Скорость света
Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме [2] . В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [це]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.
Содержание
В вакууме (пустоте)
Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с , или 1 079 252 848,8 км/ч . Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды [3] . Для решения школьных задач и разного рода оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение 300 000 000 м/с ( 3×10 8 м/с ).
В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):
- собственно, видимый свет и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.);
- предположительно — гравитационные волны.
Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.
В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом).
Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой) [4] . (Подробнее см. Сверхсветовое движение, также соответствующий раздел данной статьи ниже).
В прозрачной среде
Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.
Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде ( λ = c/ν ). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c . Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c . Однако в неравновесных средах она может превышать c . При этом, однако, передний фронт импульса все равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.
Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.
История измерений скорости света
Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной [5] . В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.
Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты . Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.
Сверхсветовое движение
Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) невозможно, так как это нарушило бы фундаментальный принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами, движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.
Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.
Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и во-вторых, никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности — с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а разность их скоростей также не достигает скорости света.
Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны.
В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.
C 2006 года появляются сообщения о том, что в так называемом эффекте квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана — сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества [6] .
В результате обработки данных эксперимента OPERA [7] , набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино [8] . Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов [9] . Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино [10] . В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили [11] [12] . В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля) [13] .
В культуре
В фантастическом рассказе «Светопреставление» Александр Беляев описывает ситуацию, когда скорость света снижается до нескольких метров в секунду.
Что такое световой год?
Астрономия, как и любая наука, имеет свою терминологию, которая кажется странной и непонятной для человека мало с ней знакомого. Что такое элонгация? А перигей? Пульсары и квазары — это одно и то же или нет? Один из вопросов, который очень часто задают заинтересовавшиеся астрономией люди, звучит так: что такое световой год?
В этом термине вроде оба слова понятны, а вместе создают путаницу. «Световой год» — это мера чего? Времени? Тогда неплохо бы узнать, сколько длится световой год? Другими словами, световой год это сколько наших обычных земных лет? С другой стороны, многие замечали, что термин этот применяется, когда речь идет о расстояниях до космических объектов. Например, «до центра Галактики — 30000 световых лет», или «до Сириуса — 8,6 световых лет». Встает вопрос, как можно расстояние измерять временем?
Попробуем ответить максимально просто.
Световой год — это мера расстояния
Первое, что нужно четко уяснить, — световой год это не мера времени, а мера расстояния в астрономии, такая же как метр или километр, миля или аршин в обычной жизни. Чтобы понять это, вспомните, как можно измерить расстояние, если нельзя это сделать напрямую, с помощью линейки или землемерного циркуля?
Как известно, расстояние, пройденное телом, равно скорости движения тела, умноженное на время движения (или s = v × t).
Теперь представьте, что вы пошли в магазин, до которого ровно три километра. И вы пошли со скоростью ровно 3 км/ч. Вопрос: за какое время вы дойдете до магазина? Очевидно, ровно за час! Поэтому можно сказать, что расстояние до магазина равно 3 км, а можно сказать, что оно равно 1 «человеческий час».
Но в «человеческих часах» расстояние никто не измеряет, потому что все мы ходим с разной скоростью. И даже один человек ходит по-разному: опаздывая на троллейбус, он почти бежит, а в парке неторопливо прогуливается. Значит, и время t, чтобы преодолеть расстояние до магазина, всегда будет разным.
Но что, если скорость движущегося тела будет всегда постоянна? Вне зависимости, куда, в каком направлении оно идет и при каких обстоятельствах проводятся измерения? Тогда, конечно, расстояние можно было бы измерять при помощи времени его перемещения, ведь в таком случае v в формуле постоянно и s зависит только от t.
Подождите, скажете вы, а разве есть такой объект, который движется всегда — всегда! — с постоянной скоростью?
Скорость света
Такой объект есть, и это свет! Как известно, скорость света в вакууме постоянна и равна 299 тысяч 792 километра и 458 метров в секунду или, округляя, 300000 км/с.
То есть за 1 секунду луч света проходит 300000 километров! Неплохо, правда? Если научиться каким-то образом измерять точное время, за которое свет преодолевает расстояние до объекта, то мы узнаем и расстояние до него!
