سرعت نور مسافتی است که نور در واحد زمان طی می کند. این مقدار بستگی به ماده ای دارد که نور در آن منتشر می شود.

در خلاء سرعت نور 299792458 متر بر ثانیه است. این بالاترین سرعتی است که می توان به آن دست یافت. هنگام حل مسائلی که نیاز به دقت خاصی ندارند، این مقدار برابر با 300000000 m/s در نظر گرفته می شود. فرض بر این است که همه انواع پرتوهای الکترومغناطیسی در خلاء با سرعت نور منتشر می شوند: امواج رادیویی، تابش مادون قرمز، نور مرئی، تابش فرابنفش، اشعه ایکس، تابش گاما. با یک نامه مشخص شده است با .

سرعت نور چگونه تعیین شد؟

در دوران باستان، دانشمندان معتقد بودند که سرعت نور بی نهایت است. بعدها بحث در مورد این موضوع بین دانشمندان آغاز شد. کپلر، دکارت و فرما با نظر دانشمندان باستانی موافق بودند. و گالیله و هوک معتقد بودند که اگرچه سرعت نور بسیار زیاد است، اما هنوز مقدار محدودی دارد.

گالیله گالیله

یکی از اولین کسانی که برای اندازه گیری سرعت نور تلاش کرد دانشمند ایتالیایی گالیله گالیله بود. در طول آزمایش، او و دستیارش بر روی تپه های مختلف بودند. گالیله در فانوس خود را باز کرد. در لحظه ای که دستیار این نور را دید، مجبور شد همین کارها را با فانوس خود انجام دهد. مدت زمانی که طول کشید تا نور از گالیله به دستیار و عقب برود آنقدر کوتاه بود که گالیله متوجه شد که سرعت نور بسیار زیاد است و اندازه گیری آن در چنین فاصله کوتاهی غیرممکن است، زیرا نور حرکت می کند. تقریباً فورا و زمانی که او ثبت کرد فقط سرعت عکس العمل یک فرد را نشان می دهد.

سرعت نور برای اولین بار در سال 1676 توسط ستاره شناس دانمارکی اولاف رومر با استفاده از فواصل نجومی تعیین شد. او با استفاده از تلسکوپ برای مشاهده کسوف قمر مشتری Io، دریافت که با دور شدن زمین از مشتری، هر کسوف بعدی دیرتر از زمان محاسبه شده رخ می دهد. حداکثر تاخیر زمانی که زمین به سمت دیگر خورشید حرکت می کند و در فاصله ای برابر با قطر مدار زمین از مشتری دور می شود، 22 ساعت است. اگرچه قطر دقیق زمین در آن زمان مشخص نبود، اما دانشمند مقدار تقریبی آن را بر 22 ساعت تقسیم کرد و مقداری در حدود 220000 کیلومتر بر ثانیه به دست آورد.

اولاف رومر

نتیجه به دست آمده توسط رومر باعث بی اعتمادی دانشمندان شد. اما در سال 1849، فیزیکدان فرانسوی آرماند هیپولیت لوئیس فیزو سرعت نور را با استفاده از روش شاتر چرخشی اندازه گیری کرد. در آزمایش او، نور منبعی از بین دندانه های یک چرخ دوار عبور کرده و به آینه هدایت می شود. که از او منعکس شد، برگشت. سرعت چرخش چرخ افزایش یافت. هنگامی که به مقدار معینی رسید، پرتو منعکس شده از آینه توسط دندان متحرک به تاخیر افتاد و ناظر در آن لحظه چیزی ندید.

تجربه فیزو

فیزو سرعت نور را به صورت زیر محاسبه کرد. نور به راه خود می رود L از چرخ تا آینه در زمانی برابر با t 1 = 2 لیتر در سی . مدت زمان چرخاندن چرخ ½ شکاف است t 2 = T/2N ، جایی که تی - دوره چرخش چرخ، ن - تعداد دندان ها فرکانس چرخش v = 1/T . لحظه ای که ناظر نور را نمی بیند زمانی اتفاق می افتد که t 1 = t 2 . از اینجا فرمول تعیین سرعت نور را بدست می آوریم:

c = 4LNv

با انجام محاسبات با استفاده از این فرمول، فیزو مشخص کرد که با = 313,000,000 متر بر ثانیه. این نتیجه بسیار دقیق تر بود.

آرماند هیپولیت لوئیس فیزو

در سال 1838، دومینیک فرانسوا ژان آراگو، فیزیکدان و ستاره شناس فرانسوی، استفاده از روش آینه چرخان را برای محاسبه سرعت نور پیشنهاد کرد. این ایده توسط فیزیکدان، مکانیک و ستاره شناس فرانسوی ژان برنارد لئون فوکو، که در سال 1862 مقدار سرعت نور (298,000,000±500,000) متر بر ثانیه را بدست آورد عملی شد.

دومینیک فرانسوا ژان آراگو

در سال 1891، نتیجه ستاره شناس آمریکایی، سیمون نیوکامب، یک مرتبه قدر دقیق تر از نتیجه فوکو بود. در نتیجه محاسبات او با = (99,810,000±50,000) m/s.

