Скорость распространения света в веществе меньше чем в вакууме

Урок 12. Световые волны

Геометрическая оптика. Прямолинейное распространение света.

Скорость света и описание методов её измерения;

Принцип Гюйгенса, законы отражения и преломления света, границы их применимости;

Определение показателя преломления среды.

Ключевые слова: оптика; свет; световой луч; преломление; отражение; показатель преломления.

Глоссарий по теме:

Оптика – раздел физики, изучающий световые явления, выясняющий физическую природу и свойства света, закономерности его излучения и взаимодействия с веществом.

Геометрическая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и законы его отражения от зеркальных поверхностей на основе представления о световых лучах.

Волоконная оптика — раздел оптики, который изучает систему передачи света и изображений с помощью световодов.

Световой луч – линия, вдоль которой распространяется световая энергия.

Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом.

Скорость света – абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме.

Преломление света – явление изменения направления распространения света при прохождении через границу раздела сред с разными оптическими свойствами.

Закон прямолинейного распространения света: в однородной оптической среде свет распространяется прямолинейно.

Закон отражения света: луч падающий, луч отражённый и нормаль к отражающей поверхности в точке падения лежат в одной плоскости, причём угол падения равен углу отражения.

Отражение света — явление изменения направления распространения света на границе двух сред, при котором свет остается в первой среде.

Угол падения – угол между падающим лучом и нормалью к отражающей поверхности в точке падения.

Угол отражения – угол между нормалью к отражающей поверхности и отражённым лучом.

Плоская волна – волна, у которой поверхности равной фазы (волновые поверхности) и соответственно фронт волны имеет форму плоскости.

Список обязательной литературы и дополнительная литература:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М.. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С.170 – 190.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Геометрическая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей. Световой луч – это линия, указывающая, в каком направлении свет переносит энергию.

В соответствии с двумя способами передачи энергии от источника к приёмнику в XVII в. возникли две противоречащие друг другу теории света: а) корпускулярная теория света Ньютона; б) волновая теория света Гюйгенса.

С установлением электромагнитной природы света в XIX в. и обнаружением квантовых свойств света в начале XX в. и волновая и корпускулярная теории света одержали победу. Выяснилось, что свет имеет двойственную природу. Астрономическим и лабораторным методами измерена скорость света в вакууме. По современным вычислениям скорость света равна 299 792 458 м/с или приближенно .

Скорость распространения света в веществе всегда меньше, чем в вакууме.

В основе геометрической оптики лежат четыре закона: закон прямолинейного распространения света; закон независимости световых лучей; закон отражения света; закон преломления света. С помощью принципа Гюйгенса можно вывести и объяснить законы распространения света.

Плоская поверхность, зеркально отражающая свет, называется плоским зеркалом.

Свойства плоского зеркала:

изображение предмета мнимое;

изображение симметричное предмету относительно зеркала;

размеры изображения равны размерам предмета.

При падении света на плоскую границу раздела, часть светового потока частично отражается, а часть преломляется.

Законы преломления: 1. Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к границе раздела двух сред в точке падения луча лежат в одной плоскости. 2. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β – величина постоянная для данных сред и равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

где n – относительный показатель преломления второй среды относительно первой; n₁ и n₂ — абсолютные показатели преломления первой и второй сред.

Абсолютный показатель преломления среды n – это физическая величина, показывающая, во сколько раз скорость света c в вакууме больше, чем в среде ��:

Относительный показатель преломления второй среды относительно первой n₂₁ – величина, показывающая во сколько скорость ��₁ распространения света в первой среде больше (меньше; равна) скорости ��₂ распространения света во второй:

Полное отражение – это явление отражения света, падающего из оптически более плотной среды на границу с оптически менее плотной средой под углом падения, большим некоторого предельного угла α_0.

Предельный угол полного отражения α₀ — угол падения луча, при котором преломлённый луч скользит вдоль границы раздела двух сред

Разбор тренировочного типового задания:

1. Вставьте в текст слова из выпадающего списка: «Свет при взаимодействии с веществом испытывает __________, преломление и ___________. Скорость света _______ и измерена».

Варианты ответов: отражение, тяготение, поглощение, конечна, бесконечна, переменная.

Правильный вариант: отражение, поглощение, конечна.

2. Решите задачу и зачеркните неверные ответы. Найти показатель преломления рубина, если предельный угол полного отражения для рубина равен 34 0 .

