Nhiều người đã biết về sự tồn tại của một khái niệm như tốc độ ánh sáng của ánh sáng từ thời thơ ấu. Nhưng không phải ai cũng biết chi tiết về hiện tượng này.
Nhiều người đã chú ý đến thực tế là trong cơn giông có sự chậm trễ giữa một tia sét và âm thanh của sấm sét. Sự bùng phát, như một quy luật, đến với chúng ta nhanh hơn. Điều này có nghĩa là nó có tốc độ lớn hơn âm thanh. Lý do cho điều này là gì? Tốc độ của ánh sáng là gì và nó được đo như thế nào?
Tốc độ của ánh sáng là gì?
Trước tiên hãy hiểu tốc độ ánh sáng là gì. Về mặt khoa học, đây là một đại lượng cho thấy các tia di chuyển nhanh như thế nào trong chân không hoặc trong không khí. Bạn cũng cần biết ánh sáng là gì. Đây là bức xạ được cảm nhận bởi mắt người. Tốc độ phụ thuộc vào điều kiện môi trường, cũng như các tính chất khác, ví dụ, khúc xạ.
Sự thật thú vị: Mất 1,25 giây để ánh sáng truyền từ Trái đất tới vệ tinh, mặt trăng.
Tốc độ ánh sáng trong lời nói của bạn là gì?
Nói một cách đơn giản, tốc độ của ánh sáng là khoảng thời gian mà chùm sáng đi qua bất kỳ khoảng cách nào. Thời gian thường được tính bằng giây. Tuy nhiên, một số nhà khoa học sử dụng các đơn vị khác nhau. Khoảng cách cũng được đo theo nhiều cách khác nhau. Về cơ bản - đây là một mét. Đó là, giá trị này được xem xét trong m / s. Vật lý giải thích điều này như sau: một hiện tượng di chuyển với tốc độ nhất định (không đổi).
Để dễ hiểu hơn, hãy xem ví dụ sau. Người đi xe đạp di chuyển với tốc độ 20 km / h. Anh ta muốn đuổi kịp người điều khiển xe, tốc độ 25 km / h. Nếu bạn đếm, thì xe đi nhanh hơn 5 km / h so với người đi xe đạp. Với những tia sáng, mọi thứ đã khác. Cho dù người thứ nhất và người thứ hai di chuyển nhanh như thế nào, ánh sáng, đối với họ, di chuyển với tốc độ không đổi.
Tốc độ của ánh sáng là gì?
Khi không ở trong chân không, các điều kiện khác nhau ảnh hưởng đến ánh sáng. Các chất mà qua đó các tia đi qua, bao gồm. Nếu số mét trên giây không thay đổi nếu không có oxy, thì trong môi trường có không khí, giá trị sẽ thay đổi.
Ánh sáng đi chậm hơn qua các vật liệu khác nhau như thủy tinh, nước và không khí. Hiện tượng này được đưa ra một chỉ số khúc xạ để mô tả mức độ chúng làm chậm chuyển động của ánh sáng. Thủy tinh có chỉ số khúc xạ là 1,5, có nghĩa là ánh sáng đi qua nó với tốc độ khoảng 200 nghìn km mỗi giây. Chỉ số khúc xạ của nước là 1,3, và chỉ số khúc xạ của không khí nhỉnh hơn 1, có nghĩa là không khí chỉ làm chậm ánh sáng một chút.
Do đó, sau khi đi qua không khí hoặc chất lỏng, tốc độ chậm lại, trở nên ít hơn trong chân không. Ví dụ, trong các hồ chứa khác nhau, tốc độ di chuyển của các tia là 0,75 tốc độ trong không gian. Ngoài ra, với áp suất tiêu chuẩn là 1,01 bar, tốc độ chậm lại 1,5-2%. Đó là, trong điều kiện trên mặt đất, tốc độ ánh sáng thay đổi tùy thuộc vào điều kiện môi trường.
Đối với một hiện tượng như vậy, họ đã đưa ra một khái niệm đặc biệt - khúc xạ. Đó là sự khúc xạ ánh sáng. Nó được sử dụng rộng rãi trong các phát minh khác nhau. Ví dụ, một khúc xạ là một kính thiên văn có hệ thống quang học. Ngoài ra, với sự giúp đỡ của điều này, ống nhòm và các thiết bị khác cũng được tạo ra, bản chất của công việc là sử dụng quang học.
