Опыт Галилея
Опыт Галилео Галилея был гениален в своей простоте. Ученый проводил эксперимент по измерению скорости света, вооружившись простыми подручными средствами. На большом и известном расстоянии друг от друга, на разных холмах, Галилей и его помощник стояли с зажженными фонарями. Один из них открывал заслонку на фонаре, а второй должен был проделать то же самое, когда увидит свет первого фонаря. Зная расстояние и время (задержку перед тем, как помощник откроет фонарь) Галилей рассчитывал вычислить скорость света. К сожалению, для того, чтобы этот эксперимент увенчался успехом, Галилею и его помощнику нужно было выбрать холмы, которые находятся на расстоянии в несколько миллионов километров друг от друга. Хотелось бы напомнить, что вы можете заказать эссе, оформив заявку на сайте.
Опыты Рёмера и Брэдли
Первым удачным и на удивление точным опытом по определению скорости света был опыт датского астронома Олафа Рёмера. Рёмер применил астрономический метод измерения скорости света. В 1676 он наблюдал в телескоп за спутником Юпитера Ио, и обнаружил, что время наступления затмения спутника меняется по мере отдаления Земли от Юпитера. Максимальное время запаздывания составило 22 минуты. Посчитав, что Земля удаляется от Юпитера на расстояние диаметра земной орбиты, Рёмер разделил примерное значение диаметра на время запаздывания, и получил значение 214000 километров в секунду. Конечно, такой подсчет был очень груб, расстояния между планетами были известны лишь примерно, но результат оказался относительно недалек от истины.
Опыт Брэдли. В 1728 году Джеймс Брэдли оценил скорость света наблюдая абберацию звезд. Абберация – это изменение видимого положения звезды, вызванное движением земли по орбите. Зная скорость движения Земли и измерив угол абберации, Брэдли получил значение в 301000 километров в секунду.
Опыт Физо
К результату опыта Рёмера и Брэдли тогдашний ученый мир отнесся с недоверием. Тем не менее, результат Брэдли был самым точным на протяжении сотни с лишним лет, аж до 1849 года. В тот год французский ученый Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора, без наблюдений за небесными телами, а здесь, на Земле. По сути, это был первый после Галилея лабораторный метод измерения скорости света. Приведем ниже схему его лабораторной установки.
Свет, отражаясь от зеркала, проходил через зубья колеса и отражался от еще одного зеркала, удаленного на 8,6 километров. Скорость колеса увеличивали до того момента, пока свет не становился виден в следующем зазоре. Расчеты Физо дали результат в 313000 километров в секунду. Спустя год подобный эксперимент с вращающимся зеркалом быо проведен Леоном Фуко, получившим результат 298000 километров в секунду.
С появлением мазеров и лазеров у людей появились новые возможности и способы для измерение скорости света, а развитие теории позволило также рассчитывать скорость света косвенно, без проведения прямых измерений.
Самое точное значение скорости света
Человечество накопило огромный опыт по измерению скорости света. На сегодняшний день самым точным значением скорости света принято считать значение 299 792 458 метров в секунду, полученное в 1983 году. Интересно, что дальнейшее, более точное измерение скорости света, оказалось невозможным из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас значение метра привязано к скорости света и равняется расстоянию, которое свет проходит за 1 / 299 792 458 секунды.
Напоследок, как всегда, предлагаем посмотреть познавательное видео. Друзья, даже если перед Вами стоит такая задача, как самостоятельное измерение скорости света подручными средствами, Вы можете смело обратиться за помощью к нашим авторам. Заказать контрольную работу онлайн вы можете оформив заявку на сайте Заочника. Желаем Вам приятной и легкой учебы!
Числовое значение, обозначения и единицы измерения
Это достаточно сложный вопрос. Световая скорость обозначается в СИ, как «с». Ее впервые высчитал в 1676 году Олаф Рёмер. У него получилось с= 220000 км/с. И на протяжении веков последующие исследователи старались скорректировать эти данные.