§ 14. Электромагнитная природа света

С античных времен считалось, что свет практически мгновенно преодолевает любые расстояния. Вопрос о природе света долгое время также оставался открытым. Какими свойствами обладает свет? Как была измерена скорость его распространения?

Чем меньше скорость распространения света в среде, тем среда является оптически более плотной.

Оптика — раздел физики, в котором изучается физическая природа и свойства света, а также его взаимодействие с веществом. Соответственно световые явления часто называют оптическими явлениями. Слово оптика произошло от греч. οπτικος (оптикос) — видимый, зрительный, поскольку основную часть информации о природе и происходящих в ней явлениях человек получает посредством зрительных ощущений, возникающих под действием света.

По количеству и качеству информации, получаемой человеком об окружающем мире, зрение намного превосходит слух. Этот факт обусловлен существенным различием длин волн видимого света (λ < 10 -6 м) и слышимого звука (λ > 10 -2 м).
Известно, что минимальные размеры изображения, создаваемого посредством волнового процесса, сравнимы с соответствующей длиной волны. Следовательно, оптические изображения, создаваемые на сетчатке глаза человека, могут содержать до 10 7 — 10 8 независимых элементов изображения с различной интенсивностью световых сигналов, передающих большое количество информации об окружающих нас объектах.

Под светом в оптике понимают электромагнитные волны, длины волн которых находятся в диапазоне от 2,0 мм до 10 нм. Этот диапазон делится на инфракрасный (2,0 мм—0,75 мкм), видимый (от 750 нм до 380 нм) и ультрафиолетовый (380 нм—10 нм) диапазоны.

Современная оптика основана на электромагнитной теории света. Как вам известно (см. § 12), во второй половине XIX в. Дж. Максвелл доказал возможность распространения электромагнитных волн в вакууме. Согласно выводам из его теории свет имеет электромагнитную природу, поскольку скорость его распространения равна скорости электромагнитных волн в вакууме.
Первые попытки измерения скорости света, предпринятые в начале XVII в. Г. Галилеем и другими учеными, не увенчались успехом в силу недостаточной точности измерения времени (хронометрирования). Из результатов этих экспериментов Галилей сделал вывод, что измерить модуль скорости света на малых расстояниях практически невозможно, поскольку свет преодолевает их мгновенно в силу большого значения скорости распространения.

Декарт одним из первых предложил использовать для измерения модуля скорости света огромные (астрономические) расстояния, на преодоление которых свету потребуется значительное время, которое можно измерять с достаточной точностью.
Исторически первое экспериментальное определение модуля скорости света в вакууме в 1672 г. сделал датский астроном Олаф Рёмер, который проводил систематические наблюдения в телескоп затмений спутника Юпитера — Ио. Примерно через полгода после начала наблюдений он заметил, что момент затмения спутника Ио запаздывает почти на 16 мин по сравнению с вычисленным значением. Рёмер объяснил это запаздывание конечностью скорости распространения света. Действительно, поскольку за полгода Земля переместилась из положения I (рис. 82) в положение II, то свету необходимо пройти добавочное расстояние, примерно равное диаметру земной орбиты. А при конечности скорости света для этого необходимо больше времени.
На основании имевшихся в то время данных о диаметрах орбит Земли и Юпитера он получил для скорости света значение:

Американский физик Альберт Майкельсон в 1926 г. для измерения скорости света использовал установку, в которой свет проходил между двумя горными вершинами. Он получил значение скорости света, близкое к современным данным:

В 1972 г. скорость света была определена на основе независимых измерений длины волны и частоты света. Это позволило значительно повысить точность измерений. В качестве источника был выбран гелий-неоновый лазер. Таким образом, было получено значение скорости света, превосходящее по точности все ранее известные значения более чем на два порядка. Ввиду этого в 1983 г. на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам значение скорости света в вакууме принято равным

Заметим, что при решении задач, как правило, используют приближенное значение модуля скорости света:

Именно это значение скорости распространения света с связывает длину волны λ в вакууме с периодом ее колебаний Т:

Результаты измерений показали, что скорость света v в различных веществах всегда меньше, чем скорость света c в вакууме. В 1862 г. французский физик Жан Фуко измерил скорость распространения света в воде и получил значение . Через несколько лет Майкельсон определил скорость распространения света в сероуглероде — . Следовательно, в воде скорость распространения света уменьшается в 1,33 раза по сравнению с вакуумом, а в сероуглероде — в 1,64 раза.
Из курса физики 8-го класса вам известно, что чем меньше скорость распространения света в среде, тем среда считается оптически более плотной. Мерой оптической плотности вещества является его абсолютный показатель преломления, который обозначается латинской буквой n.
Абсолютный показатель преломления n вещества характеризует его оптические свойства и показывает, во сколько раз скорость распространения света в данном веществе меньше скорости распространения света в вакууме:

