Коэффициент пульсации освещенности: определение норм и способы снижения

Коэффициент пульсации света и ухудшение здоровья — мифы и правда.

Одной из самых главных страшилок, которыми нас пугают специалисты по традиционному и светодиодному освещению, является так называемая пульсация света.

Данному явлению особо подвержены некачественно собранные и дешевые экземпляры светильников. Характеризуется такой параметр коэффициентом пульсации.

Если покопаться поглубже в этом вопросе, то окажется что не все пульсации одинаково вредны. Некоторые из них можно даже игнорировать и не измерять.

Впервые процесс влияния пульсаций света на организм человека был подробно изложен в журнале «Светотехника» в далеком 1963-м году. Суммируя изложенный в ней материал, можно сделать некоторые выводы.

Например, пульсации света имеющие частоту до 300Гц, действительно оказывают негативное влияние на наш организм.

Вот вам наглядный эксперимент и результаты ЭЭГ головного мозга. В первом случае (рисунок А) — человек сидит в затемненной комнате, а во втором (рисунок Б) — он находится в помещении с пульсирующими лампами частотой 120Гц.

Посмотрите на ненормальные пики активности и представьте как это сказывается на биоритмах и вашем общем самочувствии.

И соответственно никакого влияния на него не оказывают.

На основе данных заключений ученых и был разработан ГОСТ Р54945-2012 «Методы измерения коэфф. пульсации освещенности». ГОСТ действителен и используется всеми производителями на данный момент.

В нем подробно описаны методы измерения и какими приборами это следует делать.

Главный вопрос для потребителя заключается в том, какое максимальное значение коэффициента пульсаций может быть у разных источников света в тех или иных помещениях.

Эти предельные параметры регламентируются несколькими сводами правил СП.

Минимально безопасное значение, которое указано в них — это 5%. Многие другие источники и статьи в интернете говорят о цифрах в 3% или даже в 1%. Так вот, в данных сводах правил, речи о таких малых величинах даже близко не идет.

Вот сводная таблица рекомендуемых значений коэффициента пульсаций для разных помещений:

Поэтому если где-то и встретите на светильниках ЖКХ данные, что у них пульсация 10% или даже 5%, не стоит особо верить таким техническим параметрам.

Для подавляющего большинства таких светильников, замеры просто не производятся, так как не требуются по закону.

А зачем производителям лишние траты и повышение цены своего товара по сравнению с конкурентами?

Кстати, немного отвлекаясь от лампочек, стоит заметить, что почти у каждого второго монитора пульсации выше 30%, а у некоторых и под 100% можно найти.

Поэтому домашние лампочки с 10%, это еще цветочки в нашей повседневной жизни. Вы например, каждый день проводите минимум час или два, уткнувшись в экран смартфона. А они пульсируют как кислотная дискотека.

Многие после этого даже удивляются откуда «ноги растут» и кто виноват в постепенном ухудшении их здоровья.

Еще один любопытный момент, касающийся предельных цифр, заключается в следующем — для вашего мозга нет большой разницы, сидите вы под лампочкой с коэффициентом в 20% или в 100%.

В обоих случаях уровень расстройства будет схожим. Может отличаться только время воздействия эффекта.

А еще при Кп>20% возможно появление стробоскопического эффекта.

Это когда движущиеся и вращающиеся объекты (вал двигателя, лопасти вентилятора), для ваших глаз будут казаться неподвижными.

Это весьма травмоопасно. Поэтому на производствах в закрытых помещениях с искусственным освещением, стоит очень строго подходить к вопросу выбора правильных светильников.

Высокие значения Кп характерны в первую очередь для разрядных ламп с электромагнитными ПРА (ДРЛ, ДРИ, ДНаТ).

Здесь они в легкую могут достигать величин выше 30%. Кстати, обычные лампочки накаливания, также имеют пульсации до 15%. Но мы этого особо не замечаем, так как эффект гасится тепловой инерцией.

Лампочка накаливания это в первую очередь неплохой обогреватель (большая часть всей энергии у нее уходит в тепло), и только затем уже источник света.

При этом чем мощнее лампочка, тем меньше ее коэффициент.

Здесь зависимость определяется инерционностью разогрева и остывания вольфрамовой нити.

Очень эффективным способом снижения коэфф. пульсаций, которым почему-то мало кто пользуется — является установка в одной точке нескольких ламп питающихся от разных фаз. Вот наглядная таблица для разных типов ламп и зависимость их пульсаций при подключении от 1-й, 2-х или 3-х фаз.

Более кардинальный метод для ламп ДРЛ, ЛБ и им подобным — это замена электромагнитной ПРА на электронную, с одновременным повышением частоты до 400Гц.

Кстати, многие до сих заблуждаются, думая что светодиоды в отношении теплопередачи и эффективности убежали далеко вперед. Это не всегда соответствует действительности. И с КПД светодиодов тоже не все так гладко.

В светодиодных светильниках многое зависит от качества сборки блоков питания (драйверов). Если у них на выходе не постоянный ток, а выпрямленный с промышленной частотой, то пульсации в 30% не такая уж и редкость.

Но в общем, касательно светодиодных источников света и коэфф. пульсации ГОСТ четко говорит:

Исходя из этого, прежде чем делать какие-то замеры, убедитесь что частота пульсаций от вашего светильника не превышает 300Гц. В противном случае может и измерять ничего не потребуется.

Хотя есть здесь и исключения — например профессиональный свет для фото или видеосъемки.

