Скорость света простыми словами: что это такое, как считается и измеряется

Скорость света является ключевым понятием в квантовой физике. Но для большинства людей это просто ограничение скорости для любого физического объекта в нашей вселенной. И в то же время бесконечный источник вдохновения для писателей-фантастов.

Что такое скорость света

Физическое определение термина довольно простое. Под «скоростью» ученые подразумевают скорость, с которой распространяется свет. То есть, насколько быстро частицы света могут преодолевать разные расстояния.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Легкие частицы в движении

Однако пространство вокруг нас не пусто. На Земле есть жидкости и газы. Мы можем их 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 безвоздушном пространстве.

В вакууме

Современные ученые приняли это значение за максимальное и постоянное. Именно от него производятся расчеты для определения других констант. Наиболее точное измерение скорости света в вакууме было достигнуто лишь в 1975 году. В космической пустоте он движется со скоростью: 299792458 м/с. Погрешность расчета составляет около 1,2 м/с. Но для простоты значение округлено до 300 000 км/с.

В прозрачной среде

Свет распространяется медленнее через воздух, стекло, воду и другие прозрачные вещества, чем через вакуум. И для каждого вещества существует своя степень «замедления», которая называется абсолютным показателем преломления света и записывается в формулах типа «n». На самом деле это означает, во сколько раз фотоны медленнее движутся сквозь вещество.

Так для воздуха n=1,003, а для воды n=1,33. То есть в водной среде фотоны будут на 33% медленнее и будут двигаться со скоростью «всего» 225 341 км/с.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Движение света в воде

Как отличается скорость света на Земле и в космосе

Объединение этих данных показывает, что вне нашей, да и вообще любой другой планеты в вакууме скорость распространения света считается максимальной и постоянной. Это верхний предел, быстрее которого не может двигаться ни один объект ни с какими оговорками. На Земле свет постоянно тормозится из-за различных веществ, через которые фотонам приходится «проливать». Поэтому скорость нужно каждый раз рассчитывать, подстраивать под конкретную среду.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Земля и звезды

Числовое значение, обозначения и единицы измерения

Это довольно сложный вопрос. Скорость света обозначается в СИ как «с». Впервые он был рассчитан в 1676 году Олафом Ремером. Он получил c = 220 000 км/с. И на протяжении веков последовательные исследователи пытались исправить эти данные.

В ХХ веке ученые также постепенно усложняли эксперименты, постоянно уточняя скорость света. Они смогли достичь предельной точности после того, как в 1970-х годах были созданы первые лазеры. Но в итоге оказалось, что погрешность все-таки есть около 1,2 м/с. Проблема заключалась в том, что сам счетчик не является очень точным показателем. Он был определен как одна десятимиллионная часть расстояния от Северного полюса до экватора, которую также нужно было измерять вручную и через метры. Проблема была решена нестандартным способом.

В 1975 году на Пятнадцатой Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение, что последние полученные данные 299792458 м/с стали считать эталонными для вакуума. А в 1983 году на семнадцатой конференции все перевернулось с ног на голову. Метр — это расстояние, пройденное светом за 1/299792458 секунды.

Фундаментальная роль в физике

Прежде чем углубляться в научные теории, нам нужно разобраться в самом «простом» вопросе: что такое свет? Проблема в том, что в зависимости от условий эксперимента пучок ведет себя либо как поток частиц, называемых «фотонами», либо как волна.

Поэтому с XVII века в научном мире ведутся споры:

  1. Некоторые ученые считали, что свет является частью эфира, всепроникающей сущности, которая колеблется, вызывая привычные нам электромагнитные явления. Эту идею постулировал Рене Декарт.
  2. Некоторые ученые считали, что свет — это просто набор летящих частиц. Их корпускулярная теория была сформулирована Исааком Ньютоном.
  3. Другие утверждали, что свет — это волна. Их волновая теория была доказана голландским физиком Кристианом Гюйгенсом.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Исаак Ньютон

В конце 19 века именно эфирная теория света считалась наиболее достоверной. Но опыт Майкельсона-Морли в 1887 году все изменил. Американские ученые решили измерить скорость света вдоль потока эфира и поперек. Поэтому они хотели знать, насколько быстры эфирные потоки. Но исследователи были удивлены, когда выяснилось, что свет распространяется одинаково во всех направлениях. Это означало, что его не касался эфир.

