Хотя в обыденной жизни редко кому приходится непосредственно рассчитывать, чему равна скорость света, интерес к данному вопросу проявляется еще в детстве. Удивительно, но все мы ежедневно сталкиваемся с признаком константы скорости распространения электромагнитных волн. Скорость света - это фундаментальная величина, благодаря которой вся Вселенная существует именно в том виде, какой мы ее знаем.
Наверняка, каждый, наблюдая в детстве за вспышкой молнии и последующим за ней раскатом грома, пытался понять, чем вызвана задержка между первым и вторым явлением. Несложные мысленные рассуждения быстро приводили к закономерному выводу: скорость света и звука различна. Это первое знакомство с двумя важными физическими величинами. Впоследствии кто-то получал необходимые знания и мог легко объяснить происходящее. Что же является причиной странного поведения грома? Ответ заключается в том, что скорость света, составляющая около 300 тыс. км/с, почти в миллион раз превышает скорость распространения в воздухе (330 м/с). Поэтому человек сначала видит от молнии и лишь через время слышит грохот грома. Например, если от эпицентра до наблюдателя 1 км, то свет преодолеет это расстояние за 3 микросекунды, а вот звуку понадобится целых 3 с. Зная скорость света и время задержки между вспышкой и громом, можно вычислить расстояние.
Попытки измерить ее предпринимались давно. Сейчас довольно забавно читать о проводимых экспериментах, однако, в те далекие времена, до появления точных приборов, все было более чем серьезно. При попытках узнать, какова скорость света, был проведен один интересный опыт. С одного конца вагона быстро перемещающегося поезда находился человек с точным хронометром, а с противоположной стороны его помощник по команде открывал заслонку лампы. Согласно задумке, хронометр должен был позволить определить скорость распространения фотонов света. Причем благодаря смене позиций лампы и хронометра (при сохраняющемся направлении движения поезда), удалось бы узнать, постоянна ли скорость света, или ее можно увеличить/уменьшить (в зависимости от направления луча, теоретически, быстрота движения поезда могла бы влиять на измеряемую в эксперименте скорость). Конечно, опыт не удался, так как скорость света и регистрация хронометром несопоставима.
Впервые максимально точное измерение было выполнено в 1676 году благодаря наблюдениям за Олаф Ремер обратил внимание, что реальное появление Ио и расчетные данные различались на 22 минуты. Когда планеты сближались, задержка уменьшалась. Зная расстояние, удалось вычислить скорость света. Она составила около 215 тыс. км/с. Затем, в 1926 году, Д. Бредли, изучая изменение видимых положений звезд (аберрацию), обратил внимание на закономерность. Точка размещения звезды менялась в зависимости от времени года. Следовательно, влияние оказывало положение планеты относительно Солнца. Можно привести аналогию - капли дождя. Без ветра они летят вертикально вниз, но стоит побежать - и их видимая траектория изменяется. Зная скорость вращения планеты вокруг Солнца, удалось вычислить скорость света. Она составила 301 тыс. км/с.
В 1849 году А. Физо провел следующий опыт: между источником света и зеркалом, удаленным на 8 км, находилось вращающееся Скорость его вращения увеличивали до тех пор, пока в следующем зазоре поток отраженного света не превращался в постоянный (немерцающий). Расчеты дали 315 тыс. км/с. Через три года Л. Фуко вращающимся зеркалом и получил 298 тыс. км/с.
Последующие опыты становились все точнее, учитывая преломление в воздухе и пр. В настоящее время актуальными считаются данные, полученные с помощью цезиевых часов и лазерного луча. Согласно им, равна 299 тыс. км/с.
Скорость света - абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). 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, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме - предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Также важен тот факт, что эта величина абсолютна. Это один из постулатов СТО.
В вакууме (пустоте)
В 1977 году удалось вычислить приблизительную скорость света, равную 299 792 458 ± 1,2 м/с рассчитанную исходя из эталонного метра 1960 года. На данный момент считают, что скорость света в вакууме - фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Скорость света обозначается буквой c.
Основополагающий для СТО опыт Майкельсона показал, что скорость света в вакууме не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя. В природе со скоростью света распространяются:
собственно видимый свет
другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.)