В 20-м веке ученые все также постепенно усложняли эксперименты, постоянно уточняя скорость света. Предельной точности они смогли достичь после того, как в 1970-х годах были созданы первые лазеры. Но в результате оказалось, что все равно остаются погрешности около 1,2 м/c. Проблема была в том, что сам метр – мера не совсем точная. Его определяли, как одну десятимиллионную часть расстояния от Северного полюса до экватора, которое измерять тоже приходилось вручную и через метры. Задачу решили нестандартно.
В 1975 году на пятнадцатой Генеральной конференции по мерам и весам было принято, что последние полученные данные 299792458 м/с стали считаться эталонными для вакуума. А в 1983 на семнадцатой конференции все перевернули с ног на голову. Метром стало расстояние, которое преодолевает свет за 1/299792458 часть секунды.
Фундаментальная роль в физике
Прежде чем углубляться в научные теории, надо разобраться в самом «простом» вопросе: что такое свет? Проблема заключается в том, что в зависимости от условий эксперимента луч ведет себя то как поток частиц, которые называются «фотоны», то как волна.
Поэтому с 17 века в научном мире велись споры:
- Часть исследователей верила, что свет – это часть эфира, всепроникающей сущности, которая колеблется, вызывая привычные нам электромагнитные явления. Эту идею постулировал Рене Декарт.
- Некоторые ученые считали, что свет – это только набор летящих частиц. Их корпускулярную теорию сформулировал Исаак Ньютон.
- Другие доказывали, что свет – волна. Их волновую теорию доказал нидерландский физик Христиан Гюйгенс.
К концу 19 века именно эфирная теория света считалась наиболее достоверной. Но все изменил опыт Майкельсона-Морли в 1887 году. Американские ученые решили замерить скорость света вдоль потока эфира и поперек. Так они хотели узнать, насколько стремительны эфирные потоки. Но исследователи были поражены, когда оказалось, что свет двигался во всех направлениях одинаково. Это означало, что никакой эфир его не передвигает.
Теория электромагнетизма Максвелла ввела в физику понятие электромагнитного поля, которое распространяется вокруг заряженных тел. При этом его движение можно фактически определить только если обозначить какую-либо точку отсчета и систему координат. Эта теория помогла объяснить волновую природу света.
В 1901 году на основе идеи Альберта Эйнштейна, немец Макс Планк пришел к выводу, что свет излучается и поглощается строго порционно, по квантам, в зависимости от длины волны. Эти порции были названы фотонами, объяснившими корпускулярную теорию.
Объединив эти данные Альберт Эйнштейн создал свою теорию относительности. Он заявил, что скорость света в вакууме не зависит ни от источника, ни от положения наблюдателя. То есть, она постоянная. Этот простой тезис буквально перевернул все понимание физики элементарных частиц. Если делать логические выводы на тезисах Эйнштейна, получается, что:
- Скорость света одинакова для всех безмассовых частиц и волн. То есть любое излучение в вакууме будет перемещаться с одинаковой стремительностью.
- Е=mc2. Это легендарное уравнение означает, что у любого вида энергии есть определенная масса. При этом последняя равна в покое объему энергии, которая заключена в объекте, умноженной на постоянную скорость света в квадрате.
- Сокращение длины. Это теория Хендрика Лоренца, согласно которой, чем быстрее движется объект, тем короче он становится. При этом сам Эйнштейн верил, что подобное явление сродни оптической иллюзии. В то же время другие ученые считают, что такое сокращение объективно.
- Пространство-время. В специальной теории относительности время является не отдельной величиной, а еще одним измерением, подобно длине, ширине и высоте. Этот постулат доказывается тем, что на больших скоростях время для движущегося объекта замедляется.
Скорость света в вакууме используется как константа в изучении большинства явлений современными физиками, даже если они не имеют прямого отношения к свету, как гравитация. Впоследствии эти знания используются в передовых разработках. Для примера, на спутниках GPS и Международной космической станции часы настраиваются с поправкой на 0,01 с в год из-за искривления времени на орбите.
