Enciclopedia escolar. Luz lenta

Mucha gente conoce la existencia de un concepto como "velocidad de la luz" desde la primera infancia. La mayoría de la gente sabe que la luz se mueve muy rápido. Pero no todo el mundo conoce en detalle el fenómeno.

Muchos han notado que durante una tormenta hay un retraso entre el relámpago y el sonido del trueno. El destello generalmente nos alcanza más rápido. Esto significa que es más rápido que el sonido. ¿Cuál es la razón para esto? ¿Cuál es la velocidad de la luz y cómo se mide?

¿Cuál es la velocidad de la luz?

Primero averigüemos cuál es la velocidad de la luz. Científicamente, este es un valor que muestra qué tan rápido se mueven los rayos en el vacío o en el aire. También necesitas saber qué es la luz. Esta es la radiación que percibe el ojo humano. La velocidad depende de las condiciones ambientales, así como de otras propiedades, por ejemplo, la refracción.

Dato interesante: la luz tarda 1,25 segundos en llegar de la Tierra al satélite, la Luna.

¿Cuál es la velocidad de la luz en tus propias palabras?

En términos simples, la velocidad de la luz es el intervalo de tiempo durante el cual un haz de luz viaja una cierta distancia. El tiempo generalmente se mide en segundos. Sin embargo, algunos científicos usan otras unidades de medida. La distancia también se mide de diferentes formas. Básicamente es un metro. Es decir, este valor se calcula en m / s. La física lo explica de la siguiente manera: un fenómeno que se mueve a una cierta velocidad (constante).

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Para que sea más fácil de entender, veamos el siguiente ejemplo. El ciclista se mueve a una velocidad de 20 km / h. Quiere alcanzar al conductor de un automóvil cuya velocidad es de 25 km / h. Si cuentas, un coche va 5 km / h más rápido que un ciclista. Las cosas son diferentes con los rayos de luz. No importa qué tan rápido se muevan la primera y la segunda persona, la luz, en relación con ellos, se mueve con velocidad constante.

¿Cuál es la velocidad de la luz?

Cuando no está en el vacío, la luz se ve afectada por diferentes condiciones. Sustancia a través de la cual pasan los rayos, incluido. Si, sin oxígeno, el número de metros por segundo no cambia, entonces, en un entorno con acceso al aire, el valor cambia.

La luz viaja más lentamente a través de diversos materiales como el vidrio, el agua y el aire. A este fenómeno se le asigna un índice de refracción para describir cuánto ralentizan el movimiento de la luz. El vidrio tiene un índice de refracción de 1,5, lo que significa que la luz lo atraviesa a una velocidad de unos 200.000 kilómetros por segundo. El índice de refracción del agua es 1,3 y el índice de refracción del aire es ligeramente superior a 1, lo que significa que el aire solo ralentiza ligeramente la luz.

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Por lo tanto, después de pasar por aire o líquido, la velocidad disminuye, se vuelve menor que en el vacío. Por ejemplo, en varios cuerpos de agua, la velocidad de movimiento de los rayos es igual a 0,75 de la velocidad en el espacio. También a una presión estándar de 1,01 bar, la lectura se ralentizará entre un 1,5 y un 2%. Es decir, en condiciones terrestres, la velocidad de la luz varía según las condiciones ambientales.

Para tal fenómeno, se inventó un concepto especial: la refracción. Es decir, la refracción de la luz. Es ampliamente utilizado en diversas invenciones. Por ejemplo, un refractor es un telescopio con un sistema óptico. Además, con la ayuda de esto, también se crean binoculares y otros equipos, cuya esencia es el uso de la óptica.

En general, el rayo menos refractivo es cuando pasa a través del aire normal. Al pasar a través de un vidrio óptico especialmente creado, la velocidad es de aproximadamente 195 mil kilómetros por segundo. Esto es casi 105 km / s menos que una constante.

El valor más preciso para la velocidad de la luz.

Durante muchos años, los físicos han acumulado experiencia en la investigación de la velocidad de los rayos de luz. Actualmente, el valor más exacto de la velocidad de la luz es 299.792 kilómetros por segundo... La constante se estableció en 1933. El número sigue siendo relevante.