تحقیقات آلبرت آبراهام مایکلسون، فیزیکدان آمریکایی، که از یک آینه هشت ضلعی چرخان استفاده کرد، تعیین سرعت نور را با دقت بیشتری ممکن کرد. در سال 1926، دانشمند مدت زمان لازم برای پیمودن فاصله بین قله های دو کوه را که معادل 35.4 کیلومتر بود، اندازه گیری کرد و به دست آورد. با = (4000±299,796,000) m/s.

دقیق‌ترین اندازه‌گیری در سال 1975 انجام شد. در همان سال، کنفرانس عمومی وزن‌ها و اندازه‌ها توصیه کرد که سرعت نور برابر با 2/1 ± 299792458 متر بر ثانیه در نظر گرفته شود.

سرعت نور به چه چیزی بستگی دارد؟

سرعت نور در خلاء به چارچوب مرجع یا موقعیت ناظر بستگی ندارد. ثابت می ماند، برابر با 1.2 ± 299792458 m/s. اما در رسانه های شفاف مختلف این سرعت کمتر از سرعت آن در خلاء خواهد بود. هر محیط شفاف دارای چگالی نوری است. و هر چه بالاتر باشد سرعت انتشار نور در آن کمتر می شود. برای مثال سرعت نور در هوا بیشتر از سرعت آن در آب و در شیشه نوری خالص کمتر از سرعت آب است.

اگر نور از یک محیط کم چگال به یک محیط چگال تر حرکت کند، سرعت آن کاهش می یابد. و اگر انتقال از یک محیط متراکم تر به یک محیط کمتر متراکم رخ دهد، برعکس، سرعت افزایش می یابد. این توضیح می دهد که چرا پرتو نور در مرز انتقال بین دو رسانه منحرف می شود.

دکترای علوم فنی A. GOLUBEV

مفهوم سرعت انتشار موج تنها در صورت عدم وجود پراکندگی ساده است.

Lin Westergaard Heu در نزدیکی تاسیساتی که در آن یک آزمایش منحصر به فرد انجام شد.

بهار گذشته مجلات علمی و عامه پسند در سرتاسر جهان خبرهای هیجان انگیزی را منتشر کردند. فیزیکدانان آمریکایی آزمایش منحصر به فردی را انجام دادند: آنها توانستند سرعت نور را به 17 متر در ثانیه کاهش دهند.

همه می دانند که نور با سرعت بسیار زیاد - تقریباً 300 هزار کیلومتر در ثانیه - حرکت می کند. مقدار دقیق مقدار آن در خلاء = 299792458 m/s یک ثابت فیزیکی اساسی است. طبق نظریه نسبیت، این حداکثر سرعت انتقال سیگنال ممکن است.

در هر محیط شفاف، نور آهسته تر حرکت می کند. سرعت v بستگی به ضریب شکست محیط n دارد: v = c/n. ضریب شکست هوا 1.0003، آب - 1.33، انواع شیشه ها - از 1.5 تا 1.8 است. الماس یکی از بالاترین مقادیر ضریب شکست را دارد - 2.42. بنابراین، سرعت نور در مواد معمولی بیش از 2.5 برابر کاهش نمی یابد.

در اوایل سال 1999، گروهی از فیزیکدانان مؤسسه تحقیقات علمی رولند در دانشگاه هاروارد (ماساچوست، ایالات متحده آمریکا) و دانشگاه استنفورد (کالیفرنیا) اثر کوانتومی ماکروسکوپی - به اصطلاح شفافیت خود القا شده، عبور پالس های لیزر از طریق یک محیط را مورد مطالعه قرار دادند. که معمولاً مات است. این محیط اتم های سدیم در حالت خاصی به نام میعانات بوز-اینشتین بود. هنگامی که با یک پالس لیزر تابش می شود، خواص نوری به دست می آورد که سرعت گروهی پالس را در مقایسه با سرعت در خلاء 20 میلیون بار کاهش می دهد. آزمایشگران توانستند سرعت نور را به 17 متر بر ثانیه برسانند!

قبل از توصیف ماهیت این آزمایش منحصر به فرد، اجازه دهید معنای برخی از مفاهیم فیزیکی را یادآوری کنیم.

سرعت گروههنگامی که نور در یک محیط منتشر می شود، دو سرعت از هم متمایز می شود: فاز و گروه. سرعت فاز v f حرکت فاز یک موج تک رنگ ایده آل - یک موج سینوسی بی نهایت با یک فرکانس را مشخص می کند و جهت انتشار نور را تعیین می کند. سرعت فاز در محیط با ضریب شکست فاز مطابقت دارد - همان چیزی که مقادیر آن برای مواد مختلف اندازه گیری می شود. ضریب شکست فاز و در نتیجه سرعت فاز به طول موج بستگی دارد. این وابستگی پراکندگی نامیده می شود. به ویژه منجر به تجزیه نور سفیدی می شود که از یک منشور به یک طیف می گذرد.

