Чому швидкість світла стала. Чи можна змінити швидкість світла? Роль у сучасній астрофізиці

У ХІХ столітті сталося кілька наукових експериментів, які призвели до відкриття низки нових явищ. Серед цих явищ – відкриття Гансом Ерстедом породження магнітної індукції електричним струмом. Пізніше Майкл Фарадей виявив зворотний ефект, названий електромагнітною індукцією.

Рівняння Джеймса Максвелла – електромагнітна природа світла

Внаслідок цих відкриттів було відзначено так зване «взаємодія на відстані», внаслідок чого нова теоріяелектромагнетизму, сформульована Вільгельмом Вебером, була заснована на далекодії. Пізніше Максвелл визначив поняття електричного і магнітного полів, які здатні породжувати один одного, що і є електромагнітною хвилею. Згодом Максвелл використав у своїх рівняннях так звану «електромагнітну постійну». з.

На той час вчені вже наблизилися до того факту, що світло має електромагнітну природу. Фізичний сенс електромагнітної постійної – швидкість поширення електромагнітних збуджень. На подив самого Джеймса Максвелла, виміряне значення цієї постійної в експериментах з одиничними зарядами і струмами дорівнювало швидкості світла у вакуумі.

До даного відкриттялюдство поділяло світло, електрику та магнетизм. Узагальнення Максвелла дозволило по-новому поглянути на природу світла, як на якийсь фрагмент електричного та магнітного полів, що розповсюджується самостійно у просторі.

На малюнку нижче зображено схему поширення електромагнітної хвилі, якою також є світло. Тут H - вектор напруженості магнітного поля, E - вектор напруженості електричного поля. Обидва вектори перпендикулярні один одному, а також напряму поширення хвилі.

Досвід Майкелсона - абсолютність швидкості світла

Фізика на той час багато в чому будувалася з урахуванням принципу відносності Галілея, згідно з яким закони механіки виглядають однаково в будь-якій вибраній інерційній системі відліку. У той самий час відповідно до складання швидкостей – швидкість поширення мала залежати від швидкості руху джерела. Проте, у разі електромагнітна хвиля поводилася б по-різному залежно від вибору системи відліку, що порушує принцип відносності Галілея. Таким чином, як би добре складена теорія Максвелла перебувала в хисткому стані.

Експерименти показали, що швидкість світла дійсно не залежить від швидкості руху джерела, а отже, потрібна теорія, яка здатна пояснити настільки дивний факт. Найкращою теорієюна той час виявилася теорія «ефіру» — якогось середовища, в якому і поширюється світло, подібно до того, як поширюється звук у повітрі. Тоді швидкість світла визначалася б не швидкістю руху джерела, а особливостями самого середовища - ефіру.

Здійснювалося безліч експериментів з метою виявлення ефіру, найбільш відомий з яких – досвід американського фізикаАльберта Майкелсона. Говорячи коротко, відомо, що Земля рухається в космічному просторі. Тоді логічно припустити, що вона рухається і через ефір, оскільки повна прихильність ефіру до Землі – як найвищий ступіньегоїзму, а й просто може бути чимось викликана. Якщо Земля рухається через якесь середовище, де поширюється світло, то логічно припустити, що тут має місце складання швидкостей. Тобто поширення світла має залежати від напряму руху Землі, що летить через ефір. В результаті своїх експериментів Майкелсон не виявив будь-якої різницею між швидкістю поширення світла в обидві сторони від Землі.

Цю проблему спробував вирішити нідерландський фізик Хендрік Лоренц. Згідно з його припущенням, «ефірний вітер» впливав на тіла таким чином, що вони скорочували свої розміри у напрямку свого руху. Виходячи з цього припущення, як Земля, так і прилад Майкелсона, відчували це Лоренцеве скорочення, внаслідок чого Альберт Майкелсон отримав однакову швидкість для поширення світла в обох напрямках. І хоча Лоренцу трохи вдалий відтягнути момент загибелі теорії ефіру, все ж таки вчені відчували, що дана теорія"притягнута за вуха". Так ефір повинен був мати ряд «казкових» властивостей, серед яких невагомість і відсутність опору тілам, що рухаються.

Кінець історії ефіру прийшов у 1905-му році разом з публікацією статті «До електродинаміки тіл, що рухаються» тоді ще мало відомого – Альберта Ейнштейна.

Спеціальна теорія відносності Альберта Ейнштейна

Двадцятишестирічний Альберт Ейнштейн висловлював зовсім новий, інший погляд на природу простору та часу, що йшов у розріз з тодішніми уявленнями, і особливо грубо порушував принцип відносності Галілея. Згідно з Ейнштейном, досвід Майкельсона не дав позитивних результатівтому, що простір і час мають такі властивості, що швидкість світла є абсолютна величина. Тобто в якій системі відліку не знаходився б спостерігач – швидкість світла щодо нього завжди одна 300 000 км/сек. З цього випливала неможливість застосування складання швидкостей по відношенню до світла - з якою б швидкістю не рухалося джерело світла, швидкість світла не буде змінюватися (складатися або відніматися).