Из специальной теории относительности следует, что ускорение частиц, имеющих массу покоя, до скорости света невозможно, так как это событие нарушило бы фундаментальный принцип причинности. То есть, исключается превышение скорости света сигналом, или движение массы с такой скоростью. Однако теория не исключает движение частиц в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью. Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически, тахионы легко укладываются в преобразование Лоренца - это частицы 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 частице ускориться до 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 между собой разность их скоростей также не бывает равной 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 покоя, в отличие от безмассовых фотонов и гравитонов, которые всегда движутся со скоростью света.
В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.
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 двигается со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.
Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча так же способно влиять на скорость распространения света в этой среде.
Отрицание постулата о максимальности скорости света
В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные 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.
Научный анализ значимости этих и подобных результатов показывает, что они принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества.
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 (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 220000 км/сек - неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.
В 1676 датский астроном Оле Рёмер сделал первую грубую оценку скорости света. Рёмер заметил слабое расхождение в продолжительности затмений спутников Юпитера и сделал вывод, что движение Земли, либо приближающейся к Юпитеру, либо удаляющейся от него, изменяло расстояние, которое приходилось проходить свету, отраженному от спутников.
Измерив величину этого расхождения, Рёмер подсчитал, что скорость света составляет 219911 километров в секунду. В более позднем эксперименте в 1849 году французский физик Арман Физо получил, что скорость света равна 312873 километрам в секунду.
Как показано на рисунке вверху, экспериментальная установка Физо состояла из источника света, полупрозрачного зеркала, которое отражает только половину падающего на него света, позволяя остальному проходить дальше вращающегося зубчатого колеса и неподвижного зеркала. Когда свет попадал на полупрозрачное зеркало, он отражался на зубчатое колесо, которое разделяло свет на пучки. Пройдя через систему фокусирующих линз, каждый световой пучок отражался от неподвижного зеркала и возвращался назад к зубчатому колесу. Проведя точные измерения скорости вращения, при которой зубчатое колесо блокировало отраженные пучки, Физо смог вычислить скорость света. Его коллега Жан Фуко год спустя усовершенствовал этот метод и получил, что скорость света составляет 297 878 километров в секунду. Это значение мало отличается от современной величины 299 792 километров в секунду, которая вычисляется путем перемножения длины волны и частоты лазерного излучения.
Эксперимент Физо
Как показано на рисунках вверху, свет проходит вперед и возвращается назад через один и тот же промежуток между зубцами колеса в том случае, если оно вращается медленно (нижний рисунок). Если колесо вращается быстро (верхний рисунок), соседний зубец блокирует возвращающийся свет.
Результаты Физо
Разместив зеркало на расстоянии 8,64 километра от зубчатого колеса, Физо определил, что скорость вращения зубчатого колеса, необходимая для блокирования возвращающегося светового пучка, составляла 12,6 оборотов в секунду. Зная эти цифры, а также расстояние, пройденное светом, и расстояние, которое должно было пройти зубчатое колесо, чтобы блокировать световой пучок (равное ширине промежутка между зубцами колеса), он вычислил, что световому пучку потребовалось 0,000055 секунды на то, чтобы пройти расстояние от зубчатого колеса к зеркалу и обратно. Разделив на это время общее расстояние 17,28 километра, пройденное светом, Физо получил для его скорости значение 312873 километра в секунду.
Эксперимент Фуко
В 1850 году французский физик Жан Фуко усовершенствовал технику Физо, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Свет из источника доходил до наблюдателя только в том случае, когда зеркало совершало полный оборот на 360° за промежуток времени между отправлением и возвращением светового луча. Используя этот метод, Фуко получил для скорости света значение 297878 километров в секунду.
Финальный аккорд в измерениях скорости света.
Изобретение лазеров дало возможность физикам измерить скорость света с гораздо большей точностью, чем когда либо раньше. В 1972 году ученые из Национального института стандартов и технологии тщательно измерили длину волны и частоту лазерного луча и зафиксировали скорость света, произведение этих двух переменных, на величине 299792458 метров в секунду (186282 мили в секунду). Одним из последствий этого нового измерения было решение Генеральной конференции мер и весов принять в качестве эталонного метра (3,3 фута) расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Таким образом/скорость света, наиболее важная фундаментальная постоянная в физике, сейчас вычисляется с очень высокой достоверностью, а эталонный метр может быть определен гораздо более точно, чем когда-либо ранее.