اما یک موج نور واقعی شامل مجموعه ای از امواج با فرکانس های مختلف است که در یک بازه طیفی معین گروه بندی شده اند. چنین مجموعه ای گروهی از امواج، بسته موج یا پالس نور نامیده می شود. این امواج به دلیل پراکندگی با سرعت فازهای مختلف در محیط منتشر می شوند. در این حالت تکانه کشیده می شود و شکل آن تغییر می کند. بنابراین، برای توصیف حرکت یک ضربه، گروهی از امواج به عنوان یک کل، مفهوم سرعت گروهی معرفی شده است. تنها در مورد یک طیف باریک و در یک محیط با پراکندگی ضعیف، زمانی که تفاوت در سرعت فاز اجزای جداگانه کم باشد، منطقی است. برای درک بهتر وضعیت، می‌توانیم تشبیه واضحی ارائه کنیم.

بیایید تصور کنیم که هفت ورزشکار در خط استارت صف کشیده اند و پیراهن هایی با رنگ های مختلف به تن دارند و مطابق با رنگ های طیف: قرمز، نارنجی، زرد و غیره. با علامت تپانچه شروع، آنها به طور همزمان شروع به دویدن می کنند، اما "قرمز" ” ورزشکار سریعتر از “نارنجی” می دود، “نارنجی” سریعتر از “زرد” و غیره است، به طوری که به صورت زنجیره ای کشیده می شوند که طول آن به طور مداوم افزایش می یابد. حال تصور کنید که ما از بالا به آن‌ها از چنان ارتفاعی نگاه می‌کنیم که نمی‌توانیم تک تک دوندگان را تشخیص دهیم، بلکه فقط یک نقطه رنگارنگ را می‌بینیم. آیا می توان در مورد سرعت حرکت این نقطه به طور کلی صحبت کرد؟ این امکان پذیر است، اما فقط در صورتی که خیلی تار نباشد، زمانی که تفاوت در سرعت دوندگان رنگ های مختلف کم باشد. در غیر این صورت، نقطه ممکن است در تمام طول مسیر کشیده شود و سوال سرعت آن معنا را از دست بدهد. این مربوط به پراکندگی قوی - گسترش زیادی از سرعت است. اگر دونده‌ها لباس‌هایی با رنگ تقریباً یکسان بپوشند که فقط از نظر سایه‌ها متفاوت است (مثلاً از قرمز تیره تا قرمز روشن)، این با طیف باریک سازگار می‌شود. سپس سرعت دوندگان تفاوت چندانی نخواهد داشت.

آمار بوز-انیشتیناین یکی از انواع به اصطلاح آمار کوانتومی است - نظریه ای که وضعیت سیستم های حاوی تعداد بسیار زیادی ذرات را توصیف می کند که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند.

همه ذرات - هم ذرات موجود در یک اتم و هم ذرات آزاد - به دو دسته تقسیم می شوند. برای یکی از آنها، اصل طرد پائولی معتبر است که طبق آن در هر سطح انرژی بیش از یک ذره وجود ندارد. ذرات این طبقه فرمیون نامیده می شوند (اینها الکترون، پروتون و نوترون هستند؛ همان طبقه شامل ذراتی است که از تعداد فرد فرمیون تشکیل شده است) و قانون توزیع آنها را آمار فرمی دیراک می نامند. ذرات دسته دیگر بوزون نامیده می شوند و از اصل پائولی پیروی نمی کنند: تعداد نامحدودی از بوزون ها می توانند در یک سطح انرژی جمع شوند. در این مورد ما در مورد آمار بوز-انیشتین صحبت می کنیم. بوزون ها شامل فوتون ها، برخی از ذرات بنیادی کوتاه مدت (مثلاً پی مزون ها) و همچنین اتم هایی هستند که از تعداد زوج فرمیون تشکیل شده اند. در دماهای بسیار پایین، بوزون‌ها در پایین‌ترین سطح انرژی (پایه) خود جمع می‌شوند. سپس آنها می گویند که تراکم بوز-انیشتین رخ می دهد. اتم های میعان خصوصیات فردی خود را از دست می دهند و چندین میلیون از آنها شروع به رفتار یکپارچه می کنند، توابع موج آنها ادغام می شوند و رفتار آنها با یک معادله توصیف می شود. این باعث می شود که بگوییم اتم های میعان مانند فوتون های تابش لیزر منسجم شده اند. محققان موسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا از این خاصیت میعانات بوز-اینشتین برای ایجاد "لیزر اتمی" استفاده کردند (به Science and Life شماره 10، 1997 مراجعه کنید).

شفافیت خودساختهاین یکی از اثرات اپتیک غیرخطی است - اپتیک میدان های نوری قدرتمند. این شامل این واقعیت است که یک پالس نوری بسیار کوتاه و قدرتمند بدون تضعیف از محیطی عبور می کند که تابش مداوم یا پالس های طولانی را جذب می کند: یک محیط مات برای آن شفاف می شود. شفافیت خود القا شده در گازهای کمیاب با مدت زمان پالس مرتبه 10-7-10-8 ثانیه و در محیط های متراکم کمتر از 10-11 ثانیه مشاهده می شود. در این مورد، تاخیر پالس رخ می دهد - سرعت گروه آن به شدت کاهش می یابد. این اثر برای اولین بار توسط مک کال و خان ​​در سال 1967 روی یاقوت در دمای 4 کلوین نشان داده شد. در سال 1970، تاخیرهای مربوط به سرعت پالس سه مرتبه (1000 برابر) کمتر از سرعت نور در خلاء در روبیدیم به دست آمد. بخار

اکنون به آزمایش منحصر به فرد سال 1999 می پردازیم. این کار توسط لن وسترگارد هاو، زکری داتون، سایروس بروسی (موسسه رولند) و استیو هریس (دانشگاه استنفورد) انجام شد. آنها یک ابر متراکم و مغناطیسی از اتم های سدیم را خنک کردند تا زمانی که به حالت پایه، پایین ترین سطح انرژی، بازگردند. در این مورد، تنها آن اتم هایی جدا شدند که گشتاور دوقطبی مغناطیسی آنها مخالف جهت میدان مغناطیسی بود. سپس محققان ابر را تا کمتر از 435 نانوکلوین (نانوکلوین یا 0.000000435 K، تقریبا صفر مطلق) خنک کردند.