Верхний предел скорости
Согласно специальной теории относительности максимальная скорость света распространяется только на частицы, у которых нет массы. То есть любой предмет или живое существо не сможет ее достигнуть. Логика этого заявления вытекает из исследований Эйнштейна и Лоренца.
Чем больше становится скорость объекта, тем сильнее увеличивается его энергия. В формулу Е=мс2 добавляется гамма-фактор Лоренца, учитывающий уменьшение длины и замедление времени. При приближении к скорости света этот коэффициент стремится к бесконечности. То есть для достижения предела стремительности объекту, как минимум, потребуется бесконечная энергия. При этом сам он будет становиться все меньше, пока не превратится в точку с бесконечной массой, для которой время полностью остановится. А значит и движение.
В 1910 году Альберт Эйнштейн и Арнольд Зоммерфельд придумали мысленный эксперимент. Они допустили, что существуют электромагнитные частицы тахионы, которые могут двигаться быстрее скорости света. В таком случае они направятся назад во времени и смогут перенести информацию в прошлое. Но современная физика считает подобное невозможным, ведь тогда нарушится причинно-следственная связь.
С другой стороны тахионы и перемещения во времени стали благодатной почвой для фантастов. Один из наиболее знаменитых персонажей, связанных с этой темой – Флэш из вселенной комиксов DC. Его способности перемещаться во времени авторы связывают с использованием тахионов и преодолением верхнего предела скорости.
Как посчитать значение фундаментальной константы
Самый простой способ, которым можно воспользоваться – теоретический. Благодаря электромагнитной теории Максвелла, известно, что световую скорость можно вычислить через электрическую и магнитную постоянные по формуле с2=1/(e0m0). По итогам в 1907 году ученые Роза и Дорси получили результат с точностью до 22 км/с.
Другой современный вариант измерения потребует наличия специального объемного резонатора. С его помощью можно точно провести независимое исследование длины волны и частоты излучения, а потом перемножить, высчитав скорость света. Данный вариант при знании размеров прибора вплоть до микрометров, позволяет высчитать предел скорости с точностью до 3 км/с.
Как измеряли скорость света?
Люди пытались узнать, насколько же быстр световой луч еще с древности. Но учитывая чересчур высокие скоростные характеристики исследуемого объекта, большинство ученых приходили к выводу, что свет распространяется мгновенно. Есть 3 самых известных опыта, которые отлично демонстрируют эволюцию подхода к изучению вопроса.
Опыт Галилея
В 1607 году великий Галилео Галилей усомнился, что скорость светового луча бесконечна и предложил простую идею для опровержения. Он с помощником встал на разные холмы, расстояние между которыми было заранее посчитано. Вначале один из них должен был открыть заслонку фонаря. Как только второй исследователь увидит свет, он тоже должен был посветить в обратную сторону.
Дальше предстояла задача школьного уровня. Удвоенное расстояние надо было поделить на время. Но визуальных задержек движения света ученый не заметил, поэтому признал затею провальной. Проблема измерения была не только в реально слишком большой стремительности изучаемого объекта, но и в физиологических ограничениях скорости реакции самих исследователей.
Опыт Рёмера и Брэдли
Почти 70 лет спустя проблему бесконечной скорости света частично решил датский астроном Олаф Рёмер. Он следил за Юпитером. Оказалось, что когда Земля улетает от планеты дальше, то затмения спутника Ио начинают запаздывать на 22 минуты. Это отклонение от расчетных значений астроном приписал скорости света в космосе, приблизительно получив значение 212000 км/с. Такая большая погрешность возникла потому, что ученый не смог учесть элипсовый изгиб траекторий движения планет.
