ЗАМЕДЛЕННЫЙ СВЕТ
Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.
Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с — фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.
В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха — 1,0003, воды — 1,33, различных сортов стекла — от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз — 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.
В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект — так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!
Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.
Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости — фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны — бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления — тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.
Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.
Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но «красный» спортсмен бежит быстрее, чем «оранжевый», «оранжевый» — быстрее, чем «желтый», и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии — большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.
Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики — теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.
Все частицы — как заключенные в атоме, так и свободные — делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком — основном — энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания «атомного лазера» (см. «Наука и жизнь» № 10, 1997 г.).
Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики — оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10 -7 — 10 -8 с и в конденсированных средах — менее 10 -11 c. При этом возникает запаздывание импульса — его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.
Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние — на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).
После этого конденсат осветили «связующим пучком» линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков — в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз — до 43 микрометров.
Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет — возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.
Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.
Читайте в любое время
Детальное описание иллюстрации
Если скорость волны не зависит от ее частоты, импульс распространяется без искажения и с постоянной скоростью (а). В противном случае форма импульса при распространении меняется (б). При этом простое понятие скорости импульса приходится заменять рядом других — скорости фронта, распространения сигнала, передачи энергии и т.д. Если в среде проходит гармоническая волна (например, когерентное лазерное излучение), сохраняется смысл перемещения фазы (горба или впадины) волны. Эта скорость v называется фазовой (в). Если в течение какого-то интервала времени форма импульса сохраняется, можно говорить о перемещении огибающей этой группы волн — групповой скорости u. Внутри огибающей волна движется с некоторой средней скоростью v. В зависимости от свойств среды групповая скорость может быть и больше фазовой, и меньше нее, она может быть равна нулю и даже иметь отрицательный знак: импульс «растягивается» в сторону, противоположную движению волны.
Теория радиоволн: ликбез
Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков.
Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами.
Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.
Радиоволна
Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
Период(T) — время одного полного колебательного движения
Частота(v) — количество полных периодов в секунду
Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте:
Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)
«УКВ», «ДВ», «СВ»
Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).
Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня.
Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.
Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м).
Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.
Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м).
Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.
Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м).
Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.
Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м).
Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:
Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.
Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.
Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.
AM — FM
Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:
AM — амплитудная модуляция
Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.
FM — частотная модуляция
Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.
Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.
На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.
Еще термины
Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля.
Это явление более всего проявляется при приеме УКВ ЧМ и ТВ сигнала.
Поэтому, к примеру внутри помещения качество приема на комнатную антенну ТВ сильно «плавает».
Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.
Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения.
Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.
PS:
Надеюсь, информация описанная мной будет полезна и принесет некоторое понимание по данной теме.
- телекомы
- беспровоные технологии
- радиоволны
- радио
Сколько составляет скорость света и звука?
Cамой высокой скоростью считается скорость света в вакууме, т. е. пространстве, свободном от вещества. Учёным сообществом было принято её значение 299 792 458 м/с (или 1 079 252 848,8 км/ч). При этом самое точное измерение скорости света на основе эталонного метра, проведённое в 1975 году, показало, что она составляет 299 792 458 ± 1,2 м/с . Со скоростью света распространяется как сам видимый свет, так и другие виды электромагнитного излучения, например, радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты.
Вопрос-ответ
Скорость света в вакууме является фундаментальной физической постоянной, т. е. её значение не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем. Эта скорость не зависит ни от движения источника волн, ни от системы отсчёта наблюдателя.
Чему равна скорость звука?
Скорость звука отличается в зависимости от среды, в которой распространяются упругие волны. Вычислить скорость звука в вакууме невозможно, т. к. звук в таких условиях не может распространяться: в вакууме отсутствует упругая среда, и упругие механические колебания возникнуть не могут. Как правило, медленнее звук распространяется в газе, немного быстрее — в жидкости, наиболее быстро — в твёрдых телах.
Так, согласно Физической энциклопедии под редакцией Прохорова, скорость звука в некоторых газах при 0 °С и нормальном давлении (101325 Па) составляет (м/c):
Почему скорость света не зависит от среды распространения?
Известно, что свет в космическом вакууме распространяется со скоростью 300.000 м/сек. В воздухе его скорость не меняется, в воде тоже. (Не интенсивность, а скорость распространения! ) Если свет — квант волновой энергии, то волна всегда колебание в среде — будь то морские волны или порыв ветра и так далее. Если так, то вакуум это тоже не абсолютная пустота, а среда, которая способна «транспортировать» волну. В вакууме о плотности говорить не приходится. При том воздух и вода имеют плотность и удельный вес. Есть ли объяснение с точки зрения физики этому явлению?