Как это сделать? Ну, например, мы можем взять мощный лазер и посветить им в сторону Луны. Лазерный луч долетит до Луны, часть света отразится от ее поверхности и полетит в обратном направлении. В момент, когда он вернется на Землю и попадет в наши глаза, мы увидим на Луне световой зайчик. Если мы точно измерим промежуток времени между включением лазера и появлением на поверхности Луны зайчика, и умножим это время на скорость света, то мы узнаем расстояние, которое прошел лазер до Луны и обратно. Разделим это расстояние пополам и узнаем расстояние до Луны!
Лазерный луч, создающий в небе искусственную звезду для оценки состояния атмосферы. Скорость света этого луча постоянна! Но в атмосфере она несколько меньше, чем в вакууме. Фото: ESO
Примерно так астрономы в XX веке измерили многие расстояния в Солнечной системе. Например, они провели радиолокацию Венеры — послали в сторону планеты радиосигнал и дождались его возвращения назад. Радиоволны движутся со скоростью света, время возвращения ученые измерили очень тщательно и затем по формуле s = v × t посчитали расстояние между Землей и планетой Венера. Теперь мы знаем его с точностью в несколько метров.
Еще раз: почему вообще расстояние можно измерять при помощи света? Потому что скорость света в вакууме постоянна! (Тут надо бы добавить, в инерциальных системах отсчета, но не будем пока усложнять.) В отличие от скорости людей, автомобилей и ракет.
Чему равен 1 световой год?
Теперь вернемся к тому, с чего начали. Дадим определение: световой год — это расстояние, которое свет (двигаясь всегда — всегда! — с постоянной скоростью 300000 км/с) проходит ровно за один год!
Получается какое-то очень большое число, не правда ли? Если за секунду свет преодолевает 300 тысяч километров, то за минуту в 60 раз больше — 18 миллионов километров. Значит, за час он пройдет 1 миллиард 80 миллионов километров! (Вот мы и узнали, чему равен «световой час»! А заодно подсчитали скорость света в км/ч!)
1 световой год в километрах
Теперь, чтобы подсчитать, сколько километров в световом году, нам надо узнать, сколько в году часов. В сутках 24 часа, а в году 365,25 суток (каждый четвертый год — високосный). Следовательно, в году 24 × 365,25 = 8766 часов. (На самом деле чуть меньше, 8760 часов. Просто мы взяли грубое число суток в году.)
Итак, чтобы найти, чему равен 1 световой год в километрах, нам надо скорость света в км/ч умножить на количество часов в году. Получается 9461 миллиард километров. Итак, 1 световой год равен 9,46 триллионов километров!
Какое-то сумасшедшее число!
Если бы магазин находился на таком расстоянии от вашего дома, то, двигаясь с привычной скоростью 3 км/ч, вы шли бы до него 360 миллионов лет… Долго получается, не правда ли?
Лучше поехать на машине. Двигаясь со скоростью 100 км/ч, автомобиль преодолеет расстояние в световой год за 10 миллионов 800 тысяч лет. Тоже не вариант. Значит, нужен самолет! Обычный пассажирский самолет пролетит световой год «всего лишь» за 1 миллион лет.
Может быть, поможет ракета? Космонавты летают вокруг Земли со скоростью около 8 км/с или 28800 км/ч. Даже с такой скоростью им потребуется 37500 лет, чтобы добраться до магазина.
Сколько световых лет от Солнца до Земли?
Теперь давайте решим обратную задачу — посчитаем расстояние от Солнца до Земли в световых годах. Для этого расстояние от Солнца до Земли в километрах разделим на длину светового года. Среднее расстояние до Солнца (она же астрономическая единица) равно 150 миллиона км, световой год равен 9,46 триллиона км. Делим первой на второе, получаем 0,000016.
Итак, расстояние от Солнца до Земли равно 0,000016 световых лет. Или… 8 световых минут.
Сколько световых лет от Земли до Луны?
Луна находится гораздо ближе Солнца, среднее расстояние до нашего спутника 384000 км или чуть больше световой секунды. Сколько это в световых годах? Делим 384 тысячи км на длину светового года в км (все те же 9,46 триллиона км) и получаем число 0,000000041 световых лет. (Я мог ошибиться, пересчитайте, если не верите.)
Ясно, что расстояние до Луны измерять в световых годах глупо. Но тогда встает вопрос:
Зачем нужны световые годы?
Ответ прост: чтобы измерять расстояния за пределами Солнечной системы!
- Ближайшая звезда к Солнцу, Про́ксима Центавра находится на расстоянии 4,2 световых года. То есть свету нужно путешествовать 4,2 года, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до Проксимы.
- Большинство звезд, которые мы видим на небе ясной ночью, находятся от нас на расстоянии в десятки и сотни световых лет!