پس از این، میعانات با یک "پرتو جفت" از نور لیزر قطبی خطی با فرکانس مربوط به انرژی تحریک ضعیف آن روشن شد. اتم ها به سطح انرژی بالاتری رفتند و جذب نور را متوقف کردند. در نتیجه، میعانات نسبت به تابش لیزر زیر شفاف شد. و در اینجا اثرات بسیار عجیب و غیر معمول ظاهر شد. اندازه‌گیری‌ها نشان داد که، تحت شرایط خاص، پالسی که از چگالش بوز-انیشتین می‌گذرد، تاخیری را تجربه می‌کند که مربوط به کند شدن نور با بیش از هفت مرتبه بزرگی است - ضریب 20 میلیون. سرعت پالس نور به 17 متر بر ثانیه کاهش یافت و طول آن چندین بار کاهش یافت - به 43 میکرومتر.

محققان بر این باورند که با اجتناب از گرمایش لیزری میعانات، می‌توانند سرعت نور را حتی بیشتر - شاید تا چند سانتی‌متر در ثانیه - کاهش دهند.

سیستمی با چنین ویژگی‌های غیرعادی امکان مطالعه خواص نوری کوانتومی ماده و همچنین ایجاد دستگاه‌های مختلف برای رایانه‌های کوانتومی آینده، به عنوان مثال، سوئیچ‌های تک فوتون را فراهم می‌کند.

صرف نظر از رنگ، طول موج یا انرژی، سرعت حرکت نور در خلاء ثابت می ماند. به مکان یا جهت در فضا و زمان بستگی ندارد

هیچ چیز در کیهان نمی تواند سریعتر از نور در خلاء حرکت کند. 299792458 متر بر ثانیه. اگر یک ذره عظیم باشد، فقط می تواند به این سرعت نزدیک شود، اما به آن نمی رسد. اگر یک ذره بدون جرم باشد، اگر در فضای خالی اتفاق بیفتد، همیشه باید دقیقاً با این سرعت حرکت کند. اما چگونه این را بدانیم و دلیل آن چیست؟ این هفته خواننده ما سه سوال در رابطه با سرعت نور از ما می پرسد:

چرا سرعت نور محدود است؟ چرا او اینطوری است که هست؟ چرا نه سریعتر و نه کندتر؟

تا قرن نوزدهم، ما حتی تاییدی از این داده ها نداشتیم.



تصویری از عبور نور از یک منشور و جدا شدن به رنگ های متمایز.

هنگامی که نور از آب، منشور یا هر محیط دیگری عبور می کند، به رنگ های مختلف جدا می شود. رنگ قرمز با زاویه ای متفاوت از آبی شکسته می شود و به همین دلیل چیزی شبیه به رنگین کمان ظاهر می شود. این را می توان در خارج از طیف مرئی نیز مشاهده کرد. نور مادون قرمز و ماوراء بنفش به همین ترتیب عمل می کنند. این تنها در صورتی امکان پذیر است که سرعت نور در محیط برای نور با طول موج/انرژی های مختلف متفاوت باشد. اما در خلاء، خارج از هر محیطی، همه نورها با سرعت محدود یکسانی حرکت می کنند.

جدا شدن نور به رنگ به دلیل سرعت های مختلف نور، بسته به طول موج، از طریق محیط رخ می دهد.

این تنها در اواسط قرن نوزدهم، زمانی که فیزیکدان جیمز کلرک ماکسول نشان داد که نور در واقع چیست، متوجه شد: یک موج الکترومغناطیسی. ماکسول اولین کسی بود که پدیده‌های مستقل الکترواستاتیک (بارهای استاتیک)، الکترودینامیک (بارها و جریان‌های متحرک)، مگنتواستاتیک (میدان‌های مغناطیسی ثابت) و مغناطیسی (جریان‌های القایی و میدان‌های مغناطیسی متناوب) را روی یک پلت فرم واحد و یکپارچه قرار داد. معادلات حاکم بر آن - معادلات ماکسول - محاسبه پاسخ به یک سوال به ظاهر ساده را ممکن می سازد: چه نوع میدان های الکتریکی و مغناطیسی می توانند در فضای خالی خارج از منابع الکتریکی یا مغناطیسی وجود داشته باشند؟ بدون بار و بدون جریان، می توان تصمیم گرفت که وجود ندارد - اما معادلات ماکسول به طرز شگفت انگیزی خلاف آن را ثابت می کند.

لوحی با معادلات ماکسول در پشت بنای یادبود او

هیچ چیز یکی از راه حل های ممکن نیست. اما چیز دیگری نیز ممکن است - میدان های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر یکدیگر در یک فاز نوسان می کنند. دامنه های خاصی دارند. انرژی آنها با فرکانس نوسانات میدان تعیین می شود. آنها با سرعت معینی حرکت می کنند که توسط دو ثابت تعیین می شود: ε 0 و μ 0. این ثابت ها میزان برهمکنش های الکتریکی و مغناطیسی را در جهان ما تعیین می کنند. معادله به دست آمده موج را توصیف می کند. و مانند هر موجی، سرعت آن 1/√ε 0 µ 0 است که به نظر می رسد برابر با c، سرعت نور در خلاء است.

میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر یکدیگر که در یک فاز نوسان می‌کنند و با سرعت نور منتشر می‌شوند، تشعشعات الکترومغناطیسی را تعیین می‌کنند.

از دیدگاه نظری، نور تابش الکترومغناطیسی بدون جرم است. طبق قوانین الکترومغناطیس، باید با سرعت 1/√ε 0 µ 0، برابر با c - بدون توجه به سایر خواص آن (انرژی، تکانه، طول موج) حرکت کند. ε 0 را می توان با ساخت و اندازه گیری یک خازن اندازه گیری کرد. µ 0 دقیقاً از آمپر، یک واحد جریان الکتریکی، تعیین می شود که به ما c می دهد. همان ثابت بنیادی، که برای اولین بار توسط ماکسول در سال 1865 استخراج شد، از آن زمان در بسیاری از جاهای دیگر ظاهر شده است:

این سرعت هر ذره یا موج بدون جرم، از جمله ذرات گرانشی است.
این ثابت اساسی است که حرکت شما در فضا را به حرکت شما در زمان در تئوری نسبیت مرتبط می کند.
و این ثابت بنیادی مربوط به انرژی به جرم سکون، E = mc 2 است

مشاهدات رومر اولین اندازه‌گیری‌های سرعت نور را در اختیار ما قرار داد که با استفاده از هندسه و اندازه‌گیری زمان لازم برای عبور نور در مسافتی برابر با قطر مدار زمین به دست آمد.

اولین اندازه گیری این کمیت در طول مشاهدات نجومی انجام شد. زمانی که قمرهای مشتری وارد موقعیت‌های کسوف و خروج آن‌ها می‌شوند، بسته به سرعت نور در یک توالی مشخص از زمین قابل مشاهده یا نامرئی به نظر می‌رسند. این منجر به اولین اندازه گیری کمی s در قرن هفدهم شد که 2.2 × 108 m/s تعیین شد. انحراف نور ستارگان - به دلیل حرکت ستاره و زمینی که تلسکوپ روی آن نصب شده است - به صورت عددی نیز قابل تخمین است. در سال 1729، این روش اندازه گیری c مقداری را نشان داد که تنها 1.4٪ با روش مدرن تفاوت داشت. در دهه 1970، c برابر با 299792458 متر بر ثانیه با خطای 0.0000002 درصد تعیین شد، که بیشتر آن ناشی از ناتوانی در تعریف دقیق متر یا ثانیه بود. تا سال 1983، دوم و متر بر حسب c و خواص جهانی تشعشعات اتمی دوباره تعریف شدند. اکنون سرعت نور دقیقاً 299792458 متر بر ثانیه است.

انتقال اتمی از مدار 6S، δf 1، متر، ثانیه و سرعت نور را تعیین می کند.

پس چرا سرعت نور سریعتر یا کندتر نیست؟ توضیح به همان سادگی است که در شکل نشان داده شده است. بالا یک اتم است. انتقال اتمی به دلیل ویژگی‌های کوانتومی بنیادی بلوک‌های ساختمانی طبیعت، به روشی اتفاق می‌افتد. فعل و انفعالات هسته اتم با میدان های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط الکترون ها و سایر بخش های اتم باعث می شود که سطوح انرژی مختلف به شدت به یکدیگر نزدیک شوند، اما هنوز کمی متفاوت هستند: به این شکاف فوق ریز می گویند. به طور خاص، فرکانس گذار ساختار بسیار ظریف سزیم-133 نور با فرکانس بسیار خاصی را ساطع می کند. مدت زمانی که برای گذراندن 9,192,631,770 چرخه لازم است، دومین چرخه را تعیین می کند. مسافتی که نور در این مدت طی می کند 299792458 متر است. سرعت حرکت این نور c را تعیین می کند.

یک فوتون بنفش یک میلیون برابر بیشتر از یک فوتون زرد انرژی دارد. تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی هیچ تأخیری را در هیچ یک از فوتون‌هایی که از انفجار پرتو گاما به سمت ما می‌آیند نشان نمی‌دهد، که ثابت بودن سرعت نور را برای همه انرژی‌ها تأیید می‌کند.

