Какова скорость распространения света. Как измеряли скорость света и каково ее реальное значение

Тема о том, как измерить, а также чему равна скорость света, интересовала ученых с древности. Это очень увлекательная тема, которая испокон веков являлась объектом научных диспутов. Считается, что такая скорость является конечной, недостижимой и постоянной величиной. Она недостижима и постоянна, как бесконечность. При этом она конечна. Получается интересная физико-математическая головоломка. Существует один из вариантов решения этой задачи. Ведь скорость света все-таки удалось измерить.

В античные века мыслители полагали, что скорость распространения света - это величина бесконечная. Первую оценку этого показателя дал в 1676 г. Олаф Ремер . По его расчетам скорость света равнялась приблизительно 220 тысяч км/с. Это было не совсем точное значение, но близкое к истинному.

Конечность и оценка скорости света подтвердились спустя полвека.

В дальнейшем ученому Физо удалось определить скорость света по времени прохождения лучом точного расстояния.

Он поставил опыт (см. рисунок), в ходе которого от источника S отходил пучок света, отражался зеркалом 3, прерывался зубчатым диском 2 и проходил базу (8 км). Далее он отражался зеркалом 1 и возвращался к диску. Свет попадал в промежуток между зубцами и его можно было наблюдать через окуляр 4. Время прохождения лучом базы определялось в зависимости от скоростей вращения диска. Значение, полученное Физо, было таким: с = 313300 км/с.

Скорость распространения луча в какой-либо определенной среде меньше, чем эта скорость в вакууме. Кроме того, для разных веществ этот показатель принимает различные значения. Через несколько лет Фуко заменил диск на быстровращающееся зеркало. Последователи этих ученых многократно использовали их методы и схемы исследования.

Линзы являются основой оптических приборов. Знаете, как вычисляется ? Узнать это вы сможете, прочитав одну из наших статей.

А информацию про то как настроить оптический прицел, состоящий из таких линз вы сможете найти . Прочитайте наш материал и у вас не останется вопросов по теме.

Чему равна скорость света в вакууме?

Самое точное измерение скорости света показывает цифру 1 079 252 848,8 километров в час или 299 792 458 м/c . Эта цифра справедлива только для условий, создаваемых в вакууме.

Но для решения задач обычно применяют показатель 300 000 000 м/c . В вакууме скорость света в планковских единицах равняется 1. Таким образом, энергия света проходит 1 планковскую единицу длины за 1 единицу планковского времени. Если создается вакуум в природных условиях, то с такой скоростью могут перемещаться рентгеновские лучи, световые волны видимого спектра и гравитационные волны.

Существует однозначное мнение ученых, что частицы, имеющие массу, могут принимать скорость, которая максимально приближена к скорости света. Но достичь и превысить показатель они не в состоянии. Самая большая скорость, приближенная к скорости света, была зафиксирована при исследовании космических лучей и при разгоне некоторых частиц в ускорителях.

Значение скорости света в какой-либо среде зависит от показателя преломления этой среды.

Этот показатель может быть различным для разных частот. Точное измерение величины имеет значение для расчета других физических параметров. Например, для выяснения расстояния во время прохождения световых или радиосигналов в оптической локации, радиолокации, светодальнометрии и других сферах.

Современные ученые применяют разные методы для определения скорости света. Некоторые специалисты используют астрономические способы, а также методы измерения с помощью экспериментальной техники. Очень часто применяется усовершенствованный метод Физо. При этом зубчатое колесо заменяют на модулятор света, который ослабляет или прерывает пучок света. Приемником здесь является фотоэлектрический умножитель или фотоэлемент. Источником света может служить лазер, что помогает снизить погрешность измерений. Определение скорости света по времени прохождения базы может проходить прямыми или косвенными методами, которые также позволяют получить точные результаты.

По каким формулам вычисляют скорость света

1. Скорость распространения света в вакууме - это величина абсолютная. Физики обозначают ее буквой «с». Это фундаментальная и постоянная величина, которая не зависит от выбора системы отчета и дает характеристику времени и пространству в целом. Ученые предполагают, что такая скорость является предельной скоростью движения частиц.

