grupiranih u određenom spektralnom intervalu. Takav skup naziva se skupina valova, valni paket ili svjetlosni impuls. Ti se valovi šire kroz medij različitim faznim brzinama zbog disperzije. U tom slučaju, impuls se rasteže i njegov oblik se mijenja. Stoga se za opisivanje gibanja impulsa, skupine valova u cjelini, uvodi pojam grupne brzine. Ima smisla samo u slučaju uskog spektra i u sredstvu sa slabom disperzijom, kada je razlika u faznim brzinama pojedinih komponenti mala. Da bismo bolje razumjeli situaciju, možemo dati jasnu analogiju.

Zamislimo da se na startnoj liniji poredalo sedam sportaša odjevenih u dresove različitih boja prema bojama spektra: crveni, narančasti, žuti itd. Na znak startnog pištolja oni istovremeno počinju trčati, ali „crveni“ ” sportaš trči brže od “narančastog” , “narančasti” je brži od “žutog” itd., tako da se istežu u lanac čija se duljina stalno povećava. Sada zamislite da ih gledamo odozgo s tolike visine da ne možemo razlikovati pojedine trkače, već samo vidimo šarenilo. Može li se govoriti o brzini kretanja ove točke u cjelini? Moguće je, ali samo ako nije jako mutno, kada je razlika u brzinama različitih obojenih trkača mala. U suprotnom, mjesto se može protezati cijelom dužinom rute, a pitanje njegove brzine izgubit će smisao. To odgovara jakoj disperziji - velikom rasponu brzina. Ako su trkači odjeveni u dresove gotovo iste boje, a razlikuju se samo u nijansama (recimo, od tamnocrvene do svijetlocrvene), to postaje u skladu sa slučajem uskog spektra. Tada se brzine trkača neće mnogo razlikovati; grupa će ostati prilično zbijena kada se kreće i može se karakterizirati vrlo određenom vrijednošću brzine, koja se naziva grupna brzina.

Bose-Einsteinova statistika. Ovo je jedna od vrsta takozvane kvantne statistike – teorije koja opisuje stanje sustava koji sadrže vrlo velik broj čestica koje se pokoravaju zakonima kvantne mehanike.

Sve čestice – i one sadržane u atomu i one slobodne – dijele se u dvije klase. Za jednu od njih vrijedi Paulijev princip isključenja prema kojem na svakoj energetskoj razini ne može biti više od jedne čestice. Čestice ove klase nazivaju se fermioni (to su elektroni, protoni i neutroni; u istu klasu spadaju čestice koje se sastoje od neparnog broja fermiona), a zakon njihove raspodjele naziva se Fermi-Diracova statistika. Čestice druge klase nazivaju se bozoni i ne poštuju Paulijevo načelo: na jednoj energetskoj razini može se akumulirati neograničen broj bozona. U ovom slučaju govorimo o Bose-Einsteinovoj statistici. Bozoni uključuju fotone, neke kratkotrajne elementarne čestice (na primjer, pi-mezone), kao i atome koji se sastoje od parnog broja fermiona. Na vrlo niskim temperaturama, bozoni se okupljaju na svojoj najnižoj — osnovnoj — energetskoj razini; tada kažu da dolazi do Bose-Einsteinove kondenzacije. Atomi kondenzata gube svoja individualna svojstva, a nekoliko milijuna njih počinje se ponašati kao jedan, njihove valne funkcije se spajaju, a njihovo ponašanje opisuje se jednom jednadžbom. To omogućuje reći da su atomi kondenzata postali koherentni, poput fotona u laserskom zračenju. Istraživači s američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju iskoristili su ovo svojstvo Bose-Einsteinovog kondenzata za stvaranje "atomskog lasera" (vidi Znanost i život br. 10, 1997.).