Здесь даже при величине свыше 300Гц нужно обращать внимание на любые мерцания. Дело в том, что при видеосъемке и фотографировании, идет жесткая привязка частот источников света к другим наборам параметров — частоте кадров, выдержке и т.п.

Хотя и никакого влияния на человека здесь уже не будет, зато очень даже будет присутствовать влияние на качество съемки.

А еще коэффициент пульсаций резко повышают всевозможные диммеры, собранные по принципу ШИМ и работающие на частоте до 300Гц.

Читайте также:  Интенсивность света: формула через длину волны и единицы измерения

Поэтому будьте предельно осторожными в их применении.

Если пульсации в ваших лампах есть и они действительно вредные, то качественные замеры согласно ГОСТ, производятся по технологии с использованием осциллографа.

С его помощью можно измерить любую частоту пульсации и высчитать коэффициент у любых светильников. Формула расчета следующая (более подробно читайте в ГОСТе):

В относительно рабочих, а не в стерильных лабораторных условиях, также должны применяться рекомендуемые измерительные приборы. Вот их перечень:

Одним из самых популярных приборов является ТКА-ПКМ 08.

Такой аппарат оцифровывает сигнал с фотодатчика на частоте 3000Гц. Если частота источника света выше, то полученные данные от этого прибора уже будут существенно искажены. И верить им или нет, решать только вам.

Зачастую подобные девайсы объединяют в себе сразу несколько приборов — люксметры, яркомеры, пульсметры.

Если вам нужны замеры, что называется «для себя», без последующего предоставления их результатов в госорганы, то никто не запрещает посмотреть в сторону и более дешевых аналогов.

Тем более есть экземпляры с очень хорошими отзывами.

Например аппарат Radex Lupin.

К самым простым и распространенным бытовым способам проверки пульсаций относятся следующие методы:

    мобильный телефон

Просто посмотрите на свет лампочки через экран смартфона. То что не видно вашему глазу, будет весьма заметно на камеру.

Правда имейте в виду, что некоторые аппараты имеют встроенную возможность принудительного подавления мерцания. Поэтому вы можете ничего и не увидеть, хотя эффект и будет присутствовать.

Подносить нужно максимально близко, чтобы нить накала или рассеиватель занял по максимуму все пространство экрана.

    фотоаппарат

Сделайте фотоснимок лампочки без вспышки. Если на нем будут темные полосы – это признак мерцания.

    карандашный метод

Поднесите на свет лампочки карандаш или линейку и начните ею мельтешить наподобие вентилятора или веера.

Если появится эффект “застывших лопастей” или вы будете видеть несколько карандашей, то пульсация больше нормы.

Чем отчетливее будут очертания, тем больше коэффициент. Такие остаточные контуры фигур из-за световых мерцаний, проявляются и в повседневной жизни.

Раскрутите детскую юлу под источником освещения. При появлении стробоскопического эффекта, меняйте лампочки.

Однако подобные народные способы выявляют пульсацию до 100Гц. А вот от 100Гц до 300Гц, они могут и подвести. Поэтому полагаться на них не стоит.

Большинство дешевых китайских светодиодных лампочек, как раз таки и работают на частотах до 300Гц. Таким образом, незаметно день за днем ухудшая ваше самочувствие, и оказывая свое губительное влияние.

Человеческий глаз без посторонних девайсов, способен различать пульсации с частотой от 60 до 80Гц. Далее идет невидимое для нас, но не для нашего мозга мерцание.

Чем “хороши” видимые пульсирующие лампы? Тем что мы их замечаем, и интуитивно стараемся меньше времени проводить под их воздействием. Либо в конце концов меняем их на другие.

А вот самыми опасными будут те мерцания, которые визуально не заметны.

Из-за большой интенсивности на этих частотах, наш мозг уже не успевает обрабатывать всю информацию, однако зрительные рецепторы продолжают ее воспринимать. Причем не как визуальную составляющую.

В итоге все это воздействует на совершенно другие отделы мозга и провоцирует изменение гормонального фона, биоритмов, повышает утомляемость и ухудшает самочувствие.

У качественных производителей источников освещения, даже если и есть пульсации, то происходят они на частотах свыше 300Гц. И никакого смысла заморачиваться с поиском точных измерительных приборов и рассчитывать проценты здесь нет.

Данные лампочки все равно будут абсолютно безопасны и никак не испортят ваше настроение и здоровье.

Поэтому если некий “специалист” пугает вас завышенными цифрами, ехидно делая замечания – мол видите, даже Phillips не безгрешен, зачем тогда платить больше?

Задайте ему резонный вопрос: “А на какой частоте получены данные замеры”? Будьте грамотны в вопросах светодиодного освещения и не дайте себя обмануть.

Что значит коэффициент пульсации освещенности

Коэффициент пульсации освещения — один из показателей качества, используемых при проверке освещения в помещениях различного назначения. Этот критерий не соблюдается, но он имеет большое влияние на человека, при нарушении установленных норм повышается утомляемость и возрастает риск получения травм на производстве. Поэтому его проверяют на специальном оборудовании, чтобы убедиться, что свет соответствует установленным нормам.

  1. Что такое коэффициент пульсации освещенности
  2. Нормы и требования к частоте пульсации
  3. Причины стробоскопического эффекта
  4. Влияние пульсаций на организм человека
  5. Как и чем измерить коэффициент пульсаций
  6. Использование измерительных приспособлений
  7. Народные методы
  8. Способы снижения пульсации освещения

Что такое коэффициент пульсации освещенности

Под этим термином понимается относительная глубина колебаний освещенности ламп или светильников, которая возникает во время работы оборудования при питании от переменного тока. По сути, это показатель изменения яркости, который присущ тому или иному виду оборудования и влияет на комфортность выполняемой работы. При превышении нормативных параметров работоспособность снижается и чем дольше пульсация влияет на зрение, тем больше утомляемость.