   Формула скорости света в вакууме:

   с = 3 * 10^8 = 299792458 м/с

   здесь с является показателем скорости света в вакууме.

2. Ученые доказали, что скорость света в воздухе почти совпадает со скоростью света в вакууме. Ее можно вычислить по формуле:

Еще задолго до того, как ученые измерили скорость света, им пришлось изрядно потрудиться над определением самого понятия «свет». Одним из первых над этим задумался Аристотель, который считал свет некой подвижной субстанцией, распространяющейся в пространстве. Его древнеримский коллега и последователь Лукреций Кар настаивал на атомарной структуре света.

К XVII веку сформировались две основные теории природы света – корпускулярная и волновая. К приверженцам первой относился Ньютон. По его мнению, все источники света излучают мельчайшие частицы. В процессе «полета» они образуют светящиеся линии – лучи. Его оппонент, голландский ученый Христиан Гюйгенс настаивал на том, что свет – это разновидность волнового движения.

В результате многовековых споров ученые пришли к консенсусу: обе теории имеют право на жизнь, а свет – это видимый глазу спектр электромагнитных волн.

Немного истории. Как измеряли скорость света

Большинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.

Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.

Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.

Опыт Майкельсона по определению скорости света

Опыты продолжались с 1924 по 1927 год и состояли из 5 серий наблюдений. Суть эксперимента заключалась в следующем. На горе Вильсон в окрестностях Лос-Анжелеса были установлены источник света, зеркало и вращающаяся восьмигранная призма, а через 35 км на горе Сан-Антонио – отражающее зеркало. Вначале свет через линзу и щель попадал на вращающуюся с помощью высокоскоростного ротора (со скоростью 528 об/сек.) призму.

Участники опытов могли регулировать частоту вращения таким образом, чтобы изображение источника света было четко видно в окуляре. Поскольку расстояние между вершинами и частота вращения были известны, Майкельсон определил величину скорости света – 299796 км/сек.

Окончательно со скоростью света ученые определились во второй половине XX века, когда были созданы мазеры и лазеры, отличающиеся высочайшей стабильностью частоты излучения. К началу 70-х погрешность в измерениях снизилась до 1 км/сек. В результате по рекомендации XV Генеральной конференции по мерам и весам, состоявшейся в 1975 году, было решено считать, что скоростью света в вакууме отныне равна 299792,458 км/сек.

Достижима ли для нас скорость света?

Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?

Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.

Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.

По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации. Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.

Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.

Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.

Художественное представление космического корабля, совершающего прыжок к "скорости света". Предоставлено: NASA/Glenn Research Center.

С древних времен философы и ученые стремились понять свет. Кроме того, пытаясь определить его основные свойства (т.е. из чего он состоит - частица или волна и т.д.), они также стремились проделать конечные измерения того, как быстро он движется. С конца 17 века ученые делают именно это, и с возрастающей точностью.

Поступая таким образом, они получили лучшее понимание механики света, и какую важную роль он играет в физике, астрономии и космологии. Проще говоря, свет движется с невероятной скоростью, и это самый быстро движущийся объект во Вселенной. Его скорость является постоянной и неприступным барьером и используется в качестве измерения расстояния. Но насколько же быстро он движется?

Скорость света (с):

Свет движется с постоянной скоростью 1 079 252 848,8 км/ч (1,07 млрд). Что получается 299 792 458 м/с. Расставим все по своим местам. Если вы могли бы двигаться со скоростью света, вы смогли бы обогнуть земной шар примерно семь с половиной раз в секунду. Между тем, у человека, летящего со средней скоростью 800 км/ч, заняло бы более 50 часов, чтобы обогнуть планету.

Иллюстрация, показывающая расстояние, которое свет проходит между Землей и Солнцем. Предоставлено: LucasVB/Public Domain.