Nói chung, tia nhỏ nhất có thể bị khúc xạ bằng cách đi qua không khí thông thường. Khi đi qua một kính quang học được tạo đặc biệt, tốc độ xấp xỉ 195 nghìn km mỗi giây. Đây là gần 105 nghìn km / s ít hơn hằng số.
Giá trị chính xác nhất của tốc độ ánh sáng
Các nhà vật lý trong những năm qua đã có được kinh nghiệm trong việc nghiên cứu tốc độ của các tia sáng. Hiện tại, giá trị chính xác nhất của tốc độ ánh sáng là 299.792 km mỗi giây. Hằng số được thành lập vào năm 1933. Số lượng vẫn có liên quan.
Tuy nhiên, những khó khăn hơn nữa nảy sinh với định nghĩa của chỉ số.Điều này là do lỗi đồng hồ. Bây giờ đồng hồ đo trực tiếp phụ thuộc vào tốc độ ánh sáng. Nó bằng khoảng cách mà các tia đi trong một số giây nhất định - 1 / tốc độ ánh sáng.
Tốc độ của ánh sáng trong chân không là gì?
Vì ánh sáng không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện khác nhau trong chân không, tốc độ của nó không thay đổi như trên Trái đất. Tốc độ ánh sáng trong chân không là 299.792 km mỗi giây. Chỉ số này là giới hạn. Người ta tin rằng không có gì trên thế giới có thể di chuyển nhanh hơn, ngay cả các cơ thể vũ trụ di chuyển khá nhanh.
Ví dụ, một máy bay chiến đấu, một chiếc Boeing X-43, vượt quá tốc độ âm thanh gần gấp 10 lần (hơn 11 nghìn km / h), bay chậm hơn một chùm tia. Loại thứ hai di chuyển nhanh hơn 96 nghìn km mỗi giờ.
Tốc độ ánh sáng được đo như thế nào?
Các nhà khoa học đầu tiên đã cố gắng đo giá trị này. Các phương pháp khác nhau đã được sử dụng. Trong thời kỳ cổ đại, những người làm khoa học tin rằng nó là vô hạn, do đó không thể đo lường được. Ý kiến này vẫn tồn tại trong một thời gian dài, cho đến thế kỷ 16-17. Vào thời đó, các nhà khoa học khác xuất hiện, người cho rằng chùm tia đã kết thúc và tốc độ đó có thể đo được.
Nhà thiên văn học nổi tiếng đến từ Đan Mạch Olaf Roemer đã đưa kiến thức về tốc độ ánh sáng lên một tầm cao mới. Ông nhận thấy rằng nhật thực của mặt trăng Sao Mộc là muộn. Trước đây, không ai chú ý đến điều này. Do đó, anh quyết định tính toán tốc độ.
Anh ta đưa ra một tốc độ gần đúng, tương đương với khoảng 220 nghìn km mỗi giây. Sau đó, một nhà khoa học từ Anh James Bradley đã tiếp tục nghiên cứu. Mặc dù anh ta không hoàn toàn đúng, anh ta hơi tiếp cận các kết quả nghiên cứu hiện tại.
Sau một thời gian, hầu hết các nhà khoa học bắt đầu quan tâm đến số lượng này. Các nghiên cứu liên quan đến những người từ các quốc gia khác nhau. Tuy nhiên, cho đến những năm 70 của thế kỷ 20, không có những khám phá vĩ đại. Kể từ những năm 1970, khi họ tìm ra laser và masers (máy phát lượng tử), các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu và thu được tốc độ chính xác. Giá trị hiện tại có liên quan từ năm 1983. Chỉ sửa những lỗi nhỏ.
Kinh nghiệm của Galileo
Một nhà khoa học từ Ý đã làm ngạc nhiên tất cả các nhà nghiên cứu của những năm đó với sự đơn giản và thiên tài về kinh nghiệm của ông. Anh quản lý để đo tốc độ ánh sáng bằng các công cụ thông thường trong tầm tay.