Samoinducirana transparentnost. To je jedan od učinaka nelinearne optike – optike snažnih svjetlosnih polja. Sastoji se od činjenice da vrlo kratak i snažan svjetlosni impuls prolazi bez prigušenja kroz medij koji apsorbira kontinuirano zračenje ili duge impulse: neproziran medij za njega postaje proziran. Samoinducirana prozirnost opaža se u razrijeđenim plinovima s trajanjem impulsa reda veličine 10 -7 - 10 -8 s i u kondenziranom mediju - manje od 10 -11 s. U tom slučaju dolazi do kašnjenja pulsa - njegova se grupna brzina jako smanjuje. Ovaj učinak prvi su demonstrirali McCall i Khan 1967. na rubinu na temperaturi od 4 K. Godine 1970. u rubidiju su dobivena kašnjenja koja odgovaraju brzinama pulsa tri reda veličine (1000 puta) manjim od brzine svjetlosti u vakuumu. para.

Okrenimo se sada jedinstvenom eksperimentu iz 1999. Proveli su ga Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Institut Rowland) i Steve Harris (Sveučilište Stanford). Hladili su gusti, magnetski držan oblak natrijevih atoma dok se nisu vratili u osnovno stanje, najnižu razinu energije. U ovom slučaju izolirani su samo oni atomi čiji je magnetski dipolni moment bio usmjeren suprotno od smjera magnetskog polja. Istraživači su zatim ohladili oblak na manje od 435 nK (nanokelvini, ili 0,000000435 K, gotovo apsolutna nula).

Nakon toga, kondenzat je osvijetljen "spojnim snopom" linearno polariziranog laserskog svjetla s frekvencijom koja odgovara njegovoj slaboj energiji pobude. Atomi su prešli na višu energetsku razinu i prestali upijati svjetlost. Kao rezultat, kondenzat je postao proziran za sljedeće lasersko zračenje. I tu su se pojavili vrlo čudni i neobični efekti. Mjerenja su pokazala da, pod određenim uvjetima, puls koji prolazi kroz Bose-Einsteinov kondenzat doživljava kašnjenje koje odgovara usporavanju svjetlosti za više od sedam redova veličine - faktor od 20 milijuna. Brzina svjetlosnog impulsa usporila se na 17 m/s, a duljina mu se smanjila nekoliko puta - na 43 mikrometra.

Istraživači vjeruju da će izbjegavanjem laserskog zagrijavanja kondenzata moći još više usporiti svjetlost - možda do brzine od nekoliko centimetara u sekundi.

Sustav s tako neobičnim karakteristikama omogućit će proučavanje kvantnih optičkih svojstava materije, kao i stvaranje raznih uređaja za kvantna računala budućnosti, na primjer, jednofotonskih prekidača.

epigraf
Učiteljica pita: Djeco, što je najbrže na svijetu?
Tanechka kaže: Najbrža riječ. Samo sam rekao, nećeš se vratiti.
Vanechka kaže: Ne, svjetlo je najbrže.
Čim sam pritisnuo prekidač, soba je odmah postala svijetla.
A Vovočka prigovara: Najbrža stvar na svijetu je proljev.
Jednom sam bio toliko nestrpljiv da nisam rekao ni riječ
Nisam imao vremena ništa reći niti upaliti svjetlo.

Jeste li se ikada zapitali zašto je brzina svjetlosti maksimalna, konačna i konstantna u našem svemiru? Ovo je vrlo zanimljivo pitanje i odmah ću, kao spojler, odati strašnu tajnu odgovora na njega - nitko ne zna točno zašto. Uzeta je brzina svjetlosti, tj. psihički prihvaćen za konstantu, a na tom postulatu, kao i na ideji da su svi inercijalni referentni okviri jednaki, Albert Einstein je izgradio svoju specijalnu teoriju relativnosti koja već stotinjak godina ljuti znanstvenike, dopuštajući Einsteinu da drži jezik za zubima na svijet nekažnjeno i cerekati se u grobu nad dimenzijama svinje koju je podmetnuo cijelom čovječanstvu.

Ali zašto je, zapravo, tako konstantan, tako maksimalan i tako konačan, nema odgovora, ovo je samo aksiom, tj. izjava uzeta na temelju vjere, potvrđena opažanjima i zdravim razumom, ali nigdje se ne može logički ili matematički izvesti. I sasvim je vjerojatno da to i nije tako točno, ali to još nitko nije uspio nikakvim iskustvom opovrgnuti.