Рассмотрим это с астрономической точки зрения, среднее расстояние от до 384 398,25 км. Поэтому свет проходит это расстояние примерно за секунду. Между тем, среднее 149 597 886 км, что означает, что свету требуется всего около 8 минут, чтобы совершить это путешествие.

Неудивительно тогда, почему скорость света - это показатель, используемый для определения астрономических расстояний. Когда мы говорим, что звезда, такая как , находится в 4,25 световых годах, мы подразумеваем, что для того, чтобы добраться туда, потребуется, путешествуя с постоянной скоростью 1,07 млрд км/ч, около 4 лет и 3 месяцев. Но как же мы пришли к этому весьма конкретному значению скорости света?

История изучения:

До 17 века ученые были уверены в том, что свет путешествовал с конечной скоростью, или мгновенно. Со времен древних греков до средневековых исламских богословов и ученых нового времени шли дебаты. Но до тех пор, пока ни появилась работа датского астронома Оле Рёмера (1644-1710), в которой были проведены первые количественные измерения.

В 1676 году Рёмер наблюдал, что периоды самой внутренней луны Юпитера Ио казались короче, когда Земля приближалась к Юпитеру, чем когда она удалялась. Из этого он заключил, что свет движется с конечной скоростью, и по оценкам, ему требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли.

Профессор Альберт Эйнштейн на 11-й лекции Джозайи Уилларда Гиббса в Технологическом Институте Карнеги 28 декабря 1934 года, где он разъясняет свою теорию о том, что материя и энергия - это одно и то же в разных формах. Предоставлено: AP Photo.

Христиан Гюйгенс использовал эту оценку и объединил её с оценкой диаметра орбиты Земли, чтобы получить оценку в 220000 км/с. Исаак Ньютон также рассказывал о расчетах Рёмера в своей основополагающей работе "Оптика" 1706 года. Внося поправки для расстояния между Землей и Солнцем, он подсчитал, что свету потребуется семь или восемь минут, чтобы добраться от одного к другому. В обоих случаях была сравнительно небольшая погрешность.

Более поздние измерения, проведенные французскими физиками Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868), уточнили эти показатели, приведя к значению 315000 км/с. И ко второй половине 19 века ученым стало известно о связи между светом и электромагнетизмом.

Это было достигнуто физиками за счет измерения электромагнитных и электростатических зарядов. Затем они обнаружили, что числовое значение было очень близко к скорости света (как измерил Физо). Исходя из его собственной работы, которая показала, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве, немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер предположил, что свет был электромагнитной волной.

Следующий большой прорыв произошёл в начале 20-го века. В своей статье под названием "К электродинамике движущихся тел" Альберт Эйнштейн утверждает, что скорость света в вакууме, измеренная наблюдателем, имеющим постоянную скорость, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или наблюдателя.

Лазерный луч, светящий через стакан с водой, показывает, скольким изменениям он подвергается, когда проходит из воздуха в стекло, в воду и обратно в воздух. Предоставлено: Bob King.

Взяв это утверждение и принцип относительности Галилео за основу, Эйнштейн вывел специальную теорию относительности, в которой скорость света в вакууме (с) является фундаментальной константой. До этого соглашение среди ученых гласило, что космос был заполнен "светоносным эфиром", который отвечает за его распространение - т.е. свет, движущийся через движущуюся среду будет плестись в хвосте среды.

Это в свою очередь означает, что измеренная скорость света была бы простой суммой его скорости через среду плюс скорость той среды. Тем не менее, теория Эйнштейна сделала концепцию неподвижного эфира бесполезной и изменила представление о пространстве и времени.

Она (теория) не только продвинула идею о том, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах, но также была высказана мысль о том, что происходят серьезные изменения, когда вещи движутся близко к скорости света. К ним относятся пространственно-временные рамки движущегося тела, кажущегося замедляющимся, и направление движения, когда измерение происходит с точки зрения наблюдателя (т.е. релятивистские замедление времени, где время замедляется при приближении к скорости света).