Anh và trợ lý của mình leo lên những ngọn đồi lân cận, trước đó đã tính khoảng cách giữa chúng. Họ lấy những chiếc đèn lồng thắp sáng, trang bị cho chúng những bộ giảm chấn mở và đóng đèn. Lần lượt, mở và đóng ánh sáng, họ cố gắng tính tốc độ ánh sáng. Galileo và trợ lý đã biết trước với sự chậm trễ nào họ sẽ mở và đóng đèn. Khi một cái đã mở, cái kia cũng làm như vậy.
Tuy nhiên, thí nghiệm là một thất bại. Để làm cho nó hoạt động, các nhà khoa học sẽ phải đứng ở khoảng cách hàng triệu km với nhau.
Kinh nghiệm của Römer và Bradley
Nghiên cứu này đã được viết ngắn gọn ở trên. Đây là một trong những kinh nghiệm tiến bộ nhất của thời đại. Römer đã sử dụng kiến thức trong thiên văn học để đo tốc độ của các tia. Nó xảy ra vào năm 76 của thế kỷ 17.
Nhà nghiên cứu đã quan sát Io (vệ tinh của Sao Mộc) thông qua kính viễn vọng. Ông đã khám phá ra mô hình sau: hành tinh của chúng ta càng rời xa Sao Mộc, sự chậm trễ trong nhật thực của Io càng lớn. Độ trễ lớn nhất là 21-22 phút.
Giả sử rằng vệ tinh đang di chuyển ra xa với khoảng cách bằng chiều dài đường kính của quỹ đạo, nhà khoa học chia khoảng cách theo thời gian. Kết quả là anh ta đã nhận được 214 nghìn km mỗi giây. Mặc dù nghiên cứu này được coi là rất gần đúng, vì khoảng cách là gần đúng, nó đã tiếp cận chỉ số hiện tại.
Vào thế kỷ 18, James Bradley bổ sung nghiên cứu. Để làm điều này, ông đã sử dụng quang sai - một sự thay đổi vị trí của cơ thể vũ trụ do chuyển động của Trái đất quanh mặt trời. James đã đo góc của quang sai và, khi biết tốc độ của hành tinh chúng ta, anh ta nhận được giá trị 301 nghìn km mỗi giây.
Kinh nghiệm Fizeau
Các nhà nghiên cứu và những người bình thường đã hoài nghi về những trải nghiệm của Römer và James Bradley. Mặc dù vậy, kết quả là gần nhất với sự thật và có liên quan trong hơn một thế kỷ. Vào thế kỷ 19, Arman Fizeau, một nhà khoa học đến từ thủ đô của Pháp, Paris, đã góp phần vào việc đo lường số lượng này. Ông đã sử dụng phương pháp màn trập quay. Ngoài ra, giống như Galileo Galilei với trợ lý của mình, Fizeau không quan sát các thiên thể, mà điều tra trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Nguyên tắc của kinh nghiệm là đơn giản. Một tia sáng nhắm vào gương. Phản chiếu từ nó, ánh sáng xuyên qua răng của bánh xe. Sau đó, nó chạm vào một bề mặt phản chiếu khác, nằm ở khoảng cách 8,6 km. Bánh xe được quay, tăng tốc độ, cho đến khi nhìn thấy chùm tia ở khoảng trống tiếp theo. Sau khi tính toán, nhà khoa học đã nhận được kết quả là 313 nghìn km / s.
Sau đó, nghiên cứu được lặp lại bởi nhà vật lý và nhà thiên văn học người Pháp Leon Foucault, nhận được kết quả là 298 nghìn km / s. Kết quả chính xác nhất tại thời điểm đó. Các phép đo sau đó được thực hiện bằng cách sử dụng laser và masers.
Là tốc độ siêu âm có thể?
Có những vật thể nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Ví dụ, tia nắng, bóng, dao động sóng. Mặc dù về mặt lý thuyết, chúng có thể phát triển tốc độ siêu âm, năng lượng mà chúng phát ra sẽ không trùng với vectơ chuyển động của chúng.
Nếu một chùm ánh sáng đi qua, ví dụ, qua thủy tinh hoặc nước, thì các electron có thể vượt qua nó. Họ không bị giới hạn về tốc độ di chuyển. Do đó, trong điều kiện như vậy, ánh sáng không di chuyển nhanh hơn bất kỳ ai.
Hiện tượng này được gọi là Hiệu ứng Vavilov-Cherenkov. Hầu hết thường được tìm thấy trong các vùng nước sâu và lò phản ứng.
