Войти
 Солнечный свет занимает около 8 минут 17 секунд, чтобы пройти среднее расстояние от поверхности Солнца до Земли. | |
| Точные значения | |
|---|---|
| метров в секунду | 299792458 |
| Приблизительные значения (до три значащих цифры) | |
| километров в час | 1080000000 |
| миль в секунду | 186000 |
| миль в час | 671000000 |
| астрономических единиц в день | 173 |
| парсеков в год | 0,307 |
| Приблизительное время прохождения светового сигнала | |
| Расстояние | Время |
| один фут | 1,0 ns |
| один метр | 3,3 нс |
| от геостационарной орбиты до Земли | 119 ms |
| длина экватора Земли | 134 мс |
| от Луна до Земли | 1,3 s |
| от Солнца до Земли (1 AU ) | 8,3 мин |
| один световой год | 1,0 год |
| один парсек | 3,26 года |
| от ближайшей звезды к Солнцу (1,3 пк) | 4,2 года |
| от ближайшей галактики (Карликовая галактика Большого Пса ) до Земли | 25000 лет |
| через Млечный Путь | 100000 лет |
| от Галактики Андромеды до Земли | 2,5 миллиона лет |
скорость света в вакууме, обычно обозначаемая c, является универсальной физической константой, языком во многих областях физики. Его точное значение определяется как 299792458 метров в секунду (примерно 300000 км / с или 186000 миль / с). Это точно, потому что по международному соглашению метр определяется как длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени ⁄ 299792458 секунда. Согласно специальной теории относительности, c - это верхний предел скорости, который может перемещаться обычное вещество и информация. Хотя эта скорость чаще всего ассоциируется со светом, это также скорость, с которой все безмассовые частицы и возмущения поля перемещаются в вакууме, включая электромагнитное излучение (из свет представляет собой небольшой диапазон частотного сигнала) и гравитационные волны. Такие волны и волны движутся в точке c независимо от движения или инерциальной системы отсчета наблюдателя. Частицы с ненулевой массой покоя могут достигать ее независимо от системы отсчета, в которой измеряется их скорость. В специальной и общей теории относительности, c связывает пространство и время, а также появляется в знаменитом уравнении эквивалентности массы и энергии E = mc.
Скорость, с которой распространяется через прозрачные материалы, такие как стекло или воздух, меньше c; аналогично, скорость электромагнитных волн в проводных кабелях меньше, чем c. Отношение между c и скоростью v, которое представляет собой материал, называется показателем преломления n материалов (n = c / v). Например, для видимого света показатель преломления стекла обычно составляет около 1,5, что означает, что свет в стекле со скоростью c / 1,5 ≈ 200000 км / с (124000 миль / с); показатель преломления воздуха для видимого света около 1.0003, поэтому скорость света в примерно на 90 км / с (56 миль / с) меньше, чем c.
Для многих практических целей световые и другие электромагнитные распространенные волны мгновенно, но для больших расстояний и очень чувствительных измерений их конечная скорость оказывает заметное влияние. При обмене данными зондами с удаленными космическими кораблями передача сообщений с Земли на космический корабль может занять от нескольких минут до часов, или наоборот. Звездный свет покинул их много лет назад, что позволяет изучать историю Вселенной, глядя на далекие объекты. Конечная скорость света также ограничивает передачу данных между процессором и микросхемами памяти в компьютерах. Скорость распространения света с высокой точностью. Время пролета для больших расстояний с высокой точностью.
Оле Рёмер впервые действал в 1676 г., что свет движется с конечной скоростью (не мгновенно), изучая видимое движение спутника Юпитера Ио.. В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл предположил, что свет электромагнитной волной, и поэтому движется со скоростью c, является в его теории электромагнетизма. В 1905 году Альберт Эйнштейн постулировал, что скорость света c относительно любой инерциальной системы отсчета постоянна и не зависит от движения источника света. Он исследовал последствия этого постулата, выведя теорию относительности, и тем самым показал, что параметр c имеет значение вне контекста света и электромагнетизма.
После столетия все более точных измерений в 1975 году стало известно, что скорость света составляет 299792458 м / с (983571056 фут / с; 186282,397 миль / с) с погрешностью измерения 4 части на миллиард. В 1983 году метр был переопределен в Международной системе единиц (СИ) как расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 секунды секунды.
Скорость света в вакууме обычно обозначается строчной буквой c, что означает «константа» или Латинское celeritas (что означает «быстрота, быстрота»). В 1856 году Вильгельм Эдуард Вебер и Рудольф Кольрауш использовали c для другой, которая, как позже было показано, равна √2-кратной скорости света в постоянной скорости света в вакууме. Исторически символ V использовался как альтернативный символ скорости света, введенный Джеймсом Клерком Максвеллом в 1865 году. В 1894 году Пол Друде пересмотр определения c его современном значении. Эйнштейн использовал V в своих оригинальных немецкоязычных статьях по специальной теории относительности в 1905 году, но в 1907 году он переключился на c, которая к тому времени стала стандартным символом скорости света.
Иногда c используется для обозначения скорости волн в любой материальной среде, а c 0 - для скорости света в вакууме. Проницаемость вакуума или постоянной магнитной, ε для проницаемости вакуума или магнитной постоянной, ε это индексируемое формуемое обозначение, которое одобрено в официальной литературе. 0 для диэлектрической проницаемости или электрической постоянной вакуума и Z 0 для импеданса свободного пространства. В этой статье c используется исключительно для обозначения скорости света в вакууме.
С 1983 года метр определен в Международной системе единиц (СИ) как расстояние, которое проходит в вакууме за ⁄ 299792458 секунды. Это определение фиксирует скорость света в вакууме ровно 299792458 м / с. Как размерная физическая постоянная, числовое значение c отличается для разных систем единиц. В областях, часто встречающихся в самолетах, часто используются системы натуральных единиц измерений или системы геометрических единиц, где c = 1. явно, потому что умножение или деление на 1 не влияет на результат.
Скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит от движения источника волны, так и от инерциальной системы отсчета наблюдатель. Эта неизменность скорости света была постулирована Эйнштейном в 1905 году после того, как мотивирована теорией электромагнетизма Максвелла и отсутствием доказательств светового эфира ; с тех пор это постоянно подтверждается многими экспериментами. Можно только экспериментально проверить, что двусторонняя скорость света (например, от источника к зеркалу и обратно) не зависит от кадра, потому что невозможно измерить одностороннюю скорость . (например, от источника до удаленного детектора) без каких-либо соглашений о том, как должны быть синхронизированы часы на источнике и на детекторе. Однако принятая синхронизация Эйнштейна для часов, односторонняя скорость света становится по определению равной двусторонней скорости света. Специальная теория относительности исследует последствия этой инвариантности в предположении, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Одним из следствий этого является то, что c - это скорость, с которой все безмассовые частицы и волны, включая свет, должны перемещаться в вакууме.
фактор Лоренца γ как функция скорости. Она начинается с 1 и приближается к бесконечности по мере приближения v к c. Специальная теория относительности имеет много противоречивых и экспериментально проверенных следствий. К ним относ эквивалент массы и энергии (E = mc), сокращение длины (движущиеся объекты укорачиваются) и замедление времени (движущиеся часы идут медленнее). Коэффициент γ, на который сокращается длина и растягивается, известен как коэффициент Лоренца и определяется как γ = (1 - v / c), где v - скорость объекта. Отличие γ от 1 незначительно для скоростей, намного меньше, чем c, как большинство обычных скоростей - в этом случае специальная теория относительности близко аппроксимируется теорией относительности Галилея того, как v приближается c. Например, коэффициент замедления времени γ = 2 при относительной скорости 86,6% скорости света (v = 0,866 c). Точно так же коэффициент замедления времени γ = 10 возникает при v = 99,5% c.
Результаты специальной теории относительности можно подытожить, рассматривая пространство и время как единую структуру, известную как пространство-время (где c связывает единицы пространства и времени), и требуя, чтобы физические теории удовлетворяли специальная симметрия , называемая лоренц-инвариантностью, математическая формулировка, которая содержит параметр c. Лоренц-инвариантность является почти универсальным допущением для современных физических теорий, таких как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика, Стандартная модель из физики элементарных частиц, и общая теория относительности. Таким образом, параметр c широко используется в современной физике, появляясь во многих контекстах, не связанных со светом. Например, общая теория относительности предсказывает, что также является скоростью гравитации и гравитационных волн. В неинерциальных систем отсчета (гравитационно искривленное пространство-время или ускоренные системы отсчета ) локальная скорость света постоянна и равна c, но скорость света вдоль траектория конечной длины может отличаться от c, в зависимости от того, как решено и время.
Обычно, что фундаментальные константы, такие как c, имеют одинаковое значение во всем пространстве-времени, что означает, что они не зависят от местоположения и не меняются со временем. Однако в различных теориях предполагалось, что скорость света могла изменяться со временем. Не было найдено доказательств таких изменений, но они остались предметом текущих исследований.
Также обычно считается скорость света изотропна, что означает, что она имеет такое же значение независимо от направления, в котором оно измеряется. Наблюдения излучения ядерных энергетических уровней в зависимости от ориентации излучающих ядер в магнитном поле (см. эксперимент Хьюза-Древера ), а также вращающиеся оптические резонаторы (см. эксперименты с резонаторами ) наложили жесткие ограничения возможную двустороннюю анизотропию.
Согласно специальному теории относительности, энергия объекта с массой покоя m и скорость v определяется как γmc, где γ - коэффициент Лоренца, определенно выше. Когда v равно нулю, γ равно единице, что дает начало знаменитой формуле E = mc для эквивалент массы и энергии. Фактор γ приближается к бесконечности, когда он приближается к c, и требуется бесконечное количество энергии, чтобы разогнать объект с массой до скорости света. Скорость света - это верхний предел скорости с положительной массой покоя, и отдельные фотоны не могут двигаться быстрее объектов скорости света. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса..
Событие A следует в красной рамке, одновременно с B в зеленой рамке и следует за B в синей рамке. В более общем смысле, информация или энергия не могут двигаться быстрее, чем c. Один аргумент в пользу этого следует из противоречащего интуиции стандартной теории относительности, известной как относительности относительности. A и B, которые предшествуют другим системам A, которые предшествуют A, и другим, в которых они совпадают. В результате, если бы что-то двигалось быстрее, чем c, относительно инерциальной системы отсчета, оно перемещалось бы назад во времени другой системы отсчета, и была нарушена связь была бы нарушена. В такой системе координат «следствие» может наблюдаться до его «причины». Такое нарушение причинно-следственной связи никогда не зарегистрировалось и произошло бы к парадоксам, таким как тахионный антителефон.
Есть ситуации в может показаться, что материя, энергия или информация движутся со скоростью больше c, но это не так. Например, как обсуждается в разделе распространение света в среде ниже, многие скорости волны могут включать c. Например, фазовая скорость рентгеновских лучей через большинство очков обычно может быть c, но фазовая скорость не определяет скорость, с которой волны передают информацию.
Если лазерный луч быстро проходит через удаленный объект, пятно света может двигаться быстрее, чем c, хотя первоначальное движение пятна задерживается из-за времени, которое требуется свету, чтобы добраться до удаленного объекта со скоростью c. Однако единственными движущимися физическими объектами являются лазер и излучаемый им свет, который движется со скоростью c от лазера к положениям пятна. Точно так же тень, проецируемая на удаленный объект, может двигаться быстрее, чем c, после задержки во времени. Ни в том, ни в другом случае материя, энергия или информация не движутся быстрее света.
Скорость изменения расстояния между двумя объектами в системе отсчета, относительно которой оба движутся (их закрытие скорости ) может иметь значение, превышающее c. Однако это не отражает скорость какого-либо отдельного объекта, измеренную в одной инерциальной системе отсчета.
