История измерений скорости света
Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной. 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.
Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (). 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.
В начале 1970-х годов погрешность измерений скорости света приблизилась к 1 м/с. После проверки и согласования результатов, полученных в различных лабораториях, XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с, с относительной погрешностью (неопределённостью) 4×10-9, что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с.
Существенно, что дальнейшее повышение точности измерений стало невозможным в силу обстоятельств принципиального характера: ограничивающим фактором стала величина неопределённости реализации определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность «изготовления» эталона метра, относительное значение которой составляло 4×10-9. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света и определив метр как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды.
Сверхсветовое движение
Основная статья: Сверхсветовое движение
Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) нарушило бы 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, тахионы не нарушают принцип причинности, если они никак не взаимодействуют с обычными частицами.
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.
В результате обработки данных эксперимента OPERA, набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино. Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов. Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино. В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили. 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). Учёные смогли его замедлить до 17 метров в секунду.
Может ли скорость света быть ниже скорости света?
На этот вопрос мы уже ответили ранее – распространяясь в какой-то среде отличной от вакуума, скорость света может существенно снижаться и падать даже до половины “нормальной” скорости света.
Но… не перестает ли при этом свет быть светом? На самом деле, ответить на этот вопрос очень легко, если представить себе прохождение солнечного луча в атмосфере нашей планеты.
Белый световой луч входит в атмосферу и сразу же сталкивается с препятствиями: пылью, водяными каплями и т.п. Что происходит с лучом? Он начинает терять скорость, часть его спектра поглощается и … мы видим синее небо. Вот солнце клонится к закату, лучам приходится проходить уже через более плотный атмосферный слой и… мы наслаждаемся красным заревом заката. Но вот мы закрываем глаза и полностью останавливаем скорость света, замедляя её почти до нуля. И наступает темнота, света уже нет.
Вот так запросто определить скорость света визуально, без всяких приборов – белый свет самый “быстрый”, голубой – гораздо медленнее, красный – самый медленный, а как только наступает темнота – скорость света стремится к нулю.
По цвету светового луча тоже можно судить о скорости фотонов
Что такое скорость света своими словами?
Если говорить простым языком, скорость света – это время, за которое солнечный луч преодолевает определенное расстояние. В качестве единицы времени принято использовать секунду, в качестве расстояния – метр. С точки зрения физики свет – это уникальное явление, имеющее в конкретной среде постоянную скорость.
Предположим, человек бежит со скоростью 25 км/час и пытается догнать автомобиль, который едет со скоростью 26 км/час. Выходит, что машина движется на 1 км/час быстрее бегуна. Со светом всё обстоит иначе. Независимо от быстроты передвижения автомобиля и человека, луч всегда будет передвигаться относительно них с неизменной скоростью.
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.
Может ли изменяться скорость света?
Свет – это тоже волна, но электромагнитная волна, т.е. колебания электромагнитного поля, существующие независимо от материи. Следовательно, свет легко может перемещаться даже в пустоте (в вакууме).
В общей теории относительности скорость света является универсальной постоянной c=300 000 км/с (с небольшим округлением от 299 792 458 м/с). Однако, надо понимать – как и в случае со скоростью звука, реальная скорость света не всегда остается строго постоянной и на неё тоже влияет среда, через которую проходит свет. Правда, несколько иначе.
Одним из свойств любой среды, является её относительная диэлектрическая проницаемость (значение которого всегда больше 1), и вычисляя скорость света в какой-то среде, обычно мы просто делим её на квадратный корень относительной диэлектрической проницаемости. Таким образом, новая скорость всегда будет меньше, чем c скорость света в вакууме.
В случае видимого света и полупрозрачных сред для удобства мы определяем “показатель преломления” n среды как квадратный корень из относительной диэлектрической проницаемости (значение, равное или большее 1).
В этом случае скорость света в среде будет равна c/n (и всегда меньше, чем скорость света в вакууме), а значение n получается экспериментально для разных сред и считается постоянным.