برای تغییر این تعریف، چیزی اساساً متفاوت از ماهیت فعلی آن باید برای این انتقال اتمی یا نور ناشی از آن اتفاق بیفتد. این مثال همچنین درس ارزشمندی را به ما می‌آموزد: اگر فیزیک اتمی و انتقال اتمی در گذشته یا در فواصل طولانی متفاوت عمل می‌کردند، شواهدی وجود داشت که سرعت نور در طول زمان تغییر کرده است. تاکنون، تمام اندازه‌گیری‌های ما فقط محدودیت‌های اضافی را بر ثبات سرعت نور اعمال می‌کنند، و این محدودیت‌ها بسیار سخت‌گیرانه هستند: این تغییر از ۷٪ مقدار فعلی در ۱۳.۷ میلیارد سال گذشته تجاوز نمی‌کند. اگر بر اساس هر یک از این معیارها، سرعت نور ناسازگار بود، یا اگر برای انواع مختلف نور متفاوت بود، به بزرگترین انقلاب علمی از زمان اینشتین منجر می شد. در عوض، همه شواهد به جهانی اشاره می‌کنند که در آن همه قوانین فیزیک در همه زمان‌ها، همه جا، در همه جهات، در همه زمان‌ها یکسان باقی می‌مانند، از جمله خود فیزیک نور. به یک معنا، این نیز اطلاعات کاملا انقلابی است.

قرن 19 شاهد چندین آزمایش علمی بود که منجر به کشف تعدادی پدیده جدید شد. از جمله این پدیده ها می توان به کشف هانس ارستد در مورد تولید القای مغناطیسی توسط جریان الکتریکی اشاره کرد. بعدها، مایکل فارادی اثر معکوس را کشف کرد که القای الکترومغناطیسی نامیده شد.

معادلات جیمز ماکسول - ماهیت الکترومغناطیسی نور

در نتیجه این اکتشافات، به اصطلاح "برهم کنش از راه دور" مورد توجه قرار گرفت که نتیجه آن نظریه جدید الکترومغناطیس است که توسط ویلهلم وبر فرموله شد، که بر اساس کنش دوربرد بود. بعدها ماکسول مفهوم میدان های الکتریکی و مغناطیسی را تعریف کرد که قادر به تولید یکدیگر هستند که یک موج الکترومغناطیسی است. متعاقبا، ماکسول از به اصطلاح "ثابت الکترومغناطیسی" در معادلات خود استفاده کرد - با.

در آن زمان، دانشمندان قبلاً به این واقعیت نزدیک شده بودند که نور ماهیت الکترومغناطیسی دارد. معنای فیزیکی ثابت الکترومغناطیسی سرعت انتشار تحریکات الکترومغناطیسی است. در کمال تعجب خود جیمز ماکسول، مقدار اندازه‌گیری شده این ثابت در آزمایش‌ها با بارهای واحد و جریان برابر با سرعت نور در خلاء بود.

قبل از این کشف، بشریت نور، الکتریسیته و مغناطیس را از هم جدا کرده بود. تعمیم ماکسول به ما اجازه داد تا نگاه جدیدی به ماهیت نور داشته باشیم، به عنوان قطعه خاصی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی که به طور مستقل در فضا منتشر می شود.

شکل زیر نموداری از انتشار یک موج الکترومغناطیسی را نشان می دهد که آن هم نور است. در اینجا H بردار شدت میدان مغناطیسی است، E بردار شدت میدان الکتریکی است. هر دو بردار بر یکدیگر و همچنین بر جهت انتشار موج عمود هستند.

آزمایش مایکلسون - مطلق بودن سرعت نور

فیزیک آن زمان تا حد زیادی بر اساس اصل نسبیت گالیله بنا شده بود که طبق آن قوانین مکانیک در هر چارچوب مرجع اینرسی انتخابی یکسان به نظر می رسند. در عین حال، با توجه به اضافه شدن سرعت ها، سرعت انتشار باید به سرعت منبع بستگی داشته باشد. با این حال، در این مورد، موج الکترومغناطیسی بسته به انتخاب چارچوب مرجع، رفتار متفاوتی خواهد داشت که اصل نسبیت گالیله را نقض می کند. بنابراین، نظریه به ظاهر خوب شکل گرفته ماکسول در وضعیت متزلزلی قرار داشت.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که سرعت نور واقعاً به سرعت منبع بستگی ندارد، به این معنی که نظریه‌ای لازم است که بتواند چنین واقعیت عجیبی را توضیح دهد. بهترین نظریه در آن زمان نظریه "اتر" بود - یک رسانه خاص که در آن نور منتشر می شود، همانطور که صدا در هوا منتشر می شود. سپس سرعت نور نه با سرعت حرکت منبع، بلکه با ویژگی های خود رسانه - اتر - تعیین می شود.

آزمایش های زیادی برای کشف اتر انجام شده است که معروف ترین آنها آزمایش آلبرت مایکلسون فیزیکدان آمریکایی است. به طور خلاصه، مشخص است که زمین در فضای بیرونی حرکت می کند. پس منطقی است که فرض کنیم از طریق اتر نیز حرکت می کند، زیرا پیوستن کامل اتر به زمین نه تنها بالاترین درجه خودگرایی است، بلکه به سادگی نمی تواند توسط هیچ چیز ایجاد شود. اگر زمین در محیط خاصی حرکت کند که نور در آن منتشر می شود، منطقی است که فرض کنیم سرعت ها در اینجا اتفاق می افتد. یعنی انتشار نور باید به جهت حرکت زمین که از اتر می گذرد بستگی داشته باشد. مایکلسون در نتیجه آزمایشات خود هیچ تفاوتی بین سرعت انتشار نور در هر دو جهت از زمین کشف نکرد.