В 1676 году Олаф Рёмер сообщил о своем открытии в Парижской академии, но не стал писать полноценного научного труда. Поэтому официально идею признали после открытия Джеймсом Брэдли аберрации – изменения направления излучения в зависимости от выбранной системы отсчета. Проще говоря, англичанин математически доказал, что небесные тела движутся не по кругу, а по элипсовидной траектории, вычислил ее и уточнил скорость света до 308000 км/с.
Однако нетрудно догадаться, что погрешности астрономических вычислений не позволяют максимально точно вычислить, насколько же быстр свет. Для этого надо было иметь более контролируемые лабораторные условия на Земле.
Опыт Физо
В 1849 году новую задачу смог решить французский ученый Арман Ипполит Луи Физо, усовершенствовав идею Галилео и исключив из нее человеческий фактор. В его опыте световой луч проходил через зубчатое колесо, постоянно прерываясь. Эти прерывания фиксировались на расстоянии 8,63 км. По его вычислениям получилось значение 313300 км/с.
Но основная суть этого опыта в том, что впервые ученые получили возможность полностью контролировать все этапы эксперимента. Осталось только подождать чуть более 100 лет, чтобы наука получила более точные методы измерения. Что и случилось в 1975 году, когда с помощью лазеров исследователи смогли достигнуть пределов точности в рамках метрической системы.
Возможна ли сверхсветовая скорость?
Физики предполагают несколько вариантов, как нечто может двигаться быстрее световой скорости. Но в них есть несколько оговорок: таким образом невозможно передать информацию, массу или энергию.
- Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. В нем предполагается, что если 2 квантовые частицы запутаны, то одна изменяется одновременно с другой. Но это происходит только в том случае, когда ее видит наблюдатель. То есть, если они расположены далеко друг от друга, это изменение может передаваться и определяться быстрее скорости света. Но так как наблюдатель не может предсказать, как изменится квантовая частица, то информация не передается так быстро.
- Эффект Хартмана. Он подразумевает, что скорость волны, проходящей через непрозрачный туннель увеличивается пропорционально толщине барьера, независимо от времени. Теоретически, виртуальные частицы таким образом могут преодолеть скоростной предел. Но с их помощью не получится передать энергию или информацию.
- Сфера Хаббла. Вселенная расширяется. Люди способны ее наблюдать только в тех пределах, в которых скорость расширения меньше, чем у света. Фактически за этой границей объекты движутся быстрее предела. Но и здесь стоит уточнить, что это не их собственная скорость, а скорее изменение самого пространства.
На данный момент не существует теории, которая смогла бы обеспечить возможность преодолеть скорость света на Земле или в космосе. Но исследования данного вопроса продолжаются.
Эксперименты О. Ремера
Первым скорость света в вакууме измерил О. Ремер в 1676 году. Он проводил наблюдение затмения Ио (спутника Юпитера). Обозначим $T_0$ период обращения Ио вокруг Юпитера
Если наблюдать последовательные затмения Ио с нашей планеты, то временные промежутки между двумя затмениями ($T_i$) зависят от положения Земли относительно Юпитера. Тогда, когда Земля максимально приближена к Юпитеру $T_0=T_i$. При удалении Земли от Юпитера период $T_i$ сначала увеличивается, потом убывает до $T_0$, когда Земля занимает положение максимального удаления от Юпитера. Данное явление Ремер объяснял тем, что скорость распространения света ($c$) является конечной. За период времени, равный времени двух последовательных затмений Ио, Земля проходит некоторой расстояние, удаляясь от Юпитера. Для того чтобы пройти свету это дополнительное расстояние необходимо дополнительное время, которое можно найти как:
$\Delta T_i=T_i-T_0$ (1).
Величины $\Delta T_i$ составляют не более 15 с. В XVII веке, когда жил Ремер, измерять такие малые времена с достаточной точностью еще не умели. Но во время перемещения Земли из точки 1 в точку 2 (рис. 1) кажущиеся запаздывания некоторого количества ($N$) затмений спутника Ио , «запаздывание» $N$ — го затмения составит существенное время:
$c=d/ \Delta T$.