Sin embargo, en el futuro surgieron dificultades para determinar el indicador. Esto sucedió debido a errores en la medición del medidor. Ahora bien, el valor mismo del medidor depende directamente de la velocidad de la luz. Es igual a la distancia que recorren los rayos en una cierta cantidad de segundos: 1 / la velocidad de la luz.

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¿Cuál es la velocidad de la luz en el vacío?

Dado que la luz no se ve afectada por diversas condiciones en el vacío, su velocidad no cambia como lo hace en la Tierra. La velocidad de la luz en el vacío es de 299.792 kilómetros por segundo.... Este indicador es limitante. Se cree que nada en el mundo puede moverse más rápido, ni siquiera los cuerpos cósmicos que se mueven bastante rápido.

Por ejemplo, un caza, Boeing X-43, que supera la velocidad del sonido en casi 10 veces (más de 11 mil km / h), vuela más lento que el rayo. Este último se mueve más de 96 mil kilómetros por hora más rápido.

¿Cómo se midió la velocidad de la luz?

Los primeros científicos intentaron medir este valor. Se utilizaron varios métodos. En el período de la antigüedad, la gente de la ciencia creía que era infinito, por lo que era imposible medirlo. Esta opinión se mantuvo durante mucho tiempo, hasta el siglo XVI y XVII. En esos días, aparecieron otros científicos que sugirieron que el rayo tenía un final, y se podía medir la velocidad.

El renombrado astrónomo danés Olaf Römer ha llevado el conocimiento de la velocidad de la luz a un nuevo nivel. Notó que el eclipse de luna de Júpiter se retrasó. Anteriormente, nadie prestó atención a esto. Por tanto, decidió calcular la velocidad.

La velocidad de la luz es la distancia que recorre la luz en una unidad de tiempo. Este valor depende de la sustancia en la que viaja la luz.

En el vacío, la velocidad de la luz es 299,792,458 m / s. Ésta es la velocidad más rápida que se puede lograr. Al resolver problemas que no requieren una precisión especial, este valor se toma igual a 300.000.000 m / s. Se supone que todos los tipos de radiación electromagnética se propagan a la velocidad de la luz en el vacío: ondas de radio, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X, radiación gamma. Designarlo con una letra de .

Cómo se determinó la velocidad de la luz

En la antigüedad, los científicos creían que la velocidad de la luz es infinita. Posteriormente en la comunidad científica, comenzaron las discusiones sobre este tema. Kepler, Descartes y Fermat coincidieron con la opinión de los eruditos antiguos. Y Galileo y Hooke creían que, aunque la velocidad de la luz es muy alta, todavía tiene un valor finito.

Galileo Galilei

Uno de los primeros en intentar medir la velocidad de la luz fue el científico italiano Galileo Galilei. Durante el experimento, él y su asistente se encontraban en colinas diferentes. Galileo abrió la persiana de su linterna. En el momento en que el asistente vio esta luz, tuvo que hacer lo mismo con su linterna. El tiempo que tardó la luz en viajar desde Galileo al asistente y viceversa resultó ser tan corto que Galileo se dio cuenta de que la velocidad de la luz es muy alta y es imposible medirla a una distancia tan corta, ya que la luz se propaga. casi al instante. Y el tiempo registrado por él muestra solo la velocidad de la reacción de una persona.

Por primera vez, la velocidad de la luz fue determinada en 1676 por el astrónomo danés Olaf Römer utilizando distancias astronómicas. Observando con un telescopio los eclipses de la luna Io de Júpiter, descubrió que a medida que la Tierra se aleja de Júpiter, cada eclipse posterior ocurre más tarde de lo esperado. El retraso máximo cuando la Tierra se mueve hacia el otro lado del Sol y se aleja de Júpiter a una distancia igual al diámetro de la órbita de la Tierra es de 22 horas. Aunque en ese momento no se conocía el diámetro exacto de la Tierra, el científico dividió su valor aproximado por 22 horas y obtuvo un valor de unos 220.000 km / s.