Некоторые квантовые эффекты передаются мгновенно и, следовательно, быстрее, чем c, как в парадоксе ЭПР. Пример включает квантовые состояния двух частиц, которые могут быть запутаны. Пока любые из частиц не обнаружены, они существуют в суперпозиции двух квантовых состояний. Если частицы и наблюдается квантовое состояние одной частицы, квантовое состояние другие частицы возникают мгновенно. Однако невозможно контролировать, какое квантовое состояние примете первая частица при наблюдении, поэтому информация может быть передана таким образом.
Еще один квантовый эффект, предсказывает появление скоростей, превышающих скорость света, называется эффектом Хартмана : при определенных условиях время необходимое для его частицы в туннель через барьер, постоянно независимо от толщины барьера. Это может быть пересечет большой промежуток быстрее света. Однако с помощью этого эффекта нельзя передать информацию.
Так называемое сверхсветовое движение наблюдается в некоторых астрономических объектах, таких как релятивистские джеты из радиогалактики и квазары. Однако эти струи не движутся со скоростью, превышающей скорость света: кажущееся сверхсветовое движение - это эффект проекции, вызванный объектами, движущимися со скоростью, близкими к скорости света, и приближающимися к Земле под небольшим углом к линии. видимости: поскольку свету, который испускался, когда струя находилась дальше, требовалось больше времени, чтобы достичь Земли, время между двумя последовательными наблюдениями соответствует большему времени между моментами, в которые испускались световые лучи.
В моделях расширяющейся Вселенной чем дальше галактики удалены друг от друга, тем быстрее они расходятся. Это отступление происходит не из-за движения в пространстве, а скорее из-за расширения самого пространства. Например, галактики, далекие от Земли, кажутся удаляющимися от Земли со скоростью, пропорциональной их расстоянию. За границей, называемой сферой Хаббла, скорость, с которой их расстояние от Земли увеличивается, становится больше, чем скорость света.
В В классической физике свет описывается как тип электромагнитной волны. Классическое поведение электромагнитного поля описывается уравнениями Максвелла, которые предсказывают, что скорость c, с которой электромагнитные волны (например, свет) распространяются в вакууме, связана с распределенной емкостью и индуктивность вакуума, иначе известная как электрическая постоянная ε0и магнитная постоянная μ0, по уравнению
В современной квантовой физике электромагнитное поле описывается теорией квантовой электродинамики (QED). В этой теории свет описывается фундаментальными возбуждениями (или квантами) электромагнитного поля, называемыми фотонами. В КЭД фотоны являются безмассовыми частицами и, таким образом, согласно специальной теории относительности, они движутся со скоростью света в вакууме.
Были рассмотрены расширения КЭД, в которых фотон имеет массу. В такой теории его скорость будет зависеть от его частоты, а инвариантная скорость c специальной теории относительности будет тогда верхним пределом скорости света в вакууме. Никаких изменений скорости света в зависимости от частоты при строгих испытаниях не наблюдалось, что накладывает жесткие ограничения на массу фотона. Полученный предел зависит от используемой модели: если массивный фотон описывается теорией Прока, экспериментальная верхняя граница его массы составляет около 10 граммов ; если масса фотона генерируется с помощью механизма Хиггса, экспериментальный верхний пределточен менее, m ≤ 10 эВ / c (примерно 2 × 10 г).
Другая причина того, что скорость света зависит от его частоты, может быть неприменимость специальной теории относительности к сколь угодно малым масштабам, как предсказывают некоторые предложенные теории квантовой гравитации. В 2009 году наблюдение гамма-всплеска не обнаружило никаких доказательств зависимости скорости фотона от энергии, что подтверждает жесткие ограничения в конкретных моделях времени-времени на то, как на эту энергию влияет энергия фотона для энергий, приближающихся к Планковский масштаб.
В среде свет обычно не распространяется со скоростью, равной c; далее, разные типы световых волн будут распространяться с разной скоростью. Скорость, с которой распространяются отдельные гребни и впадины плоской волны (волны, заполняющие все пространство, только с одной шириной ), называется фазовой скоростью vp. Физический сигнал конечной протяженности (импульс света) распространяется с другой скоростью. Большая часть импульса проходит с групповой скоростью vg, а его самая ранняя часть движется со скоростью фронта vf.
. Синяя точка движется со скоростью ряби, фазовой скоростью; зеленая точка движется со скоростью огибающей, групповой скоростью; и красная точка движется со скоростью самой передней части импульса, скорости фронта. Фазовая скорость важна для определения того, как световая волна проходит через материал или от одного материала к другому. Его часто представляют в виде показателя преломления. Показатель преломления материала определяет как отношение c к к p в материале: большие показатели преломления указывает на более низкую скорость. Показатель преломления материала может зависеть от частоты света, интенсивности, поляризации или направления распространения; однако во многих его случаях можно рассматривать как константу, зависящую от материала. Показатель преломления воздуха составляет приблизительно 1.0003. Более плотные среды, такие как вода, стекло и алмаз, имеют показатели преломления около 1,3, 1,5 и 2,4 соответственно для видимого света. В экзотических материалах, таких как конденсаты Бозе-Эйнштейна, близкие к абсолютному нулю, эффективная скорость света может составлять всего несколько метров в секунду. Однако это представляет собой задержку ощущения и повторного излучения между атомами, как и все скорости в материальных веществах, превышающие скорость c. В качестве крайнего примера «замедления» света в материи две независимые группы физиков заявили, что они «полностью остановили» свет, пропуская его через конденсат Бозе-Эйнштейна элемента рубидий, одна команда в Гарвардский университет и Научный институт Роуленда в Кембридже, штат Массачусетс, и другой в Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, также в Кембридже. «Остановка» света в этих экспериментах относится только к свету, который накапливается в возбужденных состояниях объектов, а затем повторно излучается в произвольно более позднее время, вызванное вторым лазерным импульсом. За время, пока он «остановился», он перестал светиться. Этот тип поведения обычно микроскопически верен для всех прозрачных сред, которые «замедляют» скорость света.