- Звезда Денеб в Летнем треугольнике находится от нас на расстоянии 2500 световых лет.
- До центра нашей галактики (она называется Млечный Путь) — 30000 световых лет.
- Диаметр Млечного Пути — 100000 световых лет.
- До ближайшей крупной спиральной галактики, Туманности Андромеды — 2,5 миллиона световых лет.
- От Земли до центра крупного скопления галактик в созвездии Девы — 65 миллионов световых лет.
- До ближайших квазаров — 3 миллиарда световых лет.
- Наконец, до края наблюдаемой Вселенной — почти 14 миллиардов световых лет.
Попробуйте-ка пересчитать эти расстояния на километры! Не хочется? Вот и астрономы не хотят считать.
PS. Что и говорить, на машине такие пространства не объедешь…
Что такое световой год, сколько это в километрах, сколько световых лет до Солнца и ближайших объектов в космосе, и можно ли измерять время в световых годах
Космическое пространство настолько огромно, что измерять расстояние между объектами, разбросанными на его просторах, используя привычные на Земле километры и мили очень неудобно. Астрономы для этой цели используют световые года. Вопреки присутствию в словосочетании слова “года” – это единица расстояния, а не времени.
Световой год: общие сведения
Астрономический световой год – действительно большая величина, которую невозможно использовать в масштабах нашей планеты: даже расстояние от Солнца до Земли равно всего лишь 8 световым минутам, а до Луны – 1,25 световым секундам. Но обо всем по порядку.
Представьте, что вы вышли из дома (пункт А) и направились в магазин (пункт Б). Вы все время двигались с одной постоянной скоростью – 4 км/ч, и, так как расстояние до пункта Б – ровно 4 км, добрались до него за 1 час.
Эту дистанцию справедливо было бы назвать “человеческим часом”, но в реальной жизни человек не может двигаться с неизменной скоростью, поэтому использовать такую единицу измерения расстояния мы не можем. Однако луч света, согласно современным научным представлениям, в условиях вакуума перемещается с одинаковой скоростью на любом отрезке своего пути.
Это постоянство позволяет измерять преодолеваемое им расстояние, используя время, за которое луч перемещается. Дистанция, преодоленная светом за минуту, именуется световой минутой, за час – световым часом и так далее.
Действительно большие расстояния астрономы считают в световых годах. Это дистанция между двумя точками в космическом пространстве, которую свет, движущийся с постоянной скоростью, преодолевает ровно за 1 земной год, измеряемый по юлианскому календарю (без високосных годов, то есть приблизительно 365 с четвертью суток).
До 1984 года применялся тропический (солнечный) год – период, за который Солнце совершает полный цикл смены времен года. 1 световой год – внесистемная единица для международной системы СИ.
Скорость света
Сегодняшняя наука под скоростью света подразумевает скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме. Она равна 299 792 458 м/с или 1 079 252 848,8 км/ч и считается предельной для перемещения физических частиц.
Как определили скорость света
Со времен античности царило представление о том, что свет распространяется в пространстве мгновенно. Впервые в этом постулате засомневался итальянский ученый Галилео Галилей, а первым кто измерил величину скорости света оказался датский астроном Олаф Ремер, в 1676 году.
Он обратил внимание на временной промежуток между затмениями спутников Юпитера, который уменьшался с уменьшением расстояния между Землей и крупнейшей планетой Солнечной системы. Первое измерение скорости света подарило научному миру значение – 214 000 км/с. Причиной большой разницы с современной цифрой стали неточности в измерении расстояний между планетами в 1600-х годах.
Приблизился к сегодняшнему значению скорости света английский астроном Джеймс Бредли, наблюдая за изменением видимого положения звезды из-за вращения Земли вокруг Солнца. В 1728 году он получил цифру 301 000 км/с.
В земных условиях скорость света впервые измерил французский физик Арман Физо в 1849 году. Он отразил от зеркала луч света, который проходил расстояние 8 км и падал на вращающееся колесо с зубцами, и получил 315 000 км/с.
Позднее его соотечественник, Леон Фуко, усовершенствовав эксперимент, добился значения в 298 000 км/с.
Спустя множество десятилетий и немалое количество экспериментов окончательная фундаментальная постоянная скорости света в вакууме была принята в 1983 году на генеральной конференции по мерам и весам.