Так как скорость распространения света в любом веществе всегда меньше, чем в вакууме, то абсолютный показатель преломления вещества всегда больше единицы (). Абсолютный показатель преломления зависит как от свойств вещества, т. е. его химического состава, агрегатного состояния, температуры, давления, так и от частоты света.
Исходя из соотношения (1), можно записать формулу для нахождения модуля скорости распространения света в веществе:

Кроме того, из соотношения (1) следует, что для любых сред:

где n₁, n₂ — абсолютные показатели преломления сред, v₁ , v₂— скорости распространения света в средах.
Подставим в соотношение (3) выражение v = λν, связывающее модуль скорости распространения света v в веществе с длиной волны λ и частотой ν. Так как при переходе электромагнитной волны из вакуума в вещество или из одного вещества в другое частота колебаний напряженности электрического поля и индукции магнитного поля не изменяется (ν = ) то:

где λ₁, λ₂— длины световых волн в средах, λ— длина волны в вакууме.
Отсюда следует, что длина световой волны λ_n при переходе из одного вещества в другое изменяется.

Длина световой волны λ_n в веществе, абсолютный показатель преломления которого n, определяется по формуле

Таким образом, при переходе света из одного вещества в другое частота остается неизменной, а изменяется скорость распространения световой волны и ее длина волны.
Белый свет представляет собой совокупность электромагнитных волн всевозможных частот видимого диапазона. Волна одной определенной частоты называется монохроматической (от греч. μονοσ (монос) — свет и χρoμα (хрома) — цвет, т. е. одноцветный).
Как показали результаты многочисленных экспериментов, световое ощущение у человека вызывают лишь электромагнитные волны определенного диапазона , которому соответствуют длины волн от λ₁ = 0,76 мкм до λ₂ = 0,40 мкм, воспринимаемые глазом человека.
Каждой частоте соответствует свое цветовое ощущение. Так, например, свет частотой ν₁ = 4,0·10 14 Гц вызывает ощущение красного цвета, а ν₂ = 7,5·10 14 Гц — фиолетового. Поскольку при переходе света из одной среды в другую частота не изменяется, то при этом не изменяется и его цветовое восприятие.

Скорость распространения света в вакууме обозначается латинской буквой с (от лат. сeleritas — скорость).
В соответствии с резолюцией на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1983 г. принято новое определение метра как расстояния, проходимого светом в вакууме за 1/(299 792 458) долю секунды.
Результаты измерений показывают, что 47 % своей энергии Солнце посылает в виде инфракрасных лучей, 44 % энергии приходится на видимую часть спектра, а оставшиеся 9 % энергии солнечного излучения — на ультрафиолетовый диапазон.

Вопросы к параграфу

1. Что изучает оптика?
2. Что такое свет? Чему равна скорость распространения света в вакууме?
3. Что характеризует абсолютный показатель преломления вещества?
4. Как изменяются частота, скорость распространения и длина волны света при переходе света из одной среды в другую?
5. Электромагнитные волны какого частотного диапазона вызывают зрительное цветовое ощущение у человека?
6. Какое излучение называется монохроматическим?

Пример решения задачи

Монохроматический свет с длиной волны λ₀ = 550 нм переходит из стекла в воздух. Определите, на сколько Δλ при этом увеличивается длина волны света, если абсолютный показатель преломления стекла равен n = 1,40. Найдите скорость v распространения света в стекле, если скорость распространения света в воздухе

Решение:

Учитывая, что частота света не изменяется при переходе из одной среды в другую, запишем

где v — скорость света в стекле, λ — длина волны света в воздухе.

Показатель преломления света

Соотношение значений угла падения и угла преломления зависит от оптической плотности каждой из среды. Если луч света переходит из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, то угол преломления будет меньшим, чем угол падения. Если луч света переходит из среды с большей оптической плотностью, то угол преломления будет меньшим, чем угол падения. Если луч света переходит из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей оптической плотностью, то угол преломления больше, чем угол падения.

Закон преломления света :

Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Соотношения угла падения и угла преломления определяются формулой.