В соответствии со своими измерениями Ремер получил, что скорость света составляет$ c=2,15∙(10)^8$ м/c.
По современным данным получают, что $ \Delta T=16,5$ мин, тогда $c≈3∙(10)^8$ м/c.
Астрономический метод Д. Брэдли
Явление аберрации применяют для нахождения значения скорости света.
Для того чтобы получить изображение звезды в точке $A$ ось телескопа следует отклонить от вертикали $AB$ в сторону перемещения Земли на угол $\propto$, который подчиняется условию:
Наблюдателю станет казаться, что рассматриваемая им звезда находится на продолжении оси телескопа (линия $AB’$) (рис.
При перемещении Земли по своей орбите вектор $\vec v$ и линия $AB’$ будет медленно вращаться вокруг оси $AB$. За один год $\vec v$ совершает поворот на 360°, при этом линия $AB’$ описывает коническую поверхность с осью вращения $AB$. Движение кажущейся линии наблюдения — это причина аберрации света, так как воспринимается исследователем как результат движения звезды по орбите. Угловой размер радиуса данной орбиты нам известен (∝=20,5″). С другой стороны, должно выполняться соотношение (4), отсюда скорость света равна:
где $v$=29800 м/c – скорость движения Земли по своей орбите.
Опыты по установлению скорости света в условиях Земли
Наиболее известные методы измерения скорости света в условиях нашей планеты:
- А. Физо;
- Л. Фуко;
- А. Майкельсона.
Для определения скорости света в условиях Земли, требуется с большой точностью проводить измерения маленьких промежутков времени, необходимых свету для прохождения относительно небольших расстояний.
Первым такие измерения провел А. Физо в 1849 году. Он сконструировал установку, в которой основным элементом служило зубчатое колесо. Это колесо было способно вращаться около некоторой оси. Если колесо было неподвижно, то свет от точечного источника проходил сквозь линзу, отражался от полупрозрачного плоского зеркала и проходил между зубцами колеса. После этого система линз направляет свет на плоское зеркало. Отразившись от этого зеркала, свет снова направляется на колесо. На обратном пути свет проходит вновь между зубцами колеса, полупрозрачное зеркало попадает в окуляр и затем глаз наблюдателя. При следовании света от колеса и обратно он тратит время:
где $l$ — расстояние от колеса до непрозрачного зеркала.
В 1850 году Л. Фуко использовал метод вращающегося зеркала для измерения скорости света в воздухе. Ученый показал, что скорость света в воде меньше, чем скорость света в вакууме, что соответствует волновой теории.
Опыт Майкельсона – это комбинация методов Физо и Фуко. Исследователь использовал вращающуюся восьмигранную зеркальную призму в своих экспериментах по определению скорости света.
Одним из самых точных методов измерения скорости света является эксперимент, в котором в роли высокочастотного модулятора интенсивности света применяется ячейка Керра. При этом устройство регистрирующее свет – это специальный фотоэлемент.
Как определили скорость света
В античные времена учёные считали, что скорость света бесконечна. Позднее в учёной среде начались дискуссии по этому вопросу. Кеплер, Декарт и Ферма были согласны с мнением античных учёных. А Галилей и Гук полагали, что, хотя скорость света очень велика, всё-таки она имеет конечное значение.
Одним из первых скорость света попытался измерить итальянский учёный Галилео Галилей. Во время эксперимента он и его помощник находились на разных холмах. Галилей открывал заслонку на своём фонаре. В тот момент, когда помощник видел этот свет, он должен был проделать те же действия со своим фонарём. Время, за которое свет проходил путь от Галилея до помощника и обратно, оказалось таким коротким, что Галилей понял, что скорость света очень велика, и на таком коротком расстоянии измерить её невозможно, так как свет распространяется практически мгновенно. А зафиксированное им время показывает всего лишь быстроту реакции человека.