فیزیکدان هلندی هندریک لورنتس سعی کرد این مشکل را حل کند. بر اساس فرض او، "باد اثیری" اجسام را به گونه ای تحت تاثیر قرار می دهد که اندازه آنها را در جهت حرکت خود کاهش می دهند. بر اساس این فرض، هم زمین و هم دستگاه مایکلسون این انقباض لورنتس را تجربه کردند، در نتیجه آلبرت مایکلسون سرعت یکسانی را برای انتشار نور در هر دو جهت به دست آورد. و اگرچه لورنتز در به تأخیر انداختن مرگ نظریه اتر تا حدودی موفق بود، دانشمندان هنوز احساس می کردند که این نظریه "دور از ذهن" است. بنابراین، قرار بود اتر دارای تعدادی ویژگی "افسانه ای" باشد، از جمله بی وزنی و عدم مقاومت در برابر اجسام متحرک.

پایان تاریخ اتر در سال 1905 با انتشار مقاله "در مورد الکترودینامیک اجسام متحرک" توسط آلبرت انیشتین که در آن زمان کمتر شناخته شده بود، به پایان رسید.

نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین

آلبرت انیشتین بیست و شش ساله دیدگاهی کاملاً جدید و متفاوت در مورد ماهیت فضا و زمان بیان کرد که برخلاف ایده های آن زمان بود و به ویژه اصل نسبیت گالیله را به شدت نقض می کرد. به گفته انیشتین، آزمایش مایکلسون به این دلیل که فضا و زمان دارای چنان ویژگی هایی هستند که سرعت نور یک مقدار مطلق است، نتایج مثبتی به دست نیاورد. یعنی صرف نظر از اینکه ناظر در چه چارچوب مرجعی قرار دارد، سرعت نور نسبت به او همیشه یکسان است، 300000 کیلومتر بر ثانیه. از این رو عدم امکان اضافه کردن سرعت نسبت به نور به وجود آمد - مهم نیست منبع نور چقدر سریع حرکت می کند، سرعت نور تغییر نمی کند (افزودن یا تفریق).

انیشتین از انقباض لورنتس برای توصیف تغییرات در پارامترهای اجسامی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند استفاده کرد. بنابراین، برای مثال، طول چنین اجسامی کاهش می یابد و زمان خود آنها کاهش می یابد. ضریب چنین تغییراتی را عامل لورنتس می نامند. فرمول معروف انیشتین E=mc 2در واقع شامل عامل لورنتس نیز می شود ( E= ymc 2) که به طور کلی برابر با وحدت در حالتی است که سرعت بدن vبرابر با صفر با نزدیک شدن به سرعت بدن vبه سرعت نور جفاکتور لورنتس yبه سوی بی نهایت می شتابد از این نتیجه می شود که برای شتاب دادن به یک جسم به سرعت نور، انرژی بی نهایت مورد نیاز است و بنابراین عبور از این محدودیت سرعت غیرممکن است.

همچنین استدلالی به نفع این گزاره وجود دارد که «نسبیت همزمانی» نامیده می شود.

پارادوکس نسبیت همزمانی SRT

به طور خلاصه، پدیده نسبیت همزمانی این است که ساعت‌هایی که در نقاط مختلف فضا قرار دارند، تنها زمانی می‌توانند «در یک زمان» کار کنند که در یک چارچوب مرجع اینرسی باشند. یعنی زمان روی ساعت به انتخاب سیستم مرجع بستگی دارد.

از این پارادوکس ناشی می شود که رویداد B که پیامد رویداد A است، می تواند همزمان با آن رخ دهد. علاوه بر این، می توان سیستم های مرجع را به گونه ای انتخاب کرد که رویداد B زودتر از رویداد A رخ دهد که باعث آن شده است. با این حال، این وضعیت فرضی تنها در صورتی مشاهده می شود که فاصله بین رویدادهای A و B بیشتر از فاصله زمانی بین آنها ضرب در "ثابت الکترومغناطیسی" باشد - با. بنابراین، ثابت جکه برابر با سرعت نور است، حداکثر سرعت انتقال اطلاعات است. در غیر این صورت اصل علیت نقض می شود.

سرعت نور چگونه اندازه گیری می شود؟

مشاهدات اولاف رومر

دانشمندان دوران باستان اکثراً معتقد بودند که نور با سرعت بی نهایت حرکت می کند و اولین تخمین سرعت نور قبلاً در سال 1676 به دست آمد. اولاف رومر، ستاره شناس دانمارکی، مشتری و قمرهای آن را رصد کرد. در لحظه ای که زمین و مشتری در دو طرف خورشید قرار داشتند، خسوف قمر مشتری Io با 22 دقیقه تاخیر نسبت به زمان محاسبه شده بود. تنها راه حلی که اولاف رومر یافت این است که سرعت نور محدود است. به همین دلیل، اطلاعات مربوط به رویداد مشاهده شده 22 دقیقه به تاخیر می افتد، زیرا مدتی طول می کشد تا فاصله ماهواره Io تا تلسکوپ ستاره شناس را طی کند. بر اساس محاسبات رومر، سرعت نور 220000 کیلومتر بر ثانیه بود.