Imam svoja razmišljanja o ovom pitanju, više o njima kasnije, ali za sada neka bude jednostavno, na prstima™ Pokušat ću odgovoriti barem na jedan dio - što znači brzina svjetlosti "konstanta".

Ne, neću vas zamarati misaonim eksperimentima što bi se dogodilo da upalite farove u raketi koja leti brzinom svjetlosti itd., to je sad malo van teme.

Ako pogledate priručnik ili Wikipediju, brzina svjetlosti u vakuumu definirana je kao temeljna fizikalna konstanta koja točno jednako 299,792,458 m/s. Pa to će, otprilike, biti oko 300.000 km/s, ali ako točno točno- 299 792 458 metara u sekundi.

Čini se, odakle takva točnost? Bilo koja matematička ili fizička konstanta, bilo koja, čak i Pi, čak i baza prirodnog logaritma e, čak i gravitacijska konstanta G, ili Planckova konstanta h, uvijek sadrže neke brojevi iza decimalne točke. U Pi je trenutno poznato oko 5 trilijuna ovih decimalnih mjesta (iako samo prvih 39 znamenki ima neko fizičko značenje), gravitacijska konstanta danas je definirana kao G ~ 6,67384(80)x10 -11, a konstanta Plank h~ 6,62606957(29)x10 -34 .

Brzina svjetlosti u vakuumu je glatko, nesmetano 299,792,458 m/s, ni centimetar više, ni nanosekundu manje. Želite li znati odakle dolazi ta točnost?

Sve je počelo kao i obično sa starim Grcima. Znanost, kao takva, u modernom smislu riječi, među njima nije postojala. Filozofe antičke Grčke nazivali su filozofima jer su prvo izmislili neku glupost u svojim glavama, a zatim su je logičkim zaključcima (a ponekad i pravim fizičkim pokusima) pokušali dokazati ili opovrgnuti. Međutim, korištenje fizičkih mjerenja i fenomena iz stvarnog života oni su smatrali "drugorazrednim" dokazima, koji se ne mogu usporediti s prvorazrednim logičkim zaključcima dobivenim izravno iz glave.

Prvi koji je razmišljao o postojanju vlastite brzine svjetlosti smatra se filozof Empidokle, koji je ustvrdio da je svjetlost kretanje, a kretanje mora imati brzinu. Prigovorio mu je Aristotel, koji je tvrdio da je svjetlost jednostavno prisutnost nečega u prirodi, i to je sve. I nigdje se ništa ne miče. Ali to je nešto drugo! Euklid i Ptolemej općenito su vjerovali da svjetlost izlazi iz naših očiju, a zatim pada na predmete, te ih stoga vidimo. Ukratko, stari Grci su bili glupi koliko su mogli dok ih nisu pokorili ti isti stari Rimljani.

U srednjem vijeku većina je znanstvenika i dalje vjerovala da je brzina širenja svjetlosti beskonačna, među njima su bili, recimo, Descartes, Kepler i Fermat.

Ali neki, poput Galileja, vjerovali su da svjetlost ima brzinu i da se stoga može mjeriti. Nadaleko je poznat eksperiment Galilea koji je upalio svjetiljku i osvijetlio pomoćnika koji se nalazio nekoliko kilometara od Galilea. Ugledavši svjetlo, pomoćnik je upalio svoju svjetiljku, a Galileo je pokušao izmjeriti kašnjenje između tih trenutaka. Naravno, nije uspio, te je na kraju bio prisiljen u svojim spisima napisati da ako svjetlost ima brzinu, onda je ona izuzetno velika i ne može se mjeriti ljudskim naporom, te se stoga može smatrati beskonačnom.

