แสงเดินทางในสุญญากาศได้เร็วแค่ไหน

ความเร็วของแสงในสุญญากาศเป็นตัวบ่งชี้ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในวิชาฟิสิกส์ และในคราวเดียวทำให้สามารถค้นพบสิ่งต่างๆ ได้มากมาย รวมทั้งอธิบายธรรมชาติของปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย มีประเด็นสำคัญหลายประการที่ต้องศึกษาเพื่อทำความเข้าใจหัวข้อและทำความเข้าใจว่าตัวบ่งชี้นี้ถูกค้นพบอย่างไรและภายใต้เงื่อนไขใด

ความเร็วแสงเท่าไหร่

ความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในสุญญากาศถือเป็นค่าสัมบูรณ์ซึ่งสะท้อนถึงความเร็วของการแพร่กระจายของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในวิชาฟิสิกส์และมีการกำหนดเป็นอักษรละตินตัวเล็ก "s" (เขียนว่า "tse")

ในสุญญากาศ ความเร็วของแสงจะใช้เพื่อกำหนดว่าอนุภาคต่างๆ เคลื่อนที่เร็วแค่ไหน

ตามที่นักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่กล่าว ความเร็วของแสงในสุญญากาศคือความเร็วสูงสุดที่เป็นไปได้ในการเคลื่อนที่ของอนุภาคและการแพร่กระจายของรังสีประเภทต่างๆ

ตัวอย่างของปรากฏการณ์ได้แก่

1. แสงที่มองเห็นได้จากทุกที่ แหล่งที่มา.
2. รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภท (เช่น รังสีเอกซ์ และคลื่นวิทยุ)
3. คลื่นความโน้มถ่วง (ที่นี่ความคิดเห็นของผู้เชี่ยวชาญบางคนแตกต่างกัน)

อนุภาคหลายชนิดสามารถเดินทางใกล้ความเร็วแสงได้ แต่ไม่สามารถไปถึงได้

ค่าที่แน่นอนของความเร็วแสง

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามมาหลายปีเพื่อกำหนดความเร็วของแสง แต่มีการวัดที่แม่นยำในช่วงทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ผ่านมา ในท้ายที่สุด ตัวบ่งชี้ที่ 299,792,458 m/s โดยมีค่าเบี่ยงเบนสูงสุด +/-1.2 ม. วันนี้เป็นหน่วยทางกายภาพที่ไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากระยะทางเป็นเมตรเท่ากับ 1/299,792,458 วินาที นั่นคือระยะเวลาที่แสงในสุญญากาศเดินทางได้ 100 ซม.

วิทยาศาสตร์ สูตรกำหนดความเร็วแสง.

เพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น ตัวบ่งชี้ถูกลดความซับซ้อนเป็น 300,000,000 m/s (3×108 m/s). ทุกคนคุ้นเคยกับวิชาฟิสิกส์ที่โรงเรียนมีการวัดความเร็วในรูปแบบนี้

บทบาทพื้นฐานของความเร็วแสงในฟิสิกส์

ตัวบ่งชี้นี้เป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้หลัก โดยไม่คำนึงถึงระบบอ้างอิงที่ใช้ในการศึกษา ไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดคลื่นซึ่งก็มีความสำคัญเช่นกัน

ค่าคงที่ถูกกำหนดโดย Albert Einstein ในปี 1905 สิ่งนี้เกิดขึ้นหลังจากแมกซ์เวลล์นักวิทยาศาสตร์อีกคนซึ่งไม่พบหลักฐานการมีอยู่ของอีเธอร์ที่เรืองแสงได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า

การยืนยันว่าเหตุที่เป็นเหตุไม่สามารถขนส่งด้วยความเร็วที่เกินความเร็วแสงได้ถือว่าค่อนข้างสมเหตุสมผลในทุกวันนี้

อนึ่ง! นักฟิสิกส์ไม่ปฏิเสธว่าอนุภาคบางตัวสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกินกว่าตัวบ่งชี้ที่พิจารณา อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถใช้เพื่อถ่ายทอดข้อมูลได้

ข้อมูลอ้างอิงทางประวัติศาสตร์

เพื่อให้เข้าใจถึงคุณลักษณะของหัวข้อและค้นหาว่าปรากฏการณ์บางอย่างถูกค้นพบได้อย่างไร เราควรศึกษาการทดลองของนักวิทยาศาสตร์บางคน ในศตวรรษที่ 19 มีการค้นพบหลายอย่างที่ช่วยนักวิทยาศาสตร์ในเวลาต่อมา โดยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า

การทดลองโดย James Maxwell

การวิจัยของนักฟิสิกส์ยืนยันปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคในระยะไกล ต่อจากนั้น เรื่องนี้ทำให้วิลเฮล์ม เวเบอร์สามารถพัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าใหม่ได้ แมกซ์เวลล์ยังได้กำหนดปรากฏการณ์ของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าอย่างชัดเจน และกำหนดว่าพวกมันสามารถสร้างกันและกัน ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เริ่มใช้ชื่อ "s" ซึ่งยังคงใช้โดยนักฟิสิกส์ทั่วโลก

ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยส่วนใหญ่จึงเริ่มพูดถึงธรรมชาติแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงแล้ว ในขณะที่ศึกษาความเร็วของการแพร่กระจายของการกระตุ้นด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า Maxwell ได้ข้อสรุปว่าตัวบ่งชี้นี้เท่ากับความเร็วของแสงครั้งหนึ่งเขารู้สึกประหลาดใจกับข้อเท็จจริงนี้

จากการวิจัยของ Maxwell เป็นที่ชัดเจนว่าแสง แม่เหล็ก และไฟฟ้าไม่ใช่แนวคิดที่แยกจากกัน ปัจจัยเหล่านี้เป็นตัวกำหนดธรรมชาติของแสงร่วมกัน เนื่องจากเป็นการรวมกันของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่แพร่กระจายในอวกาศ

แบบแผนของการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

มิเชลสันกับประสบการณ์ในการพิสูจน์ความสมบูรณ์ของความเร็วแสง

ในตอนต้นของศตวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ใช้หลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอ ซึ่งเชื่อกันว่ากฎของกลศาสตร์ไม่เปลี่ยนแปลง ไม่ว่าจะใช้กรอบอ้างอิงแบบใด แต่ในขณะเดียวกัน ตามทฤษฎีแล้ว ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าควรเปลี่ยนแปลงเมื่อแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ สิ่งนี้ขัดกับสัจธรรมของกาลิเลโอและทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ ซึ่งเป็นสาเหตุของการเริ่มต้นการวิจัย

ในเวลานั้นนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มีแนวโน้มที่จะ "ทฤษฎีอีเธอร์" ตามที่ตัวบ่งชี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วของแหล่งที่มาปัจจัยที่กำหนดหลักคือคุณสมบัติของสิ่งแวดล้อม

มิเชลสันค้นพบว่าความเร็วแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับทิศทางของการวัด

เนื่องจากโลกเคลื่อนที่ไปในอวกาศในทิศทางที่แน่นอน ความเร็วของแสงตามกฎของการบวกความเร็วจะแตกต่างกันเมื่อวัดในทิศทางที่ต่างกัน แต่มิเชลสันไม่พบความแตกต่างใดๆ ในการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ว่าจะทำการวัดในทิศทางใด

ทฤษฎีอีเทอร์ไม่สามารถอธิบายการมีอยู่ของค่าสัมบูรณ์ ซึ่งแสดงให้เห็นความผิดพลาดได้ดียิ่งขึ้น

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

นักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ในขณะนั้นได้เสนอทฤษฎีที่ขัดกับแนวคิดของนักวิจัยส่วนใหญ่ เวลาและพื้นที่มีลักษณะเฉพาะที่ทำให้แน่ใจถึงความแปรปรวนของความเร็วแสงในสุญญากาศ โดยไม่คำนึงถึงกรอบอ้างอิงที่เลือก สิ่งนี้อธิบายการทดลองที่ไม่ประสบความสำเร็จของมิเชลสัน เนื่องจากความเร็วของการแพร่กระจายแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง

[tds_council]การยืนยันโดยอ้อมถึงความถูกต้องของทฤษฎีของไอน์สไตน์คือ "สัมพัทธภาพความพร้อมกัน" สาระสำคัญของมันถูกแสดงไว้ในภาพ[/tds_council]

ตัวอย่างว่าตำแหน่งของบุคคลส่งผลต่อการรับรู้ถึงการแพร่กระจายของแสงอย่างไร

ก่อนหน้านี้ วัดความเร็วแสงได้อย่างไร?

หลายคนพยายามตรวจสอบตัวบ่งชี้นี้ แต่เนื่องจากการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์ในระดับต่ำ การทำเช่นนี้จึงเป็นปัญหาก่อนหน้านี้ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์ในสมัยโบราณจึงเชื่อว่าความเร็วของแสงนั้นไม่มีที่สิ้นสุด แต่ต่อมานักวิจัยหลายคนก็สงสัยในหลักการนี้ ซึ่งนำไปสู่ความพยายามหลายครั้งที่จะระบุ:

1. กาลิเลโอใช้ไฟฉาย เพื่อคำนวณความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแสง เขาและผู้ช่วยอยู่บนเนินเขา ซึ่งกำหนดระยะห่างระหว่างกันอย่างแม่นยำ จากนั้นหนึ่งในผู้เข้าร่วมเปิดโคม คนที่สองต้องทำแบบเดียวกันทันทีที่เห็นแสง แต่วิธีนี้ไม่ได้ผลลัพธ์เนื่องจากการแพร่กระจายคลื่นความเร็วสูงและไม่สามารถกำหนดช่วงเวลาได้อย่างแม่นยำ
2. Olaf Roemer นักดาราศาสตร์จากเดนมาร์กสังเกตเห็นลักษณะหนึ่งขณะสังเกตดาวพฤหัสบดี เมื่อโลกและดาวพฤหัสบดีอยู่ในจุดตรงกันข้ามในวงโคจรของพวกมัน สุริยุปราคาไอโอ (ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี) นั้นช้ากว่าตัวดาวเคราะห์เอง 22 นาที จากสิ่งนี้ เขาสรุปว่าความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแสงนั้นไม่มีที่สิ้นสุดและมีขีดจำกัด จากการคำนวณของเขา ตัวเลขดังกล่าวอยู่ที่ประมาณ 220,000 กม. ต่อวินาที
   การหาความเร็วแสงตาม Roemer
3. ในช่วงเวลาเดียวกัน นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ เจมส์ แบรดลีย์ ได้ค้นพบปรากฏการณ์ความคลาดเคลื่อนของแสงเมื่อโลกเคลื่อนตัวรอบดวงอาทิตย์ เช่นเดียวกับการหมุนรอบแกนของมัน อันเนื่องมาจากตำแหน่งของดาวบนท้องฟ้า และระยะห่างจากพวกเขาเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเนื่องจากคุณลักษณะเหล่านี้ ดาวฤกษ์จึงอธิบายวงรีในแต่ละปี จากการคำนวณและการสังเกต นักดาราศาสตร์คำนวณความเร็วได้ 308,000 กม. ต่อวินาที
   ความเบี่ยงเบนของแสง
4. Louis Fizeau เป็นคนแรกที่ตัดสินใจกำหนดตัวบ่งชี้ที่แน่นอนผ่านการทดลองในห้องปฏิบัติการ เขาติดตั้งกระจกที่มีพื้นผิวเป็นกระจกที่ระยะห่างจากแหล่งกำเนิด 8633 ม. แต่เนื่องจากระยะทางมีน้อย จึงไม่สามารถคำนวณเวลาได้อย่างแม่นยำ จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ตั้งล้อเฟืองซึ่งปิดแสงด้วยฟันเป็นระยะ โดยการเปลี่ยนความเร็วของล้อ Fizeau กำหนดความเร็วที่แสงไม่มีเวลาที่จะเลื่อนไปมาระหว่างฟันและย้อนกลับ ตามการคำนวณของเขา ความเร็วอยู่ที่ 315,000 กิโลเมตรต่อวินาที
   ประสบการณ์ของหลุยส์ ฟิโซ

วัดความเร็วแสง

สามารถทำได้หลายวิธี การวิเคราะห์โดยละเอียดไม่คุ้มค่า แต่ละรายการจะต้องมีการตรวจสอบแยกต่างหาก ดังนั้นจึงเป็นการง่ายที่จะเข้าใจพันธุ์ต่างๆ:

1. การวัดทางดาราศาสตร์. ที่นี่มักใช้วิธีการของ Roemer และ Bradley เนื่องจากได้พิสูจน์ประสิทธิภาพและคุณสมบัติของอากาศน้ำและคุณสมบัติอื่น ๆ ของสิ่งแวดล้อมไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน ภายใต้สภาวะสุญญากาศในอวกาศ ความแม่นยำในการวัดจะเพิ่มขึ้น
2. เสียงสะท้อนของโพรงหรือเอฟเฟกต์ของโพรง - นี่คือชื่อของปรากฏการณ์คลื่นแม่เหล็กความถี่ต่ำที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวของดาวเคราะห์กับชั้นบรรยากาศรอบนอก การคำนวณค่าความเร็วของอนุภาคในอากาศโดยใช้สูตรพิเศษและข้อมูลจากอุปกรณ์วัดจึงไม่ใช่เรื่องยาก
3. อินเตอร์เฟอโรเมตรี - ชุดวิธีการวิจัยที่เกิดคลื่นหลายประเภทซึ่งส่งผลให้เกิดผลกระทบจากการรบกวน ซึ่งทำให้สามารถตรวจวัดการสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและอะคูสติกได้เป็นจำนวนมาก

ด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์พิเศษ การวัดสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้เทคนิคพิเศษ

ความเร็ว superluminal เป็นไปได้หรือไม่?

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ส่วนเกินของตัวบ่งชี้โดยอนุภาคทางกายภาพละเมิดหลักการของเวรกรรม ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปได้ที่จะส่งสัญญาณจากอนาคตไปยังอดีตและในทางกลับกัน แต่ในขณะเดียวกัน ทฤษฎีก็ไม่ได้ปฏิเสธว่าอาจมีอนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วขึ้นในขณะที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสารธรรมดา

อนุภาคประเภทนี้เรียกว่าแทคยอน ยิ่งพวกมันเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่ก็ยิ่งมีพลังงานน้อยลงเท่านั้น

บทเรียนวิดีโอ: การทดลองของ Fizeau การวัดความเร็วแสง ฟิสิกส์เกรด 11

ความเร็วของแสงในสุญญากาศเป็นค่าคงที่ปรากฏการณ์มากมายในฟิสิกส์ขึ้นอยู่กับมัน คำจำกัดความดังกล่าวกลายเป็นก้าวใหม่ในการพัฒนาวิทยาศาสตร์ เนื่องจากทำให้สามารถอธิบายกระบวนการต่างๆ ได้ และทำให้การคำนวณจำนวนหนึ่งง่ายขึ้น