Допустимое значение зависит от типа выполняемой работы и требуемой в конкретной ситуации нагрузки на глаза. Большинство стандартов были установлены исходя из возможностей осветительного оборудования, применявшегося в середине прошлого века. В то время ставки составляли 10, 15 или 20%, некоторые используются до сих пор, другие ужесточились и изменились в сторону понижения.

Во всех помещениях, где используется компьютерная техника или установлены дисплеи, показатель световой пульсации не должен превышать 5%.

Рассматриваемый фактор увеличивается, если для регулировки яркости света используются диммеры. Кроме того, изменения наблюдаются только в устройствах, работа которых основана на принципе широтно-импульсной модуляции. Также важна частота, если она ниже 300 Гц, эффект особенно заметен.

Читайте также:  Кривая силы света: типы, методы правильного подбора

Если освещение питается переменным током промышленной частоты 50 Гц, частота пульсаций рассчитывается с удвоенным значением, поэтому она равна 100 Гц, визуально определить пульсацию в этом случае невозможно. Поэтому для контрольных измерений используются специальные устройства — счетчики импульсов. Чаще всего это не отдельный прибор, а универсальное оборудование, совмещенное с люксметром. В 2012 году были введены некоторые стандарты, касающиеся средств измерений и их поверки, поэтому все приборы должны соответствовать установленным стандартам.

Для рабочего места с компьютером пульсация света строго регламентирована.

Нормы и требования к частоте пульсации

Все зависит от типа используемого оборудования и специфики его подключения. Стоит отметить, что наибольшая частота световых пульсаций более 30% характерна для электромагнитных балластов и газоразрядных ламп, работающих от однофазной сети. Поэтому их чаще всего используют для уличного освещения и мест, не требующих постоянного напряжения глаз.

Говоря о которых! Вопреки распространенному мнению, стандартным лампам накаливания присуща рябь. При работе от однофазной сети тариф может составлять до 15%.

Особого внимания требуют светодиодные светильники. Принцип его работы отличается от стандартных вариантов, показатель зависит от характеристик схемы питания, используемой в системе. Во многих недорогих изделиях вместо постоянного напряжения выводится выпрямленный ток промышленной частоты для снижения стоимости, что приводит к тому, что пульсации могут достигать 30%.

При покупке светодиодного оборудования обязательно запрашивать у производителя или поставщика техническую документацию со всеми основными показателями, включая световую пульсацию. Кроме того, необходимо изучать данные по каждому товару отдельно, даже если они схожи по характеристикам. Часто бывает, что производительность двух практически идентичных устройств сильно различается.

Не забывайте, что частоты пульсаций значительно увеличиваются при использовании в системе диммеров с частотой до 300 Гц. Лучше использовать варианты с показателями выше 400 Гц.Также стоит отметить, что при частоте сети выше 5 кГц частота мерцания снижается до 1%.

В качественных светодиодных лампах частота пульсаций минимальна.

Этот вариант особенно хорошо работает со стандартными и компактными люминесцентными светильниками. Благодаря современным технологиям они могут питаться с частотой выше 25 кГц, что позволяет минимизировать мерцание света без дополнительных устройств.

Скорость пульсации света зависит от источника света и количества фаз, к которым подключено оборудование. Основные факторы для наиболее распространенных ламп следующие:

  1. Лампы накаливания при подключении к однофазной сети должны обеспечивать коэффициент мерцания от 10 до 15%, двухфазные — от 6 до 8%, трехфазные — 1%.
  2. Однофазные работающие люминесцентные лампы ЛУ — 34%, две — 14,4, три — 3%.
  3. Люминесцентные лампы LD, подключенные к однофазной сети — 55%, двухфазным — 23,3, трехфазным — 5%.
  4. Ртутные дуговые лампы при работе от однофазного напряжения должны обеспечивать коэффициент мерцания не более 58%, двухфазные — 28%, трехфазные — 2%.
  5. Металлогалогенные источники света при работе от одной фазы должны соответствовать коэффициенту мерцания 37%, двухфазных — 18%, трехфазных — 2%.
  6. Натриевые лампы высокого давления, работающие от однофазной сети — 77%, двухфазные — 37,7%, трехфазные — 9%.

Натриевые лампы имеют высокий коэффициент пульсации, поэтому в основном используются для уличного освещения.

Причины стробоскопического эффекта

Стробоскопический эффект — это явление искажения восприятия движущихся или вращающихся элементов оборудования. Это часто можно увидеть на шкиве вращающегося токарного станка, при определенных условиях создается иллюзия, что он неподвижен или вращается в противоположном направлении. Это явление наблюдается в случаях, когда частота переменного тока, питающего прибор, кратна частоте вращения прибора или механизма.

Чаще всего это явление можно наблюдать в производственных помещениях, освещенных люминесцентными лампами. Фактически из-за переменного блока питания получается, что период включения и выключения лампы перекрывает частоту вращения механизма.

Из соображений безопасности все производственные помещения ранее освещались лампами накаливания, так как они имеют гораздо меньшую частоту мерцания, что минимизировало риск стробирования. В современных условиях светодиодные лампы стали лучшим решением, но только при условии использования качественного оборудования с источниками питания постоянного тока.

Пример стробирующего эффекта некачественных светодиодных ламп.

Влияние пульсаций на организм человека

Это явление было замечено достаточно давно, крупнейшие исследования проводились в середине прошлого века. Согласно результатам, любая световая пульсация с частотой до 300 Гц негативно влияет на организм человека.

Если вы постоянно находитесь в комнате с некачественным освещением, ваш суточный гормональный ритм изменится. Кроме того, если мерцание имеет частоту до 120 Гц, человеческий мозг реагирует на постоянные изменения и постоянно пытается обрабатывать поступающую информацию на подсознательном уровне.

Из-за длительного стресса люди устают намного быстрее и сильнее. Теряется концентрация, снижены умственные способности. Это касается и тех, кто занимается интеллектуальным трудом: из-за высокой нагрузки на мозг намного сложнее принимать решения и проводить исследования, значительно снижается эффективность.

Если мерцание превышает 300 Гц, это никак не влияет на людей и не перегружает мозг. На этот показатель стоит ориентироваться при выборе оборудования.

Как и чем измерить коэффициент пульсаций

Все требования и стандарты, касающиеся характеристик света, установлены в стандартах ГОСТ Р54945-2012 «Методы измерения коэффициента пульсации освещенности». Именно этим документом руководствуются проектные и контролирующие организации.

Использование измерительных приспособлений

Все регулирующие организации, а также предприятия используют осциллографы для определения коэффициента пульсаций. С их помощью можно очень быстро и точно снимать мерки в помещении любого размера и формы. Ранее для расчетов использовалась следующая формула.

Все показатели и особенности расчета есть в ГОСТе, но формула в наши дни практически не используется.

Контрольная аппаратура подлежит обязательной поверке.

Также можно использовать специальные программы. В этом случае вводятся все необходимые данные, после чего производятся расчеты.

Для профессионального использования подходит только проверенное оборудование, поэтому используется определенный перечень осциллографов или универсальных устройств. Для дома можно купить модель попроще, она будет не совсем точной, но сможет ориентироваться по индикатору пульсации, этого достаточно для оценки освещения.

Читайте также:  История развития электрического освещения

Таблица нормативов для некоторых типов помещений.

Объект Коэффициент естественного освещения, % Искусственное освещение, ЛК Коэффициент пульсации, %
Гостиные (гостиные, спальни) 2 150
Детские спальни 4 400 10
Рабочие помещения (кабинеты, кабинеты) 3 400 15
Рабочее место оператора ПК 300 5
Аудитории, аудитории 4 500 10
Коммерческие помещения 4 500 10
Улицы 2-30
Пешеходные зоны 1-20
Эвакуационное и аварийное освещение 0,1-15

Народные методы

Если у вас нет под рукой осциллографа, вы можете использовать простые методы, которые позволят вам определить мерцание, которое не видно при нормальных условиях. Самые популярные способы:

    Смартфон. Включают камеру и приближают к лампе, чтобы источник света занимал все пространство. Если на изображении есть полосы, значит коэффициент пульсации превышает допустимую норму.

Экран гаджета четко передает пульсацию лампы.
Камера. Необходимо использовать устройство без вспышки. Снимок лампы сделан с небольшого расстояния. Если он мигает, на фото будут хорошо видны полосы.

На фотографиях хорошо видна рябь света.
Карандаш. Нужно взять его двумя пальцами, поднести к лампе и несколько секунд покачать туда-сюда. Если наблюдается эффект «застывшего лезвия» с очертаниями карандаша в нескольких местах, лампа слишком сильно мерцает. И чем четче очертания полос, тем выше коэффициент пульсации.

Стробоскопический эффект при управлении светом карандашом.

  • Юла. Вы можете просто крутить детскую игрушку прямо под лампой. Если при его вращении возникает стробирование, лучше всего заменить источник света.
  • Некоторые смартфоны имеют функцию подавления мерцания, поэтому вы не сможете контролировать рябь.

    Способы снижения пульсации освещения

    Решить эту проблему можно несколькими способами. Все зависит от характеристик помещения и типа используемых устройств, чаще всего используются следующие методы:

    1. Попеременное подключение приборов к двухфазной или трехфазной сети. Из-за смещения напряжение подается неравномерно, и мерцание уменьшается.
    2. При питании от трехфазной линии количество светильников должно быть кратно трем, двухфазных — двум.
    3. Замена устаревшего оборудования на современные светодиоды.
    4. Использование люминесцентных ламп с современным источником питания 5 кГц и выше.

    В видео обсуждается влияние световой пульсации на безопасность участников дорожного движения.

    обязательно проверьте пульсацию освещения. Влияет на комфортность жилого помещения человека, его утомляемость, а в производственных помещениях от этого показателя зависит безопасность.

    Скорость света

    16,6 часов (на март 2012) [1] .

    Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме [2] . В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [це]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

    Содержание

    В вакууме (пустоте)

    Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с , или 1 079 252 848,8 км/ч . Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды [3] . Для решения школьных задач и разного рода оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение 300 000 000 м/с ( 3×10 8 м/с ).

    В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):

    Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.

    В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом).

    Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой) [4] . (Подробнее см. Сверхсветовое движение, также соответствующий раздел данной статьи ниже).

    В прозрачной среде

    Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

    Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде ( λ = c/ν ). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c . Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c . Однако в неравновесных средах она может превышать c . При этом, однако, передний фронт импульса все равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

    Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

    История измерений скорости света

    Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной [5] . В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

    Читайте также:  Естественное освещение (виды, системы и нормы)

    Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты . Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.

    Сверхсветовое движение

    Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) невозможно, так как это нарушило бы фундаментальный принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами, движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.

    Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.

    Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и во-вторых, никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности — с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а разность их скоростей также не достигает скорости света.

    Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны.

    В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

    C 2006 года появляются сообщения о том, что в так называемом эффекте квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана — сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества [6] .

    В результате обработки данных эксперимента OPERA [7] , набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино [8] . Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов [9] . Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино [10] . В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили [11] [12] . В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля) [13] .

    В культуре

    В фантастическом рассказе «Светопреставление» Александр Беляев описывает ситуацию, когда скорость света снижается до нескольких метров в секунду.

    Спросите Итана: почему скорость света такая, какая есть?


    Вне зависимости от цвета, длины волны или энергии, скорость, с которой свет перемещается в вакууме, остаётся постоянной. Она не зависит от местоположения или направлений в пространстве и времени

    Ничто во Вселенной не способно двигаться быстрее света в вакууме. 299 792 458 метров в секунду. Если это массивная частица, она может лишь приблизиться к этой скорости, но не достичь её; если это безмассовая частица, она всегда должна двигаться именно с этой скоростью, если дело происходит в пустом пространстве. Но откуда нам это известно и что тому причиной? На этой неделе наш читатель задаёт нам три связанных со скоростью света вопроса:

    Почему скорость света конечна? Почему она именно такая, какая есть? Почему не быстрее и не медленнее?

    Вплоть до XIX века у нас даже не было подтверждений этим данным.


    Иллюстрация света, проходящего через призму и разделяющегося на чёткие цвета.

    Если свет проходит через воду, призму или любую другую среду, он разделяется на разные цвета. Красный цвет преломляется не под тем углом, под которым это делает синий, из-за чего и возникает что-то типа радуги. Это можно наблюдать и вне видимого спектра; инфракрасный и ультрафиолетовый свет ведут себя так же. Это было бы возможно, только если скорость света в среде отличается для света разных длин волн/энергий. Но в вакууме, вне всякой среды, всякий свет перемещается с одной и той же конечной скоростью.

    Читайте также:  Температура света: шкала измерения в Кельвинах, теплый и холодный свет


    Разделение света на цвета происходит из-за разных скоростей движения света, зависящих от длины волны, через среду

    До этого додумались только в середине XIX века, когда физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что на самом деле представляет собой свет: электромагнитную волну. Максвелл впервые поставил независимые явления электростатики (статичные заряды), электродинамики (движущиеся заряды и токи), магнитостатики (постоянные магнитные поля) и магнитодинамики (наведённые токи и переменные магнитные поля) на единую, объединённую платформу. Управляющие ею уравнения – уравнения Максвелла – позволяют вычислять ответ на простой вроде бы вопрос: какие типы электрических и магнитных полей могут существовать в пустом пространстве вне электрических или магнитных источников? Без зарядов и без токов можно было бы решить, что никакие – но уравнения Максвелла удивительным образом доказывают обратное.


    Табличка с уравнениями Максвелла с обратной стороны его памятника

    Ничто – одно из возможных решений; но возможно и другое – колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. У них есть определённые амплитуды. Их энергия определяется частотой колебаний полей. Они передвигаются с определённой скоростью, определяемой двумя константами: ε и µ. Эти константы определяют величину электрического и магнитного взаимодействий в нашей Вселенной. Получаемое уравнение описывает волну. И, как у всякой волны, у неё есть скорость, 1/√ε µ, которая оказывается равной c, скорости света в вакууме.


    Колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся со скоростью света, определяют электромагнитное излучение

    С теоретической точки зрения, свет – безмассовое электромагнитное излучение. По законам электромагнетизма он обязан двигаться со скоростью 1/√ε µ, равной c – вне зависимости от остальных его свойств (энергии, импульса, длины волны). ε можно измерить, сделав и измерив конденсатор; µ точно определяется из ампера, единицы электрического тока, что и даёт нам c. Та же фундаментальная константа, впервые выведенная Максвеллом в 1865 году, с тех пор появлялась во многих других местах:

    • Это скорость любой безмассовой частицы или волны, включая гравитационные.
    • Это фундаментальная константа, соотносящая ваше движение в пространстве с вашим движением во времени в теории относительности.
    • И это фундаментальная константа, связывающая энергию с массой покоя, E = mc 2


    Наблюдения Рёмера снабдили нас первыми измерениями скорости света, полученными при помощи геометрии и измерения времени, необходимого на то, чтобы свет прошёл расстояние, равное диаметру орбиты Земли.

    Первые измерения этой величины были сделаны во время астрономических наблюдений. Когда луны Юпитера входят и выходят в положение затмения, они кажутся видимыми или невидимыми с Земли в определённой последовательности, зависящей от скорости света. Это привело к первому количественному измерению с в XVII веке, которое определили в 2,2 × 10 8 м/с. Отклонение звёздного света – из-за движения звезды и Земли, на которой установлен телескоп – тоже можно оценить численно. В 1729 году этот метод измерения с показал значение, отличающееся от современного всего на 1,4%. К 1970-м с определили равным 299 792 458 м/с с погрешностью всего в 0,0000002%, большая часть которой проистекала из невозможности точного определения метра или секунды. К 1983 году секунду и метр переопределили через с и универсальные свойства излучения атома. Теперь скорость света равна точно 299 792 458 м/с.