Olaf Roemer

El resultado, obtenido por Roemer, despertó sospechas entre los científicos. Pero en 1849, el físico francés Armand Hippolyte Louis Fizeau midió la velocidad de la luz mediante el método del obturador giratorio. En su experimento, la luz de una fuente pasó entre los dientes de una rueda giratoria y se dirigió hacia un espejo. Reflejado de él, regresó. Aumentó la velocidad de rotación de la rueda. Cuando alcanzó cierto valor, el rayo reflejado del espejo se retrasó por el diente desplazado, y el observador en ese momento no vio nada.

La experiencia de Fizeau

Fizeau calculó la velocidad de la luz de la siguiente manera. La luz viaja por el camino L de la rueda al espejo en el tiempo igual a t 1 = 2L / c ... El tiempo que tarda la rueda en dar media vuelta de muesca es t 2 = T / 2N dónde T - período de rotación de la rueda, norte - el número de dientes. Frecuencia de rotacion v = 1 / T ... El momento en que el observador no ve la luz ocurre cuando t 1 = t 2 ... De aquí obtenemos la fórmula para determinar la velocidad de la luz:

c = 4LNv

Después de realizar cálculos usando esta fórmula, Fizeau determinó que de = 313.000.000 m / s. Este resultado fue mucho más preciso.

Armand Hippolyte Louis Fizeau

En 1838, el físico y astrónomo francés Dominique François Jean Arago propuso utilizar el método de los espejos giratorios para calcular la velocidad de la luz. Esta idea fue puesta en práctica por el físico, mecánico y astrónomo francés Jean Bernard Léon Foucault, quien en 1862 recibió el valor de la velocidad de la luz (298.000.000 ± 500.000) m / s.

Dominique Francois Jean Arago

En 1891, el resultado del astrónomo estadounidense Simon Newcomb resultó ser un orden de magnitud más preciso que el resultado de Foucault. Como resultado de sus cálculos de = (99,810,000 ± 50,000) m / s.

La investigación del físico estadounidense Albert Abraham Michelson, que utilizó una instalación con un espejo octaédrico giratorio, permitió determinar la velocidad de la luz con mayor precisión. En 1926, el científico midió el tiempo que tardaba la luz en recorrer la distancia entre las cimas de dos montañas, igual a 35,4 km, y recibió de = (299.796.000 ± 4.000) m / s.

La medición más precisa se llevó a cabo en 1975. Ese mismo año, la Conferencia General de Pesas y Medidas recomendó que la velocidad de la luz se considerara igual a 299 792 458 ± 1,2 m / s.

¿Qué determina la velocidad de la luz?

La velocidad de la luz en el vacío no depende ni del marco de referencia ni de la posición del observador. Se mantiene constante en 299 792 458 ± 1,2 m / s. Pero en varios medios transparentes, esta velocidad será menor que su velocidad en el vacío. Cualquier medio transparente tiene una densidad óptica. Y cuanto más alto es, menos velocidad se propaga la luz en él. Por ejemplo, la velocidad de la luz en el aire es mayor que su velocidad en el agua, y en el vidrio óptico puro es menor que en el agua.

Si la luz pasa de un medio menos denso a uno más denso, su velocidad disminuye. Y si la transición ocurre de un medio más denso a uno menos denso, entonces la velocidad, por el contrario, aumenta. Esto explica por qué el haz de luz se desvía en la interfaz entre los dos medios.

Doctor en Ciencias Técnicas A. GOLUBEV

El concepto de velocidad de propagación de ondas resulta simple solo en ausencia de dispersión.

Lin Westergard Hau cerca de la instalación donde se llevó a cabo un experimento único.

La primavera pasada, revistas científicas y de divulgación científica de todo el mundo publicaron noticias sensacionales. Los físicos estadounidenses realizaron un experimento único: lograron reducir la velocidad de la luz a 17 metros por segundo.

Todo el mundo sabe que la luz viaja a una velocidad tremenda, casi 300 mil kilómetros por segundo. El valor exacto de su magnitud en el vacío = 299792458 m / s - una constante física fundamental. Según la teoría de la relatividad, esta es la máxima tasa de transmisión de señal posible.

En cualquier medio transparente, la luz viaja más lentamente. Su velocidad v depende del índice de refracción del medio n: v = c / n. El índice de refracción del aire - 1.0003, el agua - 1.33, varios tipos de vidrio - de 1.5 a 1.8. El diamante tiene uno de los valores más altos del índice de refracción: 2,42. Por lo tanto, la velocidad de la luz en sustancias ordinarias no disminuirá en más de 2,5 veces.