Prvo dokumentirano mjerenje brzine svjetlosti pripisuje se danskom astronomu Olafu Roemeru 1676. godine. Do ove godine astronomi, naoružani teleskopima tog istog Galilea, aktivno su promatrali Jupiterove satelite i čak izračunali njihova razdoblja rotacije. Znanstvenici su utvrdili da Jupiteru najbliži mjesec, Io, ima period rotacije od približno 42 sata. Međutim, Roemer je primijetio da se ponekad Io iza Jupitera pojavi 11 minuta ranije od očekivanog, a ponekad 11 minuta kasnije. Kako se pokazalo, Io se pojavljuje ranije u onim razdobljima kada se Zemlja, rotirajući oko Sunca, približava Jupiteru na minimalnu udaljenost, a zaostaje za 11 minuta kada je Zemlja na suprotnom mjestu orbite, i stoga je dalje od Jupiter.

Glupom podjelom promjera Zemljine orbite (a to je već bilo više-manje poznato u to doba) s 22 minute, Roemer je dobio brzinu svjetlosti od 220 000 km/s, promašivši pravu vrijednost za otprilike trećinu.

Godine 1729. engleski astronom James Bradley, promatrajući paralaksa(malim odstupanjem u lokaciji) zvijezda Etamin (Gamma Draconis) otkrila je učinak aberacije svjetla, tj. promjena položaja nama najbližih zvijezda na nebu zbog kretanja Zemlje oko Sunca.

Iz efekta svjetlosne aberacije, koju je otkrio Bradley, također se može zaključiti da svjetlost ima konačnu brzinu širenja, koju je Bradley iskoristio, izračunavši da iznosi približno 301 000 km/s, što je već unutar točnosti od 1% od danas poznata vrijednost.

Nakon toga uslijedila su sva razjašnjavajuća mjerenja drugih znanstvenika, ali budući da se vjerovalo da je svjetlost val, a val se ne može širiti sam od sebe, nešto treba "uzbuditi", ideju o postojanju " luminiferous ether”, čije je otkriće neslavno podbacilo američkom fizičaru Albertu Michelsonu. Nije otkrio nikakav luminiferski eter, ali je 1879. razjasnio brzinu svjetlosti na 299,910±50 km/s.

Otprilike u isto vrijeme, Maxwell je objavio svoju teoriju elektromagnetizma, što znači da je brzinu svjetlosti postalo moguće ne samo izravno mjeriti, već i izvesti iz vrijednosti električne i magnetske permeabilnosti, što je učinjeno pojašnjenjem vrijednosti brzinu svjetlosti na 299,788 km/s 1907.

Konačno, Einstein je izjavio da je brzina svjetlosti u vakuumu konstanta i da ne ovisi o ničemu. Naprotiv, sve ostalo - zbrajanje brzina i pronalaženje točnih referentnih sustava, učinci dilatacije vremena i promjene udaljenosti pri kretanju velikim brzinama i mnogi drugi relativistički učinci ovise o brzini svjetlosti (jer je uključena u sve formule kao konstanta). Ukratko, sve na svijetu je relativno, a brzina svjetlosti je veličina u odnosu na koju su sve druge stvari u našem svijetu relativne. Tu bismo možda morali dati prednost Lorentzu, ali nemojmo biti merkantilni, Einstein je Einstein.

Točno određivanje vrijednosti ove konstante nastavljeno je tijekom 20. stoljeća, sa svakim desetljećem znanstvenici su pronalazili sve više brojevi iza decimalne točke brzinom svjetlosti, sve dok im se u glavi nisu počele rađati nejasne sumnje.

Određujući sve točnije koliko metara svjetlost putuje u vakuumu u sekundi, znanstvenici su se počeli pitati što mi to mjerimo u metrima? Uostalom, na kraju krajeva, metar je samo duljina nekog platinasto-iridijevog štapića koji je netko zaboravio u nekom muzeju blizu Pariza!