Например, показатель преломления n будет равен:
- n=1 для вакуума (скорость света 299 793 км/с)
- n=1,0003 для атмосферного воздуха при стандартном давлении и температуре (скорость света 299 704 км/с)
- n=1,31 для льда (скорость света 228 782 км/с)
- n=1,33 для воды (скорость света 225 341 км/с)
- n=1,5 для стекла (скорость света 199 803 км/с)
- n=1,54 для кварца (194 613 км/с)
- n=1,76 для рубина (170 386 км/с)
- n=2,42 для алмаза (123 845 км/с)
Таким образом, фактически мы имеем не одно, а сразу два понятия называющихся скоростью света:
- Универсальную физическую постоянную применяемую для расчетов в физике (300 000 км/ч), пригодную для подсчетов гигантских расстояний между планетами и звездами по причине того, что в космосе их разделяет только вакуум, ничуть не изменяющий скорость света.
- Реальную, “фактическую” скорость света, изменяемую конкретной средой, через которую проходит свет. Она легко может быть меньше и даже существенно меньше эталонной скорости света в вакууме.
Окажись мы на другой планете, нам пришлось бы иметь дело как раз с реальной скоростью света, которая зависит от показателя преломления среды, составляющей атмосферу или океаны планеты (газа, жидкости или твердого тела). К счастью, современная наука позволяет легко рассчитать эти значения заранее, если мы знаем состав и свойства этой планеты.
Скорость света в разных средах
Что такое скорость звука и от чего она зависит
Звук представляет собой чисто физическое явление, волновые колебания любой материальной среды. Соответственно, звуковые волны могут распространяться только в какой-то среде (в газах, жидкостях, твердых телах или даже в плазме, но никогда в вакууме, т.е. пустоте).
Скорость звуковой волны будет зависеть от физических свойств среды: плотности, температуры и ряда других свойств, наподобие ли других более сложных величин (таких как показатель адиабаты или коэффициент жесткости). Отсюда простой вывод – скорость звука, это величина не постоянная и применимая только к конкретным условиям.
Для простоты, принято считать, что средняя скорость звука равна 1235 км/ч (340 м/с). Но это показатель применим исключительно к воздушной среде и температуре +30 градусов по Цельсию. А вот под водой средняя скорость звука составит целых 5400 км/ч (1500 м/с)!
На первый взгляд это парадокс, но если задуматься, то все становится на свои места: вода плотнее, чем воздух, вот и скорость распространения колебаний в ней выше. Чем более разреженной является среда – тем скорость звука в ней будет ниже, пока не упадет до 0 км/ч в вакууме.
Таким образом, по скорости звука можно делать выводы о расстоянии которое звук прошел если известна плотность среды (по этому принципу работают “радары” дельфинов и летучих мышей) и наоборот, замеряя скорость отраженной звуковой волны и зная расстояние, можно определить физические свойства материала через которое прошел звук. Этот принцип лежит в исследовании недр Земли с помощью подземных взрывов.
А что на других планетах?
Легко предположить, что на Венере, где атмосфера обладает невероятной плотностью, звук будет распространятся гораздо быстрее, чем на Земле. А вот атмосфера Марса, напротив, способствует неспешным разговорам – она очень тонкая и звуковые колебания будут идти гораздо медленнее.
Наглядный пример разницы скорости звука в разных средах
Скорость света: чему она равна и как ее измерять
Скорость света — это величина, характеризующая быстроту перемещения света.
До второй половины XVII века скорость света считалась бесконечной, пока ее не измерил датский астроном Олаф Рёмер. Он наблюдал затмения спутника Юпитера Ио и заметил, что они не совпадают по времени с расчетными, а зависит это несовпадение от расстояния между событием и наблюдателем
Принимая во внимание положение Земли на своей орбите относительно Юпитера, Рёмер подсчитал, что скорость света равна 220 000 км/с
В начале XIX века французский ученый Физо разработал для измерения скорости света так называемый метод прерываний. Физик направил луч света 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 Физо получил результат — 313 000 км/с.