مشاهدات جیمز بردلی

در سال 1727، ستاره شناس انگلیسی، جیمز بردلی، پدیده انحراف نور را کشف کرد. ماهیت این پدیده این است که با حرکت زمین به دور خورشید و همچنین در طول چرخش خود زمین، جابجایی ستارگان در آسمان شب مشاهده می شود. از آنجایی که ناظر زمینی و خود زمین دائماً جهت حرکت خود را نسبت به ستاره مشاهده شده تغییر می دهند، نور ساطع شده از ستاره فواصل مختلفی را طی می کند و در طول زمان در زوایای مختلف به ناظر سقوط می کند. سرعت محدود نور منجر به این واقعیت می شود که ستارگان در آسمان یک بیضی را در طول سال توصیف می کنند. این آزمایش به جیمز بردلی اجازه داد تا سرعت نور را 308000 کیلومتر بر ثانیه تخمین بزند.

تجربه لوئیس فیزو

در سال 1849، فیزیکدان فرانسوی لوئیس فیزو آزمایشی آزمایشگاهی برای اندازه گیری سرعت نور انجام داد. این فیزیکدان آینه ای را در پاریس در فاصله 8633 متری از منبع نصب کرد، اما طبق محاسبات رومر، نور این فاصله را در صد هزارم ثانیه طی می کند. در آن زمان چنین دقت ساعت دست نیافتنی بود. فیزو سپس از چرخ دنده ای استفاده کرد که در مسیر از منبع به آینه و از آینه به ناظر می چرخید و دندانه های آن به طور دوره ای نور را مسدود می کرد. در شرایطی که پرتو نوری از منبع به آینه از بین دندان ها عبور می کرد و در راه برگشت به دندان برخورد می کرد، فیزیکدان سرعت چرخش چرخ را دو برابر می کرد. با افزایش سرعت چرخش، نور تقریباً از بین رفت تا اینکه سرعت چرخش به 12.67 دور در ثانیه رسید. در این لحظه نور دوباره ناپدید شد.

چنین مشاهده ای به این معنی است که نور دائماً به دندان ها "برخورد" می کند و زمان "لغزش" بین آنها را ندارد. فیزو با دانستن سرعت چرخش چرخ، تعداد دندانه ها و دو برابر فاصله منبع تا آینه، سرعت نور را محاسبه کرد که برابر با 315000 کیلومتر بر ثانیه بود.

یک سال بعد، یک فیزیکدان فرانسوی دیگر، لئون فوکو، آزمایش مشابهی را انجام داد که در آن به جای چرخ دنده از یک آینه گردان استفاده کرد. مقداری که او برای سرعت نور در هوا به دست آورد 298000 کیلومتر بر ثانیه بود.

یک قرن بعد، روش فیزو به قدری بهبود یافت که آزمایش مشابهی که در سال 1950 توسط E. Bergstrand انجام شد، مقدار سرعت 299793.1 کیلومتر بر ثانیه را نشان داد. این عدد تنها 1 کیلومتر بر ثانیه با مقدار فعلی سرعت نور متفاوت است.

اندازه گیری های بیشتر

با ظهور لیزر و افزایش دقت ابزار اندازه گیری، امکان کاهش خطای اندازه گیری تا 1 متر بر ثانیه وجود داشت. بنابراین در سال 1972، دانشمندان آمریکایی از لیزر برای آزمایشات خود استفاده کردند. آنها با اندازه گیری فرکانس و طول موج پرتو لیزر توانستند مقدار 299792458 متر بر ثانیه را بدست آورند. قابل ذکر است که افزایش بیشتر دقت در اندازه گیری سرعت نور در خلاء، نه به دلیل نقص فنی ابزار، بلکه به دلیل خطای خود استاندارد متر غیرممکن بود. به همین دلیل، در سال 1983، هفدهم کنفرانس عمومی وزن ها و اندازه ها، متر را به عنوان مسافتی که نور در خلاء در زمانی برابر با 1/299،792،458 ثانیه طی می کند، تعریف کرد.

بیایید آن را جمع بندی کنیم

بنابراین، از تمام موارد فوق چنین نتیجه می شود که سرعت نور در خلاء یک ثابت فیزیکی اساسی است که در بسیاری از نظریه های بنیادی ظاهر می شود. این سرعت مطلق است، یعنی به انتخاب سیستم مرجع بستگی ندارد و با حداکثر سرعت انتقال اطلاعات نیز برابر است. نه تنها امواج الکترومغناطیسی (نور)، بلکه تمام ذرات بدون جرم نیز با این سرعت حرکت می کنند. از جمله، احتمالا، گراویتون، ذره ای از امواج گرانشی. در میان چیزهای دیگر، به دلیل اثرات نسبیتی، زمان خود نور به معنای واقعی کلمه ثابت می ماند.

چنین خصوصیاتی از نور، به ویژه عدم کاربرد اصل اضافه کردن سرعت به آن، در سر نمی گنجد. با این حال، بسیاری از آزمایش‌ها ویژگی‌های ذکر شده در بالا را تأیید می‌کنند و تعدادی از نظریه‌های بنیادی دقیقاً بر اساس این ماهیت نور ساخته شده‌اند.