I isprva se ideja o uvođenju standardnog brojila činila sjajnom. Kako se ne bi mučili s jardi, stopama i drugim kosim hvatima, Francuzi su 1791. godine odlučili uzeti kao standardnu ​​mjeru duljine jedan desetmilijunti dio udaljenosti od Sjevernog pola do ekvatora duž meridijana koji prolazi kroz Pariz. Izmjerili su tu udaljenost s točnošću koja je bila dostupna u to vrijeme, izlili štap od legure platine i iridija (točnije, prvo mjedi, zatim platine, a zatim platine iridija) i stavili je u ovu parišku Komora za utege i mjere kao primjerak. Što dalje idemo, to se više pokazuje da se zemljina površina mijenja, kontinenti se deformiraju, meridijani se pomiču, a za jedan desetmilijunti dio zaboravili su i počeli brojati duljinu štapa koji leži u kristalni lijes pariškog »mauzoleja« kao metar.

Takvo idolopoklonstvo ne priliči pravom znanstveniku, ovo nije Crveni trg (!), a 1960. godine odlučeno je da se koncept metra pojednostavi na potpuno očitu definiciju - metar je točno jednak 1.650.763,73 valne duljine emitirane prijelazom elektrona između energetskih razina 2p10 i 5d5 nepobuđenog izotopa elementa Krypton-86 u vakuumu. Pa, koliko jasnije?

Tako je trajalo 23 godine, dok se sve točnije mjerila brzina svjetlosti u vakuumu, dok 1983. konačno i najtvrdoglaviji retrogradni nisu shvatili da je brzina svjetlosti najtočnija i idealna konstanta, a ne nekakva izotopa kriptona. I odlučeno je sve okrenuti naglavačke (točnije, ako malo bolje razmislite, odlučeno je sve okrenuti naglavačke), sad brzina svjetlosti S je prava konstanta, a metar je udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu u (1/299,792,458) sekundi.

Prava vrijednost brzine svjetlosti nastavlja se razjašnjavati i danas, ali ono što je zanimljivo je da svakim novim eksperimentom znanstvenici ne razjašnjavaju brzinu svjetlosti, već pravu duljinu metra. I što se preciznije utvrdi brzina svjetlosti u nadolazećim desetljećima, točniji ćemo metar na kraju dobiti.

A ne obrnuto.

E, sad se vratimo našim ovcama. Zašto je brzina svjetlosti u vakuumu našeg svemira najveća, konačna i konstantna? Ovako ja to shvaćam.

Svatko zna da je brzina zvuka u metalu, iu gotovo svakom čvrstom tijelu, mnogo veća od brzine zvuka u zraku. To je vrlo lako provjeriti; samo prislonite uho na šinu i moći ćete čuti zvukove vlaka koji se približava puno prije nego kroz zrak. Zašto je to? Očito je da je zvuk u biti isti, a brzina njegovog širenja ovisi o mediju, o konfiguraciji molekula od kojih se taj medij sastoji, o njegovoj gustoći, o parametrima njegove kristalne rešetke - ukratko, o trenutno stanje medija kroz koji se zvuk prenosi.

I premda je ideja o svjetlećem eteru odavno napuštena, vakuum kroz koji se šire elektromagnetski valovi nije apsolutno ništa, koliko god nam se praznim činio.

Razumijem da je analogija pomalo nategnuta, ali to je istina na prstima™ isti! Upravo kao pristupačnu analogiju, a nikako kao izravan prijelaz s jednih fizikalnih zakona na druge, samo vas molim da zamislite da brzina širenja elektromagnetskih (i općenito bilo kakvih, uključujući gluonske i gravitacijske) vibracije, tj. baš kao što je brzina zvuka u čeliku "ušivena" u tračnicu. Odavde plešemo.

UPD: Usput, pozivam “čitatelje sa zvjezdicom” da zamisle ostaje li brzina svjetlosti konstantna u “teškom vakuumu”. Na primjer, vjeruje se da pri energijama reda temperature 10-30 K, vakuum prestaje jednostavno ključati s virtualnim česticama i počinje "kipjeti", tj. tkivo svemira se raspada na komadiće, Planckove količine se zamagljuju i gube svoje fizičko značenje, itd. Bi li brzina svjetlosti u takvom vakuumu i dalje bila jednaka c, ili će ovo označiti početak nove teorije "relativističkog vakuuma" s korekcijama poput Lorentzovih koeficijenata pri ekstremnim brzinama? Ne znam, ne znam, vrijeme će pokazati...