Изобретение лазера в XX веке позволило дойти до предела точности и зафиксировать скорость света на отметке 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/c. Дальнейшее уточнение стало невозможным из-за отсутствия точного определения метра. В то время за эталон брали металлическую палку, хранящуюся в палате мер и весов.
В восьмидесятых годах прошлого века Генеральная конференция по мерам и весам (да, такая действительно существует) приняла за метр расстояние, которое преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Соответственно, скорость света стала официально равной 299 792 458 метров в секунду. Для удобства ее значение принято округлять до 300 000 км/с.
Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Неудавшийся опыт Галилея
Чтобы измерить скорость света, в 1600 году Галилей и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари и оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно открывая и закрывая огонь, они пытались рассчитать скорость света. Галилей и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать огонь. Когда один из них открывал заслонку, то же должен был сделать и другой.
Однако эксперимент был провальным, и неудивительно: чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.
Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
Получить
Что считает общая теория относительности?
В дальнейшем Эйнштейн развил теорию относительности более общего назначения, которая объяснила гравитацию как проявление искривления пространства-времени и показал, что скорость света в этой новой теории изменяется. В 1920 г. в своей книге “Относительность: частная и общая теории” он писал: …согласно общей теории относительности, закон постоянства скорости света в вакууме, представляющий собой один из двух главнейших предположений частной теории относительности, … не может быть безусловным. Кривизна лучей света может наблюдаться только если скорость его распространения изменяется с местоположением. В оригинале речь идет о векторе скорости, то есть, о направленном объекте, поэтому сразу не очевидно, утверждал ли Эйнштейн, что меняется и длина вектора, а не только направление. Однако ссылка на специальную теорию относительности показывает, что утверждал. Хотя это и верно, но современная интерпретация такова, что скорость света постоянна и в общей теории относительности.
Проблема тут в том, что скорость — это величина, которая зависит от координат, то есть, она в некотором смысле неоднозначна. Чтобы определить скорость (расстояние делить на время) сначала надо выбрать какие-то стандарты измерения расстояний и времен. Разные стандарты приведут к разным результатам. Это уже так в специальной теории: если измерить скорость света в ускоренной системе отсчета, то получится значение, отличное от c.
В специальной теории постоянство скорости света утверждается лишь с точки зрения инерциальных систем отсчета. В общей теории это утверждения расширяется до утверждения о постоянстве скорости света в любой свободно падающей системе отсчета (в области, достаточно малой, чтобы можно было пренебречь приливными силами). В вышеупомянутом отрывке Эйнштейн говорит не о свободно падающей системе, а о системе, неподвижной относительно источника гравитации. В такой системе скорость света может отличаться от c в основном из-за влияния гравитации (кривизны пространства-времени) на часы и линейки.
Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости света в инерциальных системах отсчета становится синонимом геометрических свойств пространства-времени. Причинная структура Вселенной определяется геометрией нулевых векторов. Движение со скоростью c означает движение по мировым линиям, касательным нулевым векторам. Применение c для преобразования между метрами и секундами, как в определении метра в системе СИ, совершенно оправдано как с практической, так и с теоретической точки зрения, ведь c это не столько скорость движения света, сколько фундаментальная особенность геометрии пространства-времени.
Как и для частной теории, предсказания общей теории относительности были подтверждены во множестве различных опытах.
В итоге можно сказать, что скорость света не просто постоянна. Более того, в свете хорошо проверенных теорий оказывается, что предположение о том, что она может измениться — просто бессмысленны!
*Строго говоря, показатель преломления не всегда больше единицы. Например, для рентгеновских лучей он почти всегда меньше единицы. Происходит это потому, что так называемая фазовая скорость рентгеновских лучей в среде больше скорости света, а показатель преломления это отношение именно фазовой скорости. Скорость же самих фотонов — это так называемая групповая скорость, которая всегда меньше c (конечно, кроме тех случаев, когда это не так :-). Для простоты в этом ответе мы эту тонкость не рассматриваем. См.
Немного истории. Как измеряли скорость света
Большинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.
Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.
Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.
Возможна ли сверхсветовая скорость?