Теория электромагнетизма Максвелла ввела в физику понятие об электромагнитном поле, распространяющемся вокруг заряженных тел. В то же время реально определить его движение можно только в том случае, если обозначена некоторая точка отсчета и система координат. Эта теория помогла объяснить волновую природу света.

В 1901 году на основе идеи Альберта Эйнштейна немец Макс Планк пришел к выводу, что свет излучается и поглощается строго порциями, квантами, в зависимости от длины волны. Эти части были названы фотонами, что объясняло 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 он постоянный. Эта простая задача буквально перевернула все представления о физике элементарных частиц с ног на голову. Если сделать логические выводы из тезисов Эйнштейна, то получается, что:

  1. Скорость света одинакова для всех безмассовых частиц и волн. То есть все излучение в вакууме будет двигаться с одинаковой скоростью.
  2. Е=мс2. Это легендарное уравнение означает, что каждая форма энергии имеет определенную массу. В этом случае последняя равна в покое количеству содержащейся в объекте энергии, умноженному на постоянную скорость света в квадрате.
  3. Уменьшение длины. Это теория Хендрика Лоренца, согласно которой чем быстрее движется объект, тем короче он становится. При этом сам Эйнштейн считал, что подобное явление сродни оптическому обману. В то же время другие исследователи считают такое снижение объективным.
  4. Пространство-время. В специальной теории относительности время — это не самостоятельная величина, а другое измерение, такое как длина, ширина и высота. Этот постулат доказывается тем, что при больших скоростях время нахождения объекта в движении сокращается.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Альберт Эйнштейн

Скорость света в вакууме используется современными физиками как константа при изучении большинства явлений, даже если они не имеют прямого отношения к свету, например гравитации. Затем эти знания используются в расширенной разработке. Например, на спутниках GPS и Международной космической станции часы корректируются на 0,01 с в год из-за искажения орбитального времени.

Верхний предел скорости

Согласно специальной теории относительности, максимальная скорость света распространяется только на частицы, не имеющие массы. То есть ни один объект или живое существо не может достичь его. Логика в этом утверждении следует из исследований Эйнштейна и Лоренца.

Чем быстрее становится скорость объекта, тем больше увеличивается его энергия. К формуле E=ms2 добавляется гамма-фактор Лоренца, учитывающий уменьшение длины и замедление времени. По мере приближения к скорости света этот коэффициент стремится к бесконечности. То есть для достижения предела скорости объекту потребуется, как минимум, бесконечная энергия. При этом сам он будет становиться все меньше и меньше, пока не станет точкой бесконечной массы, где время полностью остановится. А это означает движение.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Физические формулы

В 1910 году Альберт Эйнштейн и Арнольд Зоммерфельд придумали мысленный эксперимент. Они предположили, что существуют тахионы электромагнитных частиц, которые могут двигаться быстрее скорости света. В этом случае они отправятся в прошлое и смогут перенести информацию в прошлое. Но современная физика считает это невозможным, потому что тогда нарушилась бы причинно-следственная связь.

С другой стороны, тахионы и путешествия во времени стали благодатной почвой для писателей-фантастов. Одним из самых известных персонажей, связанных с этой темой, является Флэш из вселенной комиксов DC. Его способность перемещаться во времени авторы связывают с использованием тахионов и преодолением верхнего предела скорости.

Как посчитать значение фундаментальной константы

Самый простой способ, которым вы можете воспользоваться, — теоретический. Благодаря электромагнитной теории Максвелла известно, что скорость света можно вычислить из электрической и магнитной постоянных по формуле c2=1/(e0m0). По результатам 1907 года исследователи Роза и Дорси добились результата с точностью 22 км/с.

Другой современный вариант измерения потребует специального объемного резонатора. С его помощью можно точно выполнить самостоятельное исследование длины волны и частоты излучения, а затем умножить, вычислив скорость света. Этот вариант при знании габаритов устройства с точностью до микрометра позволяет рассчитать скоростной режим с точностью до 3 км/с.

Как измеряли скорость света?

Люди пытались выяснить, насколько быстр световой луч, с древних времен. Однако, учитывая чрезмерно высокие скоростные характеристики исследуемого объекта, большинство исследователей пришли к выводу, что свет распространяется мгновенно. Есть 3 самых известных опыта, которые прекрасно демонстрируют развитие подхода к изучению проблемы.