В прозрачных материалах показатель преломления обычно больше 1, что означает, что фазовая скорость меньше c. В других материалах показатель преломления может стать меньше 1 для некоторых частот; в некоторых экзотических материалах показатель преломления может стать отрицательным. Требование о том, что причинно-следственная связь не нарушается, подразумевает, что действующая и мнимая части диэлектрической проницаемости любого материала, соответствующего, соответственно, показателю преломления и коэффициенту ослабления, связаны взаимодействением Крамерса - Кронига. На практике это означает, что в материале показателем преломления менее 1 поглощение волны настолько мощно, что сигнал не может быть отправлен быстрее, чем c.
Импульс с разными групповыми и фазовыми скоростями (который возникает, если фазовая скорость не одинакова для всех частот сигналов) со временем размывается, процесс, известный как дисперсия. Некоторые материалы имеют исключительно низкую (или даже нулевую) групповую скорость для световых волн - явление, называемое медленным светом, которое было подтверждено в различных экспериментах. Противоположное, групповые скорости, превышающие c, также было показано в эксперименте. Должна быть даже возможность, чтобы групповая скорость стала бесконечной или отрицательной, с импульсами, перемещающимися мгновенно или назад во времени.
Однако ни один из этих вариантов не передать быстрее, чем c. Невозможно передать информацию с помощью светового импульса быстрее, чем скорость фронта ). Можно показать, что это (при определенных предположениях) всегда равно c.
Частица может проходить через среду быстрее, чем фазовая скорость света в этой среде (но все же медленнее, чем c). Когда заряженная частица делает это в диэлектрическим материале, испускается электромагнитный эквивалент ударной волны, известный как черенковское излучение..
Как описано выше, скорость света меньше в среде, отличной от вакуума. Это замедление использования к любой среде, как такой воздух, вода или стекло, и отвечает за такие явления, как преломление. Когда свет покидает среду и возвращается в вакуум, игнорируя любые эффекты гравитации, его скорость возвращается к обычной скорости света в вакууме c.
Общие объяснения этого замедления, основанные на идее рассеяния света атомами, его поглощения и повторного испускания, неверны. Подобные объяснения могут вызвать эффект «размытие» в результирующем свете, поскольку он больше не будет двигаться только в одном направлении. Но в природе такого эффекта не наблюдается.
Более правильное объяснение основывается на природе света как электромагнитной волны. Свет представляет собой электрическую электрическую / магнитную волну, распространяющийся в среде, заставляет электрически заряженные электроны материала также колебаться. (Протоны материала также колеблются, но поскольку они примерно в 2000 раз массивнее, их движение и, следовательно, их влияние намного меньше). Движущийся электрический заряд излучает собственные электромагнитные волны. Электромагнитные волны, излучаемые колеблющимися электронами, взаимодействуют с электромагнитными волнами, составляющими исходный свет, подобно волнам воды в пруду, процесс, известный как конструктивная интерференция. Когда две волны интерферируют таким образом, результирующая "комбинированная" волна может иметь волновые пакеты, проходящие через наблюдателя с меньшей скоростью. Свет эффективно замедлился. Когда свет покидает материал, этого волнения с электронами больше не происходит, и поэтому скорость волнового пакета (и, следовательно, его скорость) возвращается к норме.
Скорость света имеет значение для связи : время задержки в одну сторону и и туда обратно больше чем ноль. Это применимо от малых до астрономических масштабов. С другой стороны, некоторые методы от конечной скорости света, например, при измерении расстояний.
В суперкомпьютерах скорость света накладывает ограничение на то, насколько быстро данные могут быть отправлены между процессорами. Если процессор работает на частоте 1 гигагерц, сигнал может пройти не более 30 сантиметров (1 фут) за один цикл. Поэтому процессоры необходимо разместить близко друг к другу, чтобы минимизировать задержку связи; это может вызвать проблемы с охлаждением. Если таковые частоты будут продолжать расти, скорость света в конечном итоге станет ограничивающим фактором для внутренней конструкции одиночных чипов.
, что экваториальная окружность Земли составляет около 40075 км, что составляет 300000 км / с, теоретическое самое короткое время, за которое информация может пройти половину земного шара по поверхности, составляет около 67 миллисекунд. Когда свет распространяется по земному шару в оптическом волокне , фактическое время прохождения больше, отчасти, потому что скорость света в оптическом волокне примерно на 35% ниже, в зависимости от его показателя преломления n. Кроме того, прямые линии редко встречаются в глобальных коммуникационных ситуациях, возникает задержка сигнала, когда сигнал проходит через электронный переключатель или регенератор.
Луч света изображен, движущийся между Землей и Луна за время, необходимое для перемещения между ними за световой импульс: 1,255 секунды на их среднем орбитальном расстоянии (поверхность-поверхность). Относительные размеры и разделение системы Земля-Луна показаны в масштабе. Точно так же связь между Землей и космическим кораблем не является мгновенной. От источника до приемника происходит небольшая задержка. Эта задержка была для связи между наземным управлением и Apollo 8, когда он стал первым пилотируемым космическим кораблем, вышедшим на орбиту Луны: на каждом вопросе наземной станции управления приходилось ждать не менее трех секунд, чтобы пришел ответ. Задержка связи между Землей и Марсом может начать работу от пяти до двадцати минут в зависимости от относительного положения двух планет. Как следствие этого, если робот на поверхности Марса столкнется с проблемой, его люди-контролеры не узнают об этом, по крайней мере, через пять минут, а, возможно, и через двадцать минут; тогда потребуется еще пять-двадцать минут, чтобы получить инструкции по путешествию с Земли на Марс.
НАСА ждать несколько часов информации от зонда, вращающегося Юпитера, и если ему нужно исправить навигационную ошибку, исправление не будет доставлено космического корабля в течение равного промежутка времени, что создает риск исправления. не приходя вовремя.
Получение света и других сигналов от далеких астрономических источников может занять больше времени. Например, свету потребовалось 13 миллиардов (13 × 10) лет, чтобы добраться до Земли от далеких галактик, наблюдаемых на изображениях Хаббл Ультра Глубокое Поле. На этих фотографиях, сделанных сегодня, запечатлены изображения галактик такими, какими они были 13 миллиардов лет назад, когда Вселенной было менее миллиарда лет. Тот факт, что более далекие объекты кажутся моложе из-за конечной скорости света, позволяет астрономам делать выводы об эволюции звезд, галактик и Вселенной. сам.
Астрономические расстояния иногда выражаются в световых годах, особенно в популярных публикациях и СМИ. Световой год - это расстояние, которое свет проходит за один год, около 9461 миллиарда километров, 5879 миллиарда миль или 0,3066 парсека. В круглых числах световой год составляет почти 10 триллионов километров или почти 6 триллионов миль. Проксима Центавра, ближайшая к Земле звезда после Солнца, находится на расстоянии около 4,2 световых лет от нас.
Радарные системы измеряют расстояние до цели с помощью время, необходимое радиоволновому импульсу, чтобы вернуться к антенне радара после отражения от цели: расстояние до цели составляет половину времени прохождения туда и обратно , умноженное на скорость света. Приемник глобальной системы позиционирования (GPS) измеряет свое расстояние до спутников GPS в зависимости от того, сколько времени требуется для получения радиосигнала от каждого спутника, и с этих расстояний вычисляет положение приемника. Поскольку свет проходит около 300000 километров (186000 миль) за одну секунду, эти измерения в малые доли секунды должны быть очень точными. Lunar Laser Ranging Experiment, радарная астрономия и Deep Space Network определяют расстояния до Луны, планет и космических кораблей, соответственно, путем измерения времени прохождения туда и обратно..
Скорость света стала важной в высокочастотной торговле, когда трейдеры стремятся получить незначительные преимущества, отправляя свои сделки на биржи, составляющие доли на секунду опережает других трейдеров. Например, трейдеры переключились на микроволновую связь между торговыми центрами из-за преимущества того, что микроволны, распространяющиеся со скоростью, близкой к скорости света в воздухе, имеют перед оптоволоконными сигналами, которые перемещаются. На 30–40% медленнее.
Существуют разные способы определения значения c. Один из способов - измерить фактическую скорость распространения световых волн, что можно сделать в различных астрономических и наземных установках. Однако также возможно определить c из других физических законов, где он появляется, например, путем определения значений электромагнитных констант ε0 и μ0 и использования их отношения к c. Исторически наиболее точные результаты были получены при раздельном определении частоты и длины волны светового луча с их произведением, равным c.
В 1983 году измеритель был определен как «длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени ⁄ 299792458 секунды», фиксируя значение скорости свет со скоростью 299792458 м / с по определению, как описано ниже. Следовательно, точные измерения скорости света дают точную реализацию измерителя, а не точное значение c.
Измерение скорости света с использованием затмения Ио Юпитером Космическое пространство - удобная установка для измерения скорости света из-за большого размера и почти идеальный вакуум. Обычно измеряется, необходим свету для прохождения некоторого эталонного расстояния в солнечной системе, например, радиус орбиты Земли. Исторически сложилось, что такие измерения могут быть сделаны достаточно точно, по сравнению с того, насколько точно длина опорного расстояния, как известно в единицах наземного базирования. Обычно результаты выражают в астрономических единицах (AU) в день.
Оле Кристенсен Рёмер использовал астрономические измерения для первой количественной оценки скорости света в 1676 году. При измерении с Земли периоды лун, вращающихся вокруг далекой планеты, когда Земля приближается к планете, чем когда Земля удаляется от нее. Расстояние, проходимое светом от планеты (или ее луны) до Земли, меньше, когда Земля находится в точке своей орбиты, наиболее близкой к ее планете, чем когда Земля находится в самой точке дальней точки своей орбиты, разница на расстоянии диаметр орбиты Земли вокруг Солнца. Наблюдаемое изменение орбитального периода Луны вызвано разницей во времени, необходимом свету для прохождения более короткого или большего расстояния. Рёмер наблюдал этот эффект для внутренней луны Юпитера Ио и пришел к выводу, что свету требуется 22 минуты, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли.
Аберрация света: свет от удаленного источника кажется движущимся телескопом из другого места из-за конечной скорости света. Другой метод - использовать аберрацию света, открыл и объяснил Джеймс Брэдли в 18 веке. Этот эффект является результатом сложения вектор скорости света, приходящего от удаленного источника (например, звезды), и скорость его наблюдателя (см. Диаграмму справа). Таким образом, движущийся наблюдатель видит свет, исходящий с немного другого направления, и, следовательно, видит источник в положении, смещенном от его исходного положения. По мере того, как Земля вращается вокруг Солнца, направление скорости Земли непрерывно изменяется по мере того, как Земля вращается вокруг Солнца. Из угловой разницы в положение звезд (максимально 20,5 угловых секунд ) можно выразить скорость света через скорость Земли вокруг Солнца, которая может быть преобразована во время, необходимое для путешествия от Солнца до Земли. В 1729 году Брэдли использовал этот метод, чтобы получить, что свет движется в 10210 раз быстрее, чем Земля по своей орбите (современные цифры в 10066 раз быстрее), или, что то же самое, что свету потребуется 8 минут 12 секунд, чтобы пройти от Солнца до Земли. Земля.
Астрономическая единица (AU) - это приблизительно среднее расстояние между Землей и Солнцем. В 2012 году он был переопределен как ровно 149597870700 м. Ранее АС основывалась не на системе, а на гравитационной силе, действующей на Солнце в рамках классической механики. Текущее определение использует определенное значение в соответствии с определенным методом определения астрономической единицы. Аналогично метру и аналогичным образом фиксирует скорость света на точном значении в астрономах в секунду.
Ранее величина, обратная c, измеренная в секундах на астрономическую единицу, измерялась путем сравнения времени в течение которого радиосигналы достигают различных космических аппаратов в Солнечной системе, с их положением, рассчитываемым на гравитационного воздействия Солнца и различных планет.. Комбинируя множество таких измерений, можно получить значение наилучшего соответствия для светового времени на единицу расстояния. Например, в 2009 г. наилучшая оценка, одобренная Международным астрономическим союзом (IAU), была:
Относительная погрешность этих измерений составляет 0,02 частей на наземных измерениях интерферометрией. Измерение расстояния определяется как длина, проходимая светомом за интервал времени, измерение светового времени в терминах предыдущего определения астрономической единицы также можно интерпретировать как измерение длины AU (старое определение) в метрах.
Одно из последних и наиболее точных измерений времени полета, эксперимент Майкельсона, Пиза и Пирсона 1930–1935 годов, в котором использовалось вращающееся зеркало и длина 1,6 км. вакуумная камера, через которую световой луч прошел 10 раз. Он достиг точности ± 11 км / с. 
Схема аппарата Физо Метод измерения скорости света заключается в измерении времени, необходимого для того, чтобы свет прошел к зеркалу на известном расстоянии и назад. Это принцип работы аппарата Физо - Фуко, разработанного Ипполитом Физо и Леоном Фуко.
Установка, используемая Физо, в составе луча света, направленного на зеркало в 8 километрах (5 миль). На пути от источника к зеркалу луч проходит через вращающееся зубчатое колесо. При скорости вращения луч проходит через один зазор на выходе, другой - на обратном пути, но при немного большей скорости луч проходит через колесо. Зная расстояние между колесом и зеркалом, количество зубцов на колесе и скорость вращения, можно вычислить скорость света.
Метод Фуко заменяет зубчатое колесо вращающимся зеркалом. Свет движется к дальнему зеркалу и обратно, свет отражается от другого вращающегося зеркала под углом на выходе, чем на обратном пути. По этой разнице в углах, известной скорости вращения и расстоянию до дальнего зеркала можно рассчитать скорость света.
В настоящее время с помощью осциллографов с временным разрешением менее одной наносекунды скорость света может быть измерена напрямую путем измерения задержки светового импульса от лазера или светодиода, отраженного от зеркала. Этот метод менее точен (с ошибками порядка 1%), чем другие современные методы, но он иногда используется в качестве лабораторного эксперимента на уроках физики в колледже.
Вариант вывода c, который не зависит напрямую от измерения распространения электромагнитных волн, следует использовать соотношение между c и диэлектрической проницаемостью ε0и проницаемостью вакуума μ0, установленной теорией Максвелла: c = 1 / (ε 0μ0). Вакуумная проницаемость может быть определена путем измерения емкости и размеров конденсатора, как значение вакуумной проницаемости зафиксировано на уровне 4π × 10 H⋅. м через определение ампер. Роза и Дорси использовали этот метод в 1907 году, чтобы найти значение 299710 ± 22 км / с.
Электромагнитные стоячие волны в полости Другой способ измерения Скорость света заключается в независимом измерении частоты f и длины волны λ электромагнитной волны в вакууме. Тогда значение c может быть найдено с помощью соотношения c = fλ. Один из вариантов - измерить резонансную частоту объемного резонатора . Если размеры резонансной полости также известны, их можно использовать для определения длины волны. В 1946 году Луи Эссен и А.К. Гордон-Смит установили частоту для множества нормальных режимов микроволн микроволнового резонатора точно известных размеров. Размеры устанавливаются с точностью около ± 0,8 мкм с помощью калиброванных интерферометрией датчиков. Длина волны мод была известна из геометрии резонатора и из электромагнитной теории, знание соответствующих частот вычислить скорость света.
Эссен - Гордон- Результат Смита, 299792 ± 9 км / с, был значительно более точным, чем результаты, полученные оптическими методами. К 1950 году повторные измерения, проведенные Эссен, установили результат 299792,5 ± 3,0 км / с.
Демонстрация этого метода в домашних условиях возможна с использованием разведки и таких продуктов, как зефир или маргарин. : если вращающийся поднос движется, она будет готовиться быстрее всего в пучках (точках, в которых амплитуда волны наибольшая), где она начинает таять. Расстояние между двумя такими пятнами составляет половину длины волны микроволн; Измеряя это расстояние и умножая длину на частоту микроволн (обычно отображается на задней стенке духовки, обычно 2450 МГц), можно вычислить значение c, «часто с ошибкой менее 5%».
Интерферометрическое определение длины. Слева: конструктивное вмешательство ; Справа: деструктивная интерференция.Интерферометрия - еще один метод определения длины волны электромагнитного излучения для определения скорости света. когерентный луч света (например, от лазера ) с известной шириной (f) разделяется на два пути и затем рекомбинируется. Регулируя длину пути, наблюдая за интерференционной картиной и тщательно измеряя изменение длины пути, можно определить длину волны света (λ). Скорость света рассчитывается с использованием уравнения c = λf.
До появления лазерной технологии когерентные радио источники использовались для интерферометрических измерений скорости света. Однако интерферометрическое ограничение длины волны становится менее точным с помощью длины волны, и, таким образом, точность экспериментов большая длина волны (~ 4 мм (0,16 дюйма)) радиоволн. Точность можно повысить, используя свет с более короткой длиной волны, но тогда становится трудно измерить частоту света. Один из способов решения проблемы - начать с низкочастотного сигнала, частота которого может быть постепенно синтезирована более высокочастотным сигналом. Затем лазер можно привязать к частоте, а его длину волны можно определить с помощью интерферометрии. Этот метод был разработан в Национальном бюро стандартов (NBS) (которое позже стало NIST ). Они использовали его в 1972 году для измерения скорости света в вакууме с дробной неопределенностью 3,5 × 10.
