Какова скорость света?
Скорость света определяет скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Эта величина, измеренная в вакууме, имеет самую высокую максимальную скоростью, известную человеку — она составляет 299 792 458 м/с. В этих условиях это также физическая константа (символом С). Этот термин означает, что скорость света в вакууме постоянна независимо от изменений инерциальных систем отсчета или, например, частоты волны.
Альберт Эйнштейн внес большой вклад в наше современное восприятие скорости света. В одном из постулатов он заметил, что скорость света постоянна и составляет С. Состояние должно быть истинным для любой системы отсчета. Несмотря на множество исследований, по сей день мы не можем получить никаких результатов, которые бросили бы вызов теории гениального ученого, поэтому кажется, что скорость света как физическая константа останется с нами навсегда.
Что определяет скорость света?
Группы частиц (фотоны), переносящие электромагнитные волны, всегда движутся с одинаковой скоростью, и они не могут двигаться быстрее или медленнее, чем 299 792 458 м/с. Однако, если мы излучаем луч света в любой среде, скорость электромагнитной волны в этом случае будет меньше, чем у того же луча, проходящего через вакуум. Почему это так?
Достаточно, чтобы волна столкнулась даже об самое слабое препятствие на своем пути, чтобы ее фазовая скорость сразу упала, иногда до относительно низких уровней. Свет, движущийся в не пустом пространстве, заставляет их электрические заряды вибрировать. Когда колебания зарядов среды возвращаются в исходное состояние, они высвобождают волны, отставшие от волн, которые были доставлены в среду первыми. Восприятие замедления света является результатом этого свойства этой среды — прохождение электромагнитных волн через специальный фильтр частиц в материальных средах — это гораздо более трудоемкий процесс, хотя сами фотоны всегда движутся со скоростью света.
Полученные нами результаты измерения скорости света также во многом зависят от используемого метода этого измерения. Электромагнитные волны распространяются так быстро, что невозможно найти какой-либо эффективный метод, основанный только на человеческих чувствах. Поэтому для измерения скорости света в вакууме и в материальной среде используются различные более совершенные инструменты, такие как детектор модулированного света.
Можете ли вы опередить свет?
В течение многих лет авторы литературы и различных фантастических фильмов охотно используют в своих работах мотив сверхсветовой тяги, который, например, используется в космических путешествиях, позволяет космонавтам за очень короткое время оказаться в далекой части космоса. Однако реальность, установленная законами физики, заставляет нас включать этот элемент больше в художественную литературу, чем в науку.
Так можно ли превзойти свет? Любой попытке ответить на этот вопрос следует предварительно вспомнить сведения об элементарных свойствах самой электромагнитной волны. Ее переносят фотоны — уникальные частицы, не имеющие массы в состоянии покоя. Среди прочего, именно благодаря этому свойству и волновой природе свет может достигать головокружительной скорости 299 792 458 м/с.
Проблема возникает в том месте, где мы хотели бы передать этот импульс любому объекту, который имеет ненулевую массу покоя. Чтобы разогнать объект до этой скорости (будь то крошечная частица или огромный космический корабль), потребуется бесконечное количество энергии. Это связано с тем, что увеличение скорости связано с увеличением массы объекта, что, в свою очередь, означает, что он движется с увеличением сопротивления дальнейшему ускорению.
Следовательно, это условие не оставляет сомнений — в случае скорости распространения света в вакууме у нас есть значение, которое не может быть превышено для любого объекта, имеющего даже самую маленькую массу. Попадание в него других частиц, кроме фотонов, нарушило бы законы физики.
Вы можете представить себе скорость света в вакууме?
Ответ на этот вопрос: это зависит от обстоятельств. В настоящее время нам не нужно представлять это каким-либо образом, потому что у нас есть проверенные, очень точные методы измерения, и мы знаем, что это 299 792 458 м/с. Чтобы уловить в уме такое большое значение, как скорость света, нужно найти точку отсчета, которая поможет нам визуально представить ее.