Физики предполагают несколько вариантов, как нечто может двигаться быстрее световой скорости. Но в них есть несколько оговорок: таким образом невозможно передать информацию, массу или энергию.
Для примера:
- Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. В нем предполагается, что если 2 квантовые частицы запутаны, то одна изменяется одновременно с другой. Но это происходит только в том случае, когда ее видит наблюдатель. То есть, если они расположены далеко друг от друга, это изменение может передаваться и определяться быстрее скорости света. Но так как наблюдатель не может предсказать, как изменится квантовая частица, то информация не передается так быстро.
- Эффект Хартмана. Он подразумевает, что скорость волны, проходящей через непрозрачный туннель увеличивается пропорционально толщине барьера, независимо от времени. Теоретически, виртуальные частицы таким образом могут преодолеть скоростной предел. Но с их помощью не получится передать энергию или информацию.
- Сфера Хаббла. Вселенная расширяется. Люди способны ее наблюдать только в тех пределах, в которых скорость расширения меньше, чем у света. Фактически за этой границей объекты движутся быстрее предела. Но и здесь стоит уточнить, что это не их собственная скорость, а скорее изменение самого пространства.
На данный момент не существует теории, которая смогла бы обеспечить возможность преодолеть скорость света на Земле или в космосе. Но исследования данного вопроса продолжаются.
Чему равна скорость света?
Скорость света во многом зависит от вещества, в котором распространяются лучи. В вакууме она имеет постоянное значение, а вот в прозрачной среде может иметь различные показатели.
Пространство в космосе
В воздухе или воде ее величина всегда меньше, чем в вакууме. К примеру, в реках и океанах скорость света составляет порядка ¾ от скорости в космосе. А в воздухе при давлении в 1 атмосферу – на 2 % меньше, чем в вакууме.
Подобное явление объясняется поглощением лучей в прозрачном пространстве и их повторным излучением заряженными частицами. Эффект называют рефракцией и активно используют при изготовлении телескопов, биноклей и другой оптической техники.
Если рассматривать конкретные вещества, то в дистиллированной воде скорость света составляет 226 тысяч километров в секунду. В оптическом стекле – около 196 тысяч километров в секунду.
В чем фундаментальность скорости света
На самом деле, современная наука знает всего несколько объективных фундаментальных постоянных, которые остаются неизменными при любых условиях. Скорость света не зависит ни от наблюдателя, ни от способа измерения, ни от времени — она действительно постоянна.
Чтобы доказать обратное, можно, например, пропустить луч света через сложную неоднородную среду и он пройдет сквозь нее заметно медленнее, чем через вакуум. Однако при внимательном рассмотрении условий эксперимента окажется, что фотоны двигались с той же скоростью света, но по более сложной траектории.
ПО ТЕМЕ: У кого больше всех подписчиков в Инстаграм – 35 самых популярных аккаунтов.
Почему ничто не может преодолеть скорость света?
Если вы создадите или обнаружите объект, обладающий отличной от нуля массой или имеющий свойство каким-либо образом взаимодействовать с другими частицами, то вы изобретете машину времени. При этом ничего подобного в известном нам мире не наблюдалось ни разу. Упрощая научный язык, опишем ситуацию следующим образом:
Представим события X и Y, при этом событие X является причиной события Y, а Y, соответственно, является следствием X. Например, событие X — это вспышка сверхновой в далекой галактике, а Y — это регистрация ее частиц астрономами на Земле. Если расстояние между X и Y больше, чем время между ними (T), умноженное на скорость света (C), то в разных системах отсчета мы получим три разных результата:
1. Событие X произошло раньше события Y;
2. Событие Y произошло раньше события X;
3. События X и Y произошли одновременно.
Очевидно, что два последних варианта едва ли возможны с точки зрения современной науки, а значит ничто не может переместиться или передать информацию быстрее скорости света.
Впрочем, как насчет такой ситуации: вы берете очень мощный фонарик, направляете его на Марс, а в луче света двигаете палец — если вы делаете это достаточно быстро, то тень от вашего пальца «бегает» на поверхности Марса быстрее скорости света, что опровергает нашу теорию.