| <1638 | Галилео, закрытые фонари | безрезультатно | |
| <1667 | Accademia del Cimento, закрытые фонари | безрезультатно | |
| 1675 | Рёмер и Гюйгенс, спутники Юпитера | 220000 | ± 27% ошибка |
| 1729 | Джеймс Брэдли, аберрация света | 301000 | + погрешность 0,40% |
| 1849 | Ипполит Физо, зубчатое колесо | 315000 | + погрешность 5,1% |
| 1862 | Леон Фуко, вращающееся зеркало | 298000 ± 500 | 0,60% погрешность |
| 1907 | Роза и Дорси, EM константы | 299710 ± 30 | ‒280 ppm ошибка |
| 1926 | Альберт А. Майкельсон, вращающееся зеркало | 299796 ± 4 | +12 ppm ошибка |
| 1950 | Эссен и Гордон-Смит, объемный резонатор | 299792,5 ± 3,0 | +0,14 ppm ошибка |
| 1958 | К.Д. Фрум, радиоинтерферометрия | 299792,50 ± 0,10 | +0,14 ppm ошибка |
| 1972 | Эвенсон и др., Лазерная интерферометрия | 299792,4562 ± 0,0011 | ‒0,006 ppm ошибка |
| 1983 | 17-й CGPM, определение счетчика | 299792.458 (точное) | точно, как определено |
До ранний современный период не было известно, распространяется ли свет мгновенно или с очень высокой конечной скоростью. Первое дошедшее до нас письменное исследование этого предмета было в Древней Греции. Древние греки, мусульманские ученые и классические ученые долго спорили об этом, пока Рёмер не представил первый расчет скорости света. Специальная теория относительности Эйнштейна пришла к выводу, что скорость света постоянна независимо от системы координат. С тех пор обеспечивает все более точные измерения.
Эмпедокл (ок. 490–430 до н. Э.) Был первым, кто использовал теорию света и утверждал, что свет имеет конечную скорость. Он утверждал, что свет - это что-то движущееся, и поэтому ему нужно время для путешествия. Аристотель, напротив, утверждал, что «возникает из-за присутствия чего-то, но это не движение». Евклид и Птолемей продвинули Эмпедокла. эмиссионная теория зрения, при которой свет излучается из глаз, что позволяет видеть. Основываясь на этой теории, Герон Александрийский утверждал, что скорость света должна быть бесконечной, потому что далекие объекты, такие как звезды появляются сразу же после открытия. Ранние исламские философы использовать согласился с точкой зрения Аристотеля, согласно которой у света нет скорости движения. В 1021 году Альхазен (Ибн аль-Хайтам) опубликовал Книгу оптики, в которой он представил ряд аргументов, отвергающих эмиссионную теорию зрения в пользу ныне принятой теории интромиссии, согласно которой свет движется от объекта в глаз. Это привело к предположению, что свет должен иметь конечную скорость и скорость света переменная, уменьшаясь в более плотных телах. Он утверждал, что свет - это материальная материя, для распространения которой требуется время, даже если это скрыто от наших чувств. Также в 11 веке Абу Райхан аль-Бируни согласился, что свет имеет конечную скорость, и заметил, что скорость света намного выше скорости звука.
В 13 столетии, Роджер Бэкон утверждал, что скорость света в воздухе не бесконечна, используя философские аргументы, подкрепленные трудами Альхазена и Аристотеля. В 1270-х годах Витело рассматривал возможность распространения света с бесконечной скоростью в вакууме, но замедляющегося в более плотных телах.
В начале 17 века Иоганн Кеплер считал, что скорость света бесконечна, поскольку пустое пространство не представляет для нее препятствий. Рене Декарт утверждал, что если бы скорость света была конечной, Солнце, Земля и Луна были бы заметно смещены во время лунного затмения. Время такое рассогласование не наблюдалось, Декарт пришел к выводу, что скорость света бесконечна. Декарт предположил, что, если скорость света конечной, вся его философская система может быть разрушена. В выводе Декарта закона Снеллиуса он предположил, что, хотя скорость света была мгновенной, чем плотнее среда, тем быстрее была скорость света. Пьер де Ферма вывел закон Снеллиуса, используя противоположному предположению, чем плотнее среду, тем медленнее распространяется свет. Ферма также выступал за конечную скорость света.
В 1629 году Исаак Бикман эксперимент, в котором человек наблюдает за вспышкой пушка отражается в зеркале на расстоянии 1,6 км. В 1638 году Галилео Галилей эксперимент с очевидным заявлением о том, что провел его использование годами ранее, по измерению скорости света, наблюдая за задержкой между открытием фонаря и его восприятием на некотором расстоянии. Он был в состоянии не в состоянии различить, был ли путешествие светом мгновенным или нет, но пришел к выводу, что в состоянии он, тем не менее, должен быть быстрым. В 1667 году Accademia del Cimento Флоренции сообщила, что она выполнила эксперимент Галилея, с фонарями, разделенными примерно одной милей, но никакой задержки не наблюдалось. Фактическая задержка в этом эксперименте составила бы около 11 микросекунд.
Наблюдения Ромера за затмениями Ио с Земли Первая количественная оценка скорости света была сделана в 1676 году Ремером (см. Определение Рёмером скорости света ). Из наблюдения, что периоды самой внутренней луны Юпитера Ио оказались короче, когда Земля приближалась к Юпитеру, чем когда удалялась от него, он пришел к выводу, что свет движется с конечной скоростью, и оценил, что он забирает свет 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Христиан Гюйгенс объединил эту оценку оценкой диаметра орбиты Земли, чтобы получить оценку скорости света в 220000 км / с, что на 26% ниже фактического значения.
В его книга 1704 года Opticks, Исаак Ньютон сообщил о расчетах Ремера конечной скорости света и дал значение «семь или восемь минут» для времени, необходимого для того, чтобы свет прошел от Солнца. на Землю (современное значение - 8 минут 19 секунд). Ньютон спросил, были ли тени затмения Ремера окрашенными; услышав, что это не так, он пришел к выводу, что разные цвета летят с одинаковой скоростью. В 1729 году Джеймс Брэдли открыл звездную аберрацию. Исходя из этого эффекта, он определил, что свет должен двигаться по своей орбите в 10210 раз быстрее, чем Земля (современные цифры в 10066 раз быстрее), или, что то же самое, что свету потребуется 8 минут 12 секунд, чтобы пройти от Солнца до Земли.