Скорость света — самая необычная величина измерения, которая известна на сегодняшний момент. Первым человеком, который попытался объяснить феномен распространения света, был Альберт Эйнштейн. Именно он вывел всем известную формулу E = mc ² , где E — это полная энергия тела, m — масса, а c — скорость света в вакууме.
Формула была впервые опубликована в журнале Annalen der Physik в 1905 году. Примерно в то же время Эйнштейн выдвинул теорию о том, что будет происходить с телом, перемещающимся с абсолютной скоростью. Исходят из того, что скорость света — величина неизменная, он пришёл к выводу, что должны изменяться пространство и время.
Таким образом, при световой скорости предмет будет бесконечно сжиматься, его масса бесконечно увеличиваться, а время практически остановится.
В 1977 году удалось вычислить скорость света, была названа цифра в 299 792 458 ± 1,2 метров в секунду. Для более грубых расчетов всегда принимается значение в 300 000 км/с. Именно от этой величины и отталкиваются все остальные космические измерения. Так появилось понятие «светового года» и «парсека» (3,26 световых лет).
Ни двигаться со скоростью света, ни, тем более, преодолеть её — невозможно. По крайней мере, на данном этапе развития человечества. С другой стороны, писатели-фантасты уже порядка 100 лет пытаются решить эту проблему на страницах своих романов. Возможно, однажды фантастика станет реальностью, ведь еще в XIX веке Жюль Верн предсказал появление вертолёта, самолёта и электрического стула, а тогда это была чистая фантастика!
Несмотря на то что в обычной жизни рассчитывать скорость света нам не приходится, многих эта величина интересует с детского возраста.
Наблюдая за молнией во время грозы, наверняка каждый ребенок пытался понять, с чем связана задержка между ее вспышкой и громовыми раскатами. Очевидно, что свет и звук имеют разную скорость. Почему так происходит? Что такое скорость света и каким образом ее можно измерить?
В науке скоростью света называют быстроту перемещения лучей в воздушном пространстве или вакууме. Свет – это электромагнитное излучение, которое воспринимает глаз человека. Он способен передвигаться в любой среде, что оказывает прямое влияние на его скорость.
Попытки измерить эту величину предпринимались с давних времен. Ученые античной эпохи полагали, что скорость света является бесконечной. Такое же мнение высказывали и физики XVI–XVII веков, хотя уже тогда некоторые исследователи, такие как Роберт Гук и Галилео Галлилей, допускали конечность .
Серьезный прорыв в изучении скорости света произошел благодаря датскому астроному Олафу Ремеру, который первым обратил внимание на запаздывание затмения спутника Юпитера Ио по сравнению с первичными расчетами.
Тогда ученый определил примерное значение скорости, равное 220 тысячам метров в секунду. Более точно эту величину сумел вычислить британский астроном Джеймс Бредли, хотя и он слегка ошибся в расчетах.
В дальнейшем попытки рассчитать реальную скорость света предпринимали ученые из разных стран. Однако только в начале 1970-х годов с появлением лазеров и мазеров, имевших стабильную частоту излучения, исследователям удалось сделать точный расчет, а в 1983 году за основу было принято современное значение с корреляцией на относительную погрешность.
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.
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.
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 вакууме скорость света в секунду имеет постоянное значение в 299 792 458 метров, то есть немногим больше 299 тысяч километров. В современном представлении она является предельной. Иными словами, никакая частица, никакое небесное тело не способны достичь той скорости, какую развивает свет в космическом пространстве.
Даже если предположить, что появится Супермен, который будет лететь с огромной скоростью, луч все равно будет убегать от него с большей быстротой.
Хотя скорость света является максимально достижимой в вакуумном пространстве, считается, что существуют объекты, которые движутся быстрее.
На такое способны, к примеру, солнечные зайчики, тень или фазы колебания в волнах, но с одной оговоркой – даже если они разовьют сверхскорость, энергия и информация будут передаваться в направлении, которое не совпадает направлением их движения.
Что касается прозрачной среды, то на Земле существуют объекты, которые вполне способны двигаться быстрее света. К примеру, если луч, проходящий через стекло, замедляет свою скорость, то электроны не ограничены в быстроте передвижения, поэтому при прохождении через стеклянные поверхности могут перемещаться быстрее света.
Такое явление называется эффект Вавилова – Черенкова и чаще всего наблюдается в ядерных реакторах или в глубинах океанов.
