سرعت نور
سرعت نور در خلأ یک ثابت جهانی و دقیقاً برابر با ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه است. علت دقت این است که تعریف متر براساس سرعت نور و تعریف ثانیه بنا شدهاست.
مقدارهای دقیق | |
---|---|
متر بر ثانیه | ۷۹۲۴۵۸ ۲۹۹ |
واحدهای پلانک | ۱ |
مقدارهای تقریبی | |
کیلومتر بر ثانیه | ۳۰۰٬۰۰۰ |
کیلومتر بر ساعت | ۱٬۰۸۰٬۰۰۰٬۰۰۰ |
مایل بر ثانیه | ۱۸۶٬۰۰۰ |
مایل بر ساعت | ۶۷۱ میلیون |
واحد نجومی بر روز | ۱۷۳ |
زمانهای تقریبی که نور طول میکشد طی کند | |
فاصله | زمان |
یک پا | ۱٫۰ ns |
یک متر | ۳٫۳ ns |
یک کیلومتر | ۳٫۳ μs |
یک مایل | ۵٫۴ μs |
از مدار زمینایستور تا زمین | ۱۱۹ ms |
یک دور طول استوای زمین | ۱۳۴ ms |
از ماه تا زمین | ۱٫۳ s |
از خورشید تا زمین (یک واحد نجومی) | ۸٫۳ دقیقه |
از ویجر ۱ تا زمین | ۱۸٫۱۳ ساعت |
یک پارسک | ۳٫۲۶ سال |
از پروکسیما قنطورس تا زمین | ۴٫۲۴ سال |
از آلفا قنطورس تا زمین | ۴٫۳۷ سال |
از نزدیکترین کهکشان تا زمین (کهکشان سگ کوچک) | ۲۵٬۰۰۰ سال |
طول راه شیری | ۱۰۰٬۰۰۰ سال |
از کهکشان آندرومدا | ۲٫۵ میلیون سال |
از دورترین کهکشان یافت شده تا زمین | ۱۳ میلیارد سال |
این کمیت را در فیزیک و دیگر علوم با حرف c نشان میدهند. در محاسبات عادی که دقت زیادی مورد نیاز نیست، سرعت نور را برابر با ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه (۳×۱۰ متر بر ثانیه) در نظر میگیرند. مقدار آن تقریباً برابر با ۱۸۶٬۲۸۲ مایل بر ثانیه است. سرعت نور بیشینه سرعتی است که انرژی، ماده و اطلاعات در جهان میتواند مسافرت کند. این سرعت همچنان سرعت تمام ذرات بدون جرم و میدانهای فیزیکی — شامل تابش الکترومغناطیسی که نور نیز جزو آن میشود — نیز هست. ذراتی که ذکر شد سرعتشان مستقل چارچوب مرجع است که گسترش این اصل به نسبیت خاص میانجامد. همچنین این سرعت در فرمول مشهور همارزی جرم و انرژی یعنی E = mc² ظاهر میشود.
سرعت نور در اجسام شفاف کمتر از سرعت نور در خلأ است. سرعت نور در خلأ تقسیم بر سرعت نور در آن ماده شفاف (مانند شیشه یا هوا) به عددی بزرگتر از یک میانجامد که به آن ضریب شکست (با نماد n نشان میدهند) میگویند و در فرمولهای نور هندسی کاربرد دارد. برای مثال ضریب شکست نور مرئی برای شیشه معمولی حدود ۱٫۵ است و بدین معنی است که سرعت نور در شیشه، c / ۱٫۵ ≈ ۰۰۰ km/s ۲۰۰ است. ضریب شکست نور برای هوا ۱٫۰۰۰۳ (۱٫۰۰۰۳) است که نشان میدهد نور در هوا حدود ۹۰ km/s کندتر از c حرکت میکند.
برای بسیاری از کاربردها، نور و دیگر امواج الکترومغناطیسی بدون تأخیر جابجا میشوند اما برای فواصل زیاد و اندازهگیریهایی بسیار حساس، سرعت محدود نور اثرات ملموسی دارد. در ارتباطات با کاوشگران فضایی دور ممکن است بین دقایق تا ساعتها طول بکشید تا یک پیام از زمین به کاوشگر برسد یا برگردد. نور ستارگان از سالهای بسیار گذشته به زمین میرسد که اجازه میدهد تاریخچه جهان را با بررسی اجسام دور مطالعه کرد. سرعت محدود نور همچنین نظریات حد سرعت رایانه را نیز محدود میکند برای اینکه اطلاعاتی که داخل یک کامپیوتر از یک پردازنده به پردازنده دیگر منتقل میشود سرعت محدودی خواهد شد.
نخستین بار گالیلئو گالیله سرعت نور را اندازه گرفت. اما مقداری که او به دست آورد بسیار متفاوتتر از مقدار واقعی بود. بعدها ستارهشناس دانمارکی اوله رومر به کمک گرفتهای مشتری سرعت نور را تا حد دقیقی اندازه گرفت
نقش بنیادی در فیزیک
سرعت نور مستقل از سرعت ناظر و منبع است. این ثبات سرعت نور در سال ۱۹۰۵ توسط آلبرت انیشتین بیان شد. که توسط آزمایشهای بسیاری صحت آن تأیید شدهاست. اگرچه در اول مهرماه ۱۳۹۰ محققان مرکز تحقیقاتی سرن اعلام کردند که حرکت ذرات بنیادی نوترینو با سرعتی بالاتر از سرعت نور را مشاهده کردهاند. اما پس از مدت کوتاهی مشخص شد این تضاد به دلیل خطا در آزمایش بودهاست.
نسبیت خاص در واقع بررسی قوانین فیزیک برای ناظر و مرجع است برای زمانی که فرض شود سرعت نور وابسته به سرعت منبع یا ناظر نیست. یکی از این قوانین این است که سرعت تمام ذرات بدون جرم برابر سرعت نور در خلأ است.
نسبیت خاص اثباتهای بسیار زیاد آزمایشگاهی دارد. این شامل همارزی جرم و انرژی (E = mc)، انقباض لورنتزی (کوتاهشدن اجسام در راستای حرکت)، اتساع زمان (کندتر شدن زمان) و افزایش جرم نیز هست. همه این موارد از فاکتور لورنتز بدست میآیند γ = (۱ − v/c)، که در آن v سرعت جسم است.
تفاوت γ از یک در سرعتهای کم نسبت به c یعنی تقریباً تمام حرکتهای روزانه انسان ناچیز است. اما در سرعتهای نزدیک به نور به مقادیر بسیار بزرگ میل میکند. طول جسمی که انقباض لورنتزی دارد و زمانی که در یک متحرک میگذرد از تقسیم طول در حالت سکون و زمان در حالت سکون بر فاکتور لورنتز بدست میآید. اما جرم یک شی متحرک از ضرب فاکتور لورنتز در جرم سکون آن جسم بدست میآید.
سرعت نور به عنوان حد بالای سرعت
بنابر نسبیت خاص، انرژی یک جسم با سرعت v و جرم سکون m با γmc بدست میآید که در آن γ فاکتور لورنتز است. هنگامی که سرعت برابر صفر است فاکتور لورنتز برابر یک بوده و انرژی جسم برابر با E = mc است که همان همارزی جرم و انرژی است. اما هنگامی که سرعت جسم به سرعت نور نزدیک میشود این مقدار به سمت بینهایت میرود بنابرین برای رساندن سرعت جسمی که جرم غیرصفر دارد به سرعت نور؛ نیاز به بینهایت انرژی است. به همین دلیل سرعت نور، حد بالای سرعت در طبیعت است. این موضوع در تعداد زیادی پژوهش و آزمایش به اثبات رسیدهاست.
انتشار نور
در فیزیک کلاسیک، نور به عنوان نوعی موج الکترومغناطیسی توصیف میشود. از آنجاکه رفتار میدان الکترومغناطیسی توسط معادلات ماکسول تشریح شدهاست، این معادلات پیشبینی میکنند که سرعت c با انتشار امواج الکترومغناطیسی (مانند نور) در خلأ را میتوان با ظرفیت خازنی و القایی خلاء بیان کرد. به بیان دیگر سرعت انتشار نور با ریشه ثابت تراوایی خلأ در ثابت گذردهی خلأ رابطه عکس دارد که در رابطه زیر نمایش داده شدهاست.
در فیزیک نوین، میدان الکترومغناطیسی توسط نظریه الکترودینامیک کوانتومی توصیف میشود. در این نظریه، نور توسط تحریک بنیادی (یا کوانتای) میدان الکترومغناطیسی، که فوتون نامیده میشود، توصیف میشود. در نظریه الکترودینامیک کوانتومی، فوتونها ذرات بدون جرمی هستند که بنابر نسبیت خاص، با سرعت نور در خلأ حرکت میکنند.
اثرات عملی محدود بودن
سرعت نور به مخابرات مربوط میشود: زمان تأخیر مخابرات یک طرفه و رفت و برگشت بزرگتر از صفر است. این از مقیاسهای کوچک تا نجومی صدق میکند. از سوی دیگر، برخی از تکنیکها به سرعت محدود نور بستگی دارند، به عنوان مثال در اندازهگیری فاصله.
مقیاسهای کوچک
در ابرکامپیوترها، سرعت نور محدودیتی در سرعت ارسال دادهها بین پردازندهها ایجاد میکند. اگر یک پردازنده در ۱ گیگاهرتز کار کند، یک سیگنال میتواند حداکثر حدود ۳۰ سانتیمتر (۱ فوت) در یک چرخه طی کند؛ بنابراین، پردازندهها باید نزدیک یکدیگر قرار گیرند تا تأخیرهای ارتباطی به حداقل برسد. این میتواند باعث ایجاد مشکل در خنک کردن پردازندهها شود. اگر فرکانسها به افزایش ادامه دهند، سرعت نور در نهایت به یک عامل محدود کننده برای طراحی داخلی تراشهها تبدیل میشود.
فاصلههای بزرگ روی زمین
با توجه به اینکه محیط استوایی زمین حدود ۰۷۵ ۴۰ کیلومتر است و c حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه است. کوتاهترین زمان ممکن برای انتقال اطلاعات برای مسافتی حدود نیمی از کره زمین حدود ۶۷ میلی ثانیه است. هنگامی که نور در یک فیبر نوری در سراسر کره زمین در حال حرکت است، زمان انتقال واقعی طولانیتر است، بخشی به این دلیل که سرعت نور در فیبر نوری بسته به ضریب شکست آن (n) حدود ۳۵ درصد کندتر است.
پروازهای فضایی و ستارهشناسی
بهطور مشابه، ارتباطات بین زمین و فضاپیما آنی نیست. تأخیر مختصری از منبع تا گیرنده وجود دارد که با افزایش فاصله بیشتر محسوس میشود. این تأخیر برای ارتباطات بین کنترل زمینی و آپولو ۸، زمانی که اولین فضاپیمای با سرنشین بود که به دور ماه میچرخید، قابل توجه بود: برای هر سؤال، ایستگاه کنترل زمینی باید حداقل سه ثانیه برای رسیدن پاسخ منتظر میماند. تأخیر ارتباط بین زمین و مریخ بسته به موقعیت نسبی دو سیاره میتواند بین پنج تا بیست دقیقه متغیر باشد. در نتیجه، اگر روباتی در سطح مریخ با مشکلی مواجه شود، کنترلکنندههای انسانی آن حداقل تا پنج دقیقه بعد و احتمالاً تا بیست دقیقه بعد از آن آگاه نمیشوند. سپس پنج تا بیست دقیقه دیگر طول میکشد تا دستورالعمل سفر از زمین به مریخ برسد.
دریافت نور و سیگنالهای دیگر از منابع نجومی دور حتی میتواند بسیار بیشتر طول بکشد؛ مثلاً ۱۳ میلیارد (13 ×۱۰ 10 ) سال طول میکشد تا نور از کهکشانهای دور به زمین که در تصاویر میدان فوقالعاده عمیق هابل مشاهده شدهاست، برسد. عکسهایی که امروز گرفته شدهاند، تصاویری از کهکشانها در زمان ظاهر شدنشان در ۱۳ میلیارد سال پیش ثبت میکنند، زمانی که جهان کمتر از یک میلیارد سال سن داشت.این واقعیت که اجرام دورتر به دلیل سرعت محدود نور جوانتر به نظر میرسند، به اخترشناسان اجازه میدهد تا تکامل ستارگان، کهکشانها و خود کیهان را پژوهش کنند.
فواصل نجومی گاهی اوقات با سال نوری بیان میشود، به ویژه در نشریات و رسانههای علمی عامهمحور. یک سال نوری مسافتی است که نور در یک سال ژولینی، طی میکند حدود ۹۴۶۱ میلیارد کیلومتر، یا ۵۸۷۹ میلیارد مایل یا ۰٫۳۰۶۶ پارسک. در ارقام گرد، یک سال نوری نزدیک به ۱۰ تریلیون کیلومتر یا نزدیک به ۶ تریلیون مایل است. پروکسیما قنطورس، نزدیکترین ستاره به زمین پس از خورشید، حدود ۴٫۲ سال نوری فاصله دارد.
اندازهگیری فاصله
سیستمهای راداری فاصله تا یک هدف را با زمانی که یک پالس موج رادیویی پس از انعکاس توسط هدف به آنتن رادار بازمیگردد اندازهگیری میکنند: فاصله تا هدف نصف زمان عبور رفت و برگشت ضربدر سرعت نور است. گیرنده سیستم موقعیتیاب جهانی (GPS) فاصله خود را تا ماهوارههای GPS بر اساس مدت زمانی که طول میکشد تا سیگنال رادیویی از هر ماهواره برسد را اندازهگیری میکند و براساس این فاصلهها موقعیت خود را محاسبه میکند. از آنجایی که نور حدود ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت میکند، این اندازهگیریهای کسر کوچکی از ثانیه باید بسیار دقیق باشند. آزمایش فاصلهسنجی ماه، اخترشناسی راداری و شبکه فضای دوردوست ناسا به ترتیب با اندازهگیری زمانهای عبور رفت و برگشت، فاصله تا ماه، سیارات و فضاپیماها را تعیین میکنند.
تجارت فرکانس بالا
سرعت نور در معاملات با فرکانس بالا اهمیت پیدا کردهاست، جایی که معاملهگران برای کسب مزیتهای جزئی دنبال ارائه معاملات خود به صرافیها کسری از ثانیه زودتر از سایر معاملهگران هستند. به عنوان مثال، معاملهگران به ارتباطات مایکروویو بین مراکز تجاری روی آوردهاند، به این دلیل که امواج مایکروویو در هوا حرکت میکنند و به خاطر بالاتر بودن سرعت نور در هوا، نسبت به سیگنالهای فیبر نوری ۳۰ تا ۴۰ درصد سریعتر حرکت میکنند.
تاریخچه
<۱۶۳۸ | گالیلئو گالیله، با استفاده از فانوس | بینتیجه |
<1667 | آکادمی آزمایش، با استفاده از فانوس | نامشخص |
۱۶۷۵ | اوله رومر و کریستیان هویگنس، قمرهای مشتری | ۰۰۰ ۲۲۰ |
۱۷۲۹ | جیمز بردلی، انحراف نور | ۰۰۰ ۳۰۱ |
۱۸۴۹ | ایپولیت فیزو، چرخ دندانهدار | ۰۰۰ ۳۱۵ |
۱۸۶۲ | لئون فوکو، آینه چرخان | ۰۰۰±۵۰۰ ۲۹۸ |
۱۹۰۷ | روزا و دورسی، ثابتهای الکترومغناطیسی | ۷۱۰±۳۰ ۲۹۹ |
۱۹۲۶ | آلبرت آبراهام مایکلسون، آینه چرخان | ۷۹۶±۴ ۲۹۹ |
۱۹۵۰ | اسن و گوردن اسمیت, نوسانگر کاواکی | ۷۹۲٫۵±۳٫۰ ۲۹۹ |
۱۹۵۸ | کی.دی. فروم، تداخلسنجی رادیویی | ۷۹۲٫۵۰±۰٫۱۰ ۲۹۹ |
۱۹۷۲ | اوانسون و دیگران، تداخلسنجی لیزر | ۷۹۲٫۴۵۶۲±۰٫۰۰۱۱ ۲۹۹ |
۱۹۸۳ | 17th CGPM, تعریف متر | ۷۹۲٫۴۵۸ ۲۹۹ (دقیقاً) |
منابع
- ↑ Fraser Cain (April 15, 2013). "How long does it take sunlight to reach the Earth?". phys.org (به انگلیسی). Retrieved 9 November, 2019.