В 19 веке Ипполит Физо разработал метод определения скорости света на основе измерений времени пролета на Земле и сообщил значение 315000 км / с. Его метод был усовершенствован Леон Фуко, который в 1862 году получил значение 298000 км / с. В 1856 году Вильгельм Эдуард Вебер и Рудольф Кольрауш измерили отношение электромагнитных и электростатических единиц заряда, 1 / √ε 0μ0, путем разряда лейденской банки, обнаруж иил, что его числовое значение очень близко к скорости света, измеренной собственной Физо. Следующий год Кирхгоф подсчитали, что электрический сигнал в без сопротивления проволоки перемещается вдоль проволоки на этой скорости. В начале 1860-х Максвелл показал, что в соответствии с теорией электромагнетизма, над которой он работал, электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве со скоростью, равной указанному выше отношению Вебера / Кольрауша, и обратил внимание на численную близость этого значения к соотношению Скорость света, измеренная Физо, он предположил, что свет на самом деле является электромагнитной волной.
Хендрик Лоренц (справа) с Альбертом Эйнштейном В то время считалось, что пустое пространство было заполнено фоновой средой, называемой светоносным эфиром, в которой существовало электромагнитное поле. Некоторые физики думали, что этот эфир действует как предпочтительная система отсчета для распространения света, и поэтому должна быть возможность измерить движение Земли относительно этой среды, измеряя изотропию скорости света. Начиная с 1880-х годов, было проведено несколько экспериментов, чтобы попытаться обнаружить это движение, наиболее известным из которых является эксперимент, выполненный Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом В. Морли в 1887 г. Обнаруженное движение всегда было меньше ошибки наблюдения. Современные эксперименты показывают, что двусторонняя скорость света изотропна (одинакова во всех направлениях) с точностью до 6 нанометров в секунду. Из-за этого эксперимента Хендрик Лоренц предположил, что движение устройства через эфир может заставить устройство сжиматься по его длине в направлении движения, и далее он предположил, что временная переменная для движущихся систем также должна быть изменена соответствующим образом («местное время»), что привело к формулировке преобразования Лоренца. Основываясь на теории эфира Лоренца, Анри Пуанкаре (1900) показал, что это местное время (до первого порядка по v / c) указывается часами, движущимися в эфире, которые синхронизируются под предположение о постоянной скорости света. В 1904 году он предположил, что скорость света может быть ограничивающей скоростью в динамике при условии, что все предположения теории Лоренца подтвердятся. В 1905 году Пуанкаре привел теорию эфира Лоренца в полное наблюдательное согласие с принципом относительности.
. В 1905 году Эйнштейн с самого начала постулировал, что скорость света в вакууме, измеряемая не - ускоряющийся наблюдатель, не зависит от движения источника или наблюдателя. Используя это и принцип относительности в качестве основы, он вывел специальную теорию относительности, в которой скорость света в вакууме c фигурировала как фундаментальная константа, также появляющаяся в контекстах, не связанных со светом. Это сделало концепцию неподвижного эфира (которой все еще придерживались Лоренц и Пуанкаре) бесполезной и произвело революцию в представлениях о пространстве и времени.
Во второй половине 20-го века был достигнут большой прогресс в повышении точности измерения скорости света, сначала с помощью методов резонансного резонанса, а затем с помощью методов лазерного интерферометра. Этому способствовали новые, более точные определения метра и секунды. В 1950 году Луи Эссен определил скорость как 299792,5 ± 1 км / с, используя полостной резонанс. Это значение было принято 12-й Генеральной ассамблеей Радионаучного союза в 1957 году. В 1960 году измеритель был переопределен с точки зрения длины волны конкретной спектральной линии криптона-86, а в 1967 году, секунда была переопределена в терминах сверхтонкой частоты перехода основного состояния цезий-133.
. В 1972 году, используя метод лазерного интерферометра и новые определения, группа из США Национальное бюро стандартов в Боулдере, штат Колорадо определило, что скорость света в вакууме составляет c = 299792456,2 ± 1,1 м / с. Это было в 100 раз меньше неопределенного, чем ранее принятое значение. Оставшаяся неопределенность в основном связана с определением счетчика. Поскольку аналогичные эксперименты дали сопоставимые результаты для c, 15-я Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать значение 299792458 м / с для скорости света.
В 1983 году 17-я CGPM обнаружила, что длины волн на основе измерений частоты и заданное значение скорости света более воспроизводимы, чем предыдущий стандарт. Они сохранили определение 1967 года для секунды, поэтому сверхтонкая частота цезия теперь будет определять и секунду, и метр. Для этого они переопределили измеритель как: «Метр - это длина пути, пройденного светом в вакууме за промежуток времени 1/299792458 секунды». В результате этого определения значение скорости света в вакууме равно 299792458 м / с и стало постоянной величиной в системе единиц СИ. Усовершенствованные экспериментальные методы, которые до 1983 года позволяли измерять скорость света, больше не влияют на известное значение скорости света в единицах СИ, а вместо этого позволяют более точно реализовать измеритель путем более точного измерения длины волны криптона. 86 и другие источники света.
В 2011 году CGPM заявила о своем намерении переопределить все семь базовых единиц СИ, используя то, что она называет «формулировкой явной константы», где каждая «единица определяется косвенно путем прямого указания точное значение общеизвестной фундаментальной постоянной », как это было сделано для скорости света. Он предложил новую, но полностью эквивалентную формулировку определения метра: «Метр, символ m, является единицей длины; его величина устанавливается путем фиксации числового значения скорости света в вакууме, равного точно 299792458. когда он выражается в единицах СИ мс ». Это было одно из изменений, которые были включены в переопределение 2019 базовых единиц СИ, также называемых Новой СИ.
Физический портал 
Астрономический портал 
Космический портал  | Викицитатник содержит цитаты, относящиеся к: Скорость света |