    Атомный переход с орбитали 6S, δf1, определяет метр, секунду и скорость света

    Так почему же скорость света не больше и не меньше? Объяснение такое же простое, как указанный на рис. Выше атом. Атомные переходы происходят так, как происходят, из-за фундаментальных квантовых свойств строительных блоков природы. Взаимодействия атомного ядра с электрическим и магнитными полями, создаваемыми электронами и другими частями атома приводят к тому, что разные энергетические уровни оказываются чрезвычайно близко друг к другу, но всё же немного отличаются: это называется сверхтонким расщеплением. В частности, частота перехода сверхтонкой структуры цезия-133 испускает свет совершенно определённой частоты. Время, за которое проходит 9 192 631 770 таких циклов, определяет секунду; расстояние, которое свет проходит за это время, равняется 299 792 458 метрам; скорость, с которой распространяется этот свет, определяет с.


    Пурпурный фотон переносит в миллион раз больше энергии, чем жёлтый. Космический гамма-телескоп Ферми не показывает никаких задержек какого-либо из фотонов, пришедших к нам от гамма-всплеска, что подтверждает постоянство скорости света для всяких энергий

    Чтобы поменять это определение, нужно, чтобы с этим атомным переходом или с идущим от него светом произошло что-то фундаментально отличное от его текущей природы. Этот пример также даёт нам ценный урок: если бы атомная физика и атомные переходы работали бы в прошлом или на дальних расстояниях по-другому, это было бы свидетельством изменения скорости света со временем. Пока что все проводимые нами измерения лишь накладывают дополнительные ограничения на постоянство скорости света, и эти ограничения весьма строги: изменение не превосходит 7% от текущего значения за последние 13,7 млрд лет. Если бы по какой-то из этих метрик скорость света оказалась не постоянной, или же она отличалась бы у разных типов света, это привело бы к крупнейшей научной революции со времён Эйнштейна. Вместо этого все свидетельства говорят в пользу Вселенной, в которой все законы физики всегда, везде, во всех направлениях, во все времена остаются одинаковыми, включая и физику самого света. В каком-то смысле это тоже достаточно революционные сведения.

    Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

    Читайте также:  Поляризованный свет: описание явления, примеры, формулы и разновидности

    Какой скорости достигает свет в вакууме

    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.

    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.

    Читайте также:  Осветительные приборы (для дома): назначение и классификация по типам

    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!

    Скорость света в вакууме

    Скорость света в вакууме в представлении художника

    История

    В XIX веке произошло несколько научных экспериментов, которые привели к открытию ряда новых явлений. Среди этих явлений – открытие Гансом Эрстедом порождения магнитной индукции электрическим током. Позже Майкл Фарадей обнаружил обратный эффект, который был назван электромагнитной индукцией.

    Уравнения Джеймса Максвелла – электромагнитная природа света

    В результате этих открытий было отмечено так называемое «взаимодействие на расстоянии», в результате чего новая теория электромагнетизма, сформулированная Вильгельмом Вебером, была основана на дальнодействии. Позже, Максвелл определил понятие электрического и магнитного полей, которые способны порождать друг друга, что и есть электромагнитной волной. Впоследствии Максвелл использовал в своих уравнениях так называемую «электромагнитную постоянную» — с.

    К тому времени ученые уже вплотную приблизились к тому факту, что свет имеет электромагнитную природу. Физический же смысл электромагнитной постоянной – скорость распространения электромагнитных возбуждений. На удивление самого Джеймса Максвелла, измеренное значение данной постоянной в экспериментах с единичными зарядами и токами оказалось равным скорости света в вакууме.

    До данного открытия человечество разделяло свет, электричество и магнетизм. Обобщение Максвелла позволило по-новому взглянуть на природу света, как на некий фрагмент электрического и магнитного полей, распространяющийся самостоятельно в пространстве.

    На рисунке ниже изображена схема распространения электромагнитной волны, которой также является свет. Здесь H – вектор напряженности магнитного поля, E — вектор напряженности электрического поля. Оба вектора перпендикулярны друг другу, а также направлению распространения волны.

    Схема распространения электромагнитной волны

    Опыт Майкелъсона — абсолютность скорости света

    Физика того времени во многом строилась с учетом принципа относительности Галилея, согласно которому законы механики выглядят одинаково в любой выбранной инерциальной системе отсчета. В то же время согласно сложению скоростей – скорость распространения должна была зависеть от скорости движения источника. Однако, в таком случае электромагнитная волна вела бы себя по-разному в зависимости от выбора системы отсчета, что нарушает принцип относительности Галилея. Таким образом, вроде бы отлично сложенная теория Максвелла находилась в шатком состоянии.

    Эксперименты показали, что скорость света действительно не зависит от скорости движения источника, а значит требуется теория, которая способна объяснить столь странный факт. Лучшей теорией на то время оказалась теория «эфира» — некой среды, в которой и распространяется свет, подобно тому как распространяется звук в воздухе. Тогда бы скорость света определялась бы не скоростью движения источника, а особенностями самой среды – эфира.

    Предпринималось множество экспериментов с целью обнаружения эфира, наиболее известный из которых – опыт американского физика Альберта Майкелъсона. Говоря кратко, известно, что Земля движется в космическом пространстве. Тогда логично предположить, что также она движется и через эфир, так как полная привязанность эфира к Земле – не только высшая степень эгоизма, но и попросту не может быть чем-либо вызвана. Если Земля движется через некую среду, в которой распространяется свет, то логично предположить, что здесь имеет место сложение скоростей. То есть распространение света должно зависеть от направления движения Земли, которая летит через эфир. В результате своих экспериментов Майкелъсон не обнаружил какой-либо разницей между скоростью распространения света в обе стороны от Земли.