Опыт Галилея

В 1607 году великий Галилео Галилей усомнился в том, что скорость светового луча бесконечна, и дал простую идею для опровержения. Он и его помощник стояли на разных холмах, расстояние между которыми было рассчитано заранее. Сначала одному из них пришлось открыть люк фонаря. Как только другой ученый увидел свет, он тоже должен был светить в противоположном направлении.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Галилео Галилей

Потом задача вышла на школьный уровень. Двойное расстояние пришлось разделить во времени. Но визуальных задержек в движении света ученый не заметил, поэтому признал идею неудачной. Проблема измерения заключалась не только в действительно чрезмерной скорости изучаемого объекта, но и в физиологических ограничениях скорости реакции самих исследователей.

Опыт Рёмера и Брэдли

Почти 70 лет спустя проблема бесконечной скорости света была частично решена датским астрономом Олафом Ремером. Он последовал за Юпитером. Оказалось, что когда Земля отлетает дальше от планеты, затмения спутника Ио начинают задерживаться на 22 минуты. Астроном приписал это отклонение от расчетных значений скорости света в космосе и получил примерно значение 212 000 км/с. Столь большая ошибка возникла из-за того, что ученый не смог учесть эллиптическое искривление орбит планет.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Олаф Ремер

В 1676 году Олаф Ремер объявил о своем открытии в Парижской академии, но полноценного научного труда не написал. Поэтому идея получила официальное признание после открытия Джеймсом Брэдли аберрации — изменения направления излучения в зависимости от выбранной системы отсчета. Проще говоря, англичанин математически доказал, что небесные тела движутся не по кругу, а по эллиптической траектории, вычислил ее и уточнил скорость света до 308 000 км/с.

Однако несложно догадаться, что погрешности в астрономических расчетах не позволяют максимально точно вычислить, насколько быстр свет. Для этого нужно было иметь более контролируемые лабораторные условия на Земле.

Опыт Физо

В 1849 году французский ученый Арманд Ипполит Луи Физо смог решить новую задачу, усовершенствовав идею Галилея и исключив из нее человеческий фактор. В его эксперименте пучок света проходил через шестерню, постоянно прерываясь. Эти отключения были зафиксированы на расстоянии 8,63 км. По его расчетам, значение составило 313 300 км/с.

Скорость света простыми словами: что это такое, как ее оценивают и измеряют

Арман Ипполит Луи Физо

Но главная суть этого опыта в том, что ученым впервые была предоставлена ​​возможность полностью контролировать все этапы эксперимента. Остается только подождать чуть более 100 лет, чтобы наука получила более точные методы измерения. Именно это произошло в 1975 году, когда ученые с помощью лазеров смогли достичь пределов точности в метрической системе.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Физики предлагают несколько вариантов того, как что-то может двигаться быстрее скорости света. Но у них есть некоторые оговорки: таким образом невозможно передать информацию, массу или энергию.

Например:

  1. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. Предполагается, что если 2 квантовые частицы запутались, то одна из них изменяется одновременно с другой. Но это происходит только тогда, когда это видит наблюдатель. То есть, если они расположены далеко друг от друга, это изменение может быть передано и обнаружено быстрее скорости света. Но поскольку наблюдатель не может предсказать, как изменится квантовая частица, информация передается не так быстро.
  2. Эффект Хартмана. Это означает, что скорость волны, проходящей через непрозрачный туннель, увеличивается пропорционально толщине барьера независимо от времени. Теоретически виртуальные частицы могут таким образом преодолевать ограничение скорости. Но с их помощью не получится передать ни энергию, ни информацию.
  3. Сфера Хаббла. Вселенная расширяется. Люди способны наблюдать его только в тех пределах, где скорость расширения меньше скорости света. На самом деле за пределами этого предела объекты движутся быстрее предела. Но тут стоит уточнить, что это не собственная скорость, а скорее изменение самого пространства.

В настоящее время нет теории, которая могла бы обеспечить возможность преодоления скорости света на Земле или в космосе. Но исследования этой проблемы продолжаются.

Оцените статью
kuzyeti.ru
Добавить комментарий

Adblock
detector