- ↑ "Where Are the Voyagers - NASA Voyager". Voyager - The Interstellar Mission. Jet Propulsion Laboratory, California Istitute of Technology. Retrieved 2011-07-12.
- ↑ Penrose, R (2004). The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. Vintage Books. pp. 410–1. ISBN 978-0-679-77631-4.
... the most accurate standard for the metre is conveniently defined so that there are exactly 299,792,458 of them to the distance travelled by light in a standard second, giving a value for the metre that very accurately matches the now inadequately precise standard metre rule in Paris.
- ↑ Uzan, J-P; Leclercq, B (2008). The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants. Springer. pp. 43–4. ISBN 0-387-73454-6.
- ↑ Einstein, A (1905). "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" (PDF). سالنامه فیزیک (به آلمانی). 17: 890–921. Archived from the original (PDF) on 29 December 2009. Retrieved 6 September 2011. ترجمه انگلیسی: Perrett, W; Jeffery, GB (tr.); Walker, J (ed.). "On the Electrodynamics of Moving Bodies". Fourmilab. Retrieved 2009-11-27.
- ↑ Hsu, J-P; Zhang, YZ (2001). Lorentz and Poincaré Invariance. Advanced Series on Theoretical Physical Science. Vol. 8. World Scientific. pp. 543ff. ISBN 9810247214.
- ↑ Zhang, YZ (1997). Special Relativity and Its Experimental Foundations. Advanced Series on Theoretical Physical Science. Vol. 4. World Scientific. pp. 172–3. ISBN 9810227493. Archived from the original on 19 May 2012. Retrieved 6 September 2011.
- ↑ «کشف تازه ای که قوانین شناخته شده فیزیک را نقض میکند». بیبیسی فارسی. ۱ مهر ۱۳۹۰. دریافتشده در دوم مهرماه ۱۳۹۰.
- ↑ Nick Collins (23 Sep 2011). "Science world in shock after Cern light speed claim" (به انگلیسی). The Daily Telegraph. Archived from the original on 24 September 2011. Retrieved 2011-24-09.
- ↑ d'Inverno, R (1992). Introducing Einstein's Relativity. Oxford University Press. pp. 19–20. ISBN 0-19-859686-3.
- ↑ Sriranjan, B (2004). "Postulates of the special theory of relativity and their consequences". The Special Theory to Relativity. PHI Learning. pp. 20 ff. ISBN 812031963X.
- ↑ Roberts, T; Schleif, S; Dlugosz, JM (ed.) (2007). "What is the experimental basis of Special Relativity?". Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Retrieved 2009-11-27.
- ↑ Fowler, M (March 2008). "Notes on Special Relativity" (PDF). دانشگاه ویرجینیا. p. 56. Retrieved 2010-05-07.
- ↑ «Panofsky, WKH; Phillips, M (1962). Classical Electricity and Magnetism. Addison-Wesley. p. 182. ISBN 978-0-201-05702-7».
- ↑
- ↑ Galilei, G (1954) [1638]. Dialogues Concerning Two New Sciences. Crew, H; de Salvio A (trans.). Dover Publications. p. 43. ISBN 978-0-486-60099-4.
- ↑ Boyer, CB (1941). "Early Estimates of the Velocity of Light". Isis. 33 (1): 24. doi:10.1086/358523. S2CID 145400212.