Дополнен 10 лет назад
Если я не прав в чём-то, поправьте, пожалуйста. Я не физик.
Дополнен 10 лет назад
Добрый вечер! Понял свою ошибку, но назрел ещё вопрос — если скорость света зависит от среды распространения, то почему в вакууме она ограничена значением 300.000 м/c? Ведь вакуум — это абсолютная пустота и, казалось бы, скорость должна быть не ограничена? Или же вакуум не так уж и «пуст»?
Дополнен 10 лет назад
По теме «вакуум». Есть, как я понимаю, два варианта: первый — вакуум никак не препятствует скорости распространения световой волны и, соответственно, какой импульс изначально у этой волны был, таким он в итоге и останется пока не попадет в воздушную среду Земли, и второй вариант — вакуум всё же среда с ничтожной плотностью, которая препятствует распространению световой волны, как, например, вода или воздух, поэтому мгновенно свет не может проникнуть всюду. Опять же, если от среды зависит скорость распространения света, то световая волна должна обладать.. . массой?? ? Если свет не материален, не имеет массы, тогда почему скорость в разных средах разная?
Лучший ответ
Постоянна только скорость света в вакууме. В прозрачной среде скорость света меньше, чем в вакууме, и, чем меньше, тем больше показатель преломления. Так что в алмазе свет (видимый свет) распространяется более, чем в 2 раза медленнее, чем в вакууме.
Для радиоволн (которые суть свет с длиной волны в тысячи и миллионы раз больше) созданы метаматериалы, в которых скорость распространения составляет единицы метров в секунду.
Остальные ответы
Ты неправ в главном — скорость света-таки зависит от среды. Иначе бы все вещества были абсолютно прозрачными.
скорсть света меняется, взависимости от плотности вещества (если плотность выше-скорость меньше, и наоборот)
скорость света в среде равна v=c/n, где n — коэффициент преломления среды. вот показатели преломления некоторых сред: вакуум 1, воздух 1,0003, вода 1,33, стекло 1,5-2, алмаз 2,42.
скорость распространения электромагнитных волн (скорость света) зависит от диэлектрической проницаемости среды, и магнитной проницаемости. можно рассчитать по формуле V=1/(корень из (магнитной постояйной*электрическую постоянную*диэлектрическую проницаемость среды*магнитную проницаемость среды) ) отсюда видно, что чем больше магнитная и диэлектрическая проницаемость среды, тем меньше скорость распространения электромагнитной волны в ней.
Я тоже не физик, но, насколько я понимаю:
1) С точки зрения классической механики, скорость света не постоянна,
2) С точки зрения Специальной теории относительности — постоянна.
Про скорость света в среде тут уже ответили, наиболее полно тут ответил tranzistor.
А вот по поводу вакуум — это пустота. Тут Павел Вы тоже ошибаетесь. Но это не удивительно. По крайней мере все нормальные люди, которые учились в школе до девяностых так себе это представляют. И только при изучении квантовой электродинамики люди узнают, что ах оказывается — вакуум тоже среда, а не пустота.. .
А почему я говорю об обучении в школе до девяностых — потому, что не знаю как и что в школах по физике преподавали позже.. .
Но не из-за «не пустоты» вакуума скорость света ограничена)) )
А вот, что бы ответить Вам на Ваш вопрос почему она ограничена — мне нужно понимать почему Вы считаете, что если бы вакуум был пуст, то скорость света была бы неограниченна.
Скорость света 300000 км/с в вакууме. В других средах скорость иная.
А тут нужно целую лекцию читать.
Начнем с того что вакуум лишен вещества — но не материи. вакуум по определению низжее энергетическое состояние полей. хотя замечу — бывает еще меньше в особых вакуумах.
Со светом — скорость света зависит от среды — а вот «скорость» фотонов в среде — такая же как в вакууме — 300 000км/с. фотоны при другой скорости не существуют — лишь при скорости света в вакууме.
Источник: километров — а не метров.
Почему же, очень даже зависит. Именно этой разнице обязан эффект преломления.
Только один человек заметил, что скорость не в метрах, а в километрах.
Скорость света зависит от среды распространения. В вакууме скорсть действительно постоянна. Это пастулат.
УДАЧИ!
Это же элементарно, Паша! Фонарик есть? Включи. Направь на стену. Если стена среда, то, я так думаю, среда влияет на скорость света. А вот если четверг, то читай знатоков, мастеров, оракулов и т. д. и т. п.