где — синус угла падения,— синус кута преломления.

Значение синусов і тангенсов для углов 0 – 900

Закон преломления света впервые сформулировал голландский астроном и математик В. Снелиус около 1626 г, профессор Лейденского университета (1613 г).

Для XVI столетия оптика была ультрасовременной наукой.Из стеклянного шара, наполненного водой, которым пользовались как линзой, возникло увеличительное стекло. А из него изобрели подзорную трубу и микроскоп. В то время Нидерландам нужны были подзорные трубы для рассматривания берега и своевременно убежать от врагов. Именно оптика обеспечила успех и надежность навигации. Поэтому в Нидерландах очень много ученых интересовались именно оптикой. Голландец Скель Ван Ройен (Снелиус) наблюдад, как тонкий луч света отражался в зеркале. Он измерял угол падения и угол отражения и установил: угол отражения равен углу падения. Ему же принадлежат законы отражения света. Он вывел закон преломления света.

Рассмотрим закон преломления света .

В ней — относительный показатель преломления второй среды относительно первой, в случае, когда второе имеет большую оптическую плотность. Если свет преломляется и проходит с среду с меньшей оптической плотностью, тогда α < γ, тогда

.

Если первой средой является вакуум, то n₁=1 то .

Данный показатель называют абсолютным показателем преломления второй среды:

,

где — скорость света в вакууме, скорость света в данной среде.

Следствием преломления света в атмосфере Земли есть тот факт, что мы видим Солнце и звезды немного выше их реального положения. Преломлением света можно объяснить возникновение миражей, радуги… явление преломления света есть основой принципа работы численных оптических устройств: микроскопа, телескопа, фотоаппарата.

Скорость света простыми словами: что это такое, как считается и измеряется

Скорость света – это ключевое понятие квантовой физики. Но для большинства это просто скоростной предел для любого физического объекта в нашей Вселенной. А заодно и безграничный источник вдохновения для фантастов.

Что такое скорость света

Физическое определение термина достаточно простое. Под «скоростью» ученые понимают быстроту перемещения света. То есть, как быстро световые частицы могут преодолевать различные расстояния.

Однако вокруг нас пространство не пустое. На Земле есть жидкости и газы. Мы их можем не видеть, но эти вещества состоят из молекул, которые становятся препятствиями для частиц света – фотонов. Поэтому их скорость может различаться в разных средах и достигает максимума только в пустоте вакуума.

В вакууме

Современными учеными эта величина принята за максимальную и постоянную. Именно от нее производятся расчеты для определения других констант. Наиболее точно измерить, какая скорость света в вакууме получилось только в 1975 году. В космической пустоте он перемещается со скоростью: 299792458 м/с. Погрешность вычислений составляет около 1,2 м/с. Но для простоты значение округляется до 300000 км/с.

В прозрачной среде

Через воздух, стекло, воду и другие прозрачные субстанции свет движется медленнее, чем через вакуум. И для каждого вещества есть своя степень «замедления», которая называется абсолютным показателем преломления света и записывается в формулах, как «n». Фактически он означает во сколько раз фотоны медленнее перемещаются через вещество.

Так для воздуха n=1,003, а для воды n=1,33. То есть в водной среде фотоны будут на 33% медлительнее и станут двигаться со скоростью «всего лишь» 225341 км/с.

Как отличается скорость света на Земле и в космосе

Объединяя эти данные, получается, что за пределами нашей, да и любой другой планеты в вакууме скорость распространения света считается максимальной и постоянной. Это верхний предел, быстрее которого ни один объект, с некоторыми оговорками, двигаться не может. На Земле же свет постоянно замедляется из-за различных веществ, через которые фотонам приходится «продираться». Поэтому скорость приходится каждый раз вычислять с поправкой для конкретной среды.

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:

1. Часть исследователей верила, что свет – это часть эфира, всепроникающей сущности, которая колеблется, вызывая привычные нам электромагнитные явления. Эту идею постулировал Рене Декарт.
2. Некоторые ученые считали, что свет – это только набор летящих частиц. Их корпускулярную теорию сформулировал Исаак Ньютон.
3. 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:

1. Скорость света одинакова для всех безмассовых частиц и волн. То есть любое излучение в вакууме будет перемещаться с одинаковой стремительностью.
2. Е=mc 2 . 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.
3. 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.
4. 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=мс 2 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 с 2 =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.

Для примера:

1. 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.
2. 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.
3. 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.