Впервые скорость света удалось определить в 1676 г. датскому астроному Олафу Рёмеру с помощью астрономических расстояний. Наблюдая с помощью телескопа затмения спутника Юпитера Ио, он обнаружил, что по мере удаления Земли от Юпитера каждое последующее затмение наступает позже, чем было рассчитано. Максимальное запаздывание, когда Земля переходит на другую сторону от Солнца и удаляется от Юпитера на расстояние, равное диаметру земной орбиты, составляет 22 часа. Хотя в то время точный диаметр Земли не был известен, учёный разделил его приблизительную величину на 22 часа и получил значение около 220 000 км/с.
Результат, полученный Рёмером, вызвал недоверие у учёных. Но в 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора. В его опыте свет от источника проходил между зубьями вращающегося колеса и направлялся на зеркало. Отражённый от него, он возвращался назад. Скорость вращения колеса увеличивалась. Когда она достигала какого-то определённого значения, отражённый от зеркала луч задерживался переместившимся зубцом, и наблюдатель в этот момент ничего не видел.
Физо вычислил скорость света следующим образом. Свет проходит путь L
от колеса до зеркала за время, равное t 1
= 2L/c. Время, за которое колесо делает поворот на ½ прорези, равно t 2 = T/2N
, где Т
— период вращения колеса, N
— количество зубцов. Частота вращения v = 1/T. Момент, когда наблюдатель не видит света, наступает при t 1 = t 2. Отсюда получаем формулу для определения скорости света:
с = 4LNv
Проведя вычисления по этой формуле, Физо определил, что с
= 313 000 000 м/с. Этот результат был гораздо точнее.
Арман Ипполит Луи Физо
В 1838 г. французский физик и астроном Доминик Франсуа Жан Араго́ предложил использовать для вычисления скорости света метод вращающихся зеркал. Эту идею осуществил на практике французский физик, механик и астроном Жан Берна́р Лео́н Фуко́, получивший в 1862 г. значение скорости света (298 000 000±500 000) м/с.
Доминик Франсуа Жан Араго
В 1891 г. результат американского астронома Са́ймона Нью́кома оказался на порядок точнее результата Фуко. В результате его вычислений с
= (99 810 000±50 000) м/с.
Исследования американского физика Альберта Абрахама Майкельсона, использовавшего установку с вращающимся восьмигранным зеркалом, позволили ещё точнее определить скорость света. В 1926 г. учёный измерил время, за которое свет проходил расстояние между вершинами двух гор, равное 35,4 км, и получил с
= (299 796 000±4 000) м/с.
Наиболее точное измерение было проведено в 1975 г. В этом же году Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала считать скорость света, равной 299 792 458 ± 1,2 м/с.
От чего зависит скорость света
Скорость света в вакууме не зависит ни от системы отсчёта, ни от положения наблюдателя. Она остаётся постоянной величиной, равной 299 792 458 ± 1,2 м/с. Но в различных прозрачных средах эта скорость будет ниже его скорости в вакууме. Любая прозрачная среда имеет оптическую плотность. И чем она выше, тем с меньшей скоростью распространяется в ней свет. Так, например, скорость света в воздухе выше его скорости в воде, а в чистом оптическом стекле меньше, чем в воде.
Если свет переходит из менее плотной среды в более плотную, его скорость уменьшается. А если переход происходит из более плотной среды в менее плотную, то скорость, наоборот, увеличивается. Этим объясняется, почему световой луч отклоняется на границе перехода двух сред.
Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.
Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с — фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.
В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n. Показатель преломления воздуха — 1,0003, воды — 1,33, различных сортов стекла — от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз — 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.
В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект — так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!
Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.
Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости — фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны — бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления — тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.
Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.
Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но «красный» спортсмен бежит быстрее, чем «оранжевый», «оранжевый» — быстрее, чем «желтый», и т. , так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии — большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.
Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики — теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.
Все частицы — как заключенные в атоме, так и свободные — делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком — основном — энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания «атомного лазера» (см. «Наука и жизнь» № 10, 1997 г.
Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики — оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10-7 — 10-8 с и в конденсированных средах — менее 10-11 c. При этом возникает запаздывание импульса — его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.
Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние — на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).
После этого конденсат осветили «связующим пучком» линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков — в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз — до 43 микрометров.
Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет — возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.
Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.
Принцип Гюйгенса. Законы преломления и отражения света. Дисперсия света
Волновая природа света и принцип Гюйгенса.
- Волновой фронт — поверхность, соединяющая все точки волны, находящиеся в одной фазе (т.е.
все точки волны, которые в одно и то же время находятся в одинаковом состоянии колебаний); - Луч — линия, в каждой точке перпендикулярная волновому фронту и указывающая на направление распространения
волны; - Плоская волна — такая волна, волновой фронт которой представляет собой плоскость, перемещающуюся в
пространстве со скоростью волны; - У сферической волны волновой фронт представляет собой сферу, радиус которой R = vt
, где
v
— скорость волны.
Принцип Гюйгенса. Каждая точка волнового фронта может рассматриваться как источник вторичных
сферических волн, распространяющихся со скоростью света в данной среде; огибающая поверхность всех вторичных
сферических волн (т. поверхность, касательная к фронтам всех вторичных волн) в любой момент времени представляет
собой новое положение волнового фронта исходной волны.
Исходя из этого принципа, легко доказать, что световые лучи в однородной среде распространяются прямолинейно.
Отражение света на основе волновой теории. Пусть плоская волна падает под некоторым углом
a
на отражающую поверхность. По соглашению угол падения (как и
углы отражения и преломления) отсчитывается от нормали к поверхности в точке падения.
Падающий луч, отраженный луч и нормаль к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости;
Угол падения a
равен углу отражения g.
Скорость света в вакууме и в среде. Скорость света в среде меньше скорости света в вакууме. Можно
показать, что в вакууме
Где e
0
и m
0
— диэлектрическая и магнитная постоянные. Если же свет распространяется в однородной среде с диэлектрической
проницаемостью e
и магнитной проницаемостью m
, то скорость света в такой среде
Где n > 1
— абсолютный показатель преломления среды. В общем случае скорость света зависит
от свойств среды, от ее температуры и от длины волны света. Обычно чем больше длина волны света, тем быстрее он
распространяется в данной среде, т. скорость распространения красного света больше, чем фиолетового.
Относительным показателем преломления одной среды 1 относительно другой среды 2 называется отношение скоростей
распространения света в двух средах:
Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной средой
, с меньшим показателем
преломления — оптически менее плотной средой.
Преломление света на основе волновой теории. Закон преломления света при переходе из одной среды в
другую с иным показателем преломления был открыт Снеллиусом в 1620 г. и впервые упомянут в трудах Р. Декарта. Этот
закон можно вывести с помощью принципа Гюйгенса.
Пусть плоская световая волна падает под углом a
на границу раздела
двух сред с разной скоростью распространения света в них. Тогда для углов падающего и преломлённого лучей
верна формула:
Полное внутреннее отражение. Если свет проходит из оптически более плотной среды в оптически
менее плотную (например, из стеклянного волокна в воздух), то угол преломления становится больше угла
падения. Так как угол преломления не может быть больше p
/2
, чему
отвечает угол падения
(предельный угол полного отражения),
То все лучи света, падающие на поверхность раздела сред под углами, большими a
0
, отражаются назад. Это явление называется полным внутренним
отражением.
Дисперсия света. Показатель преломления любой среды определяется свойствами этой среды и
зависит от частоты (или длины волны) света, т. n = n(w
). Явление
зависимости показателя преломления среды от частоты проходящего света называется дисперсией.
О существовании такого понятия как «скорость света» многие знают еще с раннего детства. Большому количество людей известно, что свет движется очень быстро. Но не все знают подробно о явлении.
АНТИФИШКИВсё о политике в мире