A principios de 1999, un grupo de físicos del Instituto Rowland de Investigación Científica de la Universidad de Harvard (Massachusetts, EE. UU.) Y de la Universidad de Stanford (California) investigaron el efecto cuántico macroscópico, la llamada transparencia autoinducida, que pasa pulsos de láser a través de un medio opaco en condiciones normales. Este medio eran átomos de sodio en un estado especial llamado condensado de Bose-Einstein. Cuando se irradia con un pulso láser, adquiere propiedades ópticas que reducen la velocidad de grupo del pulso en un factor de 20 millones en comparación con la velocidad en el vacío. ¡Los experimentadores lograron llevar la velocidad de la luz a 17 m / s!

Antes de describir la esencia de este experimento único, recordemos el significado de algunos conceptos físicos.

Velocidad de grupo. Cuando la luz se propaga en un medio, se distinguen dos velocidades: fase y grupo. La velocidad de fase v f caracteriza el desplazamiento de fase de una onda monocromática ideal, una sinusoide infinita de estrictamente una frecuencia y determina la dirección de propagación de la luz. La velocidad de fase en el medio corresponde al índice de refracción de fase, el mismo, cuyos valores se miden para varias sustancias. El índice de refracción de fase y, por tanto, la velocidad de fase, dependen de la longitud de onda. Esta relación se llama varianza; conduce, en particular, a la descomposición de la luz blanca que pasa a través del prisma en un espectro.

Pero una onda de luz real consiste en un conjunto de ondas de diferentes frecuencias, agrupadas en un determinado intervalo espectral. Este conjunto se denomina grupo de ondas, paquete de ondas o pulso de luz. Estas ondas se propagan en un medio con diferentes velocidades de fase debido a la dispersión. En este caso, el impulso se estira y su forma cambia. Por tanto, para describir el movimiento de un impulso, un grupo de ondas en su conjunto, se introduce el concepto de velocidad de grupo. Tiene sentido solo en el caso de un espectro estrecho y en un medio con dispersión débil, cuando la diferencia en las velocidades de fase de los componentes individuales es pequeña. Para una mejor comprensión de la situación, se puede hacer una analogía visual.

Imaginemos que siete atletas están alineados en la línea de salida, vestidos con camisetas multicolores según los colores del espectro: rojo, naranja, amarillo, etc. A la señal de la pistola de salida, simultáneamente comienzan a correr, pero el El atleta "rojo" corre más rápido que el "naranja", el "naranja" es más rápido que el "amarillo", etc., de modo que se estiran en una cadena, cuya longitud aumenta continuamente. Ahora imagina que los estamos mirando desde arriba desde una altura tal que no podemos distinguir a los corredores individuales, pero solo vemos una mancha abigarrada. ¿Podemos hablar de la velocidad de movimiento de este lugar en su conjunto? Es posible, pero solo si no es muy difuso, cuando la diferencia en las velocidades de los corredores multicolores es pequeña. De lo contrario, la mancha puede extenderse a lo largo de toda la pista y la cuestión de su velocidad no tendrá sentido. Esto corresponde a una fuerte dispersión, una gran dispersión de velocidades. Vestir a los corredores con camisetas de casi el mismo color, que difieren solo en tonos (por ejemplo, de rojo oscuro a rojo claro), se vuelve más consistente con el caso de un espectro estrecho. Entonces, la velocidad de los corredores no diferirá mucho, el grupo permanecerá bastante compacto cuando se mueva y se puede caracterizar por un valor de velocidad bien definido, que se llama grupo.

Estadísticas de Bose-Einstein. Este es uno de los tipos de las llamadas estadísticas cuánticas, una teoría que describe el estado de los sistemas que contienen una gran cantidad de partículas que obedecen las leyes de la mecánica cuántica.