Чему равен 1 световой год в километрах
Для расчета величины чему один световой год равен в километрах необходимо выяснить, сколько в земном году часов. Так как все годы на самом деле равны и имеют 365,25 суток (приблизительно), умножим 365,25 на 24 часа. Результат – 8766 часов.
Теперь остается только умножить скорость света, измеряемую в км/ч на 8766 часов. Получается 9,46 триллионов км. То есть для преодоления такого расстояния, двигаясь с постоянной скоростью 100 км/ч, понадобится около 11 миллионов лет, а со скоростью движения МКС (8 км/с) для преодоления 1 светового года понадобится 37,5 тысяч лет.
Примерно столько же, согласно археологическим данным, существует человек современного типа.
Реже используемые единицы:
- 1 световая секунда – 299 792,458 км;
- минута – 17 987 547,48 км;
- час – 1 079 252 848,8 км;
- сутки – 25 902 068 371,2 км;
- неделя – 181 314 478 598,4 км;
- месяц – 788 394 206 048,4 км.
Иногда встречается вопрос – сколько земных лет в световом году? Разумеется, нисколько, так как земной год – это отрезок времени, а световой – единица измерения расстояния.
Можно посчитать, за сколько лет наша планета проходит по орбите вокруг Солнца расстояние, равное 1 световому году, продолжая двигаться со средней скоростью 29, 765 км/с. Получится, что такое прохождение займет около 10 тысяч лет.
Но нельзя сказать, что столько земных лет в одном световом, по упомянутой выше причине.
помогите пожалуйста решить домашнюю работу по физике
1.При каких условиях за непрозрачным телом наблю¬дается одна тень с нечеткими границами?
А. Если свет идет от яркого источника любых размеров. Б. Если свет идет от слабого источника любых размеров. В. Если источник света один и ма¬лых размеров. Г. Если источник света один, но больших размеров.
2.Почему вскоре после выхода из порта в открытое море корабль даже в совершенно ясную погоду становится не¬видимым?
А. Из-за быстрого уменьшения его видимых размеров. В. Из-за свойства морской воды поглощать световые лучи. В. Из-за свойства морской воды отражать световые лучи. Г. Из-за шарообразности Земли и свойства пря¬молинейности распространения света.
3.Какое расстояние проходит свет за 1 с в вакууме?
А. — 300 м. Б. — 300 000 м. В. — 300 000 км. Г. — 800 000 000 км. Д. В ва¬кууме свет распространяться не может.
4.Луч света падает на зеркальную поверхность и отра¬жается. Угол отражения 30°. Каков угол падения?
А, 160°. В. 120°. В. 90°. Г. 60°. Д. 30°
5.Линза собирает параллельный пучок света в точку на расстоянии 20 см от оптического центра линзы на главной оптической оси. Каково фокусное расстояние линзы?
А. Бесконечно велико. Б. 40 см. В. 20 см. Г. 10 см. Д. 0 см.
6. Фокусное расстояние оптической системы глаза чело¬века 17 мм. Какова его оптическая сила?
А. 17 дптр. Б. –0,06 дптр. В. — 0,6 дптр. Г. — 6 дптр. Д. — 60 дптр.
7.Человек, стоявший прямо перед зеркалом, удалился от него на 20 см. Насколько он удалился от своего изображе¬ния?
А. Расстояние не изменилось Б. 40 см. В. 20 см. Г. 10 см
8.Угол падения луча света на зеркало уменьшился на 5°. Как изменился при этом угол отражения?
А. Уменьшился на 5°. Б. Увеличился на 5°. В. Уменьшился на 10°. Г. Увеличился на 10°. Д. Не изменился.
9. На собирающую линзу падает луч света так, как
показано на рисунке. Через какую из нижеуказанных точек,
лежащих в фокальной плоскости линзы, пройдёт преломленный луч?
А) 1 2 C) 3 D) 4 E) 5
10. Две собирающие линзы, фокусные расстояния которых равны 45см и 0,2м расположены перпендикулярно их общей главной оптической оси и расположены на расстоянии 0,8м друг относительно друга. Определить расстояние между предметом помещённым в левом фокусе первой линзы и её изображением сформированным после прохождения через эти линзы.
А) 1.45см 1,05м C) 7,3м D) 0,15м E) 145см
Ответ. 2. Г. Из-за шарообразности Земли и свойства пря¬молинейности распространения света. ;
3.В. — 300 000 км; 4. Д. 30° ; 5. В. 20 см. ; 6. 1/0,017=. 7. Б. 40 см; 8. А. Уменьшился на 5;