На самом деле, нет. Перемещение тени нельзя назвать перемещением объекта с массой, также как сама по себе тень ни с чем не взаимодействует, а является лишь отсутствием света. Фотоны же от вашего фонарика долетят до Марса с уже известной нам скоростью 299 792 458 метров в секунду.
Достижима ли для нас скорость света?
Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?
Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.
Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.
По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации. Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.
Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.
Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.
Фундаментальная роль в физике
Прежде чем углубляться в научные теории, надо разобраться в самом «простом» вопросе: что такое свет? Проблема заключается в том, что в зависимости от условий эксперимента луч ведет себя то как поток частиц, которые называются «фотоны», то как волна.
Поэтому с 17 века в научном мире велись споры:
- Часть исследователей верила, что свет – это часть эфира, всепроникающей сущности, которая колеблется, вызывая привычные нам электромагнитные явления. Эту идею постулировал Рене Декарт.
- Некоторые ученые считали, что свет – это только набор летящих частиц. Их корпускулярную теорию сформулировал Исаак Ньютон.
- Другие доказывали, что свет – волна. Их волновую теорию доказал нидерландский физик Христиан Гюйгенс.
Исаак Ньютон
К концу 19 века именно эфирная теория света считалась наиболее достоверной. Но все изменил опыт Майкельсона-Морли в 1887 году. Американские ученые решили замерить скорость света вдоль потока эфира и поперек. Так они хотели узнать, насколько стремительны эфирные потоки. Но исследователи были поражены, когда оказалось, что свет двигался во всех направлениях одинаково. Это означало, что никакой эфир его не передвигает.
В 1901 году на основе идеи Альберта Эйнштейна, немец Макс Планк пришел к выводу, что свет излучается и поглощается строго порционно, по квантам, в зависимости от длины волны. Эти порции были названы фотонами, объяснившими корпускулярную теорию.
Объединив эти данные Альберт Эйнштейн создал свою теорию относительности. Он заявил, что скорость света в вакууме не зависит ни от источника, ни от положения наблюдателя. То есть, она постоянная. Этот простой тезис буквально перевернул все понимание физики элементарных частиц. Если делать логические выводы на тезисах Эйнштейна, получается, что:
- Скорость света одинакова для всех безмассовых частиц и волн. То есть любое излучение в вакууме будет перемещаться с одинаковой стремительностью.
- Е=mc2. Это легендарное уравнение означает, что у любого вида энергии есть определенная масса. При этом последняя равна в покое объему энергии, которая заключена в объекте, умноженной на постоянную скорость света в квадрате.
- Сокращение длины. Это теория Хендрика Лоренца, согласно которой, чем быстрее движется объект, тем короче он становится. При этом сам Эйнштейн верил, что подобное явление сродни оптической иллюзии. В то же время другие ученые считают, что такое сокращение объективно.
- Пространство-время. В специальной теории относительности время является не отдельной величиной, а еще одним измерением, подобно длине, ширине и высоте. Этот постулат доказывается тем, что на больших скоростях время для движущегося объекта замедляется.
Альберт Эйнштейн
Скорость света в вакууме используется как константа в изучении большинства явлений современными физиками, даже если они не имеют прямого отношения к свету, как гравитация. Впоследствии эти знания используются в передовых разработках. Для примера, на спутниках GPS и Международной космической станции часы настраиваются с поправкой на 0,01 с в год из-за искривления времени на орбите.
Верхний предел скорости
Согласно специальной теории относительности максимальная скорость света распространяется только на частицы, у которых нет массы. То есть любой предмет или живое существо не сможет ее достигнуть. Логика этого заявления вытекает из исследований Эйнштейна и Лоренца.
Чем больше становится скорость объекта, тем сильнее увеличивается его энергия. В формулу Е=мс2 добавляется гамма-фактор Лоренца, учитывающий уменьшение длины и замедление времени. При приближении к скорости света этот коэффициент стремится к бесконечности. То есть для достижения предела стремительности объекту, как минимум, потребуется бесконечная энергия. При этом сам он будет становиться все меньше, пока не превратится в точку с бесконечной массой, для которой время полностью остановится. А значит и движение.