Todas las partículas, tanto encerradas en un átomo como libres, se dividen en dos clases. Para uno de ellos, es válido el principio de exclusión de Pauli, según el cual no puede haber más de una partícula en cada nivel de energía. Las partículas de esta clase se llaman fermiones (estos son electrones, protones y neutrones; esta clase también incluye partículas que constan de un número impar de fermiones), y la ley de su distribución se llama estadística de Fermi-Dirac. Las partículas de otra clase se denominan bosones y no obedecen al principio de Pauli: se puede acumular un número ilimitado de bosones en un nivel de energía. En este caso, se habla de estadísticas de Bose-Einstein. Los bosones incluyen fotones, algunas partículas elementales de vida corta (por ejemplo, mesones pi) y átomos que constan de un número par de fermiones. A temperaturas muy bajas, los bosones se recolectan en el nivel más bajo de energía del suelo; entonces se dice que ocurre la condensación de Bose-Einstein. Los átomos condensados ​​pierden sus propiedades individuales y varios millones de ellos comienzan a comportarse como un todo, sus funciones de onda se fusionan y su comportamiento se describe mediante una ecuación. Esto permite decir que los átomos del condensado se han vuelto coherentes, como los fotones en la radiación láser. Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. Utilizaron esta propiedad del condensado de Bose-Einstein para crear un "láser atómico" (ver Science and Life, No. 10, 1997).

Transparencia autoinducida. Este es uno de los efectos de la óptica no lineal: la óptica de campos de luz potentes. Consiste en que un pulso de luz muy corto y potente pasa sin atenuación por un medio que absorbe radiación continua o pulsos largos: un medio opaco se vuelve transparente para él. La transparencia autoinducida se observa en gases enrarecidos con una duración de pulso del orden de 10 -7-10 -8 sy en medios condensados, menos de 10-11 s. En este caso, se produce un retraso en el pulso: su velocidad de grupo se reduce considerablemente. Este efecto fue demostrado por primera vez por McCall y Hahn en 1967 en rubí a una temperatura de 4 K.En 1970, se obtuvieron en el rubidio retrasos correspondientes a velocidades de pulso tres órdenes de magnitud (1000 veces) inferiores a la velocidad de la luz en el vacío. vapor.

Pasemos ahora a un experimento único de 1999. Fue realizado por Len Westergard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Instituto Rowland) y Steve Harris (Universidad de Stanford). Enfriaron una densa nube de átomos de sodio sostenidos por un campo magnético hasta que pasaron al estado fundamental, al nivel con la energía más baja. En este caso, solo se aislaron aquellos átomos en los que el momento dipolar magnético se dirigió en sentido opuesto a la dirección del campo magnético. Luego, los investigadores enfriaron la nube a una temperatura de menos de 435 nK (nanokelvin, es decir, 0.000000435 K, casi hasta el cero absoluto).

Después de eso, el condensado se iluminó con un "rayo aglutinante" de luz láser polarizada linealmente con una frecuencia correspondiente a su débil energía de excitación. Los átomos se movieron a un nivel de energía más alto y dejaron de absorber luz. Como resultado, el condensado se volvió transparente a la siguiente radiación láser. Y aquí aparecieron efectos muy extraños e inusuales. Las mediciones han demostrado que, bajo ciertas condiciones, un pulso que pasa a través de un condensado de Bose-Einstein experimenta un retraso correspondiente a la desaceleración de la luz en más de siete órdenes de magnitud: 20 millones de veces. La velocidad del pulso de luz se redujo a 17 m / s, y su longitud disminuyó varias veces, a 43 micrómetros.

Los investigadores creen que al evitar el calentamiento con láser del condensado, podrán ralentizar la luz aún más, posiblemente a una velocidad de varios centímetros por segundo.

Un sistema con características tan inusuales permitirá estudiar las propiedades ópticas cuánticas de la materia, así como crear varios dispositivos para las computadoras cuánticas del futuro, por ejemplo, interruptores de fotón único.

El tema de cómo medir, así como a qué es igual la velocidad de la luz, ha sido de interés para los científicos desde la antigüedad. Este es un tema muy fascinante que ha sido objeto de debate científico desde tiempos inmemoriales. Se cree que esta velocidad es finita, inalcanzable y constante. Es inalcanzable y constante, como el infinito. Además, es finito. Resulta ser un interesante acertijo de física y matemáticas. Existe una de las opciones para solucionar este problema. Después de todo, era posible medir la velocidad de la luz.

En la antigüedad, los pensadores creían que velocidad de la luz- este valor es infinito. La primera estimación de este indicador se dio en 1676. Olaf Roemer... Según sus cálculos, la velocidad de la luz fue de aproximadamente 220 mil km / s. Este no era un valor del todo exacto, pero cercano al verdadero.

La finitud y la estimación de la velocidad de la luz se confirmaron después de medio siglo.

En el futuro, el científico Fizeau era posible determinar la velocidad de la luz cuando el rayo pasaba la distancia exacta.

Estableció un experimento (ver figura), durante el cual un rayo de luz escapó de la fuente S, fue reflejado por un espejo 3, interrumpido por un disco dentado 2 y pasó por la base (8 km). Luego fue reflejado por el espejo 1 y regresó al disco. La luz entraba en el espacio entre los dientes y podía observarse a través del ocular 4. El tiempo que pasaba el rayo a través de la base se determinaba en función de la velocidad de rotación del disco. El valor obtenido por Fizeau fue el siguiente: s = 313300 km / s.

La velocidad de propagación de un rayo en cualquier medio en particular es menor que esta velocidad en el vacío. Además, este indicador adquiere diferentes valores para diferentes sustancias. Después de unos años Foucault reemplazó el disco con un espejo de rotación rápida. Los seguidores de estos científicos han utilizado sus métodos y esquemas de investigación muchas veces.

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¿Cuál es la velocidad de la luz en el vacío?

La medición más precisa de la velocidad de la luz muestra la cifra de 1,079,252,848.8 kilómetros por hora o 299 792 458 m / s... Esta cifra es válida solo para condiciones creadas en el vacío.

Pero para resolver problemas, se suele utilizar el indicador. 300 000 000 m / s... En el vacío, la velocidad de la luz en unidades de Planck es 1. Por lo tanto, la energía de la luz viaja 1 unidad de longitud de Planck en 1 unidad de tiempo de Planck. Si se crea un vacío en condiciones naturales, los rayos X, las ondas de luz del espectro visible y las ondas gravitacionales pueden moverse a esta velocidad.

Existe una opinión inequívoca de los científicos de que las partículas con una masa pueden tomar una velocidad lo más cercana posible a la velocidad de la luz. Pero no pueden alcanzar ni superar el indicador. La velocidad más alta, cercana a la velocidad de la luz, se registró en el estudio de los rayos cósmicos y durante la aceleración de algunas partículas en aceleradores.

El valor de la velocidad de la luz en cualquier medio depende del índice de refracción de este medio.

Este indicador puede ser diferente para diferentes frecuencias. La medición precisa de la cantidad es importante para calcular otros parámetros físicos. Por ejemplo, para averiguar la distancia durante el paso de señales de luz o radio en ubicación óptica, radar, rango de luz y otras áreas.

Los científicos modernos utilizan diferentes métodos para determinar la velocidad de la luz. Algunos expertos utilizan métodos astronómicos, así como métodos de medición que utilizan técnicas experimentales. A menudo se utiliza el método mejorado de Fizeau. En este caso, la rueda dentada se sustituye por un modulador de luz, que atenúa o interrumpe el haz de luz. El receptor aquí es un tubo fotomultiplicador o fotocélula. La fuente de luz puede ser un láser, lo que ayuda a reducir el error de medición. Determinación de la velocidad de la luz. el tiempo de tránsito base se puede realizar por métodos directos o indirectos, que también permiten obtener resultados precisos.

¿Qué fórmulas calculan la velocidad de la luz?

1. La velocidad de propagación de la luz en el vacío es un valor absoluto. Los físicos lo designan con la letra "c". Este es un valor fundamental y constante que no depende de la elección del sistema de reporte y da una característica del tiempo y el espacio en su conjunto. Los científicos sugieren que esta velocidad es la velocidad límite de las partículas.

   Fórmula de velocidad de la luz en el vacío:

   s = 3 * 10 ^ 8 = 299792458 m / s

   aquí c es un indicador de la velocidad de la luz en el vacío.

2. Los científicos han demostrado que velocidad de la luz en el aire casi coincide con la velocidad de la luz en el vacío. Se puede calcular mediante la fórmula: