Скорость света в Полевой физике
Энциклопедия Полевой физики
Понятия и термины
«Скорость света» представляет собой скорость распространения электромагнитных колебаний. Как правило, под скоростью света понимают скорость света в вакууме, которая равна примерно 300.000 километров в секунду и считается фундаментальной физической константой. При этом скорость света в веществе оказывается ниже этой величины.
Об ограниченности скорости распространения света ученые стали догадываться уже довольно давно, а приближенное значение этой скорости было измерено Ремером на основе астрономических наблюдений еще несколько столетий назад. А теоретическая подоснова, позволяющая рассматривать скорость света как комбинацию электрической и магнитной констант, возникла в рамках электродинамики Максвелла в XIX веке. При этом оказалось, что в отличие от скоростей обычных тел, скорость света не зависит от скорости движения источника света или его приемника.
Это обстоятельство стало одной из причин создания специальной теории относительности, в которой странное поведение света было формально объяснено преобразованиями Лоренца.
В полевой физике скорость света рассматривается как скорость распространения возмущений в полевой среде. Она появляется в волновом уравнении для функции плотности полевой среды, которое служит формализацией принципа близкодействия. В этом смысле скорость света действительно оказывается универсальной – она характеризует скорость распространения и электрического, и гравитационного и любого другого поля, которое подчиняется полевой механике. При этом по логике организации сплошных сред скорость света могла бы зависеть от состояния самой полевой среды, подобно тому, как скорость звука зависит от давления и температуры. Видимо с этим и связан механизм снижения скорости света в веществе, в пределах которого структура полевой среды иная, нежели в условиях отдельных взаимодействующих частиц.
В полевой физике происходит возвращение от преобразований Лоренца к преобразованиям Галилея, в результате чего независимость скорости света от скорости движения источника получает иное объяснение.
Так скорость распространения возмущений в полевой среде (света) определяется свойствами этой полевой среды, но не подчиняется законам сложения со скоростью движения источника. Например, если бросить камень в воду, то скорость распространения кругов на воде не зависит от того, был ли камень брошен из покоящейся или движущейся лодки. В отличие от движения материальных тел для волновых процессов скорость распространения возмущений и скорость движения источника оказываются несвязанными.
Полевая физика также дает объяснение предельному характеру скорости света для обычных движений. Все процессы, в том числе, разгон материальных тел и частиц, которые происходят посредством полевой среды, не могут привести к скорости движения, большей, чем скорость распространения возмущений в полевой среде. Проще говоря, телега не может двигаться быстрее лошади. Однако полевая физика не связывает предельный характер скорости света с фундаментальными свойствами пространства или времени, поэтому принципиально возможно существование другого механизма, который позволит превысить скорость света, подобно тому, как в газе возможно превышение скорости звука.
- Полевая физика за 5 минут Самое краткое изложение основных идей и результатов полевой физики
- Полевая физика за час Краткое содержание I тома книги «Полевая физика или как устроен Мир?»
- Сущность Полевой физики Основные принципы и логический «фундамент» полевой физики
Быстрее не бывает: как скорость света связана с течением времени и почему ее невозможно превысить
А потом оказалось, что свет довольно нетороплив для нашей колоссальной Вселенной, но разогнаться быстрее, увы, невозможно.
Впрочем, некоторые физики все еще надеются открыть сверхсветовые частицы.
В 1676 г. датский астроном Олаф (Оле) Ремер впервые измерил скорость светового луча. Ученый наблюдал Юпитер и его спутник Ио. Он обнаружил, что движение юпитерианской луны выглядит не совсем периодичным. По мере того, как планета-гигант удаляется от Земли, появление Ио из тени Юпитера все больше отстает от графика.
Ученый верно рассудил, что дополнительные минуты требуются свету, чтобы покрыть увеличившееся расстояние до Земли. Правда, из-за несовершенства своих приборов он занизил скорость света примерно в полтора раза.
По самым свежим данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду (обычно запоминают приближенную цифру в 300 000 км/с). Другими словами, за секунду свет проходит 7,5 земных экватора.
Немудрено, что многие мыслители — например, Декарт — считали распространение света мгновенным! Но по меркам космических расстояний он не так уж и быстр. Лунный свет добирается до Земли дольше секунды, солнечный — 8 минут, свет ближайших звезд — годами, а самых далеких галактик — более 10 млрд лет.
С какой точностью известна скорость света? Ответ неожиданный: ни с какой. С 1983 года сам эталон длины жестко привязан к скорости света. Так что нынешний подход гласит: мы абсолютно точно знаем скорость света в метрах в секунду, а теперь посмотрим, насколько велик метр (для определения секунды есть свои способы).
Чем же так важна скорость света, что к ней привязывают определение метра и, значит, измерение расстояний? Для ответа нам придется познакомиться со специальной теорией относительности.
Пространство и время сходят с ума
Специальная теория относительности (СТО) была создана в начале XX в. Альбертом Эйнштейном, Анри Пуанкаре, Хендриком Лоренцом и другими учеными. Слово «теория» не должно вводить в заблуждение. Здесь оно не означает «нечто гипотетическое», как термин «теория твердого тела» не означает, что кто-то не уверен в существовании твердых тел.
СТО не просто подтверждена огромным количеством экспериментов, она стала основой работающих технологий.
Усомниться в ней, конечно, никто не запретит, но без нее все равно ничего работать не будет.
Сама по себе относительность движения — очень простая вещь. Допустим, вы сидите в купе идущего поезда. Движетесь вы или нет? Относительно придорожного столба — да, относительно вагона — нет. Относительно вагона два последовательных удара вашего сердца произошли в одной и той же точке пространства. Относительно столба — в разных. Значит, бессмысленно говорить о местоположении и скорости, пока не сказано, относительно чего они измеряются. Скорость и положение в пространстве относительны.
Что же тогда абсолютно? До появления СТО считалось, что абсолютен ход времени. Часы в вагоне и на перроне показывают одинаковое время. Кроме того, абсолютна длина тел. Мы можем измерить длину движущегося вагона, ползая по нему с рулеткой или же обшаривая его радаром со станции. В обоих случаях мы получим одну и ту же величину.
Однако специальная теория относительности демонстрирует, что и длина тел, и ход времени тоже относительны.
Движущиеся часы отстают от неподвижных, и не потому, что портятся, а потому, что для них замедляется само время. Оно выкидывает и еще более удивительные фокусы, о которых мы поговорим ниже.
Почему мы не замечаем всего этого? Потому что движемся слишком медленно. При скорости космического корабля 10 км/с бортовые часы будут идти лишь на 6 стомиллионных долей процента медленнее неподвижных. Только самые точные хронометры могут обнаружить этот эффект (и они его действительно обнаруживают).
Но при скорости 87% от световой время замедлится вдвое, а при 99,99% световой — более чем в 70 раз. Это прекрасно видно по нестабильным частицам, которые разгоняются в ускорителях до околосветовых скоростей.
Время их жизни отмеряется их собственными внутренними «часами», так что по нашим часам они живут непозволительно долго. Теоретически, все ближе подбираясь к скорости света, можно замедлить время в любое количество раз.
Относительно почти все…
Договорившись, относительно чего мы наблюдаем движение, мы, как говорят физики, выбираем систему отсчета.
Земля и вагон — это разные системы отсчета. Ничего удивительного, что в первой пассажир движется, а во второй неподвижен.
Специальная теория относительности рассматривает только инерциальные системы отсчета (ИСО). Они так называются потому, что в них выполняется закон инерции. Этот закон гласит: если на тело не действуют никакие силы, оно либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.
Земля — классический пример ИСО (вообще-то вращение планеты делает ее слегка неинерциальной, но лишь чуть-чуть). Есть волшебное правило: система отсчета, которая прямолинейно и равномерно движется в некоторой ИСО, сама, в свою очередь, является инерциальной.
Если бы вагон все время шел с постоянной скоростью по идеально прямой дороге, он был бы инерциальной системой. Иное дело — реальный вагон (особенно в метро), который разгоняется, тормозит, поворачивает и покачивается. Положите на пол футбольный мяч и убедитесь, что закон инерции здесь не действует!
Еще Галилей и Ньютон осознавали глубочайшую истину, сегодня известную как принцип относительности.
На современном языке она гласит: во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы.
Представим себе, что Ньютон провел всю жизнь в нашем идеальном вагоне. Там он открыл бы те же самые законы движения, что и на твердой земле. А в отсутствие окон даже этот великий физик не смог бы понять, что он вообще движется относительно чего-то внешнего. Ведь система отсчета идеального вагона ничем не отличается от любой другой ИСО, в том числе и прикрепленной к Земле.
…Кроме скорости света
Итак, согласно принципу относительности Галилея, нет единственно верной точки отсчета, с которой нужно изучать Вселенную. Поистине глубокое утверждение, если забыть, что оно относится только к законам механики, науки о движении тел.
Но почему только механики? Чем хуже, скажем, законы электричества и магнетизма? И Эйнштейн решился на смелый шаг. Он постулировал, что не только законы механики, но и вообще все законы физики одинаковы в любых ИСО. Это утверждение теперь известно как принцип относительности Эйнштейна, или первый постулат специальной теории относительности.
Проблема в том, что законы электродинамики жестко фиксируют скорость света. Это просто-напросто константа, входящая в уравнения электромагнитного поля. И если эти уравнения одинаковы во всех ИСО, то и скорость света тоже.
Что в этом удивительного? Представим себе, что вагон движется со скоростью 60 км/ч, а пассажир идет по нему по ходу движения. Относительно вагона скорость человека будет 5 км/ч, а относительно Земли — уже 65 км/ч. Это называется (классическим) законом сложения скоростей.
А теперь пусть перед нами не человек, а луч света из фонарика. В ИСО вагона его скорость 300 000 км/с, а в ИСО Земли? Согласно принципу относительности, тоже 300 000 км/с, ведь законы электродинамики одинаковы! На свет не распространяется привычное сложение скоростей. Скорость света не относительна, она абсолютна. Это второй постулат специальной теории относительности.
Всю СТО можно вывести из первого и второго постулатов, применив математику и изобретательность. И полученные следствия настолько удивительны, что современникам потребовалась немалая смелость, чтобы их принять.
Текущие часы
Установим на Земле и на космическом корабле одинаковые часы. СТО утверждает: с точки зрения землянина корабельные часы будут отставать. Правда, с точки зрения космонавта это земные часы будут отставать от корабельных. Ведь в своей системе отсчета он стоит на месте, а Земля движется.
Кто прав, космонавт или землянин? Принцип относительности говорит: правы оба, но каждый в своей системе отсчета! Теория относительности заставляет отказаться от мысли, что есть единый и истинный ход времени.
И замедление времени — еще не самое удивительное. Одновременность тоже относительна. События, одновременные для одного наблюдателя, могут не быть одновременными для другого. Даже прошлое и будущее могут меняться местами при смене системы отсчета.
Укротить относительность
Неужели выбором системы отсчета можно изменить буквально все? Можно ли настолько разогнать космический корабль, что по его часам ваш отец родился раньше вашего деда? Из постулатов Эйнштейна можно вывести правило, отвечающее на этот вопрос.
Допустим, два события происходят в разных точках пространства и в разные моменты времени. Дальше все зависит от того, успеет ли свет дойти из одной точки в другую, чтобы застать оба события.
Например, первое событие — падение яблока на Земле, а второе — падение кометы на Проксиму Центавра. И произошло оно по земным часам спустя неделю после падения яблока. До Проксимы четыре световых года, так что за неделю свету никак не поспеть. Тогда найдется система отсчета, по часам которой земное яблоко упало не раньше, а позже прокисимианской кометы. Зато не будет системы отсчета, в которой эти события произошли в одной точке пространства.
Пусть теперь первое событие — рождение вашего деда, а второе — рождение вашего отца. Между этими знаменательными датами свет уж точно успел бы дойти от первого роддома до второго (если, конечно, никто из ваших родственников не инопланетянин). Значит, ни по каким звездолетным часам ваш отец не родился раньше вашего деда. Зато найдется система отсчета, в которой два семейных события произошли в одной точке пространства.
Эти правила кажутся сложными и бессмысленными. Но они обретают глубочайший смысл, если вспомнить об одном тезисе, который часто связывают со СТО: ни вещество, ни энергия, ни информация не могут двигаться быстрее света.
Это значит, что падение яблока и падение кометы никак не могли повлиять друг на друга. Никакой сигнал не покрыл бы расстояние между Землей и Проксимой Центавра за неделю. А раз они никак не связаны, то в определенном смысле все равно, какое произошло раньше, а какое позже. Прошлое меняется местами с будущим без всяких последствий.
С рождениями двух ваших родственников все наоборот. Рождение деда прямо повлияло на рождение отца, не так ли? Ничего удивительного, что СТО не позволяет переставлять порядок событий. Природа как бы запрещает машину времени, оберегая нас от смакуемых фантастами парадоксов.
Самый обидный запрет во Вселенной
Предельность скорости света, невозможность ее превзойти — это одно из самых важных свойств этой скорости, которое ужасно огорчает романтиков, мечтающих о межзвездных перелетах.
Тем удивительнее, что специальная теория относительности, строго говоря, не запрещает сверхсветового движения.
Что СТО на самом деле запрещает делать, так это преодолевать световой барьер, и не важно, с какой стороны. Раз уж мы с вами движемся медленнее света, то это навсегда. Разогнаться до световой и тем более сверхсветовой скорости мы не можем: согласно формулам СТО, для этого потребовалась бы бесконечная энергия.
Свет тоже обречен на свою постоянную скорость, он не может ни ускориться, ни замедлиться. А если существуют сверхсветовые частицы, то они не могут затормозиться до световой и тем более досветовой скорости. Некоторые исследователи допускают, что такие частицы — так называемые тахионы — и впрямь существуют.
Главная трудность в том, что тахионы нарушают принцип причинности. Он гласит, что причина всегда предшествует следствию. Однако принцип причинности — не постулат и не следствие СТО, и теоретически он не обязан выполняться. При этом практически никто никогда не видел, чтобы он нарушался, и физики с этим считаются.
Между тем, сверхсветовая частица может — в определенной ИСО — достигать приемника раньше, чем вылетает из источника. Это про тахион должна была быть написана известная эпиграмма «На теорию относительности»:
Сегодня в полдень пущена ракета.
Она летит куда скорее света
И долетит до цели в семь утра
Вчера.
(перевод С. Маршака)
Ракеты не летают быстрее света, но если заменить «ракета» на «тахион», все будет правильно.
Принцип причинности заставляет многих физиков отрицать существование тахионов и говорить, что частицы не могут двигаться быстрее света. Тем более что такой запрет удивительно согласуется со всеми этими правилами насчет роддомов и яблок, выведенными из СТО без всякой опоры на причинность. Сегодня мало кто из физиков всерьез надеется, что тахионы когда-нибудь будут обнаружены.
Как обогнать свет
И все-таки сверхсветовое движение существует — правда, в этом случае движется всегда нечто нематериальное, и оно не может передать информацию из одной точки пространства в другую.
Посветим на стену лазерной указкой. Легко заметить, что чем дальше мы от стены, тем быстрее мечется световое пятно, откликаясь на поворот указки. Между тем, луч мощного лазера может достать даже до Луны. И тогда достаточно поворачивать его на 45 градусов в секунду, чтобы солнечный (точнее, лазерный) зайчик проносился по Селене со сверхсветовой скоростью.
Это впечатляет. Но что именно столь быстро движется от одного лунного кратера к другому? Свет? Нет, он распространяется совсем по другой траектории: от Земли к Луне. По поверхности нашего спутника перемещается зона освещения, а это не вещество и даже не поле. И она не может передавать информацию по пути.
Если в один кратер упадет метеорит, зайчик не сможет «рассказать» об этом другому кратеру. Чтобы световое пятно как-то отреагировало на падение, нужно, чтобы оное падение увидел человек, управляющий лазером. А увидит он его не раньше, чем лучи света достигнут Земли — естественно, со световой скоростью.
Расширение Вселенной тоже может происходить со сверхсветовой скоростью.
Это не противоречит СТО, ведь расширение пространства — не то же самое, что движение тела в пространстве. Так что не удивляйтесь, читая новости о «сверхсветовых галактиках».
Однако расширение Вселенной подчиняется общей, а не специальной, теории относительности. Это более позднее творение Эйнштейна рассматривает не только инерциальные, но и неинерциальные системы отсчета, а еще увязывает пространство и время с гравитацией. Но это совсем другая история, и мы расскажем ее как-нибудь в другой раз.
Иллюстрации: Виктор Богорад
Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 7, октябрь 2022
Анатолий Глянцев
Теги
- наука
- октябрь 2022
Как быстро движется свет? | The Speed of Light
Вот как это работает. Скорость света — это предел скорости всего в нашей Вселенной. Или это?
(Изображение предоставлено: Гетти/Юичиро Чино)Скорость света, проходящего через вакуум, составляет ровно 299 792 458 метров (983 571 056 футов) в секунду. Это около 186 282 миль в секунду — универсальная постоянная, известная в уравнениях как «с» или скорость света.
Согласно специальной теории относительности физика Альберта Эйнштейна , на которой основана большая часть современной физики, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света. Теория утверждает, что по мере того, как материя приближается к скорости света, масса материи становится бесконечной. Это означает, что скорость света действует как ограничение скорости для всей вселенной 
С помощью некоторых хитрых уравнений он также помогает определить килограмм и единицу измерения температуры
Но, несмотря на репутацию скорости света как универсальной константы, ученые и писатели-фантасты проводят время, размышляя о путешествиях со скоростью, превышающей скорость света. До сих пор никому не удавалось продемонстрировать настоящий варп-двигатель, но это не замедлило нашего коллективного стремления к новым историям, новым изобретениям и новым областям физики.
Связанный: Специальная теория относительности выдерживает испытание высокой энергией
Что такое световой год?
A l световой год — это расстояние, которое свет может пройти за один год — около 6 триллионов миль (10 триллионов километров). Это один из способов, которым астрономы и физики измеряют огромные расстояния в нашей Вселенной.
Свет проходит от луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что луна находится примерно в 1 световой секунде от нас.
Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому 9Солнце 0007 находится примерно в 8 световых минутах от нас. Свету от Альфы Центавра , которая является ближайшей звездной системой к нашей, требуется примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 световых года.
“Чтобы получить представление о величине светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), разложите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7,5 (соответствующее расстояние равно одному световому -секунда), затем поместите 31,6 миллиона одинаковых строк встык», — Исследовательский центр Гленна НАСА 9.0007 говорит на своем сайте (открывается в новой вкладке). «В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль!»
Звезды и другие объекты за пределами нашей солнечной системы находятся на расстоянии от нескольких световых лет до нескольких миллиардов световых лет. И все, что астрономы «видят» в далекой Вселенной, буквально является историей.
Когда астрономы изучают объекты, находящиеся далеко, они видят свет, который показывает объекты такими, какими они существовали в то время, когда свет покинул их.
Этот принцип позволяет астрономам увидеть вселенную такой, какой она выглядела после Большого Взрыва , произошедшего около 13,8 миллиардов лет назад. Объекты, находящиеся на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, кажутся астрономам такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад — относительно скоро после возникновения Вселенной, — а не такими, какими они выглядят сегодня.
Связанный: Почему вселенная — это история
Как мы узнали скорость света?
Аристотель, Эмпедокл, Галилей (на фото), Оле Рёмер и бесчисленное множество других философов и физиков в истории рассматривали скорость света. (Изображение предоставлено НАСА) Еще в V веке греческие философы, такие как Эмпедокл и Аристотель, расходились во мнениях относительно природы скорости света.
Эмпедокл предположил, что свет, из чего бы он ни состоял, должен двигаться и, следовательно, должен иметь скорость движения. Аристотель опроверг точку зрения Эмпедокла в собственном трактате 9.0007 О Чувстве и Разуме (открывается в новой вкладке), утверждая, что свет, в отличие от звука и запаха, должен быть мгновенным. Аристотель, конечно, ошибался, но чтобы доказать это, потребуются сотни лет.
В середине 1600-х годов итальянский астроном Галилео Галилей поставил двух человек на холмы на расстоянии менее мили друг от друга. Каждый человек держал экранированный фонарь. Один раскрыл свой фонарь; когда другой человек увидел вспышку, он тоже раскрыл свою. Но экспериментального расстояния Галилея было недостаточно для того, чтобы его участники могли зафиксировать скорость света. Он мог только заключить, что свет движется как минимум в 10 раз быстрее звука.
В 1670-х годах датский астроном Оле Рёмер пытался создать надежное расписание для моряков в море и, согласно НАСА , случайно придумал новую наилучшую оценку скорости света.
Чтобы создать астрономические часы, он записал точное время затмений луны Юпитера , Ио, с Земли . Со временем Рёмер заметил, что затмения Ио часто отличаются от его расчетов. Он заметил, что затмения отставали больше всего, когда Юпитер и Земля удалялись друг от друга, появлялись раньше времени, когда планеты приближались, и происходили по расписанию, когда планеты находились в своих ближайших или самых дальних точках. Это наблюдение продемонстрировало то, что мы сегодня знаем как эффект Доплера, изменение частоты света или звука, излучаемого движущимся объектом, что в астрономическом мире проявляется как так называемое -красное смещение , смещение в сторону «более красных», более длинных волн в объекты, быстро удаляющиеся от нас. Опираясь на интуицию, Рёмер определил, что свету требуется измеримое время, чтобы добраться от Ио до Земли.
Рёмер использовал свои наблюдения для оценки скорости света. Поскольку размер Солнечной системы и орбита Земли еще не были точно известны, утверждалось в статье 1998 года в American Journal of Physics , он немного ошибся.
Но, наконец, у ученых появилось число, с которым можно было работать. По расчетам Ремера, скорость света составляет около 124 000 миль в секунду (200 000 км/с).
В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли провел новый набор расчетов на основе изменения видимого положения звезд, вызванного движением Земли вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км/с) — с точностью до 1 % от реального значения.0007 Американское физическое общество (открывается в новой вкладке).
Две новые попытки в середине 1800-х вернули проблему на Землю. Французский физик Ипполит Физо направил луч света на быстро вращающееся зубчатое колесо с зеркалом, установленным на расстоянии 5 миль (8 км), чтобы отразить его обратно к источнику. Изменение скорости колеса позволило Физо рассчитать, сколько времени потребовалось свету, чтобы выйти из отверстия к соседнему зеркалу и обратно через зазор. Другой французский физик, Леон Фуко, использовал вращающееся зеркало, а не колесо, чтобы выполнить практически тот же самый эксперимент.
Каждый из двух независимых методов показал точность около 1000 миль в секунду (1609км/с) скорости света.
Другим ученым, который разгадал тайну скорости света, был уроженец Польши Альберт А. Майкельсон, выросший в Калифорнии в период золотой лихорадки в штате и отточивший свой интерес к физике во время учебы в Военно-морском флоте США. Академия, согласно Университет Вирджинии (открывается в новой вкладке). В 1879 году он попытался воспроизвести метод определения скорости света Фуко, но Майкельсон увеличил расстояние между зеркалами и использовал очень качественные зеркала и линзы. Результат Майкельсона 186 355 миль в секунду (299 910 км / с) считался самым точным измерением скорости света за 40 лет, пока Майкельсон не измерил его сам.
Во втором раунде экспериментов Майкельсон посветил светом между двумя горными вершинами с тщательно измеренными расстояниями, чтобы получить более точную оценку. И в третьей попытке незадолго до смерти в 1931, согласно журналу Смитсоновского института Air and Space , он построил разгерметизированную трубу длиной в милю из гофрированной стальной трубы. Трубка имитировала почти вакуум, который устранял бы любое влияние воздуха на скорость света для еще более точного измерения, которое в итоге оказалось лишь немного ниже принятого сегодня значения скорости света.
Майкельсон также изучал природу самого света, написал астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes, Starts With a Bang (откроется в новой вкладке). Лучшие умы физиков во время экспериментов Майкельсона разделились: был ли свет волной или частицей?
Майкельсон вместе со своим коллегой Эдвардом Морли исходил из предположения, что свет движется как волна, как и звук. И точно так же, как звуку нужны частицы для движения, рассуждали Майкельсон, Морли и другие физики того времени, свет должен иметь какую-то среду для движения.
Это невидимое, необнаружимое вещество было названо «светоносным эфиром» (также известным как «эфир»).
Хотя Майкельсон и Морли построили сложный интерферометр (самую простую версию прибора, используемого сегодня в установках LIGO ), Майкельсон не смог найти доказательств существования какого-либо светоносного эфира. Он определил, что свет может путешествовать и действительно путешествует в вакууме.
«Эксперимент — и вся работа Майкельсона — были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего-либо», — написал Сигал. «Сам эксперимент, возможно, был полным провалом, но то, что мы из него узнали, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!» 92. Уравнение описывает взаимосвязь между массой и энергией — небольшие количества массы (m) содержат или состоят из огромного количества энергии (E). (Вот что делает ядерные бомбы такими мощными: они преобразуют массу во взрывы энергии.
) Поскольку энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, скорость света служит коэффициентом преобразования, точно объясняющим, сколько энергии должно быть внутри материи. А поскольку скорость света — это такое огромное число, даже небольшое количество массы должно равняться огромному количеству энергии.
Чтобы точно описать вселенную, элегантное уравнение Эйнштейна требует, чтобы скорость света была неизменной константой. Эйнштейн утверждал, что свет движется через вакуум, а не через какой-либо светоносный эфир, и таким образом, что он движется с одной и той же скоростью независимо от скорости наблюдателя.
Подумайте об этом так: наблюдатели, сидящие в поезде, могут смотреть на поезд, движущийся по параллельному пути, и думать о его относительном движении как о нуле. Но наблюдатели, движущиеся почти со скоростью света, все равно будут воспринимать свет как удаляющийся от них со скоростью более 670 миллионов миль в час. (Это потому, что двигаться очень, очень быстро — один из немногих подтвержденных методов путешествие во времени — время на самом деле замедляется для тех наблюдателей, которые стареют медленнее и воспринимают меньше моментов, чем наблюдатель, движущийся медленно.
)
Другими словами, Эйнштейн предположил, что скорость света не зависит от времени или места что вы его измеряете, или как быстро вы сами двигаетесь.
Следовательно, объекты с массой никогда не могут достичь скорости света. Если бы объект когда-нибудь достиг скорости света, его масса стала бы бесконечной. И в результате энергия, необходимая для перемещения объекта, также стала бы бесконечной: это невозможно.
Это означает, что если мы основываем наше понимание физики на специальной теории относительности (что делает большинство современных физиков), скорость света является непреложным пределом скорости нашей Вселенной — максимальной скоростью, на которой может двигаться что-либо.
Что движется быстрее скорости света?
Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее. Вселенная расширяется со скоростью немногим более 42 миль (68 километров) в секунду на каждый мегапарсек расстояния от наблюдателя, писал астрофизик Пол Саттер в предыдущей статье для журнала 9.
0007 Space.com . (Мегапарсек составляет 3,26 миллиона световых лет — очень большой путь.)
Другими словами, галактика, удаленная на 1 мегапарсек, удаляется от Млечного Пути со скоростью 42 мили в секунду (68 км/с). с), в то время как галактика, находящаяся на расстоянии двух мегапарсеков, удаляется со скоростью почти 86 миль в секунду (136 км/с) и так далее.
“В какой-то момент, на каком-то непристойном расстоянии, скорость зашкаливает и превышает скорость света, все из-за естественного, регулярного расширения пространства”, – объяснил Саттер. «Кажется, это должно быть незаконно, не так ли?»
Специальная теория относительности обеспечивает абсолютный предел скорости во Вселенной, согласно Саттеру, но теория Эйнштейна 1915 года относительно общей теории относительности допускает другое поведение, когда физика, которую вы изучаете, больше не является «локальной».
“Галактика на дальнем конце вселенной? Это область общей теории относительности, а общая теория относительности говорит: какая разница! Эта галактика может иметь любую скорость, какую захочет, пока она остается далеко, а не рядом тебе в лицо», — написал Саттер.
«Специальную теорию относительности не волнует скорость — сверхсветовая или какая-то другая — далекой галактики. И вам тоже не стоит».
Свет когда-нибудь замедляется?
Свет движется медленнее в алмазе, чем в воздухе, и он движется в воздухе немного медленнее, чем в вакууме. (Изображение предоставлено Shutterstock)Обычно считается, что свет в вакууме распространяется с абсолютной скоростью, но свет, проходящий через любой материал, может быть замедлен. Величина, на которую материал замедляет свет, называется его показателем преломления. Свет изгибается при контакте с частицами, что приводит к уменьшению скорости.
Например, свет, проходящий через атмосферу Земли, движется почти так же быстро, как свет в вакууме, замедляясь всего на три десятитысячных скорости света. Но свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое по сравнению с обычной скоростью, сообщает PBS NOVA . Тем не менее, он движется через драгоценный камень со скоростью более 277 миллионов миль в час (почти 124 000 км/с) — достаточно, чтобы изменить ситуацию, но все же невероятно быстро.
Свет может быть захвачен — и даже остановлен — внутри ультрахолодных облаков атомов, согласно исследованию 2001 года, опубликованному в журнале 9.0007 Природа (откроется в новой вкладке). Совсем недавно в исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Physical Review Letters , был предложен новый способ остановить свет на его пути в «исключительных точках» или местах, где два отдельных световых излучения пересекаются и сливаются в одно.
Исследователи также пытались замедлить свет, даже когда он движется в вакууме. Группа шотландских ученых успешно замедлила одиночный фотон или частицу света, даже когда он двигался в вакууме, как описано в их исследовании 2015 года, опубликованном в журнале 9.0007 Наука (откроется в новой вкладке). В их измерениях разница между замедленным фотоном и «обычным» фотоном составляла всего несколько миллионных долей метра, но это продемонстрировало, что свет в вакууме может быть медленнее, чем официальная скорость света.
Можем ли мы путешествовать быстрее света?
Истории по теме:
Научная фантастика любит идею «скорости деформации». Путешествия со скоростью, превышающей скорость света, делают возможными бесчисленные научно-фантастические франшизы, уплотняя бескрайние просторы космоса и позволяя персонажам с легкостью перемещаться между звездными системами и обратно.
Но хотя путешествия со скоростью, превышающей скорость света, не гарантированно невозможны, нам нужно использовать довольно экзотическую физику, чтобы заставить ее работать. К счастью для энтузиастов научной фантастики и физиков-теоретиков, существует множество возможностей для изучения.
Все, что нам нужно сделать, это придумать, как не двигаться самим — поскольку специальная теория относительности гарантирует, что мы будем уничтожены еще до того, как наберем достаточно большую скорость, — а вместо этого перемещать пространство вокруг нас. Легко, верно?
Одна из предложенных идей связана с космическим кораблем, который мог бы свернуть вокруг себя пространственно-временной пузырь.
Звучит здорово, как в теории, так и в художественной литературе.
«Если бы капитан Кирк был вынужден двигаться со скоростью наших самых быстрых ракет, ему потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы добраться до следующей звездной системы», — сказал Сет Шостак, астроном из Поиска внеземного разума (SETI). ) Институт в Маунтин-Вью, Калифорния, в интервью 2010 года дочернему сайту Space.com LiveScience . «Поэтому научная фантастика уже давно постулировала способ преодолеть скорость светового барьера, чтобы история могла развиваться немного быстрее».
Без путешествий со скоростью, превышающей скорость света, любой “Звездный путь” (или, если на то пошло, “Звездная война”) был бы невозможен. Если человечеству суждено когда-нибудь добраться до самых дальних и постоянно расширяющихся уголков нашей вселенной, физики будущего должны будут смело отправиться туда, куда еще не ступала нога человека.
Дополнительные ресурсы
Чтобы узнать больше о скорости света, воспользуйтесь этим забавным инструментом от Academo (открывается в новой вкладке), который позволяет визуализировать, с какой скоростью свет может перемещаться из любого места на Земле в любое другое.
Если вас больше интересуют другие важные числа, познакомьтесь с универсальными константами, которые определяют стандартные системы измерения по всему миру с помощью 9.0007 Национальный институт стандартов и технологий (открывается в новой вкладке). А если вам интересно узнать больше об истории скорости света, ознакомьтесь с книгой « Скорость света: Призрачный эфир и гонка за измерением скорости света (откроется в новой вкладке)» (Оксфорд, 2019 г.) автора Джон Ч. Х. Спенс.
Предыдущее исследование для этой статьи предоставлено сотрудником Space.com Нолой Тейлор Редд.
Библиография
Аристотель. «О чувстве и разумном». Архив интернет-классики, 350 г. н.э.
Д’Альто, Ник. «Трубопровод, измеривший скорость света». Smithsonian Magazine, январь 2017 г. https://www.smithsonianmag.com/air-space-magazine/18_fm2017-oo-180961669/ (открывается в новой вкладке).
Фаулер, Майкл. “Скорость света.” Современная физика. Университет Вирджинии. По состоянию на 13 января 2022 г. https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/spedlite.html#Albert%20Abraham%20Michelson (откроется в новой вкладке).
Джованнини, Даниэль, Жакилин Ромеро, Вацлав Поточек, Гергели Ференци, Фиона Спейритс, Стивен М. Барнетт, Даниэле Фаччо и Майлз Дж. Пэджетт. «Пространственно структурированные фотоны, которые движутся в свободном пространстве медленнее скорости света». Science, 20 февраля 2015 г.
Гольдзак, Тамар, Алексей Александрович Майлыбаев и Нимрод Моисеев. «Свет останавливается в исключительных точках». Письма о физическом обзоре 120, вып. 1 (3 января 2018 г.): 013901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.013901 (открывается в новой вкладке).
Хазен, Роберт. «Что заставляет бриллиант сверкать?» PBS NOVA, 31 января 2000 г. 
pbs.org/wgbh/nova/article/diamond-science/ (открывается в новой вкладке).
«Какой длины световой год?» Glenn Learning Technologies Project, 13 мая 2021 г. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/Numbers/Math/Mathematical_Thinking/how_long_is_a_light_year.htm (открывается в новой вкладке).
Новости Американского физического общества. «Июль 1849 г.: Fizeau Publishes of Speed of Light Experiment», июль 2010 г. http://www.aps.org/publications/apsnews/201007/physicshistory.cfm (открывается в новой вкладке).
Лю, Чиен, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи и Лене Вестергаард Хау. «Наблюдение за хранением когерентной оптической информации в атомной среде с использованием остановленных световых импульсов». Природа 409, вып. 6819 (январь 2001 г.): 490–93.
НИСТ. «Познакомьтесь с константами». 12 октября 2018 г. https://www.nist.gov/si-redefinition/meet-constants (открывается в новой вкладке).
Уэллетт, Дженнифер. «Краткая история скорости света». PBS NOVA, 27 февраля 2015 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/brief-history-speed-light/ (откроется в новой вкладке).
Ши, Джеймс Х. «Оле Ро/Мер, скорость света, видимый период Ио, эффект Доплера и динамика Земли и Юпитера». Американский журнал физики 66, вып. 7 (1 июля 1998 г.): 561–69.
Сигел, Итан. «Неудачный эксперимент, изменивший мир». Forbes, 21 апреля 2017 г. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/21/the-failed-experiment-that-changed-the-world/ (открывается в новой вкладке).
Стерн, Дэвид. «Рёмер и скорость света», 17 октября 2016 г. https://pwg.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun4Adop1.htm (открывается в новой вкладке).
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.
com.
Вики Штейн — научный писатель из Калифорнии. Она имеет степень бакалавра экологии и эволюционной биологии Дартмутского колледжа и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз (2018 г.). После этого она работала помощником по новостям в PBS NewsHour, а теперь работает внештатным сотрудником, освещая все, от астероидов до зебр. Следите за ее последними работами (и последними фотографиями голожаберников) в Твиттере.
Как быстро движется свет? | Скорость света
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Скорость света — это предел скорости всего в нашей Вселенной. Или это? (Изображение предоставлено: Гетти/Юичиро Чино) Скорость света, проходящего через вакуум, составляет ровно 299 792 458 метров (983 571 056 футов) в секунду. Это около 186 282 миль в секунду — универсальная постоянная, известная в уравнениях как «с» или скорость света.
По словам физика Альберта Эйнштейна 9Согласно специальной теории относительности 0008 , на которой основана большая часть современной физики, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света. Теория утверждает, что по мере того, как материя приближается к скорости света, масса материи становится бесконечной. Это означает, что скорость света действует как ограничение скорости для всей вселенной . Скорость света настолько неизменна, что, согласно Национального института стандартов и технологий США , она используется для определения международных стандартных измерений, таких как метр (и, соответственно, миля, фут и дюйм). С помощью некоторых хитрых уравнений он также помогает определить килограмм и единицу измерения температуры 9.0007 Кельвин .
Но, несмотря на репутацию скорости света как универсальной константы, ученые и писатели-фантасты проводят время, размышляя о путешествиях со скоростью, превышающей скорость света. До сих пор никому не удавалось продемонстрировать настоящий варп-двигатель, но это не замедлило нашего коллективного стремления к новым историям, новым изобретениям и новым областям физики.
Связанный: Специальная теория относительности выдерживает испытание высокой энергией
Что такое световой год?
A l световой год — это расстояние, которое свет может пройти за один год — около 6 триллионов миль (10 триллионов километров). Это один из способов, которым астрономы и физики измеряют огромные расстояния в нашей Вселенной.
Свет проходит от луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что луна находится примерно в 1 световой секунде от нас. Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому солнце находится на расстоянии около 8 световых минут. Свет от Альфа Центавра , которая является ближайшей звездной системой к нашей, требует примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 световых года.
“Чтобы получить представление о величине светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), разложите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7,5 (соответствующее расстояние равно одному световому -второй), затем разместите 31,6 миллиона одинаковых строк от начала до конца», — говорится на веб-сайте Исследовательского центра Гленна НАСА (открывается в новой вкладке).
«В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль!»
Звезды и другие объекты за пределами нашей солнечной системы находятся на расстоянии от нескольких световых лет до нескольких миллиардов световых лет. И все, что астрономы «видят» в далекой Вселенной, буквально является историей. Когда астрономы изучают объекты, находящиеся далеко, они видят свет, который показывает объекты такими, какими они существовали в то время, когда свет покинул их.
Этот принцип позволяет астрономам увидеть Вселенную такой, какой она была после Большого Взрыва , произошедшего около 13,8 миллиардов лет назад. Объекты, находящиеся на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, кажутся астрономам такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад — относительно скоро после возникновения Вселенной, — а не такими, какими они выглядят сегодня.
Связанный: Почему вселенная — это история
Как мы узнали скорость света?
Аристотель, Эмпедокл, Галилей (на фото), Оле Рёмер и бесчисленное множество других философов и физиков в истории рассматривали скорость света.
(Изображение предоставлено НАСА)Еще в V веке греческие философы, такие как Эмпедокл и Аристотель, расходились во мнениях относительно природы скорости света. Эмпедокл предположил, что свет, из чего бы он ни состоял, должен двигаться и, следовательно, должен иметь скорость движения. Аристотель опроверг точку зрения Эмпедокла в собственном трактате 9.0007 О Чувстве и Разуме (открывается в новой вкладке), утверждая, что свет, в отличие от звука и запаха, должен быть мгновенным. Аристотель, конечно, ошибался, но чтобы доказать это, потребуются сотни лет.
В середине 1600-х годов итальянский астроном Галилео Галилей поставил двух человек на холмы на расстоянии менее мили друг от друга. Каждый человек держал экранированный фонарь. Один раскрыл свой фонарь; когда другой человек увидел вспышку, он тоже раскрыл свою. Но экспериментального расстояния Галилея было недостаточно для того, чтобы его участники могли зафиксировать скорость света. Он мог только заключить, что свет движется как минимум в 10 раз быстрее звука.
В 1670-х годах датский астроном Оле Рёмер пытался создать надежное расписание для моряков в море и, согласно НАСА , случайно придумал новую наилучшую оценку скорости света. Чтобы создать астрономические часы, он записал точное время затмений луны Юпитера , Ио, с Земли . Со временем Рёмер заметил, что затмения Ио часто отличаются от его расчетов. Он заметил, что затмения отставали больше всего, когда Юпитер и Земля удалялись друг от друга, появлялись раньше времени, когда планеты приближались, и происходили по расписанию, когда планеты находились в своих ближайших или самых дальних точках. Это наблюдение продемонстрировало то, что мы сегодня знаем как эффект Доплера, изменение частоты света или звука, излучаемого движущимся объектом, что в астрономическом мире проявляется как так называемое -красное смещение , смещение в сторону «более красных», более длинных волн в объекты, быстро удаляющиеся от нас. Опираясь на интуицию, Рёмер определил, что свету требуется измеримое время, чтобы добраться от Ио до Земли.
Рёмер использовал свои наблюдения для оценки скорости света. Поскольку размер Солнечной системы и орбита Земли еще не были точно известны, утверждалось в статье 1998 года в American Journal of Physics , он немного ошибся. Но, наконец, у ученых появилось число, с которым можно было работать. По расчетам Ремера, скорость света составляет около 124 000 миль в секунду (200 000 км/с).
В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли провел новый набор расчетов на основе изменения видимого положения звезд, вызванного движением Земли вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км/с) — с точностью до 1 % от реального значения.0007 Американское физическое общество (открывается в новой вкладке).
Две новые попытки в середине 1800-х вернули проблему на Землю. Французский физик Ипполит Физо направил луч света на быстро вращающееся зубчатое колесо с зеркалом, установленным на расстоянии 5 миль (8 км), чтобы отразить его обратно к источнику.
Изменение скорости колеса позволило Физо рассчитать, сколько времени потребовалось свету, чтобы выйти из отверстия к соседнему зеркалу и обратно через зазор. Другой французский физик, Леон Фуко, использовал вращающееся зеркало, а не колесо, чтобы выполнить практически тот же самый эксперимент. Каждый из двух независимых методов показал точность около 1000 миль в секунду (1609км/с) скорости света.
Другим ученым, который разгадал тайну скорости света, был уроженец Польши Альберт А. Майкельсон, выросший в Калифорнии в период золотой лихорадки в штате и отточивший свой интерес к физике во время учебы в Военно-морском флоте США. Академия, согласно Университет Вирджинии (открывается в новой вкладке). В 1879 году он попытался воспроизвести метод определения скорости света Фуко, но Майкельсон увеличил расстояние между зеркалами и использовал очень качественные зеркала и линзы.
Результат Майкельсона 186 355 миль в секунду (299 910 км / с) считался самым точным измерением скорости света за 40 лет, пока Майкельсон не измерил его сам. Во втором раунде экспериментов Майкельсон посветил светом между двумя горными вершинами с тщательно измеренными расстояниями, чтобы получить более точную оценку. И в третьей попытке незадолго до смерти в 1931, согласно журналу Смитсоновского института Air and Space , он построил разгерметизированную трубу длиной в милю из гофрированной стальной трубы. Трубка имитировала почти вакуум, который устранял бы любое влияние воздуха на скорость света для еще более точного измерения, которое в итоге оказалось лишь немного ниже принятого сегодня значения скорости света.
Майкельсон также изучал природу самого света, написал астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes, Starts With a Bang (откроется в новой вкладке). Лучшие умы физиков во время экспериментов Майкельсона разделились: был ли свет волной или частицей?
Майкельсон вместе со своим коллегой Эдвардом Морли исходил из предположения, что свет движется как волна, как и звук.
И точно так же, как звуку нужны частицы для движения, рассуждали Майкельсон, Морли и другие физики того времени, свет должен иметь какую-то среду для движения. Это невидимое, необнаружимое вещество было названо «светоносным эфиром» (также известным как «эфир»).
Хотя Майкельсон и Морли построили сложный интерферометр (самую простую версию прибора, используемого сегодня в установках LIGO ), Майкельсон не смог найти доказательств существования какого-либо светоносного эфира. Он определил, что свет может путешествовать и действительно путешествует в вакууме.
«Эксперимент — и вся работа Майкельсона — были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего-либо», — написал Сигал. «Сам эксперимент, возможно, был полным провалом, но то, что мы из него узнали, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!» 92. Уравнение описывает взаимосвязь между массой и энергией — небольшие количества массы (m) содержат или состоят из огромного количества энергии (E).
(Вот что делает ядерные бомбы такими мощными: они преобразуют массу во взрывы энергии.) Поскольку энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, скорость света служит коэффициентом преобразования, точно объясняющим, сколько энергии должно быть внутри материи. А поскольку скорость света — это такое огромное число, даже небольшое количество массы должно равняться огромному количеству энергии.
Чтобы точно описать вселенную, элегантное уравнение Эйнштейна требует, чтобы скорость света была неизменной константой. Эйнштейн утверждал, что свет движется через вакуум, а не через какой-либо светоносный эфир, и таким образом, что он движется с одной и той же скоростью независимо от скорости наблюдателя.
Подумайте об этом так: наблюдатели, сидящие в поезде, могут смотреть на поезд, движущийся по параллельному пути, и думать о его относительном движении как о нуле. Но наблюдатели, движущиеся почти со скоростью света, все равно будут воспринимать свет как удаляющийся от них со скоростью более 670 миллионов миль в час.
(Это потому, что двигаться очень, очень быстро — один из немногих подтвержденных методов путешествие во времени — время на самом деле замедляется для тех наблюдателей, которые стареют медленнее и воспринимают меньше моментов, чем наблюдатель, движущийся медленно.)
Другими словами, Эйнштейн предположил, что скорость света не зависит от времени или места что вы его измеряете, или как быстро вы сами движетесь.
Следовательно, объекты с массой никогда не могут достичь скорости света. Если бы объект когда-нибудь достиг скорости света, его масса стала бы бесконечной. И в результате энергия, необходимая для перемещения объекта, также стала бы бесконечной: это невозможно.
Это означает, что если мы основываем наше понимание физики на специальной теории относительности (что делает большинство современных физиков), скорость света является непреложным пределом скорости нашей Вселенной — максимальной скоростью, на которой может двигаться что-либо.
Что движется быстрее скорости света?
Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее.
Вселенная расширяется со скоростью немногим более 42 миль (68 километров) в секунду на каждый мегапарсек расстояния от наблюдателя, писал астрофизик Пол Саттер в предыдущей статье для журнала 9.0007 Space.com . (Мегапарсек составляет 3,26 миллиона световых лет — очень большой путь.)
Другими словами, галактика, удаленная на 1 мегапарсек, удаляется от Млечного Пути со скоростью 42 мили в секунду (68 км/с). с), в то время как галактика, находящаяся на расстоянии двух мегапарсеков, удаляется со скоростью почти 86 миль в секунду (136 км/с) и так далее.
“В какой-то момент, на каком-то непристойном расстоянии, скорость зашкаливает и превышает скорость света, все из-за естественного, регулярного расширения пространства”, – объяснил Саттер. «Кажется, это должно быть незаконно, не так ли?»
Специальная теория относительности обеспечивает абсолютный предел скорости во Вселенной, согласно Саттеру, но теория Эйнштейна 1915 года относительно общей теории относительности допускает другое поведение, когда физика, которую вы изучаете, больше не является «локальной».
“Галактика на дальнем конце вселенной? Это область общей теории относительности, а общая теория относительности говорит: какая разница! Эта галактика может иметь любую скорость, какую захочет, пока она остается далеко, а не рядом тебе в лицо», — написал Саттер. «Специальную теорию относительности не волнует скорость — сверхсветовая или какая-то другая — далекой галактики. И вам тоже не стоит».
Свет когда-нибудь замедляется?
Свет движется медленнее в алмазе, чем в воздухе, и он движется в воздухе немного медленнее, чем в вакууме. (Изображение предоставлено Shutterstock)Обычно считается, что свет в вакууме распространяется с абсолютной скоростью, но свет, проходящий через любой материал, может быть замедлен. Величина, на которую материал замедляет свет, называется его показателем преломления. Свет изгибается при контакте с частицами, что приводит к уменьшению скорости.
Например, свет, проходящий через атмосферу Земли, движется почти так же быстро, как свет в вакууме, замедляясь всего на три десятитысячных скорости света.
Но свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое по сравнению с обычной скоростью, сообщает PBS NOVA . Тем не менее, он движется через драгоценный камень со скоростью более 277 миллионов миль в час (почти 124 000 км/с) — достаточно, чтобы изменить ситуацию, но все же невероятно быстро.
Свет может быть захвачен — и даже остановлен — внутри ультрахолодных облаков атомов, согласно исследованию 2001 года, опубликованному в журнале 9.0007 Природа (откроется в новой вкладке). Совсем недавно в исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Physical Review Letters , был предложен новый способ остановить свет на его пути в «исключительных точках» или местах, где два отдельных световых излучения пересекаются и сливаются в одно.
Исследователи также пытались замедлить свет, даже когда он движется в вакууме. Группа шотландских ученых успешно замедлила одиночный фотон или частицу света, даже когда он двигался в вакууме, как описано в их исследовании 2015 года, опубликованном в журнале 9.
0007 Наука (откроется в новой вкладке). В их измерениях разница между замедленным фотоном и «обычным» фотоном составляла всего несколько миллионных долей метра, но это продемонстрировало, что свет в вакууме может быть медленнее, чем официальная скорость света.
Можем ли мы путешествовать быстрее света?
Истории по теме:
Научная фантастика любит идею «скорости деформации». Путешествия со скоростью, превышающей скорость света, делают возможными бесчисленные научно-фантастические франшизы, уплотняя бескрайние просторы космоса и позволяя персонажам с легкостью перемещаться между звездными системами и обратно.
Но хотя путешествия со скоростью, превышающей скорость света, не гарантированно невозможны, нам нужно использовать довольно экзотическую физику, чтобы заставить ее работать. К счастью для энтузиастов научной фантастики и физиков-теоретиков, существует множество возможностей для изучения.
Все, что нам нужно сделать, это придумать, как не двигаться самим — поскольку специальная теория относительности гарантирует, что мы будем уничтожены еще до того, как наберем достаточно большую скорость, — а вместо этого перемещать пространство вокруг себя.
Легко, верно?
Одна из предложенных идей связана с космическим кораблем, который мог бы свернуть вокруг себя пространственно-временной пузырь. Звучит здорово, как в теории, так и в художественной литературе.
«Если бы капитан Кирк был вынужден двигаться со скоростью наших самых быстрых ракет, ему потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы добраться до следующей звездной системы», — сказал Сет Шостак, астроном из Поиска внеземного разума (SETI). ) Институт в Маунтин-Вью, Калифорния, в интервью 2010 года дочернему сайту Space.com LiveScience . «Поэтому научная фантастика уже давно постулировала способ преодолеть скорость светового барьера, чтобы история могла развиваться немного быстрее».
Без путешествий со скоростью, превышающей скорость света, любой “Звездный путь” (или, если на то пошло, “Звездная война”) был бы невозможен. Если человечеству суждено когда-нибудь добраться до самых дальних и постоянно расширяющихся уголков нашей вселенной, физики будущего должны будут смело отправиться туда, куда еще не ступала нога человека.
Дополнительные ресурсы
Чтобы узнать больше о скорости света, воспользуйтесь этим забавным инструментом от Academo (открывается в новой вкладке), который позволяет визуализировать, с какой скоростью свет может перемещаться из любого места на Земле в любое другое. Если вас больше интересуют другие важные числа, познакомьтесь с универсальными константами, которые определяют стандартные системы измерения по всему миру с помощью 9.0007 Национальный институт стандартов и технологий (открывается в новой вкладке). А если вам интересно узнать больше об истории скорости света, ознакомьтесь с книгой « Скорость света: Призрачный эфир и гонка за измерением скорости света (откроется в новой вкладке)» (Оксфорд, 2019 г.) автора Джон Ч. Х. Спенс.
Предыдущее исследование для этой статьи предоставлено сотрудником Space.com Нолой Тейлор Редд.
Библиография
Аристотель. «О чувстве и разумном». Архив интернет-классики, 350 г. н.
э. http://classics.mit.edu/Aristotle/sense.2.2.html (открывается в новой вкладке).
Д’Альто, Ник. «Трубопровод, измеривший скорость света». Smithsonian Magazine, январь 2017 г. https://www.smithsonianmag.com/air-space-magazine/18_fm2017-oo-180961669/ (открывается в новой вкладке).
Фаулер, Майкл. “Скорость света.” Современная физика. Университет Вирджинии. По состоянию на 13 января 2022 г. https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/spedlite.html#Albert%20Abraham%20Michelson (откроется в новой вкладке).
Джованнини, Даниэль, Жакилин Ромеро, Вацлав Поточек, Гергели Ференци, Фиона Спейритс, Стивен М. Барнетт, Даниэле Фаччо и Майлз Дж. Пэджетт. «Пространственно структурированные фотоны, которые движутся в свободном пространстве медленнее скорости света». Science, 20 февраля 2015 г. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aaa3035 (открывается в новой вкладке).
Гольдзак, Тамар, Алексей Александрович Майлыбаев и Нимрод Моисеев.
«Свет останавливается в исключительных точках». Письма о физическом обзоре 120, вып. 1 (3 января 2018 г.): 013901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.013901 (открывается в новой вкладке).
Хазен, Роберт. «Что заставляет бриллиант сверкать?» PBS NOVA, 31 января 2000 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/diamond-science/ (открывается в новой вкладке).
«Какой длины световой год?» Glenn Learning Technologies Project, 13 мая 2021 г. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/Numbers/Math/Mathematical_Thinking/how_long_is_a_light_year.htm (открывается в новой вкладке).
Новости Американского физического общества. «Июль 1849 г.: Fizeau Publishes of Speed of Light Experiment», июль 2010 г. http://www.aps.org/publications/apsnews/201007/physicshistory.cfm (открывается в новой вкладке).
Лю, Чиен, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи и Лене Вестергаард Хау. «Наблюдение за хранением когерентной оптической информации в атомной среде с использованием остановленных световых импульсов».
Природа 409, вып. 6819 (январь 2001 г.): 490–93. https://doi.org/10.1038/35054017 (откроется в новой вкладке).
НИСТ. «Познакомьтесь с константами». 12 октября 2018 г. https://www.nist.gov/si-redefinition/meet-constants (открывается в новой вкладке).
Уэллетт, Дженнифер. «Краткая история скорости света». PBS NOVA, 27 февраля 2015 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/brief-history-speed-light/ (откроется в новой вкладке).
Ши, Джеймс Х. «Оле Ро/Мер, скорость света, видимый период Ио, эффект Доплера и динамика Земли и Юпитера». Американский журнал физики 66, вып. 7 (1 июля 1998 г.): 561–69. https://doi.org/10.1119/1.19020 (откроется в новой вкладке).
Сигел, Итан. «Неудачный эксперимент, изменивший мир». Forbes, 21 апреля 2017 г. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/21/the-failed-experiment-that-changed-the-world/ (открывается в новой вкладке).
Стерн, Дэвид. «Рёмер и скорость света», 17 октября 2016 г.