В масштабе необъятности Вселенной даже такая большая скорость, с которой распространяется свет, кажется малой. Его лучи постоянно перемещаются на огромные расстояния между космическими объектами, и именно на их основе астрономы могут точно оценить такие параметры небесных тел, как, например, направление и скорость их движения. Необходимость преодолевать большие расстояния с помощью электромагнитных волн, чтобы достичь наблюдателя на Земле, означает, что между излучением волны объектом и обнаружением света на нашей планете может пройти много времени.
Это явление заметно даже в случае столь близкого к нам Солнца (в космическом масштабе). Если бы центральная звезда нашей системы внезапно взорвалась, люди на Земле смогли бы наблюдать ее в течение 8 минут после взрыва. Эта пропорция значительно увеличивается для объектов, удаленных от нашей родной планеты на десятки, тысячи и более световых лет. Глядя на небо ночью, мы видим звезды такими, какими они были когда-то давным-давно.
Как изучали скорость света до эпохи современных технологий?
История самой важной константы во Вселенной.
Точная скорость света долгое время оставалась загадкой. До наших времен не сохранилось никаких сведений об измерении его людьми, жившими до 17 века, поэтому сложно сказать, предпринимались ли вообще такие попытки в древности.
Скорее, наблюдение за миром дало людям основания полагать, что скорость света бесконечна. Подобные предположения вряд ли будут удивительными — именно такие выводы сделали наши далекие предки, для которых Вселенная характеризовалась гораздо меньшим возможным масштабом наблюдений. Отсутствие ощутимых задержек между излучением света (например, при зажжении факела) и его замечанием привело древних людей к предположению, что они имеют дело со значением, не ограниченным каким-либо известным правилом или пределом.
Галилей и первый шаг на правильном пути
Самая ранняя известная попытка измерить скорость движения света была предпринята итальянским физиком и астрономом Галилео, родившимся в 16 веке. Он решил сопоставить реальность универсальной теории бесконечной ценности с помощью эксперимента. Он и его спутник поднялись на вершины двух далеких холмов с фонарями в руках. Открытие фонаря одним из физиков стало сигналом для другого немедленно сделать то же самое. Исследователь, открывавший маяк в то время, должен был измерить, сколько времени прошло от открытия источника света до того, как он получил ответ от своего коллеги.
Выводы, которые сделал Галилей из своего эксперимента, вовсе не были неверными, хотя и весьма неточными с сегодняшней точки зрения. Ему удалось оценить скорость движения света — по оценке астронома, она будет более 30 километров в час. Хотя теперь мы знаем, что это значение во много тысяч раз больше.
Как с помощью Юпитера измеряли скорость света?
Еще один прорыв в мире физики в измерении этой величины произошел в конце 17 века. Датский ученый Оле Ремер представил в 1676 году доказательства того, что скорость света на самом деле конечна. Он смог сделать этот вывод из наблюдений одной из лун Юпитера и различных частот ее затмений. Они происходили чаще, когда Юпитер приближался к Земле, и реже, когда Юпитер удалялся от нее. Ученый объяснил это явление тем, что свет от Юпитера должен был пройти более длинный путь, прежде чем он был доставлен наблюдателю на Земле. Затем, основываясь на наблюдениях Ремера, голландский исследователь физики Кристиан Гюйгенс оценил скорость света в вакууме и воздухе в 214 300 км/с.
Разработка механических методов определения скорости света
В 18 веке было разработано измерение скорости света в лабораторных условиях с помощью различных устройств. Стоит упомянуть, например, метод вращающегося зеркала (впервые примененный Жаном Фуко), который определяет скорость света по смещению изображения, падающего на вращающееся зеркало.
Ошибки измерения — не единственная проблема, с которой физикам приходилось сталкиваться на протяжении многих лет, чтобы приблизиться к открытию необычных свойств скорости света. Сегодня, пользуясь возможностями, предлагаемыми новейшими технологиями, мы умело оцениваем и применяем это уникальное значение среди физических констант. Можем ли мы узнать больше о скорости света? Трудно сказать, но мы с нетерпением ждем следующих прорывов в физических исследованиях в этой области.