    Эфирный ветер по отношению к Земле

    Данную проблему попытался решить нидерландский физик Хендрик Лоренц. Согласно его предположению, «эфирный ветер» влиял на тела таким образом, что они сокращали свои размеры в направлении своего движения. Исходя из этого предположения, как Земля, так и прибор Майкелъсона, испытывали это Лоренцево сокращение, вследствие чего Альберт Майкелъсон получил одинаковую скорость для распространения света в обоих направлениях. И хотя Лоренцу несколько удалость оттянуть момент гибели теории эфира, все же ученые чувствовали, что данная теория «притянута за уши». Так эфир должен был обладать рядом «сказочных» свойств, в числе которых невесомость и отсутствие сопротивления движущимся телам.

    Читайте также:  Нормы освещенности (таблицы): для производственных, административных и вспомогательных помещений

    Конец истории эфира пришел в 1905-м году вместе с публикацией статьи «К электродинамике движущихся тел» тогда еще мало известного – Альберта Эйнштейна.

    Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна

    Двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн высказывал совсем новый, иной взгляд на природу пространства и времени, который шел в разрез с тогдашними представлениями, и в особенности грубо нарушал принцип относительности Галилея. Согласно Эйнштейну, опыт Майкельсона не дал положительных результатов по той причине, что пространство и время имеют такие свойства, что скорость света есть абсолютная величина. То есть в какой бы системе отсчета не находился наблюдатель – скорость света относительно него всегда одна 300 000 км/сек. Из этого следовала невозможность применения сложения скоростей по отношению к свету – с какой бы скоростью не двигался источник света, скорость света не будет меняться (складываться или вычитаться).

    Мысленный эксперимент с поездом. Абсолютность скорости света

    Эйнштейн использовал Лоренцево сокращение для описания изменения параметров тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Так, например, длина таких тел будет сокращаться, а их собственное время – замедляться. Коэффициент таких изменений называется Лоренц-фактор. Известная формула Эйнштейна E=mc 2 на самом деле включает также Лоренц-фактор (E= ymc 2 ), который в общем случае приравнивается к единице, в случае, когда скорость тела v равна нулю. С приближением скорости тела v к скорости света c Лоренц-фактор y устремляется к бесконечности. Из этого следует, что для того, чтобы разогнать тело до скорости света потребуется бесконечное количество энергии, а потому перейти этот предел скорости – невозможно.

    В пользу данного утверждения существует также такой аргумент как «относительность одновременности».

    Материалы по теме

    Что такое время?

    Парадокс относительности одновременности СТО

    Говоря кратко, явление относительности одновременности состоит в том, что часы, которые располагаются в разных точках пространства, могут идти «одновременно» только если они находятся в одной и той же инерциальной системе отсчета. То есть время на часах зависит от выбора системы отсчета.

    Из этого же следует такой парадокс, что событие B, которое является следствием события A, может произойти одновременно с ним. Кроме того, можно выбрать системы отсчета таким образом, что событие B произойдет раньше, чем вызвавшее его событие A. Подобное явление нарушает принцип причинности, который довольно прочно укрепился в науке и ни разу не ставился под сомнение. Однако, данная гипотетическая ситуация наблюдается лишь в том случае, когда расстояние между событиями A и B больше, чем временной промежуток между ними, умноженный на «электромагнитную постоянную» — с. Таким образом, постоянная c, которой равна скорость света, является максимальной скоростью передачи информации. В противном бы случае нарушался бы принцип причинности.

    Как измеряют скорость света?

    Наблюдения Олаф Рёмера

    Ученые античности в своем большинстве полагали, что свет движется с бесконечной скоростью, и первая оценка скорости света была получена аж в 1676-м году. Датский астроном Олаф Рёмер наблюдал за Юпитером и его спутниками. В момент, когда Земля и Юпитер оказались с противоположных сторон Солнца, затмение спутника Юпитера – Ио запаздывало на 22 минуты, по сравнению с рассчитанным временем. Единственное решение, которое нашел Олаф Рёмер – скорость света предельна. По этой причине информация о наблюдаемом событии запаздывает на 22 минуты, так как на прохождение расстояния от спутника Ио до телескопа астронома требуется некоторое время. Согласно подсчетам Рёмера скорость света составила 220 000 км/с.

    Измерение скорости света Олафом Рёмером

    Наблюдения Джеймса Брэдли

    В 1727-м году английский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света. Суть данного явления состоит в том, что при движении Земли вокруг Солнца, а также во время собственного вращения Земли наблюдается смещение звезд в ночном небе. Так как наблюдатель землянин и сама Земля постоянно меняют свое направление движения относительно наблюдаемой звезды, свет, излучаемый звездой, проходит различное расстояние и падает под разным углом к наблюдателю с течением времени. Ограниченность скорости света приводит к тому, что звезды на небосводе описывают эллипс в течение года. Данный эксперимент позволил Джеймсу Брэдли оценить скорость света — 308 000 км/с.