Ейнштейн використовував Лоренцеве скорочення для опису зміни параметрів тіл, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Так, наприклад, довжина таких тіл скорочуватиметься, а їхній власний час – сповільнюватиметься. Коефіцієнт таких змін називається Лоренц-фактор. Відома формулаЕйнштейна E=mc 2насправді включає також Лоренц-фактор ( E= ymc 2), який у загальному випадкуприрівнюється до одиниці, у разі коли швидкість тіла vдорівнює нулю. З наближенням швидкості тіла vдо швидкості світла cЛоренц-фактор yспрямовується до нескінченності. З цього випливає, що для того, щоб розігнати тіло до швидкості світла потрібно нескінченну кількість енергії, а тому перейти цю межу швидкості неможливо.

На користь цього твердженняІснує також такий аргумент як «відносність одночасності».

Парадокс відносності одночасності СТО

Говорячи коротко, явище відносності одночасності полягає в тому, що годинник, який розташовується в різних точкахпростору можуть йти «одночасно» тільки якщо вони знаходяться в одній і тій же інерційній системі відліку. Тобто час на годиннику залежить від вибору системи відліку.

З цього ж випливає такий парадокс, що подія B, яка є наслідком події A, може статися одночасно з нею. Крім того, можна вибрати системи відліку таким чином, що подія B відбудеться раніше, ніж подія A, що викликала її. Подібне явище порушує принцип причинності, який досить міцно зміцнився в науці і жодного разу не ставився під сумнів. Однак, дана гіпотетична ситуація спостерігається лише в тому випадку, коли відстань між подіями A і B більша, ніж часовий проміжок між ними, помножений на «електромагнітну постійну». з. Таким чином, постійна c, Якою дорівнює швидкість світла, є максимальною швидкістюпередачі інформації. В іншому випадку порушувався б принцип причинності.

Як вимірюють швидкість світла?

Спостереження Олаф Ромера

Вчені античності у своїй більшості вважали, що світло рухається з біс кінцевою швидкістю, і першу оцінку швидкості світла було отримано аж у 1676-му році. Данський астроном Олаф Ремер спостерігав за Юпітером та його супутниками. У момент, коли Земля та Юпітер опинилися з протилежних сторінСонця, затемнення супутника Юпітера - Іо запізнювалося на 22 хвилини, порівняно з розрахованим часом. Єдине рішення, Яке знайшов Олаф Ремер - швидкість світла гранична. З цієї причини інформація про подію, що спостерігається, запізнюється на 22 хвилини, так як на проходження відстані від супутника Іо до телескопа астронома потрібно деякий час. За підрахунками Ромера швидкість світла становила 220 000 км/с.

Спостереження Джеймса Бредлі

У 1727 році англійський астроном Джеймс Бредлі відкрив явище аберації світла. Суть даного явищаполягає в тому, що при русі Землі навколо Сонця, а також під час власного обертанняЗемлі спостерігається усунення зірок у нічному небі. Так як спостерігач землянин і сама Земля постійно змінюють свій напрямок руху щодо зірки, що спостерігається, світло, випромінюване зіркою, проходить різну відстань і падає під різним кутом до спостерігача з плином часу. Обмеженість швидкості світла призводить до того, що зірки на небосхилі описують еліпс протягом року. Цей експериментдозволив Джеймсу Бредлі оцінити швидкість світла – 308 000 км/с.

Досвід Луї Фізо

1849-го року французьким фізиком Луї Фізо був поставлений лабораторний досвідз вимірювання швидкості світла. Фізик встановив дзеркало в Парижі на відстані 8633 метрів від джерела, проте згідно з розрахунками Ромера світло пройде цевідстань за стотисячні частки секунди. Подібна точність годинника тоді була недосяжною. Тоді Фізо використовував зубчасте колесо, яке оберталося на шляху від джерела до дзеркала і від дзеркала до спостерігача, зубці якого періодично закривали світло. У випадку, коли світловий промінь від джерела до дзеркала проходив між зубцями, а на зворотним шляхомпотрапляв у зубець – фізик збільшував швидкість обертання колеса вдвічі. Зі збільшенням швидкості обертання колеса світло практично перестало пропадати, поки швидкість обертання не дійшла до 12,67 обертів на секунду. У цей момент світло знову зникло.

Подібне спостереження означало, що світло постійно натикалося на зубці і не встигало проскочити між ними. Знаючи швидкість обертання колеса, кількість зубців і подвоєну відстань від джерела до дзеркала, Фізо вирахував швидкість світла, яка дорівнювала 315 000 км/сек.

Через рік інший французький фізик Леон Фуко провів схожий експеримент, в якому замість зубчастого колеса використовував дзеркало, що обертається. Отримане ним значення швидкості світла повітря складало 298 000 км/с.

Через століття метод Фізо був удосконалений настільки, що аналогічний експеримент, поставлений у 1950 році Е. Бергштрандом дав значення швидкості рівне 299 793,1 км/с. Це числовсього на 1 км/с розходиться із нинішнім значенням швидкості світла.

Подальші виміри

З виникненням лазерів та підвищенням точності вимірювальних приладіввдалося знизити похибку вимірювання до 1 м/с. Так 1972-го року американські вчені використовували лазер для своїх дослідів. Вимірявши частоту та довжину хвилі лазерного променяїм вдалося отримати значення – 299 792 458 м/с. Примітно, що подальше збільшення точності вимірювання швидкості світла у вакуумі було нереалізовано не в силу технічної недосконалості інструментів, а через похибку самого еталона метра. З цієї причини в 1983 році XVII Генеральна конференція з мір і ваг визначила метр як відстань, яка долає світло у вакуумі за час, що дорівнює 1 / 299 792 458 секунди.

Підведемо підсумки

Отже, зі всього вищесказаного випливає, що швидкість світла у вакуумі – фундаментальна фізична стала, яка фігурує у багатьох фундаментальних теоріях. Ця швидкістьабсолютна, тобто залежить від вибору системи відліку, і навіть дорівнює граничної швидкості передачі. З цією швидкістю рухаються не тільки електромагнітні хвилі(Світло), але також і всі безмасові частинки. У тому числі, ймовірно, гравітон – частка гравітаційних хвиль. Крім того, через релятивістські ефекти свій час для світла практично стоїть.

Подібні характеристики світла, особливо непридатність щодо нього принципу складання швидкостей, не вкладаються у голові. Однак, безліч експериментів підтверджують перелічені вище властивості, і ряд фундаментальних теорійбудуються саме такою природі світла.

Отримавши безліч подяк від населення цієї країни, що зголодніло з науки, ми вирішили продовжити лікнеп для тих, хто в дитинстві мріяв стати вченим, але якось не склалося. Назло всім фахівцям та кандидатам, порушуючи все до єдиної методології та правила доброго наукового тексту, ми пишемо доступною мовоюпро відкриття сучасної (і не дуже) науки та додаємо до цього випадкові картинки з інтернету.
Сьогодні ми поговоримо про швидкість світла, чому вона постійна, чому всі "бігають" з цією швидкістю і дивуються оною, і що взагалі, чорт забирай, відбувається.

Власне, швидкість світла почали намагатися виміряти ще дуже давно. Усі там Кеплери та інші вважали, що швидкість світла нескінченна, а Галілей, наприклад, вважав, що швидкість визначити можна, але важко, оскільки вона дуже велика.
Прав виявився Галілей і що з ним. У 17 столітті хтось Ромер неточно розрахував швидкість світла, коли спостерігав затемнення супутників Юпітера. Ну а надалі науково-технічний прогресостаточно все розставив на місця, і з'ясувалося, що швидкість світла дорівнює приблизно 300 000 кілометрів на секунду.

Але що такого в цьому значенні? Чому ця швидкість така важлива? Швидкість мого лисапедатеж можна підрахувати, але ніхто ж над нею не розмірковує про вічність і структуру світобудови.

А каверза в тому, що швидкість світла ЗАВЖДИ дорівнює 300 000 кілометрів в секунду.
Виходячи з власного досвідуподорожі на лисапедах, уявимо ситуацію: ви з другом їдете на велосипедах: ваш друг трохи швидше, а ви трохи повільніше. Допустимо зі швидкостями 20 і 15 км/год відповідно. І якщо ви, рухаючись зі своєю швидкістю, вирішите виміряти (як-небудь) швидкість друга, то ви обчислите, що ваш друг рухається щодо вас зі швидкістю 5 км/год.

Ну це прості правиласкладання швидкостей. Тут щось, сподіваємося, все зрозуміло. Якщо ви збільшите швидкість до 20 км/год і наженете друга, то щодо вас ваш друг матиме швидкість рівну нулю.

Це логічно і випливає з життєвого досвіду. Швидкість моторного човнаяка, що рухається за течією, також складається зі власної швидкості човна та швидкості течії річки.

А тепер спробуємо зробити той самий фокус зі світлом. Ваш друг раптово анігілював і перетворився на промінь світла. Ви вирішили погнатися за ним і добряче для цього постаралися. Ви розігналися до швидкості досить близькою до швидкості світла. І чисто заради приколу, з наукової, так би мовити, цікавості, вирішили теж заміряти швидкість вашого колишнього друга. Зрозуміло, ви впевнені, що отримаєте рішення рівну швидкостісвітла за мінусом вашої швидкості.

І ось тут на вас чекає сюрприз. Розрахунково-дослідним шляхом ви з'ясуйте, що відносна швидкістьвашого променевого приятеля, як і раніше, 300 000 м/сек. З якою б швидкістю не рухалися особисто ви, незалежно від напрямку: паралельно до руху світла, назустріч світлу, перпендикулярно і т.д. - швидкість світла завжди дорівнюватиме 300 000 м/сек.

Вперше цю нестыковку помітили на початку XX століття пара вчених Майкельсон і Морлі.

Безліч дослідів згодом підтвердили: як не виміряй швидкість світла, вона за будь-яких умов відносного рухудорівнює своєму постійного значення. Багато людей досі відмовляються в це вірити і шарлатани від науки засувають теорії спростування сталості швидкості світла. До 1905 року ніхто не міг пояснити, чому швидкість світла не хоче бути відносною, поки не прийшов Ейнштейн і не здогадався, що відбувається.

Швидкість світла, як виявилось, порадувала нас ще кількома раптовими чудесами. Ейнштейн, анітрохи не вагаючись, повідав світові про інші дива високошвидкісних режимів.

Справа в тому, що чим більша наша швидкість, тим повільніше йде наш годинник. Час уповільнюється зі збільшенням швидкості. Якщо ви думаєте, що це теоретичні та математичні жарти, які не мають реального підтвердження, ви застрягли в Середньовіччі.

На жаль, але реальні дослідибули проведені ще у минулому столітті. Брали дуже точну пару годин, що показують однаковий час. Один екземпляр годинника брали на борт реактивного літака, а другий годинник залишався на землі. Перший годинник на величезній швидкості кілька разів прокотив навколо планети. А потім звірили час. Годинник із літака відставав.

І чим ближче хтось рухається до швидкості світла, тим повільніше йде його годинник (сам-то він цього не помічає і вважає, що його годинник йде правильно, але це вже парадокси теорії відносності, ми зараз не про них розповідаємо).

Таким чином, якби хтось із годинником розігнався до швидкості світла, то час для нього зупинився б. Як кажуть фізики: годинник на фотоні не йде.
І якби була можливість перевищити швидкість світла, то математика нам повідомляє, що в такому разі час піде у зворотний бік. Це одна з причин неможливості надсвітлових швидкостей- Порушиться причинно-наслідковий зв'язок, чи знаєте. Ви розігналися до швидкості 400 000 км/с і опинилися минулого….

Але розігнатися до швидкості світла нам заважають серйозніші причини, ніж уповільнення часу. Все, що має масу, не може летіти зі швидкістю світла, на жаль. Як тільки ми починаємо прискорюватися, наша маса збільшується і чим ближче до швидкості світла, тим наша маса більше. І тим більше потрібна енергія, щоб нас розганяти. При значеннях дуже близьких до швидкості світла наша маса стає практично нескінченною і відповідно для подальшого розгону нам потрібно нескінченна енергія. У математиці це виглядає як поділ на нуль.

А чому фотон летить зі швидкістю світла? - Запитає допитливий і кмітливий читач. Тому що у нього немає власної маси (знавці, мовчіть про різницю між масою спокою, інертної масита інших нюансах – ми спрощуємо, а не завантажуємо).

Так-так, коли в цих ваших колайдерах розганяють електрон, то навіть його маленьку масу не можна пульнути зі швидкістю світла.

Не можемо не процитувати якийсь підручник: " Якщо швидкість частинки лише на 90 км/с менше швидкості світла, її маса збільшується в 40 раз. Потужні прискорювачі для електронів здатні розганяти ці частинки до швидкостей, які менші за швидкість світла лише на 35—50 м/с. При цьому маса електрона зростає приблизно 2000 разів. Щоб такий електрон утримувався на круговій орбіті, на нього з боку магнітного поля повинна діяти сила, яка у 2000 разів більша, ніж можна було б припускати, не враховуючи залежності маси від швидкості.Подумайте про це, перш ніж будувати плани зі створення машини часу.

Тому коли ви вкотре читаєте, що хтось відкрив щось, що перевищує швидкість світла, і тепер продає на основі цієї технології торсіонні препарати від нетравлення шлунка, згадайте нашу статтю.
Швидкість світла це дивовижна фізична величина. Якщо, наприклад, час помножити на швидкість світла (отримавши "метричні" значення), то вийде та сама четверта вісь чотиривимірного простору, яким оперує вся теорія відносності: довжина, ширина, висота, час. Це вкрай зубодробна теорія, але висновки з неї шикарні і досі вражають незміцнілі уми юних фізиків.

Відмітимо, що сучасна фізикане заперечує можливість подолання швидкості світла. Але всі ці припущення стосуються не подолання швидкості "в лоб". Йдеться про переміщення у просторі за час менший, ніж його подолає світло. А це може бути внаслідок всякого роду невідкритих чи нерозгаданих взаємодій (типу квантової телепортації), або за рахунок викривлення простору (типу гіпотетичних кротових нір), або існування частинок, у яких час йдев зворотному напрямку(Типу теоретичних тахіонів).

На цьому у нас усі. Написано на замовлення організацій, що зламують духовні скріпи і пропагують поширення б-гомерзкой науки проти пізнавальних передач цих ваших РЕН-ТВ і ТНТ. Спасибі за увагу. Далі буде.

NB: Усі зображення взяті з гугла (пошук за картинками) - авторство визначається там же.
Незаконне копіювання тексту переслідується, припиняється, ну і самі знаєте...