Его наблюдения также согласуются с уравнениями Максвелла для электричества и магнетизма с законами механики, упрощают математические расчеты, уходя от несвязанных аргументов других ученых, и согласовываются с непосредственным наблюдением скорости света.

Насколько похожи материя и энергия?

Во второй половине 20-го века всё более точные измерения с помощью метода лазерных интерферометров и резонансных полостей далее уточняли оценки скорости света. К 1972 году группа в Национальном бюро стандартов США в Боулдере, Колорадо, использовала метод лазерной интерферометрии, чтобы получить принятое в настоящее время значение 299 792 458 м/с.

Роль в современной астрофизике:

Теория Эйнштейна о том, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и инерциальный системы отсчета наблюдателя, с тех пор неизменно подтверждается множеством экспериментов. Она также устанавливает верхний предел скорости, с которой все безмассовые частицы и волны (включая свет) могут распространяться в вакууме.

Один из результатов этого в том, что космологии теперь рассматривают пространство и время как единую структуру, известную как пространство-время, в которой скорость света может быть использована для определения значения обоих (т.е. световые года, световые минуты и световые секунды). Измерение скорости света также может стать важным фактором при определении ускорения расширения Вселенной.

В начале 1920-х с наблюдениями Леметра и Хаббла ученым и астрономам стало известно, что Вселенная расширяется из точки происхождения. Хаббл также заметил, чем дальше галактика, тем быстрее она движется. То, что сейчас называют постоянной Хаббла - это скорость, с которой расширяется Вселенная, она равна 68 км/с на мегапарсек.

Как быстро расширяется Вселенная?

Это явление, представленное в виде теории, означает, что некоторые галактики на самом деле могут двигаться быстрее скорости света, что может наложить ограничение на то, что мы наблюдаем в нашей Вселенной. По сути, галактики, движущиеся быстрее скорости света, пересекли бы "космологический горизонт событий", где они больше не видны для нас.

Кроме того, к 1990-м измерения красного смещения далёких галактик показали, что расширение Вселенной ускоряется за последние несколько миллиардов лет. Это привело к теории "Темной Энергии", где невидимая сила движет расширением самого пространства, а не объектов, движущихся через него (при этом не поставив ограничение на скорость света или нарушение относительности).

Наряду со специальной и общей теорией относительности современное значение скорости света в вакууме сформировалось из космологии, квантовой механики и Стандартной модели физики элементарных частиц. Она остается постоянной, когда речь идет о верхнем пределе, с которым могут двигаться безмассовые частицы и остается недостижимым барьером для частиц, имеющих массу.

Вероятно, когда-нибудь мы найдем способ превысить скорость света. Пока у нас нет практических идей о том, как это может происходить, похоже "умные деньги" на технологиях позволят нам обойти законы пространства-времени, либо путем создания варп-пузырей (ака. варп-двигатель Алькубьерре) либо туннелирование через него (ака. червоточины).

Что такое червоточины?

До этого времени мы просто будем вынуждены довольствоваться Вселенной, которую мы видим, и придерживаться исследования той части, до которой можно добраться с помощью обычных методов.

Название прочитанной вами статьи "Что такое скорость света?" .

Свет во все времена занимал немаловажное место в выживании людей и создании ими развитой цивилизации, которую мы видим на сегодняшний день. Скорость света на протяжении всей истории развития человечества будоражила умы сначала философов и естествоиспытателей, а потом ученых и физиков. Это основополагающая константа существования нашей Вселенной.

Многие ученые в разные времена стремились выяснить, чему равняется распространения света в разнообразных средах. Наибольшее значение для науки имело вычисление значения, которое имеет скорость света в вакууме. Данная статья поможет вам разобраться в этом вопросе и узнать много интересного о том, как ведет себя свет в вакууме.