Физические формулы
В 1910 году Альберт Эйнштейн и Арнольд Зоммерфельд придумали мысленный эксперимент. Они допустили, что существуют электромагнитные частицы тахионы, которые могут двигаться быстрее скорости света. В таком случае они направятся назад во времени и смогут перенести информацию в прошлое. Но современная физика считает подобное невозможным, ведь тогда нарушится причинно-следственная связь.
С другой стороны тахионы и перемещения во времени стали благодатной почвой для фантастов. Один из наиболее знаменитых персонажей, связанных с этой темой – Флэш из вселенной комиксов DC. Его способности перемещаться во времени авторы связывают с использованием тахионов и преодолением верхнего предела скорости.
Что такое скорость света
Физическое определение термина достаточно простое. Под «скоростью» ученые понимают быстроту перемещения света. То есть, как быстро могут преодолевать различные расстояния.
Перемещение световых частиц
Однако вокруг нас пространство не пустое. На Земле есть жидкости и газы. Мы их можем не видеть, но эти вещества состоят из молекул, которые становятся препятствиями для частиц света – фотонов. Поэтому их скорость может различаться в разных средах и достигает максимума только в пустоте вакуума.
В вакууме
Современными учеными эта величина принята за максимальную и постоянную. Именно от нее производятся расчеты для определения других констант. Наиболее точно измерить, какая скорость света в вакууме получилось только в 1975 году. В космической пустоте он перемещается со скоростью: 299792458 м/с. Погрешность вычислений составляет около 1,2 м/с. Но для простоты значение округляется до 300000 км/с.
В прозрачной среде
Через воздух, стекло, воду и другие прозрачные субстанции свет движется медленнее, чем через вакуум. И для каждого вещества есть своя степень «замедления», которая называется абсолютным показателем преломления света и записывается в формулах, как «n». Фактически он означает во сколько раз фотоны медленнее перемещаются через вещество.
Так для воздуха n=1,003, а для воды n=1,33. То есть в водной среде фотоны будут на 33% медлительнее и станут двигаться со скоростью «всего лишь» 225341 км/с.
Движение света в воде
Как отличается скорость света на Земле и в космосе
Объединяя эти данные, получается, что за пределами нашей, да и любой другой планеты в вакууме скорость распространения света считается максимальной и постоянной. Это верхний предел, быстрее которого ни один объект, с некоторыми оговорками, двигаться не может. На Земле же свет постоянно замедляется из-за различных веществ, через которые фотонам приходится «продираться». Поэтому скорость приходится каждый раз вычислять с поправкой для конкретной среды.
Земля и звезды
Чему равна скорость света и как ее измерили
Любопытно, что скорость света считалась бесконечной вплоть до второй половины XVII века, то есть, такие великие ученые как Иоганн Кеплер или Рене Декарт, к примеру, воспринимали ее именно такой. Лишь в 1676 году датский астроном Олаф Ремер, наблюдавший затмения спутника Юпитера Ио, заметил, что они не совпадают с расчетными по времени и зависит это несовпадение от расстояния между событием и наблюдателем
Принимая во внимание положение Земли на своей орбите относительно Юпитера, Ремер вычислил скорость света равную 220 000 км/c (ошибся на ~80 000 км/с)
В начале XIX века ученые измеряли скорость света практическим «методом прерываний» и к 1950 году достигли результата 299 793,1 км/с с погрешностью 0,25 км/с, а изобретение лазера в дальнейшем позволило дойти до предела точности и зафиксировать скорость света на отметке 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/c.
Дальнейшее уточнение одной из базовых величин теории относительности стало невозможным из-за отсутствия точного определения метра — в то время он был равен длине металлической палки, являвшейся эталоном и хранящейся в Париже. Вопрос был снят лишь в 1983 году, когда Генеральная конференция по мерам и весам переопределила метр как расстояние, которое преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Соответственно, скорость света стала официально равной 299 792 458 метров в секунду (или грубо: 300 000 км/с).