Робота нашої підсвідомості

Наша свідомість, яку ми часом вважаємо нашим «Я», є лише невеликою частиною роботи мозку в цілому. Усвідомлення себе як особистості лише не більша частинароботи мозку, більшість інших процесів, що відбуваються в голові, обробляється без залучення свідомості. Це не тільки автоматизовані реакції на кшталт дихання, управління серцем, м'язами при ходьбі, а й складніші: розпізнавання образів, формування об'ємної реальності. Мозок, по суті, на попередньому рівні вибирає, що показати свідомості, а що опустити. Якісь дії виконуються настільки автоматизовано, що свідомість не повідомляється про виконувану роботу.

Цілком випадково, нещодавно дізнався, що в мене вийшли нові книги: «Свідомі виходи з тіла. Досвід подорожі в інші світи» та «Контрольовані сновидіння. Керована реальність». Вийшли вони від деякого видавництва ІПЛ у 2016 році. Виявляється буває і таке, сам автор не знає, що в нього виходять нові книги.

Перейменували книгу на свій лад та випустили як новинки автора.Що це за видавництво не маю уявлення, але прочитавши відгуки до книг можна зробити висновок: це моя перша та друга книга, що вийшла у видавництві «Весь» під назвами: «Мандрівник сновидінь. Частина 1. Початок шляху» та «Мандрівник сновидінь. Частина 2. Нове тисячоліття».

По суті це одні й самі книги. Якщо ви раніше читали серію Мандрівник сновидінь, то нові книги купувати не має сенсу.

До чого сняться щури

Отже, щоб дізнатися, з якого боку чекати укусу щура, проаналізуйте свій сон.

Розберемо як думка може мати силу. Як думки взагалі можуть взаємодіяти із всесвітом, викликати події не пов'язані з нашими прямими діями. Які закони всесвіту дозволяють виконувати наші уявні бажання. Яким чином наш мозок може мати даремно бачити на відстані або відчувати події, що відбуваються десь далеко про які ми не маємо уявлення.

Припустимо, що наше тіло і мозок, зокрема, є машиною. Складним, якоюсь мірою незрозумілим, але все ж таки пристроєм, що сприймає і передає сигнали у поза. Зробимо ще одне припущення, що ми схожі на сучасний комп'ютер. Останнім часомвсе більше і більше наш мозок порівнюють з електронними пристроями, Ось і ми не відходитимемо від цієї традиції. Таким чином, наші думки це свого роду програми, з циклами, функціями, що виконують ті чи інші завдання. Частина думок це вихідні дані, але частина мають силу - це програми побудовані за законами всесвіту.

За останній місяцьзіткнувся з кількома людьми, які намагаються змінити своє минуле. Потім дехто розповів про спогади неіснуючого минулого.

Більшість людей вважають зміну минулого не можливою, і ні точного описуяк змінити минуле. Але, так чи інакше, стикаюся з загадковими історіямиякі не можна підтвердити чи спростувати. Будь-яка зміна в минулому призводить до того, що всі навколишні пам'ятають нову історію. Таким чином не можна впевнено сказати, що така розповідь не вигадка автора. Лише деякі особи зберігають спогади про альтернативне сьогодення. Іноді це навіть пам'ять, лише відчуття неправильності поточного моменту; часом осяянні спалахів дежавю, або хибні спогади в голові якихось моментів, які насправді ніколи не було, але чомусь зберігаються в пам'яті як спогади.

• Переклад

Незалежно від кольору, довжини хвилі чи енергії, швидкість, з якою світло переміщається у вакуумі, залишається постійною. Вона не залежить від розташування або напрямків у просторі та часі

Ніщо у Всесвіті не здатне рухатися швидше світлау вакуумі. 299 792 458 метрів за секунду. Якщо це потужна частка, вона може лише наблизитися до цієї швидкості, але не досягти її; якщо це безмасова частка, вона завжди повинна рухатися саме з цією швидкістю, якщо справа відбувається у порожньому просторі. Але звідки нам це відомо і що тому? Цього тижня наш читач ставить нам три пов'язані зі швидкістю світла питання:

Чому швидкість світла є кінцевою? Чому вона саме така, яка є? Чому не швидше і не повільніше?

Якщо світло проходить через воду, призму або будь-яке інше середовище, воно поділяється на різні кольори. Червоний колір заломлюється не під тим кутом, під яким це робить синій, через що і виникає щось на зразок веселки. Це можна спостерігати і поза видимим спектром; інфрачервоний та ультрафіолетове світлоповодяться так само. Це було б можливо тільки якщо швидкість світла в середовищі відрізняється для світла різних довжин хвиль/енергій. Але у вакуумі, поза будь-яким середовищем, всяке світло переміщається з однією і тією ж кінцевою швидкістю.