Свет и вопрос скорости

Свет в современной физике играет ключевую роль, ведь, как выяснилось, преодолеть значение его скорости на данном этапе развития нашей цивилизации невозможно. Много лет потребовалось для того, чтобы измерить, чему равна скорость света. До этого ученые провели немало исследований, пытаясь дать ответ на самые важный вопрос «чему равна скорость распространения в вакууме света?».
На данный момент времени ученые доказали, что скорость распространения света (СРС) обладает следующими характеристиками:

• она постоянна;
• она неизменна;
• она недостижима;
• она конечна.

Обратите внимание! Скорость света на текущий момент развития науки является абсолютно недостижимой величиной. У физиков существуют только некоторые предположения, что происходит с объектом, который гипотетически достигает значения скорости распространения светового потока в вакууме.

Скорость светового потока

Почему же так важно, с какой быстротой продвигается свет в вакууме? Ответ прост. Ведь вакуум находится в космосе. Поэтому узнав, какой цифровой показатель имеет скорость света в вакууме, мы сможем понять, с какой максимально возможной быстротой можно перемещаться по просторам Солнечной системы и за ее пределами.
Элементарными частичками, которые переносят свет в нашей Вселенной, являются фотоны. А быстрота, с которой продвигается свет в вакууме, считается абсолютной величиной.

Обратите внимание! Под СРС подразумевается быстрота продвижения электромагнитных волн. Интересно, что свет одномоментно являет собой элементарные частицы (фотоны) и волну. Это следует из корпускулярно-волновой теории. Согласно ней при определенных ситуациях свет ведет себя подобно частице, а при других – подобно волне.

На данный момент времени распространение света в космосе (вакууме) считается фундаментальной постоянной, которая не зависит от выбора используемой инерциальной системы отсчета. Данное значение относится к физическим фундаментальным постоянным. При этом значение СРС характеризует в целом основные свойства геометрии пространства-времени.
Современные представления характеризуют СРС как константу, которая является предельной допустимым значением для движения частиц, а также распространения их взаимодействия. В физике эта величина обозначается латинской буквой «с».

История изучения вопроса

В древние времена, как ни удивительно, еще античные мыслители задавались вопросом распространения света в нашей вселенной. Тогда считалось, что это бесконечная величина. Первую оценку физическому явлению скорости света дал Олаф Ремер лишь в 1676 г. Согласно его расчетам распространение света составляло примерно 220 тысяч км/с.

Обратите внимание! Олаф Ремер дал приблизительное значение, но, как в последствии выяснилось, не очень отдаленное от реального.

Правильное значение скоростного показателя, с которым продвигается свет в вакууме, было определенно только через полвека после Олафа Ремера. Это смог сделать французский физик А.И.Л. Физо, проведя особый эксперимент.

Эксперимент Физо

Он смог измерить это физическое явление путем измерения времени, за которое луч прошел определенный и точно измеренный участок.
Опыт имел следующий вид:

• источник S испускал световой поток;
• он отражался от зеркала (3);
• после этого световой поток прерывался при помощи зубчатого диска (2);
• затем оно проходил базу, расстояние которого равнялось 8 км;
• после этого световой поток отражался зеркалом (1) и отправлялся в обратный путь к диску.

В ходе эксперимента световой поток попадал в промежутки между зубцами диска, и его можно было наблюдать через окуляр (4). Физо определял время прохождения луча по скорости вращения диска. В результате этого эксперимента он получил значение с = 313300 км/с.
Но это не конец исследований, которые были посвящены данному вопросу. Конечная формула расчета физической константы появилась благодаря многим ученым, включая и Альберта Эйнштейна.

Эйнштейн и вакуум: конечные результаты расчета

Сегодня каждый человек на Земле знает, что предельно допустимой величиной перемещения материальных объектов, а также любых сигналов, считается именно скорость света в вакууме. Точное значение этого показателя — почти 300 тыс. км/с. Если быть точным, то скорость распространения в вакууме света составляет 299 792 458 м/с.
Теорию о том, что невозможно превысить данное значение, выдвинул известный физик прошлого Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности или СТО.

Обратите внимание! Теория относительности Эйнштейна считается незыблемой до момента появления реальных доказательств того, что передача сигнала возможна на скоростях, превышающих СРС в вакууме.

Теория относительности Эйнштейна

Но сегодня некоторые исследователи открыли явления, которые могут служить предпосылкой к тому, что СТО Эйнштейна может быть изменена. При некоторых специально заданных условиях имеется возможность отслеживать появление сверхсветовых скоростей. Интересно то, что при этом нарушение теории относительности не происходит.

Почему нельзя двигаться быстрее света

На сегодняшний день в данном вопросе существуют некоторые «подводные камни». Например, почему при обычных условиях константа СРС не может быть преодолена? По принятой теории в этой ситуации будет нарушаться фундаментальный принцип строения нашего мира, а именно — закон причинности. Он утверждает, что следствие по определению не способно опережать свою причину. Образно говоря, не может быть такого, что сначала медведь упадет замертво, а только потом раздастся выстрел охотника, застрелившего его. А вот если СРС превысить, то события должны начать происходить в обратной последовательности. В результате время начнет свой обратный бег.

Так чему все же равна скорость распространения светового луча?

После многочисленных исследований, которые приводились с целью определения точного значения, чему равно СРС, были получены конкретные цифры. На сегодняшний день с = 1 079 252 848,8 километров/час или 299 792 458 м/c. а в планковских единицах данный параметр определяется как единица. Это означает, что энергия света за 1 единицу планковского времени проходит 1 планковскую единицу длины.

Обратите внимание! Эти цифры справедливы только для условий, которые имеются в вакууме.

Формула значения постоянной

Но в физике для более простого способа решения задач используется округленное значение — 300 000 000 м/c.
Это правило в нормальных условиях касается всех объектов, а также рентгеновских лучей, гравитационных и световых волн видимого для нас спектра. Кроме этого ученые доказали, что частицы, обладающие массой, могут приближаться к скорости светового луча. Но они не в состоянии достичь ее или превысить.

Обратите внимание! Максимальная скорость, приближенная к световой, была получена при исследовании космических лучей, разгоняемых в специальных ускорителях.

Стоит отметить, что эта физическая константа зависит от того, в какой среде она измеряется, а именно от показателя преломления. Поэтому ее реальный показатель может разниться в зависимости от частот.

Как посчитать значение фундаментальной константы

На сегодняшний день существуют различные методы определения СРС. Это могут быть:

• астрономические способы;
• усовершенствованный метод Физо. Здесь зубчатое колесо заменяют на современный модулятор.

Обратите внимание! Ученые доказали, что показатели СРС в воздухе и в вакууме практически совпадают. А воде он меньше примерно на 25%.

Для расчета величины распространения светового луча используют следующую формулу.

Формула для расчета скорости света

Эта формула подходит для расчета в вакууме.

Заключение

Свет в нашем мире очень важен и тот момент, когда ученые смогут доказать возможность существования сверхсветовых скоростей сможет полностью изменить наш привычный мир. Что это открытие будет значить для людей даже сложно оценить. Но однозначно, это будет невероятный прорыв!

Как подобрать и установить датчики объема для автоматического управления светом
Самодельные регулируемые транзисторные блоки питания: сборка, применение на практике

Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.

Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью - почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с - фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.

В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха - 1,0003, воды - 1,33, различных сортов стекла - от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз - 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект - так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!

Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.

Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости - фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны - бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления - тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.

Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.

Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но "красный" спортсмен бежит быстрее, чем "оранжевый", "оранжевый" - быстрее, чем "желтый", и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии - большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.

Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики - теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Все частицы - как заключенные в атоме, так и свободные - делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком - основном - энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания "атомного лазера" (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.).

Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики - оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10-7 - 10-8 с и в конденсированных средах - менее 10-11 c. При этом возникает запаздывание импульса - его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.

Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние - на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).

После этого конденсат осветили "связующим пучком" линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков - в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз - до 43 микрометров.

Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет - возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.

Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.