- ↑ Foschi, Renato; Leone, Matteo (2009), "Galileo, measurement of the velocity of light, and the reaction times", Perception, 38 (8): 1251–59, doi:10.1068/p6263, hdl:2318/132957, PMID 19817156, S2CID 11747908
- ↑ Magalotti, Lorenzo (2001) [1667], Saggi di Naturali Esperienze fatte nell' Accademia del Cimento (digital, online ed.), Florence: Istituto e Museo di Storia delle Scienze, pp. 265–66, retrieved 2015-09-25
- ↑ "Demonstration tovchant le mouvement de la lumiere trouvé par M. Rŏmer de l'Académie Royale des Sciences" [Demonstration to the movement of light found by Mr. Römer of the Royal Academy of Sciences] (PDF). Journal des sçavans (به فرانسوی): 233–36. 1676.
Translated in "A demonstration concerning the motion of light, communicated from Paris, in the Journal des Sçavans, and here made English". Philosophical Transactions of the Royal Society. 12 (136): 893–95. 1677. Bibcode:1677RSPT...12..893.. doi:10.1098/rstl.1677.0024.
Reproduced in Hutton, C; Shaw, G; Pearson, R, eds. (1809). "On the Motion of Light by M. Romer". The Philosophical Transactions of the Royal Society of London, from Their Commencement in 1665, in the Year 1800: Abridged. Vol. Vol. II. From 1673 to 1682. London: C. & R. Baldwin. pp. 397–98.
The account published in Journal des sçavans was based on a report that Rømer read to the French Academy of Sciences in November 1676 (Cohen, 1940, p. 346). - ↑ Huygens, C (1690). Traitée de la Lumière (به فرانسوی). Pierre van der Aa. pp. 8–9.
- ↑ Gibbs, P (1997). "How is the speed of light measured?". Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Archived from the original on 2015-08-21. Retrieved 2010-01-13.
- ↑ Essen, L; Gordon-Smith, AC (1948). "The Velocity of Propagation of Electromagnetic Waves Derived from the Resonant Frequencies of a Cylindrical Cavity Resonator". Proceedings of the Royal Society of London A. 194 (1038): 348–61. Bibcode:1948RSPSA.194..348E. doi:10.1098/rspa.1948.0085. JSTOR 98293.
- ↑ Rosa, EB; Dorsey, NE (1907). "A new determination of the ratio of the electromagnetic to the electrostatic unit of electricity". Bulletin of the Bureau of Standards. 3 (6): 433. doi:10.6028/bulletin.070.
- ↑ Michelson, A. A. (1927). "Measurement of the Velocity of Light Between Mount Wilson and Mount San Antonio". The Astrophysical Journal. 65: 1. Bibcode:1927ApJ....65....1M. doi:10.1086/143021.
- ↑ Essen, L (1950). "The Velocity of Propagation of Electromagnetic Waves Derived from the Resonant Frequencies of a Cylindrical Cavity Resonator". Proceedings of the Royal Society of London A. 204 (1077): 260–77. Bibcode:1950RSPSA.204..260E. doi:10.1098/rspa.1950.0172. JSTOR 98433. S2CID 121261770.
- ↑ Froome, KD (1958). "A New Determination of the Free-Space Velocity of Electromagnetic Waves". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 247 (1248): 109–22. Bibcode:1958RSPSA.247..109F. doi:10.1098/rspa.1958.0172. JSTOR 100591. S2CID 121444888.
- ↑ Evenson, KM; et al. (1972). "Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser". Physical Review Letters. 29 (19): 1346–49. Bibcode:1972PhRvL..29.1346E. doi:10.1103/PhysRevLett.29.1346. S2CID 120300510.
- ↑ "Resolution 1 of the 17th CGPM". BIPM. 1983. Retrieved 2009-08-23.
یادداشتها
پیوند به بیرون
- سرعت نور در خلأ (National Institute of Standards and Technology, NIST)
- سرعت نور (دانشکده فیزیک دانشگاه کلرادو)