Поділ світла на кольори відбувається через різні швидкості руху світла, що залежать від довжини хвилі, через середу

До цього додумалися лише у середині XIXстоліття, коли фізик Джеймс Клерк Максвелл показав, що насправді є світлом: електромагнітну хвилю. Максвелл вперше поставив незалежні явища електростатики (статичні заряди), електродинаміки (заряди і струми, що рухаються), магнітостатики (постійні магнітні поля) і магнітодинаміки (наведені струми і змінні магнітні поля) на єдину, об'єднану платформу. Рівняння, що керують нею, - рівняння Максвелла - дозволяють обчислювати відповідь на просте начебто питання: які типи електричних і магнітних полів можуть існувати в порожньому просторі поза електричними або магнітних джерел? Без зарядів і без струмів можна було б вирішити, що ніякі – але рівняння Максвелла дивним чином доводять протилежне.

Табличка з рівняннями Максвелла з зворотного бокуйого пам'ятника

Ніщо – одне з можливих рішень; але можливо й інше – взаємно перпендикулярні електричне і магнітне поля, що коливаються в одній фазі. Вони мають певні амплітуди. Їхня енергія визначається частотою коливань полів. Вони пересуваються з певною швидкістю, яка визначається двома константами: ε 0 і µ 0 . Ці константи визначають величину електричного та магнітної взаємодіїу нашому Всесвіті. Одержуване рівняння визначає хвилю. І, як у будь-якої хвилі, вона має швидкість, 1/√ε 0 µ 0 , яка виявляється рівною c, швидкості світла у вакуумі.

Взаємно перпендикулярні електричне і магнітне поля, що коливаються в одній фазі, що поширюються зі швидкістю світла, визначають електромагнітне випромінювання

З теоретичної точки зору світло - безмасове електромагнітне випромінювання. За законами електромагнетизму він має рухатися зі швидкістю 1/√ε 0 µ 0 , що дорівнює c – незалежно від інших його якостей (енергії, імпульсу, довжини хвилі). ε 0 можна виміряти, зробивши та вимірявши конденсатор; µ 0 точно визначається з ампера, одиниці електричного струму, Що й дає нам с. Та ж фундаментальна константа, вперше виведена Максвеллом у 1865 році, з того часу з'являлася в багатьох інших місцях:

Це швидкість будь-якої безмасової частки чи хвилі, включаючи гравітаційні.
Це фундаментальна константа, що співвідносить ваш рух у просторі з вашим рухом у часі в теорії відносності.
І це фундаментальна константа, що сполучає енергію з масою спокою, E = mc 2

Спостереження Ромера забезпечили нас першими вимірами швидкості світла, отриманими за допомогою геометрії та виміру часу, необхідного на те, щоб світло пройшло відстань, рівне діаметруорбіти Землі.

Перші виміри цієї величини були зроблені під час астрономічних спостережень. Коли Місяця Юпітера входять і виходять у положення затемнення, вони здаються видимими або невидимими із Землі в певної послідовності, що залежить від швидкості світла . Це призвело до першого кількісного виміру в XVII столітті, яке визначили в 2,2 × 10 8 м/с. Відхилення зоряного світла – через рух зірки та Землі, де встановлено телескоп – теж можна оцінити чисельно. У 1729 році цей метод вимірювання з показав значення, що відрізняється від сучасного всього на 1,4%. До 1970-м з визначили рівним 299 792 458 м/с з похибкою всього в 0,0000002%, більша частина якої випливала з неможливості точного визначенняметра чи секунди. До 1983 року секунду і метр перевизначили через с універсальні властивостівипромінювання атома. Тепер швидкість світла дорівнює точно 299792458 м/с.

Атомний перехід з орбіталі 6S, δf 1 визначає метр, секунду і швидкість світла

То чому ж швидкість світла не більша і не менша? Пояснення таке ж просте, як на рис. Вище атом. Атомні переходи відбуваються так, як відбуваються через фундаментальні квантові властивості будівельних блоків природи. Взаємодія атомного ядраз електричним та магнітними полями, створюваними електронами та іншими частинами атома призводять до того, що різні енергетичні рівнівиявляються надзвичайно близько один до одного, але все ж таки трохи відрізняються: це називається надтонким розщепленням. Зокрема, частота переходу надтонкої структури цезію-133 випромінює світло цілком певної частоти. Час, за який проходить 9192631770 таких циклів, визначає секунду; відстань, що світло проходить за цей час, дорівнює 299 792 458 метрам; швидкість, з якою поширюється це світло, визначає с.

Пурпуровий фотон переносить у мільйон разів більше енергії, ніж жовтий. Космічний гамма-телескоп Фермі не показує жодних затримок будь-якого з фотонів, що прийшли до нас від гамма-сплеску, що підтверджує сталість швидкості світла для будь-яких енергій

Щоб змінити це визначення, потрібно, щоб з цим атомним переходом або з світлом, що йде від нього, сталося щось фундаментально відмінне від його поточної природи. Цей приклад також дає нам цінний урок: якби атомна фізикаі атомні переходи працювали б у минулому чи далекої відстані по-іншому, це було б свідченням зміни швидкості світла з часом. Поки що всі виміри, які ми проводимо, лише накладають додаткові обмеження на сталість швидкості світла, і ці обмеження дуже суворі: зміна не перевищує 7% від поточного значення за останні 13,7 млрд років. Якби по якійсь із цих метрик швидкість світла виявилася не постійною, або вона відрізнялася б у різних типівсвітла, це призвело б до найбільшої наукової революціїз часів Ейнштейна. Натомість усі свідчення говорять на користь Всесвіту, в якому всі закони фізики завжди, скрізь, у всіх напрямках, у всі часи залишаються однаковими, включаючи фізику самого світла. У якомусь сенсі це також досить революційні відомості.

Художня вистава космічного корабля, що робить стрибок до "швидкості світла". Надано: NASA/Glenn Research Center.

З давніх часів філософи та вчені прагнули зрозуміти світло. Крім того, намагаючись визначити його основні властивості(Тобто з чого він складається - частка або хвиля і т.д.), вони також прагнули зробити кінцеві виміри того, як швидко він рухається. З кінця 17 століття вчені роблять саме це і зі зростаючою точністю.

Вчиняючи таким чином, вони отримали краще розуміннямеханіки світла, і яку важливу роль він грає у фізиці, астрономії та космології. Простіше кажучи, світло рухається з неймовірною швидкістю, і це об'єкт, що найбільш швидко рухається у Всесвіті. Його швидкість є постійною і неприступним бар'єром і використовується як вимірювання відстані. Але наскільки швидко він рухається?

Швидкість світла (с):

Світло рухається з постійною швидкістю 1079252848,8 км/год (1,07 млрд). Що виходить 299792458 м/с. Розставимо все на свої місця. Якщо ви могли б рухатися зі швидкістю світла, ви змогли б обігнути земну кулюприблизно сім з половиною разів на секунду. Тим часом, у людини, що летить з середньою швидкістю 800 км/год, зайняло б понад 50 годин, щоб обігнути планету.

Ілюстрація, що показує відстань, що світло проходить між Землею та Сонцем. Надано: LucasVB/Public Domain.

Розглянемо це з астрономічної точки зору, середня відстань від 384 до 398,25 км. Тому світло проходить цю відстань приблизно за секунду. Тим часом, середня 149 597 886 км, що означає, що світла потрібно всього близько 8 хвилин, щоб здійснити цю подорож.

Не дивно тоді, чому швидкість світла – це показник, який використовується для визначення астрономічних відстаней. Коли ми говоримо, що зірка, така як , знаходиться в 4,25 світлових роках, ми маємо на увазі, що для того, щоб дістатися туди, знадобиться, подорожуючи з постійною швидкістю 1,07 млрд км/год, близько 4 років і 3 місяців. Але як же ми прийшли до цього дуже конкретного значенняшвидкості світла?

Історія вивчення:

До 17 століття вчені були впевнені в тому, що світло подорожувало з кінцевою швидкістю, або миттєво. З часів давніх греків до середньовічних ісламських богословів та вчених нового часу точилися дебати. Але до того часу, поки з'явилася робота датського астронома Оле Ремера (1644-1710), у якій було проведено перші кількісні виміри.

У 1676 році Ромер спостерігав, що періоди самого внутрішнього місяця Юпітера Іо здавалися коротшими, коли Земля наближалася до Юпітера, ніж коли вона віддалялася. З цього він зробив висновок, що світло рухається з кінцевою швидкістю, і за оцінками, йому потрібно близько 22 хвилин, щоб перетнути діаметр орбіти Землі.

Професор Альберт Ейнштейн на 11-й лекції Джозайї Уілларда Гіббса в Технологічному Інституті Карнегі 28 грудня 1934 року, де він роз'яснює свою теорію про те, що матерія та енергія - це те саме в різних формах. Надано: AP Photo.

Християн Гюйгенс використав цю оцінку і об'єднав її з оцінкою діаметра орбіти Землі, щоб отримати оцінку 220000 км/с. Ісаак Ньютон також розповідав про розрахунки Ромера у своїй основній роботі Оптика 1706 року. Вносячи поправки для відстані між Землею і Сонцем, він підрахував, що світ знадобиться сім чи вісім хвилин, щоб дістатися від одного до іншого. В обох випадках була порівняно невелика похибка.

Пізніші виміри, проведені французькими фізиками Іполитом Фізо (1819-1896) та Леоном Фуко (1819-1868), уточнили ці показники, привівши до значення 315000 км/с. І до другої половини 19 століття вченим стало відомо про зв'язок між світлом та електромагнетизмом.

Це було досягнуто фізиками за рахунок вимірювання електромагнітних та електростатичних зарядів. Потім вони виявили, що числове значеннябуло дуже близько до швидкості світла (як виміряв Фізо). Виходячи з його власної роботи, Яка показала, що електромагнітні хвилі поширюються в порожньому просторі, німецький фізик Вільгельм Едуард Вебер припустив, що світло було електромагнітною хвилею.

Наступний великий прорив стався на початку ХХ століття. У своїй статті під назвою "До електродинаміки тіл, що рухаються" Альберт Ейнштейн стверджує, що швидкість світла у вакуумі, виміряна спостерігачем, що має постійну швидкість, однакова у всіх інерційних системах відліку і залежить від руху джерела чи спостерігача.

Лазерний промінь, що світить через склянку з водою, показує, скільки змін він піддається, коли проходить з повітря в скло, у воду і назад у повітря. Надано: Bob King.

Взявши це твердження та принцип відносності Галілео за основу, Ейнштейн вивів спеціальну теоріювідносності, в якій швидкість світла у вакуумі (с) є фундаментальною константою. До цього угода серед учених свідчило, що космос був заповнений "світлоносним ефіром", який відповідає за його поширення - тобто. світло, що рухається через середовище, що рухається, буде плестися в хвості середовища.

Це своє чергу означає, що виміряна швидкість світла було б простою сумою його швидкості через середовище плюс швидкість тієї середовища. Тим не менш, теорія Ейнштейна зробила концепцію нерухомого ефіру марною і змінила уявлення про простір та час.

Вона (теорія) як просунула ідею у тому, що швидкість світла однакова переважають у всіх інерційних системах, але й висловлено думку, що відбуваються серйозні зміни, коли речі рухаються близько до швидкості світла. До них відносяться просторово-часові рамки тіла, що рухається, що здається сповільнюється, і напрям руху, коли вимір відбувається з точки зору спостерігача (тобто. релятивістське уповільненнячасу, де час уповільнюється при наближенні швидкості світла).

Його спостереження також узгоджуються з рівняннями Максвелла для електрики та магнетизму із законами механіки, спрощують математичні розрахунки, уникаючи незв'язаних аргументів інших учених, та узгоджуються з безпосереднім спостереженням швидкості світла.

Наскільки схожі матерія та енергія?

У другій половині 20 століття все більше точні виміриза допомогою методу лазерних інтерферометрів та резонансних порожнин далі уточнювали оцінки швидкості світла. До 1972 року група у Національному бюро стандартів США у Боулдері, Колорадо, використовувала метод лазерної інтерферометрії, щоб отримати прийняте нині значення 299 792 458 м/с.

Роль у сучасній астрофізиці:

Теорія Ейнштейна про те, що швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела та інерційної системивідліку спостерігача, відтоді незмінно підтверджується безліччю експериментів. Вона також встановлює верхню межу швидкості, з якою всі безмасові частинки та хвилі (включаючи світло) можуть поширюватися у вакуумі.

Один із результатів цього в тому, що космології тепер розглядають простір і час. єдину структуру, відому як простір-час, у якій швидкість світла можна використовувати визначення значення обох (тобто. світлові роки, світлові хвилини та світлові секунди). Вимірювання швидкості світла також може стати важливим факторомщодо прискорення розширення Всесвіту.

На початку 1920-х зі спостереженнями Леметра та Хаббла вченим та астрономам стало відомо, що Всесвіт розширюється з точки походження. Хаббл також помітив, що далі галактика, то швидше вона рухається. Те, що зараз називають постійною Хаббла - це швидкість, з якою розширюється Всесвіт, вона дорівнює 68 км/с на мегапарсек.

Як швидко розширюється Всесвіт?

Це явище, представлене у вигляді теорії, означає, що деякі галактики насправді можуть рухатися. швидше швидкостісвітла, що може накласти обмеження на те, що ми спостерігаємо у нашому Всесвіті. По суті, галактики, що рухаються швидше за швидкість світла, перетнули б "космологічний обрій подій", де вони більше не видно для нас.

Крім того, до 1990-х виміру червоного зміщення далеких галактикпоказали, що розширення Всесвіту прискорюється останні кілька мільярдів років. Це призвело до теорії Темної Енергії" де невидима сила рухає розширенням самого простору, а не об'єктів, що рухаються через нього (при цьому не поставивши обмеження на швидкість світла або порушення відносності).

Поряд зі спеціальною та загальною теорієювідносності сучасне значенняшвидкості світла у вакуумі сформувалося з космології, квантової механікиі Стандартної моделіфізики елементарних частинок. Вона залишається постійною, коли мова йдепро верхній межі, З яким можуть рухатися безмасові частинки і залишається недосяжним бар'єром для часток, що мають масу.

Ймовірно, колись ми знайдемо спосіб перевищити швидкість світла. Поки що у нас немає практичних ідейпро те, як це може відбуватися, схоже "розумні гроші" на технологіях дозволять нам обійти закони простору-часу, або шляхом створення варп-бульбашок (ака. варп-двигун Алькуб'єрре) або тунелювання через нього (ака. червоточини).

Що таке червоточини?

До цього часу ми будемо змушені задовольнятися Всесвіту, яку ми бачимо, і дотримуватися дослідження тієї частини, до якої можна дістатися за допомогою звичайних методів.

Назва прочитаної вами статті "Що таке швидкість світла?".