    Звездная аберрация, обнаруженная Брэдли

    Опыт Луи Физо

    В 1849-м году французским физиком Луи Физо был поставлен лабораторный опыт по измерению скорости света. Физик установил зеркало в Париже на расстоянии 8 633 метров от источника, однако согласно расчетам Рёмера свет пройдет данное расстояние за стотысячные доли секунды. Подобная точность часов тогда была недостижима. Тогда Физо использовал зубчатое колесо, которое вращалось на пути от источника к зеркалу и от зеркала к наблюдателю, зубцы которого периодически закрывали свет. В случае, когда световой луч от источника к зеркалу проходил между зубцами, а на обратном пути попадал в зубец – физик увеличивал скорость вращения колеса вдвое. С увеличением скорости вращения колеса свет практически перестал пропадать, пока скорость вращения не дошла до 12,67 оборотов в секунду. В этот момент свет снова исчез.

    Подобное наблюдение означало, что свет постоянно «натыкался» на зубцы и не успевал «проскочить» между ними. Зная скорость вращения колеса, количество зубцов и удвоенное расстояние от источника к зеркалу, Физо высчитал скорость света, которая оказалась равной 315 000 км/сек.

    Схема опыта Луи Физо

    Спустя год другой французский физик Леон Фуко провел похожий эксперимент, в котором вместо зубчатого колеса использовал вращающееся зеркало. Полученное ним значение скорости света в воздухе равнялось 298 000 км/с.

    Читайте также:  Расчет освещения по площади помещения: примеры как найти по формуле и таблице + 2 калькулятора

    Спустя столетие метод Физо был усовершенствован настолько, что аналогичный эксперимент, поставленный в 1950-м году Э. Бергштрандом дал значение скорости равное 299 793,1 км/с. Данное число всего на 1 км/с расходится с нынешним значением скорости света.

    Дальнейшие измерения

    С возникновением лазеров и повышением точности измерительных приборов удалось снизить погрешность измерения вплоть до 1 м/с. Так в 1972-м году американские ученые использовали лазер для своих опытов. Измерив частоту и длину волны лазерного луча, им удалось получить значение – 299 792 458 м/с. Примечательно, что дальнейшее увеличение точности измерения скорости света в вакууме было нереализуемо в не в силу технического несовершенства инструментов, а из-за погрешности самого эталона метра. По этой причине в 1983-м году XVII Генеральная конференция по мерам и весам определила метр как расстояние, которое преодолевает свет в вакууме за время, равное 1 / 299 792 458 секунды.

    Расстояние от Земли до Луны равняется 1,25 световых секунды

    Подведем итоги

    Итак, из всего вышесказанного следует, что скорость света в вакууме – фундаментальная физическая постоянная, которая фигурирует во многих фундаментальных теориях. Данная скорость абсолютна, то есть не зависит от выбора системы отсчета, а также равна предельной скорости передачи информации. С данной скоростью движутся не только электромагнитные волны (свет), но также и все безмассовые частицы. В том числе, предположительно, гравитон – частица гравитационных волн. Помимо всего прочего, в силу релятивистских эффектов собственное время для света буквально стоит.

    Подобные свойства света, в особенности неприменимость к нему принципа сложения скоростей, не укладываются в голове. Однако, множество экспериментов подтверждают перечисленные выше свойства, и ряд фундаментальных теорий строятся именно на таковой природе света.

    Похожие статьи

    Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

    Что такое скорость света, чему она равна и как её измеряют? Фото, видео

    О существовании такого понятия как «скорость света» многие знают еще с раннего детства. Большому количество людей известно, что свет движется очень быстро. Но не все знают подробно о явлении.

    Многие обращали внимание на то, что во время грозы существует задержка между вспышкой молнии и звуком грома. Вспышка, как правило, доходит до нас быстрее. Это значит, что она имеет большую быстроту, чем звук. С чем это связано? Что такое скорость света и как её измеряют?

    Что такое скорость света?

    Давайте для начала разберемся, что такое скорость света. По-научному, это такая величина, которая показывает, насколько быстро перемещаются лучи в вакууме или в воздухе. Также нужно знать, что такое свет. Это излучение, которое воспринимается человеческим глазом. От условий окружения зависит быстрота, а также другие свойства, например, преломление.

    Что такое скорость света своими словами?

    Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой).

    Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.

    Чему равна скорость света?

    При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.

    Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.

    Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.

    Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.

    Телескоп рефрактор – схема

    В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.

    Самое точное значение скорости света

    Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.

    Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.

    Читайте также:  Какие бывают источники света, и какими характеристиками обладают

    Чему равна скорость света в вакууме?

    Поскольку в вакууме на свет не влияют различные условия, то его скорость не меняется так, как на Земле. Скорость света в вакууме равна 299 792 километрам в секунду. Такой показатель является предельным. Считается, что ничто в мире не может двигаться быстрее, даже космические тела, которые движутся довольно быстро.

    К примеру, истребитель, Боинг Х-43, который превышает скорость звука практически в 10 раз (более 11 тысяч км/ч), летит медленнее, чем луч. Последний движется более, чем на 96 тысяч километров в час быстрее.

    Как измеряли скорость света?

    Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.

    Измерение скорости света

    Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.

    Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.

    Через некоторое время большинство ученых заинтересовались этой величиной. В исследованиях принимали участие люди науки из разных стран. Однако до 70-х годов 20 века каких либо грандиозных открытий не было. С 1970-х, когда придумали лазеры и мазеры (квантовые генераторы), ученые провели исследования и получили точную скорость. Текущее значение актуально с 1983 года. Исправляли лишь небольшие погрешности.

    Опыт Галилея

    Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.

    Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.

    Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

    Как измеряли скорость света?

    Опыт Рёмера и Брэдли

    Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.

    Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.

    Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.

    В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.

    Опыт Физо

    Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.

    Опыт Физо

    Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.

    Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.

    Возможна ли сверхсветовая скорость?

    Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.

    Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.

    Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.

    Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: