Скорость света не в вакууме – Скорость света — Википедия

Содержание

Скорость света — Википедия

солнечному свету требуется в среднем[Прим. 1] 8 минут 17 секунд, чтобы достигнуть Земли
метров в секунду 299 792 458
Планковских единиц 1
километров в секунду 300 000
километров в час 1,08 млрд
астрономических единиц в сутки 173
расстояние время
один метр 3,3 нс
один километр 3,3 мкс
от геостационарной орбиты до Земли 119 мс
длина экватора Земли 134 мс
от Луны до Земли 1,255 с
от Солнца до Земли (1 а. е.) 8,3 мин.
от Вояджера-1 до Земли 20 часов и 31 минута (на ноябрь 2019)[1]
один световой год 1 год
один парсек 3,26 лет
от Проксимы Центавра до Земли 4,24 лет
от Альфы Центавра до Земли 4,37 лет
от ближайшей галактики (Карликовой галактики в Большом Псе) до Земли 25 000 лет
через Млечный Путь 100 000 лет
от галактики Андромеды до Земли 2,5 млн лет
от самой удалённой известной галактики до Земли 13,4 млрд лет[2]

Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме[Прим. 2]. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c{\displaystyle c}» (произносится как «цэ»). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом[3]. Из постулата причинности (любое событие может оказывать влияние только на события, происходящие позже него и не может оказывать влияние на события, произошедшие раньше него

[4][5][6]) и постулата специальной теории относительности о независимости скорости света в вакууме от выбора инерциальной системы отсчёта (скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга[7]) следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света[8][9][6]. Таким образом, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году

[Прим. 3].

На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды[11].

В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1 c{\displaystyle c}. Можно сказать, что свет проходит 1 планковскую длину за планковское время, но в планковской системе единиц скорость света c{\displaystyle c} является основной единицей, а единицы времени и расстояния — производными (в отличие от СИ, где основными являюся метр и секунда).

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света[Прим. 4], но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость, лишь на 3 м/сек меньше скорости света, имеют массивные частицы (протоны), полученные на ускорителе (Большой адронный коллайдер) или входящие в состав космических лучей.[источник не указан 718 дней]

В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом). Существует, однако, проблема «запутанных состояний» частиц, которые, судя по всему, «узнают» о состоянии друг друга мгновенно. Однако и в этом случае сверхсветовой передачи информации не происходит, поскольку для передачи информации таким способом необходимо привлечь дополнительный классический канал передачи со скоростью света

[Прим. 5].

Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например, солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой)[13].

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=cν{\displaystyle \lambda ={\frac {c}{\nu }}}). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c{\displaystyle c}. Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде называется показателем преломления среды. Если угловая частота ω{\displaystyle \omega }волны в среде зависит от волнового числа k{\displaystyle k} нелинейным образом, то групповая скорость равняется первой производной ∂ω∂k{\displaystyle {\frac {\partial \omega }{\partial k}}}, в отличие от фазовой скорости ωk{\displaystyle {\frac {\omega }{k}}}.

[14]

Групповая скорость света определяется как скорость распространения биений между двумя волнами с близкой частотой и в равновесной среде всегда меньше c{\displaystyle c}. Однако в неравновесных средах, например, сильно поглощающих, она может превышать c{\displaystyle c}. При этом, однако, передний фронт импульса всё равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

Фактор Лоренца (Лоренц-фактор) γ{\displaystyle \gamma } как функция скорости. Он растет от 1 (для нулевой скорости) до бесконечности (с приближением v{\displaystyle v} к c{\displaystyle c}).

Скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит ни от движения источника волн, ни от системы отсчёта наблюдателя[Прим. 6]. Эйнштейн постулировал такую инвариантность скорости света в 1905 году[15].Он пришёл к этому выводу на основании теории электромагнетизма Максвелла и отсутствия доказательств существования светоносного эфира[16].

Инвариантность скорости света неизменно подтверждается множеством экспериментов[17]

. Существует возможность проверить экспериментально лишь то, что скорость света в «двустороннем» эксперименте (например, от источника к зеркалу и обратно) не зависит от системы отсчёта, поскольку невозможно измерить скорость света в одну сторону (например, от источника к удалённому приёмнику) без дополнительных договоренностей относительно того, как синхронизировать часы источника и приёмника. Однако, если применить для этого синхронизацию Эйнштейна, односторонняя скорость света становится равной двусторонней по определению[18][19].

Специальная теория относительности исследует последствия инвариантности c{\displaystyle c} в предположении, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта[20][21]. Одним из последствий является то, что c{\displaystyle c} — это та скорость, с которой должны двигаться в вакууме все безмассовые частицы и волны (в частности, и свет).

Специальная теория относительности имеет много экспериментально проверенных последствий, которые противоречат интуиции[22]. Такие последствия включают: эквивалентность массы и энергии (E0=mc2){\displaystyle (E_{0}=mc^{2})}, сокращение длины (сокращение объектов во время движения)[Прим. 7] и замедление времени (движущиеся часы идут медленнее). Коэффициент γ{\displaystyle \gamma }, показывающий, во сколько раз сокращается длина и замедляется время, известен как фактор Лоренца (Лоренц-фактор)

γ=11−v2c2,{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}},}

где v{\displaystyle v} — скорость объекта. Для скоростей гораздо меньших, чем c{\displaystyle c} (например, для скоростей, с которыми мы имеем дело каждый день) разница между γ{\displaystyle \gamma } и 1 настолько мала, что ею можно пренебречь. В этом случае специальная теория относительности хорошо аппроксимируется относительностью Галилея. Но на релятивистских скоростях разница увеличивается и стремится к бесконечности при приближении v{\displaystyle v} к c{\displaystyle c}.

Объединение результатов специальной теории относительности требует выполнения двух условий: (1) пространство и время являются единой структурой, известной как пространство-время (где c{\displaystyle c} связывает единицы измерения пространства и времени), и (2) физические законы удовлетворяют требованиям особой симметрии, которая называется инвариантность Лоренца (Лоренц-инвариантность), формула которой содержит параметр c{\displaystyle c}[25]. Инвариантность Лоренца встречается повсеместно в современных физических теориях, таких как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика, стандартная модель физики элементарных частиц и общая теория относительности. Таким образом, параметр c{\displaystyle c} встречается повсюду в современной физике и появляется во многих смыслах, которые не имеют отношения собственно к свету. Например, общая теория относительности предполагает, что гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью c{\displaystyle c}[26][27]. В неинерциальных системах отсчёта (в гравитационно искривлённом пространстве или в системах отсчёта, движущихся с ускорением), локальная скорость света также является постоянной и равна c{\displaystyle c}, однако скорость света вдоль траектории конечной длины может отличаться от c{\displaystyle c} в зависимости от того, как определено пространство и время[28].

Считается, что фундаментальные константы, такие как c{\displaystyle c}, имеют одинаковое значение во всём пространстве-времени, то есть они не зависят от места и не меняются со временем. Однако некоторые теории предполагают, что скорость света может изменяться со временем[29][30]. Пока нет убедительных доказательств таких изменений, но они остаются предметом исследований[31][32].

Кроме того, считается, что скорость света изотропна, то есть не зависит от направления его распространения. Наблюдения за излучением ядерных энергетических переходов как функции от ориентации ядер в магнитном поле (эксперимент Гугса — Древера), а также вращающихся оптических резонаторов (эксперимент Майкельсона — Морли и его новые вариации), наложили жёсткие ограничения на возможность двусторонней анизотропии[33][34].

В ряде естественных систем единиц скорость света является единицей измерения скорости[35]. В планковской системе единиц, также относящейся к естественным системам, она служит в качестве единицы скорости и является одной из основных единиц системы.

Верхний предел скорости[править | править код]

Согласно специальной теории относительности, энергия объекта с массой покоя m{\displaystyle m} и скоростью v{\displaystyle v} равна γmc2{\displaystyle \gamma mc^{2}}, где γ{\displaystyle \gamma } — определённый выше фактор Лоренца. Когда v{\displaystyle v} равна нулю, γ{\displaystyle \gamma } равен единице, что приводит к известной формуле эквивалентности массы и энергии E=mc2{\displaystyle E=mc^{2}}. Поскольку фактор γ{\displaystyle \gamma } приближается к бесконечности с приближением v{\displaystyle v} к c{\displaystyle c}, ускорение массивного объекта до скорости света потребует бесконечной энергии. Скорость света — это верхний предел скорости для объектов с ненулевой массой покоя. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса[36].

Событие A предшествует событию B в красной системе отсчёта (СО), одновременно с B в зелёной СО и происходит после B в синей СО

Вообще информация или энергия не могут передаваться в пространстве быстрее, чем со скоростью света. Один из аргументов в пользу этого следует из контринтуитивного заключения специальной теории относительности, известного как относительность одновременности. Если пространственное расстояние между двумя событиями А и В больше, чем промежуток времени между ними, умноженный на c{\displaystyle c}, то существуют такие системы отсчёта, в которых А предшествует B, и другие, в которых B предшествует А, а также такие, в которых события А и B одновременны. В результате, если объект двигался бы быстрее скорости света относительно некоторой инерциальной системы отсчёта, то в другой системе отсчёта он бы путешествовал назад во времени, и принцип причинности был бы нарушен[Прим. 8][38]. В такой системе отсчёта «следствие» можно было бы наблюдать раньше его «первопричины». Такое нарушение причинности никогда не наблюдалось[19]. Оно также может приводить к парадоксам, таким как тахионный антителефон[39].

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной[40]. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

Первую оценку скорости света произвёл Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что, когда Земля на своей орбите находится дальше от Юпитера, затмения Юпитером спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное значение, но близкое к истинному. В 1676 году он сделал сообщение в Парижской Академии, но не опубликовал свои результаты в виде формальной научной работы, в результате чего научное сообщество приняло идею о конечной скорости света только в 1727 году[41].

Спустя полвека, в 1728 году, открытие аберрации позволило Дж. Брэдли подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку: полученное Брэдли значение составило 308 000 км/с[42][43].

Впервые измерения скорости света, основанные на определении времени прохождения светом точно измеренного расстояния в земных условиях, выполнил в 1849 году А. И. Л. Физо. В своих экспериментах Физо использовал разработанный им «метод прерываний», при этом расстояние, преодолеваемое светом, составляло 8,63 км. Полученное в результате выполненных измерений значение оказалось равным 313 300 км/с. В дальнейшем метод прерываний значительно усовершенствовали и его использовали для измерений М. А. Корню (1876 г.), А. Ж. Перротен (1902 г.) и Э. Бергштранд[sv]. Измерения, выполненные Э. Бергштрандом в 1950 году, дали для скорости света значение 299 793,1 км/с, при

ru.wikipedia.org

Скорость света — это… Что такое Скорость света?


Солнечному свету требуется около 8 минут 19 секунд, чтобы достигнуть Земли
Точные значения
Метров в секунду

299 792 458

Планковских единиц

1

Приблизительные значения
километров в секунду

300 000

километров в час

1,08 млрд

миль в секунду

186 000

миль в час

671 млн

астрономических единиц в день

173

Приблизительное время путешествия светового сигнала
Расстояние

Время

один фут

1,0 нс

один метр

3,3 нс

один километр

3,3 мкс

одна статутная миля

5,4 мкс

от геостационарной орбиты до Земли

119 мс

длина экватора Земли

134 мс

от Луны до Земли

1,255 с

от Солнца до Земли (1 а. е.)

8,3 мин.

от Вояджера-1 до Земли

16,6 часов (на март 2012)[1].

Один световой год

1 год

один парсек

3,26 лет

от Проксимы Центавра до Земли

4,24 лет

от Альфы Центавра до Земли

4,37 лет

от ближайшей галактики (Карликовой галактики в Большом Псе) до Земли

25 000 лет

через Млечный Путь

100 000 лет

от Галактики Андромеды до Земли

2,5 млн лет

от самой удалённой известной галактики до Земли

13 млрд лет

Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме[2]. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [це]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

В вакууме (пустоте)

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с.

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды[3]. Для решения школьных задач и разного рода оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение 300 000 000 м/с (3×108 м/с).

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.

В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом).

Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой)[4]. (Подробнее см. Сверхсветовое движение, также соответствующий раздел данной статьи ниже).

В прозрачной среде

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ = c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

История измерений скорости света

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной[5]. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.

Сверхсветовое движение

Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) невозможно, так как это нарушило бы фундаментальный принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами, движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.

Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.

Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и во-вторых, никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности — с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а разность их скоростей также не достигает скорости света.

Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны.

В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

C 2006 года появляются сообщения о том, что в так называемом эффекте квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана — сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества

[6].

В результате обработки данных эксперимента OPERA[7], набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино[8]. Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов[9]. Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино[10]. В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили[11][12]. В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля)[13].

В культуре

В фантастическом рассказе «Светопреставление» Александр Беляев описывает ситуацию, когда скорость света снижается до нескольких метров в секунду.

См. также

Примечания

  1. Where Are the Voyagers — NASA Voyager. Voyager — The Interstellar Mission. Jet Propulsion Laboratory, California Istitute of Technology. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012. Проверено 12 июля 2011.
  2. Скорость распространения светового импульса в среде отличается от скорости его распространения в вакууме (меньше, чем в вакууме), и может быть различной для разных сред. Когда говорят просто о скорости света, обычно подразумевается именно скорость света в вакууме; если же говорят о скорости света в среде, это, как правило, оговаривается явно.
  3. ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
  4. Болотовский Б. М., Гинзбург В. Л. Эффект Вавилова — Черенкова и эффект Допплера при движении источников со скоростью больше скорости света в вакууме // УФН. — 1972. — Т. 106. — № 4. — С. 577-592.
  5. Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках. — издание третье, расширенное. — М.: МЦНМО, 2001. — С. 105-108. — ISBN 5-900916-83-9
  6. И. Иванов. Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности. Элементы.ру.
  7. Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus
  8. OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso
  9. OPERA Collaboration (Adam T. et al.) (2011), «Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam», arΧiv:1109.4897  .
  10. И.Иванов. Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино. Элементы.ру, 23 сентября 2011 года.
  11. Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam.
  12. Эйнштейн оказался прав.
  13. Эксперимент OPERA окончательно «закрыл» сверхсветовые нейтрино.

Литература

Ссылки

dic.academic.ru

Переменная скорость света — Википедия

Согласно концепции переме́нной ско́рости све́та (ПСС) считается, что скорость света в вакууме, обычно обозначаемая c, в некоторых случаях может не быть константой. В большинстве ситуаций в физике конденсированного состояния распространение света в среде действительно происходит с меньшей скоростью, чем в вакууме. Кроме того, в некоторых расчётах квантовой теории поля необходимо учитывать, что виртуальные фотоны должны двигаться на короткие расстояния в том числе со скоростью, отличной от скорости света — причём как с меньшей, так и с большей. Отсюда, однако, не следует, что возможно перемещение вещества со скоростью больше скорости света. Хотя обычно считается, что нет смысла приписывать размерным величинам, таким как скорость света, изменение во времени (в отличие от безразмерных величин, таких как постоянная тонкой структуры), в некоторых спорных теориях космологии скорость света варьируется в зависимости от изменения постулатов специальной теории относительности. Если эта концепция подтвердится, то возникнет необходимость переписать большую часть современной физики — ту, которая построена на постоянстве скорости света.[1]

Считается, что фотон, являющийся частицей света и выступающий переносчиком электромагнитной силы, не обладает массой покоя. Так называемое «уравнение Прока» описывает теорию фотона, обладающего массой[2]. Теоретически возможен фотон, являющийся чрезвычайно лёгким, но, тем не менее, имеющим небольшую массу, как, например, у нейтрино. Такие фотоны могут распространяться со скоростью меньше скорости света, которая определяется в специальной теории относительности. Эти фотоны будут иметь три направления поляризации. Однако в квантовой теории поля ненулевая масса фотона не согласуется с калибровочной инвариантностью или перенормировкой, и поэтому, как правило, она игнорируется. Тем не менее, квантовая теория массивного фотона может рассматриваться в вильсоновском приближении теории эффективного поля к квантовой теории поля, где наличие или отсутствие массы фотона порождается механизмом Хиггса, или же эта масса вводится в специальный лагранжиан Прока. В таком случае пределы на массу фотона, возникающие из различных наблюдений и экспериментов, могут ограничивать различные параметры теории[3].

В квантовой теории поля соотношение неопределённости Гейзенберга показывает, что любые частицы в течение кратких периодов могут двигаться с произвольной скоростью. В интерпретации теории с помощью диаграмм Фейнмана такие частицы известны как «виртуальные», и они отличаются тем, что распространяются вне «массовой оболочки» (en.) и могут иметь любую скорость, как меньше, так и больше скорости света. Можно процитировать Ричарда Фейнмана:

«…Кроме того, для света есть диапазон скоростей, он может распространяться быстрее (или медленнее), чем обычная скорость света. Из предыдущей лекции вы можете вспомнить, что свет не всегда идёт по прямой линии, а теперь вы видите, что он не всегда распространяется со скоростью света! Возможно, вас удивит, что для фотона существует возможность двигаться быстрее или медленнее, чем обычная скорость света c».[4]

Однако эти виртуальные фотоны не нарушают принципа причинности или специальной теории относительности, так как они непосредственно не наблюдаемы, и информация не может быть передана беспричинно. Диаграммы Фейнмана и виртуальные фотоны интерпретируются не как физические картины того, что на самом деле происходит, но скорее как удобный инструмент расчетов (который в некоторых случаях может принимать во внимание скорости больше скорости света).

В 1937 году Поль Дирак и другие учёные начали исследование последствий изменения во времени констант природы. Например, Дирак предположил изменение гравитационной постоянной G всего лишь на 5 единиц 10−11 в год от её величины для объяснения относительной слабости силы гравитации по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями. Это вошло в науку как гипотеза больших чисел Дирака. Однако Ричард Фейнман в своей знаменитой лекции[5] показал на основе геологических данных и наблюдений Солнечной системы, что гравитационная постоянная, скорее всего, не могла измениться так сильно за последние 4 млрд лет (хотя можно предположить изменяющуюся константу, не влияющую на другие константы). Нынешние (2011 год) ограничения на скорость изменения G примерно в 10 раз ниже значения, предлагавшегося Дираком.

Неясно, каковы последствия количественных изменений размерности, так как любое такое изменение приведёт к смене единиц измерения. Джон Барроу пишет:

Важный урок, который мы извлекаем из того, как безразмерные константы, такие как α, определяют мир, — это как на самом деле миры могут отличаться друг от друга. Безразмерная константа, которую мы называем постоянной тонкой структуры и обозначаем через α, есть комбинация из заряда электрона e, скорости света c и постоянной Планка h. Априори мы можем подумать, что мир, в котором скорость света будет меньше, будет другим миром, но это ошибка. Если бы c, h, и e были бы все изменены таким образом, чтобы значения, которые они имеют в метрической системе единиц измерения (или любой другой системе) в наших таблицах физических констант были бы отличными от существующих, но значение α осталось прежним, этот новый мир был бы экспериментально неотличим от нашего мира. Единственная вещь, которая имеет значение при определении мира — это значения безразмерных констант Природы. Если все массы удвоить, [в том числе планковскую массу mP], вы не сможете ничего обнаружить, потому что все безразмерные константы, определённые отношением любой пары масс, останутся неизменными.

Оригинальный текст (англ.)

[An] important lesson we learn from the way that pure numbers like α define the world is what it really means for worlds to be different. The pure number we call the fine structure constant and denote by α is a combination of the electron charge, e, the speed of light, c, and Planck’s constant, h. At first we might be tempted to think that a world in which the speed of light was slower would be a different world. But this would be a mistake. If c, h, and e were all changed so that the values they have in metric (or any other) units were different when we looked them up in our tables of physical constants, but the value of α remained the same, this new world would be observationally indistinguishable from our world. The only thing that counts in the definition of worlds are the values of the dimensionless constants of Nature. If all masses were doubled in value [including the Planck mass mP] you cannot tell because all the pure numbers defined by the ratios of any pair of masses are unchanged.

Джон Барроу[6]

Любое уравнение, описывающее физический закон, может быть записано таким образом, чтобы все размерные величины были нормированы, в результате чего масштабные величины (так называемые необразмеренные) войдут в безразмерные величины. В самом деле, физики часто выбирают свои единицы измерения так, что физические постоянные c, G и h/2π принимают единичное значение, в результате чего каждая физическая величина может быть нормирована соответствующей планковской единицей. Таким образом, многие физики считают, что наделение свойством эволюции размерных величин в лучшем случае бессмысленно, а в худшем противоречиво[7]. Когда используются планковские единицы и уравнения физических законов выражены в такой необразмеренной форме, то исчезают все размерные физические константы, такие как c, G или h, остаются только безразмерные величины. Лишённые своих антропометрических зависимостей, единицы измерения, среди которых уже не будет скорости света, гравитационной постоянной или постоянной Планка, останутся в математических выражениях физической реальности определённого гипотетического варианта. Например, в случае гравитационной постоянной G соответствующие безразмерные величины будут в конечном счёте равны отношению планковской массы к массе элементарных частиц. Некоторые ключевые безразмерные величины (считающиеся константами), зависящие от скорости света, например, постоянная тонкой структуры, будут иметь значимые расхождения, и их возможные изменения являются объектом исследований.

В теории относительности пространство-время имеет 4 измерения одного и того же физического свойства: это трёхмерное пространство и одномерное время. Коэффициент пересчёта времени в длину равен скорости света согласно теории относительности. Если определение метра в СИ вернуть к его формулировке до 1960 года, когда он определялся как длина эталонного образца, то мыслимо определить изменение c (как обратное количество времени, затраченное светом на прохождение этого эталона длины). Может быть, более важно интерпретировать это изменение как изменение безразмерной величины отношения длины эталона метра к планковской длине, или как изменение также безразмерной величины отношения секунды СИ к планковскому времени, или как изменение обеих этих величин. Если число атомов, составляющих эталон метра, остаётся неизменным (как это и должно быть для стабильного эталона), то заметное изменение значения c будет следствием более фундаментального изменения безразмерного отношения планковской длины к размеру атома (боровскому радиусу), либо безразмерного отношения планковского времени к периоду излучения цезия-133, или обеих этих величин[источник не указан 3076 дней].

Одна группа учёных, изучающая далёкие квазары, объявила об обнаружении ими изменения постоянной тонкой структуры на величину порядка 10−5[8]. Многие оспаривают эти результаты, считая, что для обнаружения таких изменений нужны приборы с гораздо более высокой чувствительностью[9][10][11]. Более того, даже более жёсткие ограничения, обнаруженные при изучении содержания некоторых изотопов в природном ядерном реакторе в Окло, в настоящее время свидетельствуют об отсутствии каких-либо изменений[12][13].

Пол Дэвис с сотрудниками предположили, что в принципе можно определить, какие из размерных констант (элементарный электрический заряд, постоянная Планка и скорость света), из которых комбинируется постоянная тонкой структуры, являются ответственными за изменения[14]. Однако это было оспорено другими учёными, и в настоящее время не является общепризнанным[15][16].

Космология переменной скорости света[править | править код]

Космология переменной скорости света была предложена независимо друг от друга Жаном-Пьером Пети в 1988 году[17][18][19][20], Джоном Моффатом в 1992 году[21] и научным тандемом в составе Андреаса Альбрехта и Жуана Магейжу в 1998 году[22][23][24][25][26][27] для объяснения космологической проблемы горизонта и предложения альтернативы космической инфляции. Была также предложена альтернативная модель ПСС.[28]

В модели ПСС Пети изменение c сопровождается совместным изменением всех физических констант, объединённых в изменения масштабных факторов пространства и времени, так что все уравнения и меры этих констант остаются неизменными на протяжении эволюции Вселенной. Уравнения Эйнштейна остаются инвариантными при совместных вариациях c и G, которые входят в гравитационную постоянную Эйнштейна. Эта модель ограничивает изменение констант верхним значением плотности энергии ранней Вселенной, в самом начале эры доминирования энергии, когда пространство-время отождествляется с пространством-энтропией в метрике конформно-плоского многообразия.[29][30] Следует однако отметить, что в то время это была первая опубликованная модель ПСС и единственная на сегодняшний день модель, в которой даётся закон эволюции, касающийся совместной вариации констант во времени и оставляющий неизменным физику процесса. Позднее эти работы получили несколько ссылок в ПСС литературе.

Идея Моффата и команды Альбрехта — Магейжу состоит в том, что свет распространялся на целых 60 порядков быстрее в ранней Вселенной, таким образом, отдалённые области расширяющейся Вселенной успели повзаимодействовать на начальном этапе Вселенной. Сейчас не известны пути решения проблемы горизонта с изменением постоянной тонкой структуры, потому что её изменение не меняет причинную структуру пространства-времени. Чтобы это сделать, потребуется изменение гравитации путём изменения гравитационной постоянной или пересмотр специальной теории относительности. Классически, чтобы обойти это, космологии переменной скорости света предлагают варьировать размерность величины c, в частности, путём отмены лоренц-ковариантности в общей и специальной теории относительности Эйнштейна.[31][32] Более современные формулировки сохраняют локальную лоренц-ковариантность.[24]

  1. George F R Ellis. Note on Varying Speed of Light Cosmologies (англ.) // General Relativity and Gravitation : journal. — 2007. — April (vol. 39, no. 4). — P. 511—520. — DOI:10.1007/s10714-007-0396-4.
  2. J. D. Jackson. Classical Electrodynamics. — 3rd ed. — Wiley, 1998.
  3. ↑ E. Adelberger, G. Dvali and A. Gruzinov, «Photon Mass Bound Destroyed by Vortices», preprint
  4. R. Feynman. QED: the strange theory of light and matter. — Princeton University Press, 1988. — P. 89.
  5. R. P. Feynman. Chapter 7 // Lectures on Physics. — Addison Wesley Longman, 1970. — Vol. 1.
  6. John D. Barrow. The Constants of Nature; From Alpha to Omega — The Numbers that Encode the Deepest Secrets of the Universe. — New York : Pantheon Books, 2002. — ISBN 0-375-42221-8.
  7. ↑ J. P. Uzan, «The fundamental constants and their variation: Observational status and theoretical motivations», Rev. Mod. Phys. 75, 403 (2003). arXiv:hep-ph/0205340
  8. J. K. Webb, M. T. Murphy, V. V. Flambaum, V. A. Dzuba, J. D. Barrow, C. W. Churchill, J. X. Prochaska and A. M. Wolfe. Further Evidence for Cosmological Evolution of the Fine Structure Constant (англ.) // Phys. Rev. Lett. : journal. — 2001. — Vol. 87, no. 9. — P. 091301. — DOI:10.1103/PhysRevLett.87.091301. — PMID 11531558. arXiv:astro-ph/0012539
  9. H. Chand, R. Srianand, P. Petitjean and B. Aracil. Probing the cosmological variation of the fine-structure constant: results based on VLT-UVES sample (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 2004. — Vol. 417, no. 3. — P. 853. — DOI:10.1051/0004-6361:20035701. arXiv:astro-ph/0401094
  10. R. Srianand, H. Chand, P. Petitjean and B. Aracil. Limits on the time variation of the electromagnetic fine-structure constant in the low energy limit from absorption lines in the spectra of distant quasars (англ.) // Phys. Rev. Lett. : journal. — 2004. — Vol. 92, no. 12. — P. 121302. — DOI:10.1103/PhysRevLett.92.121302. — PMID 15089663. arXiv:astro-ph/0402177
  11. S. A. Levshakov, M. Centurion, P. Molaro and S. D’Odorico. VLT/UVES constraints on the cosmological variability of the fine-structure constant (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. arXiv:astro-ph/0408188
  12. A. I. Shlyakhter. Direct test of the constancy of fundamental nuclear constants (англ.) // Nature : journal. — 1976. — Vol. 264, no. 5584. — P. 340. — DOI:10.1038/264340a0.
  13. T. Damour and F. Dyson. The Oklo bound on the time variation of the fine-structure constant revisited (англ.) // Nucl. Phys. : journal. — 1996. — Vol. B480, no. 1—2. — P. 37. — DOI:10.1016/S0550-3213(96)00467-1. arXiv:hep-ph/9606486
  14. P. C. W. Davies, Tamara M. Davis, Charles H. Lineweaver. Cosmology: Black holes constrain varying constants (англ.) // Nature. — 2002. — Vol. 418, no. 6898. — P. 602—603. — DOI:10.1038/418602a. — PMID 12167848.
  15. ↑ M. J. Duff, «Comment on time-variation of fundamental constants», arXiv:hep-th/0208093.
  16. S. Carlip and S. Vaidya. Black holes may not constrain varying constants (англ.) // Nature. — 2003. — Vol. 421, no. 6922. — P. 498. — DOI:10.1038/421498a. — PMID 12556883. arXiv:hep-th/0209249
  17. J. P. Petit. An interpretation of cosmological model with variable light velocity (англ.) // Mod. Phys. Lett. A (англ.)русск. : journal. — 1988. — Vol. 3, no. 16. — P. 1527—1532. — DOI:10.1142/S0217732388001823.Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 24 декабря 2014. Архивировано 3 февраля 2015 года.
  18. J. P. Petit. Cosmological model with variable light velocity: the interpretation of red shifts (англ.) // Mod. Phys. Lett. A (англ.)русск. : journal. — 1988. — Vol. 3, no. 18. — P. 1733—1744. — DOI:10.1142/S0217732388002099.Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 24 декабря 2014. Архивировано 18 июля 2014 года.
  19. J. P. Petit, M. Viton. Gauge cosmological model with variable light velocity: III.: Comparison with QSO observational data (англ.) // Mod. Phys. Lett. A (англ.)русск. : journal. — 1989. — Vol. 4, no. 23. — P. 2201—2210. — DOI:10.1142/S0217732389002471.Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 24 декабря 2014. Архивировано 4 февраля 2015 года.
  20. P. Midy, J. P. Petit. Scale invariant cosmology (англ.) // Int. J. Mod. Phys. D (англ.)русск. : journal. — 1989. — No. 8. — P. 271—280.Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 24 декабря 2014. Архивировано 17 июля 2014 года.
  21. J. Moffat. Superluminary Universe: A Possible Solution to the Initial Value Problem in Cosmology (англ.) // Int. J. Mod. Phys. D (англ.)русск. : journal. — 1993. — Vol. 2, no. 3. — P. 351—366. — DOI:10.1142/S0218271893000246.arXiv:gr-qc/9211020
  22. J. D. Barrow. Cosmologies with varying light-speed (неопр.). — 1998.arXiv:astro-ph/9811022
  23. A. Albrecht, J. Magueijo. A time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles (англ.) // Phys. Rev. : journal. — 1999. — Vol. D59. — P. 043516.arXiv:astro-ph/9811018
  24. 1 2 J. Magueijo. Covariant and locally Lorentz-invariant varying speed of light theories (англ.) // Phys. Rev. : journal. — 2000. — Vol. D62. — P. 103521.arXiv:gr-qc/0007036
  25. J. Magueijo. Stars and black holes in varying speed of light theories (англ.) // Phys. Rev. : journal. — 2001. — Vol. D63. — P. 043502.arXiv:astro-ph/0010591
  26. J. Magueijo. New varying speed of light theories (неопр.) // Rept. Prog. Phys.. — 2003. — Т. 66, № 11. — С. 2025. — DOI:10.1088/0034-4885/66/11/R04.arXiv:astro-ph/0305457
  27. J. Magueijo. Faster Than the Speed of Light: The Story of a Scientific Speculation. — Massachusetts : Perseus Books Group, 2003. — ISBN 0-7382-0525-7.
  28. J. Casado. A Simple Cosmological Model with Decreasing Light Speed (англ.) : journal. — 2003.arXiv:astro-ph/0310178
  29. J. P. Petit, P. Midy, F. Landsheat (2001). «Twin matter against dark matter» in Int. Conf. on Astr. & Cosm. «Where is the matter?» (See sections 14 and 15 pp. 21—26). Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 24 декабря 2014. Архивировано 4 февраля 2015 года.
  30. J. P Petit, G. d’Agostini. Bigravity: a bimetric model of the Universe with variable constants, including VSL (variable speed of light) (англ.) : journal. — Int. Meet. Var. Tech. CITV, 2007.arXiv:0803.1362
  31. M. A. Clayton, J. W. Moffat. Dynamical Mechanism for Varying Light Velocity as a Solution to Cosmological Problems (англ.) // Phys. Lett. (англ.)русск. : journal. — 1999. — Vol. B460. — P. 263—270.arXiv:astro-ph/9812481
  32. B. A. Bassett, S. Liberati, C. Molina-Paris, M. Visser. Geometrodynamics of variable-speed-of-light cosmologies (англ.) // Phys. Rev. : journal. — 2000. — Vol. D62. — P. 103518.arXiv:astro-ph/0001441

ru.wikipedia.org

Почему скорость света константа на пальцах™: sly2m — LiveJournal

эпиграф
Учительница спрашивает: Дети, что быстрее всего на свете?
Танечка говорит: Быстрее всего слово. Только сказал, уже не вернешь.
Ванечка говорит: Нет, быстрее всего свет.
Только нажал на выключатель, а в комнате тут же светло стало.
А Вовочка возражает: Быстрей всего на свете понос.
Мне однажды так приспичило, что ни слова
сказать не успел, ни свет включить.

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему скорость света максимальна, конечна и постоянна в нашей Вселенной? Это весьма интересный вопрос, и сразу, в качестве спойлера, выдам страшную тайну ответа на него — никто точно не знает, почему. Скорость света берется, т.е. мысленно принимается за константу, и на этом постулате, а так же на идее, что все инерциальные системы отсчета равноправны Альберт Эйнштейн построил свою специальную теорию относительности, которая вот уже сто лет выводит ученых из себя, позволяя Эйнштейну безнаказанно показывать миру язык и ухмыляться в гробу над размерами свиньи, которую он подложил всему человечеству.

Но почему, собственно, она такая постоянная, такая максимальная и такая конечная ответа так и нет, это лишь аксиома, т.е. принятое на веру утверждение, подтверждаемое наблюдениями и здравым смыслом, но никак ниоткуда логически или математически не выводимое. И вполне вероятно, что не такое уж и верное, однако никто до сих пор не смог его опровергнуть ни каким опытом.

У меня есть свои соображения на этот счет, о них попозже, а пока по простому, на пальцах™ попытаюсь ответить хотя бы на одну часть — что значит скорость света «постоянна».

Нет, я не буду грузить вас мысленными экспериментами, что будет если в ракете, летящей со скоростью света, включить фары и т.д., сейчас немного не об этом.

Если вы посмотрите в справочнике или википедии, скорость света в вакууме определена как фундаментальная физическая константа, которая точно равна 299 792 458 м/с. Ну, то есть если говорить примерно, то это будет около 300 000 км/с, а вот если прям точно — 299 792 458 метров в секунду.

Казалось бы, откуда такая точность? Любая математическая или физическая константа, что ни возьми, хоть Пи, хоть основание натурального логарифма е, хоть гравитационная постоянная G, или постоянная Планка h, всегда содержат какие-то цифры после запятой. У Пи этих знаков после запятой на сегодняшний момент известно около 5 триллионов (хотя какой-бы то ни было физический смысл, как вы помните, имеют только первые 39 цифр), гравитационная постоянная сегодня определена как G ~ 6,67384(80)x10-11, а постоянная Планка h ~ 6.62606957(29)x10-34.

Скорость же света в вакууме составляет ровно 299 792 458 м/с, ни сантиметром больше, ни наносекундой меньше. Хотите узнать, откуда такая точность?

Тогда добро пожаловать далее.

Началось все как обычно с древних греков. Науки, как таковой, в современном понимании этого слова, у них не существовало. Философы древней Греции потому и назывались философами, ибо сначала выдумывали какую-то хрень у себя в голове, а потом при помощи логических умозаключений (а иногда и реальных физических опытов) пытались доказать ее или опровергнуть. Однако использование реально существующих физических измерений и феноменов считались у них доказательствами «второго сорта», которые не идут ни в какое сравнение с первосортными логическими выводами получаемыми умозаключениями прямо из головы.

Первым, кто задумался о существовании у света собственной скорости, считают философа Эмпидокла, который заявлял, что свет есть движение, а у движения должна быть скорость. Ему возражал Аристотель, который утверждал, что свет это просто присутствие чего-то в природе, и все. И ничего никуда не движется. Но это еще что! Эвклид с Птолемеем так те вообще считали, что свет излучается из наших глаз, а потом падает на предметы, и поэтому мы их видим. Короче древние греки тупили как могли, покуда их не завоевали такие же древние римляне.

В средние века большинство ученых продолжали считать, что скорость распространения света бесконечна, среди таковых были, скажем, Декарт, Кеплер и Ферма.

Но некоторые, например Галилей, верили, что у света есть скорость, а значит ее можно измерить. Широко известен опыт Галилея, который зажигал лампу и светил помощнику, находящемуся от Галилея в нескольких километрах. Увидев свет, помощник зажигал свою лампу, и Галилей пытался измерить задержку между данными моментами. Естественно у него ничего не получалось, и в конце концов он вынужден был написать в своих сочинениях, что если у света есть скорость, то она чрезвычайно велика и не поддается измерению человеческими усилиями, а посему можно считать ее бесконечной.

Первое документальное измерение скорости света приписывается датскому астроному Олафу Ремеру в 1676м году. К этому году астрономы, вооруженные подзорными трубами того самого Галилея, вовсю наблюдали за спутниками Юпитера и даже вычислили периоды их вращения. Ученые определили, что ближайший к Юпитеру спутник Ио имеет период вращения примерно 42 часа. Однако Ремер заметил, что иногда Ио появляется из-за Юпитера на 11 минут раньше положенного времени, а иногда на 11 минут позже. Как оказалось, Ио появляется раньше в те периоды, когда Земля, вращаясь вокруг Солнца, приближается к Юпитеру на минимальное расстояние, и отстает на 11 минут тогда, когда Земля находится в противоположном месте орбиты, а значит находится от Юпитера дальше.

Тупо поделив диаметр земной орбиты (а он в те времена был уже более-менее известен) на 22 минуты Ремер получил скорость света 220 000 км/с, примерно на треть не досчитавшись до истинного значения.

В 1729м году английский астроном Джеймс Бредли, наблюдая за параллаксом (небольшим отклонением местоположения) звезды Этамин (Гамма Дракона) открыл эффект аберрации света, т.е. изменение положения на небосклоне ближайших к нам звезд из-за движения Земли вокруг Солнца.

Из эффекта аберрации света, обнаруженного Бредли, так же можно вывести, что свет имеет конечную скорость распространения, за что Бредли и ухватился, вычислив ее равной примерно 301 000 км/с, что уже в пределах точности 1% от известной сегодня величины.

Затем последовали все уточняющие измерения другими учеными, но так как считалось, что свет есть волна, а волна не может распространяться сама по себе, нужно чтобы что-то «волновалось», возникла идея существования «светоносного эфира», обнаружение которого с треском провалил американский физик Альберт Майкельсон. Никакого светоносного эфира он не обнаружил, но в 1879м году уточнил скорость света до 299 910±50 км/с.

Примерно в это же время Максвелл публикует свою теорию электромагнетизма, а значит скорость

sly2m.livejournal.com

Обсуждение:Скорость света — Википедия

Групповая скорость вовсе необязательно является скоростью передачи информации. Смотрите статью. D-Gun 01:21, 13 июня 2007 (UTC)

Я убрал глюоны и нейтрино. Глюоны не существуют в свободном виде, и строго говоря они всегда виртуальны. А виртуальные безмассовые частицы не обязаны двигаться со скоростью света. Про нейтрино же уже почти наверняка известно, что они массивны. —Igorivanov 11:41, 18 Июл 2004 (UTC)

Добавьте историю с определением скорости света. То, что Олаф Рёмер определил её астрономическим путём, а (вроде, Физе) — в лаборатории. Mercury 14:21, 10 марта 2006 (UTC)

Скорость прохождения сигнала может быть выше скорости света! Световой сигнал пропускаем через одну среду, затем через другую где скорость прохождения светового сигнала выше скорости света(???!!!), а затем возвращаем его в первую среду! Результирующая скорость светового сигнала будет выше скорости света!

_____ НЕТ ТАКОЙ СРЕДЫ где скорость света могла бы быть выше c.

Точность формулировок.[править код]

Следует разделить термин скорость света и максимальная скорость распространения взаимодействия. Под С подразумевается последнее. Скорость света в вакууме лишь одно из проявлений максимальной скорости распространения взаимодействия. ____________________________________________________________-

c по определению релятивистская постоянная, а также свойство всех инертных СО

инерциальных СО —Berserkerus 23:10, 7 мая 2007 (UTC)

НЕ забывайте- при расширении пространства скорость света не является предельной. В первые мгновения Взрыва ( Большого) Вселенная расширилась на 40 000 световых лет.

  • Теоретически-предельной скорости не существует в принципе. В статье дается определение, для чего именно скорость света предельна.—83.234.82.170 04:49, 5 октября 2010 (UTC)

запутанное превышение[править код]

надо бы актуализировать максимальную скорость взаимодействия: Квантовая механика опровергла Эйнштейна (по материалам соответствующей статьи в Nature)—Comp about window 10:01, 14 августа 2008 (UTC)
Возможность использования квантовой телепортации для передачи сигнала не доказана.—83.234.82.170 04:59, 5 октября 2010 (UTC)

«взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света»[править код]

В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света» [1].


Бред, при чем тут квантовая телепортация??? в квантовой телепортации иформация передается классическим способом. В данном случае(я про статью) на скоко я помню по воздуху. В воздухе скорость волны может быть в сто тысяч раз больше???

194.88.210.184 17:47, 5 июня 2009 (UTC)nanau
В следующих абзацах именно это и говорится, и приводится ссылка на научный разбор бреда. LGB 07:36, 6 июня 2009 (UTC)

Вы так говорите за квантовую сцепленность, как будто это что-то плохое 194.33.188.58 01:49, 28 октября 2010 (UTC)

  • Квантовая запутанность может основываться на действии торсионных полей. Технологии работы с торсионными полями захватила в свое единоличное использование мировая психотронная мафия «нулевая власть» и эта мафия не хочет появления конкурентов. Поэтому, теория торсионных полей и все, что с ней связано, дискредитируются всякими способами, в том числе и посредством действия на эмоциональную сферу читателей — применяются грубость, ложь, сарказм, психиатрический сленг. 93.79.163.192 13:35, 15 июня 2013 (UTC)

Ошибка В «Историческом Очерке»[править код]

«Отсюда он получил значение для скорости света около 220000 км/сек — неточное, но по порядку величины близкое к истинному.»

Это значение по порядку величины не близко к истинному, а совпадает с истинным. 89.110.57.249 09:46, 10 июля 2009 (UTC)

Пожалуй, справедливо. Сформулировал проще. LGB 11:56, 10 июля 2009 (UTC)

Возможно ли, хотя бы теоретический, преодолеть скорость света, и при этом не рассыпиться)))? 85.26.164.86 22:02, 16 ноября 2009 (UTC) 85.26.164.86 22:06, 16 ноября 2009 (UTC)

Статью тут надо обсуждать. Alexander Mayorov 22:16, 16 ноября 2009 (UTC)

Хотел бы уточнить по поводу первого измерения скорости света. Тут: http://en.wikipedia.org/wiki/Sayana говорят, что Саяна дал более точную оценку еще в 14 веке (The translation is «[O Sun,] bow to you, you who traverse 2,202 yojanas in half a nimesha.». As per Prof Kak the velocity comes to «186,413.22 miles per second»). 78.30.235.66, 22:49, 25 октября 2012‎.

Источник, на который ссылается указанная статья, написан Subhash C. Kak, судя по всему, не профессионалом в области истории науки, его гипотеза не имеет независимых подтверждений и опирается на гадательные оценки древнеиндийских мер длины и времени. Но самое главное — не описан способ, которым получена столь ошеломляюще точная оценка. Надо принять во внимание, что сколько-нибудь точных часов в Индии XIV века не было. Никто из средневековых учёных впоследствии не ссылался на оценку Саяны. Предположения автора статьи, что Саяна имел доступ к древним утраченным знаниям, лежит вне науки. Поэтому на данный момент это мнение маргинально, подождём, пока не появятся независимые подтверждения. LGB 10:04, 26 октября 2012 (UTC)

Основополагающий для СТО опыт Майкельсона показал, что скорость света в вакууме не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя.

Комментарий:

В своих опытах (1881г., 1887г.) А.А.Майкельсон абсолютно не собирался измерять зависимость скорости света от скорости движения источника света или наблюдателя. Тем более в вакууме. А.А.Майкельсон хотел обнаружить движение Земли относительно светоносного»эфира». Его опыты не могут быть доказательством постоянства скорости света в вакууме.

Источники:

1. «Относительное движение Земли и светоносный эфир», А.А.Майкельсон 1881г.

2. «Об относительном движении Земли и светоносном эфире», А.А.Майкельсон, Э.В. Морли 1887г.

Эти работы можно найти в Википедии, в статье «Майкельсон, Альберт Абрахам».

178.216.97.75 20:05, 8 июня 2010 (UTC) yuri759

Фраза, действительно, кривая. Я её убрал. —Source 20:13, 8 июня 2010 (UTC)

В первом абзаце читаем «По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.»

В разделе «Сверхсветовое движение» читаем обратное утверждение — «Однако теория не исключает движение частиц в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью»

Определитесь, где правда

194.216.131.21 17:36, 4 февраля 2011 (UTC)Алексей

  • В «Сверхсветовом движении» описывается гипотетические частицы, то есть по современным представлениям, они не существуют, хотя их существование в рамках теории возможно. 18:47, 4 февраля 2011 (UTC)
  • Там много чего описывается, в т.ч. расширение Вселенной. Поэтому лучше не вырывать из контекста, а ВП:ПС на базе ВП:АИ.—1101001 23:56, 5 февраля 2011 (UTC)

«сфера Хаббла — это область Вселенной, окружающей наблюдателя, за пределами которой объекты удаляются от наблюдателя со скоростью, большей чем скорость света».

А в статье «скорость света» написано, что «по современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий».

Автор сообщения: Весельчак Ы 188.230.14.7 06:35, 9 февраля 2011 (UTC)

Думаю, стоит поскорее исправить или убрать неоднозначную фразу в преамбуле статьи, чтобы не вводить читателей в замешательство. —V0d01ey 02:19, 1 марта 2011 (UTC)

Если речь о преамбуле этой статьи, то, думаю, не стоит. Это фундаментальный факт, который должен быть отражен. Другой вопрос, что стоит в отмеченных выше случаях писать аккуратнее, как это, например, сделано в статье Фазовая скорость. Source 10:25, 1 марта 2011 (UTC)

Анонимус обязан сообщить: http://www.rg.ru/2011/09/23/skorost-site-anons.html 91.79.75.58 16:43, 23 сентября 2011 (UTC)

Быстрый и медленный свет[править код]

Как на счёт того, чтобы упомянуть об этом явлении в статье? —TGX 18:57, 31 марта 2011 (UTC)

Здесь этот вопрос подробно анализируется. Wodoley 05:43, 28 апреля 2011 (UTC)
Извиняюсь, не для этого поста хотел отвечать. Перепутал. Wodoley 10:39, 28 апреля 2011 (UTC)
Ваша ссылка совсем о другом. — Артём Коржиманов 08:41, 28 апреля 2011 (UTC)

Скорость света в среде[править код]

«Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но е обязательно) меньше c. » Это как? Что значит «не обязательно»? Что, скорость может быть больше с? Бред же.83.234.218.96 17:36, 1 октября 2011 (UTC)

Фазовая — может. И зачастую бывает. Но эта величина никак не связана со скоростями распространения энергии/информации. (Скоростью волнового пакета) 80.250.160.211 20:03, 12 октября 2011 (UTC)

Различают скорость света в среде и вакууме. Среда — условие распространения волны. Вакуум среда? Состав?… Headwitcher (обс.) 06:56, 10 декабря 2018 (UTC)

Преобразования Лоренца[править код]

«Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее частице ускориться до скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.» Как это из преобразований Лоренца следует, что частице нельзя передать бесконечное количество энергии? Статья страшно смотрится: существенную часть занимает сверхсветовое движение, но тема статьи скорость света. Alexander Mayorov 10:50, 22 ноября 2011 (UTC)

Теоретическое обнаружение и вычисление скорости света Максвелом[править код]

На странице http://www.physbook.ru/index.php/Referat._Электромагнитные_волны я встретил утверждение «Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в пустоте — 300 000 км/с.» — а здесь в статье про это вообще ничего не сказано. А хотелось бы, с приведением соответствующих выкладок. Из чего и как он мог вычислить скорость света? —Nashev 18:02, 13 мая 2013 (UTC)

В статье о Максвелле кое-что на эту тему есть. Можно воспользоваться, или воспользоваться и развить. —VladVD 18:43, 13 мая 2013 (UTC)

О принципе современных измерений скорости света[править код]

Дифф — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%A1%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B0&diff=58330042&oldid=58329521

Вернул абзац о принципе современных измерений скорости света, на этот раз поставил в комментарии. Считаю, что в статье о скорости света должно быть хотя бы общее упоминание об этом.

Современные наиболее точные методы определения скорости света основаны на установлении числа электромагнитных волн, укладывающихся на определённом расстоянии, или на измерении длины волн λ{\displaystyle \lambda } и их частоты ν{\displaystyle \nu } (обычно эти измерения осуществляют на радиоволнах сантиметрового диапазона) и последующего расчёта значения c{\displaystyle c} = λ{\displaystyle \lambda } ν{\displaystyle \nu }

А насчет АИ, там да, была моя неточность. В электронной версии энциклопедии «Физика космоса» действительно нет этой информации. (респект за бдительность!). Но она есть в предыдущем бумажном издании, исправил. С уважением, Zatvornik 14:18, 15 сентября 2013 (UTC)

«Около» нужно, так как расстояние меняется. Да и при таких относительно небольших расстояниях стоит говорить о микросекундах. —Wolkodlak 11:24, 8 мая 2014 (UTC)

  • Статья рассчитана на простого пользователя. Ему и «Около 8 минут» или «Около 8 минут 20 секунд» — вполне достаточно. А «Около 8 минут 19 секунд» — это плохо звучит, потому что в левой части «около», а 19 секунд — «точно». —Sergei Frolov 11:56, 8 мая 2014 (UTC)
    Точно это 499,01 секунды =). то есть 8 мин 19 секунд и 9551 мкс —Wolkodlak 12:37, 8 мая 2014 (UTC)

Свойства физического тела, двигающегося со скоростью света.[править код]

Можно добавить описание свойств крупного объекта (например, металлического шара D=10 см) к статье. ««Romul

История измерении света[править код]

Дата | Авторы | Метод | км/с | Погрешность

1676 — Olaus Roemer — Спутники Юпитера 214 000

1726 — James Bradley — Аберрация звёзд 301 000

1849 — Armand Fizeau — Зубчатое колесо 315 000

1862 — Leon Foucault — Вращающееся зеркало 298 000 ±500

1879 — Albert Michelson — Вращающееся зеркало 299 910 ±50

1907 — Rosa, Dorsay — ЭМ константы 299 788 ±30

1926 — Albert Michelson — Вращающееся зеркало 299 796 ±4

1947 — Essen, Gorden-Smith — Объёмный резонатор 299 792 ±3

1958 — K.D.Froome — Радио интерферометр 299 792.5 ±0.1

1973 — Evanson et al — Лазерный интерферометр 299 792.4574 ±0.001

1983 — CGPM — Принятое значение 299 792.458 ±0

Скорость вращения Земли, вращение и отдаление при вращении точки учли при измерении скорости света? И вращение Земли в разных меридианах разное(путь меньше, а время одно). — Эта реплика добавлена с IP 85.140.78.105 (о) 12:07, 07 февраля 2017 (UTC)

Конечно, см. Опыт Майкельсона. Самое удивительное, что оказалось, что скорость света оказалась независима от скорости вращения Земли! Что и послужило поводом к созданию теории относительности. — Алексей Копылов 15:15, 7 февраля 2017 (UTC)

7. В то время как движущиеся измеряемые объектов (чего блин?) оказываются короче по линии относительного движения, они также выглядят повёрнутыми

Автор сообщения: йцукен 80.246.81.181 21:08, 21 декабря 2018 (UTC)

  • Информация внесена коллегой Ququ. Я понимаю, что это было уже давно, но может быть Вы помните, что имелось в виду: «движущиеся измеряемые объекты», «размеры измеряемых объектов» или что-то ещё?—Yellow Horror (обс.) 22:31, 21 декабря 2018 (UTC)
  • Почитал про вращение Террелла — Пенроуза и поправил комментарий. —Гдеёж?-здесь 01:27, 22 декабря 2018 (UTC)
    • Вообще, мне кажется вращение Террелла — Пенроуза не имеет отношение к статье. Я никогда не видел, чтобы этот эффект приводили в пример неинтуитивного следствия ТО (в отличие от сокращения Лоренца). Предлагаю это комментарий убрать вообще. — Алексей Копылов 03:08, 22 декабря 2018 (UTC)
  • Явная языковая ошибка в статье исправлена, спасибо всем принявшим участие. Уместность упоминания «вращения» в комментарии, думаю, целесообразнее обсуждать на СО статьи. К обсуждению—Yellow Horror (обс.) 13:57, 19 января 2019 (UTC)

Почему скорость света имеет жесткие ограничения? Почему именно 300000 км/с, а не, например, 410000?

  • Такова реальность. Этот факт определяется измерением, а не рассуждениями. Вообще, более корректно ставить вопрос так: «почему единицами длины и времени люди выбрали именно метр и секунду [а не, скажем, фут и санти-час — тогда численное значение скорости света было бы иным]», и ответ будет — «так исторически сложилось». MBH 06:42, 7 апреля 2019 (UTC)

ru.wikipedia.org

Постоянна ли скорость света?

Чтобы определить скорость (пройденное расстояние / затраченное время) мы должны выбрать стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные результаты измерения скорости.

Постоянна ли скорость света?

Is The Speed of Light Constant?
Steve Carlip, Philip Gibbs


Этот вопрос можно понять по разному. Поэтому есть разные ответы.

В воздухе или воде другая скорость света?

Да. Свет замедляется в прозрачных веществах, таких как воздух, вода или стекло. Во сколько раз замедляется свет определяется коэффициентом рефракции (показателем преломления) среды. Он всегда больше единицы. Это открытие сделал Леон Фуко в 1850 году.

Когда говорят о «скорости света», то обычно имеют виду скорость света в вакууме. Именно её обозначают буквой c .

Постоянна ли скорость света в вакууме?

В 1983 году Генеральной конференцией по мерам и весам ( Conference Generale des Poids et Mesures ), принято следующее определение метра в системе СИ:

Метр — это длина пути света в вакууме за время 1/299 792 458 секунды

Этим же определено, что скорость света в вакууме точно равна 299792458 м/с. Краткий ответ на вопрос «Является ли c константой»: Да, c константа по определению!

Но это не весь ответ. Система СИ очень практична. Её определения основаны на лучших известных методах измерения, и постоянно пересматриваются. На сегодня для самого точного измерения макроскопических расстояний посылают импульс света лазера и измеряют время, за которое свет проходит требуемое расстояние. Время измеряется атомными часами. Точность лучших атомных часов 1/10 13 . Именно такое определение метра обеспечивает минимальную погрешность измерения расстояния.

Определения системы СИ основаны на некоторых представлениях о законах физики. Например, предполагается, что частицы света фотоны не имеют массы. Если бы фотон имел небольшую массу покоя, то определение метра в системе СИ было бы не корректным, потому что скорость света зависела бы от длины волны. Из определения не следовало бы, что скорость света постоянна. Потребовалось бы уточнить определение метра, добавив цвет света, который должен использоваться.

Из экспериментов известно, что масса фотона очень мала или равна нулю. Возможная ненулевая масса фотона так мала, что она не имеет значения для определения метра в обозримом будущем. Нельзя показать, что это точный ноль, но в современных общепризнанных теориях это ноль. Если всё же не ноль, и скорость света не константа, то теоретически должна быть величина c — верхний предел скорости света в вакууме, и мы можем задать вопрос «является ли эта величина c константой?»

Раньше метр и секунда определялись разными способами основанными на лучших методах измерений. Определения могут измениться и в будущем. В 1939 году секунда определялась, как 1/84600 от средней длины суток, а метр, как расстояние между рисками на хранившемся во Франции стержне из сплава платины и иридия.

Сейчас при помощи атомных часов установлено, что средняя длина суток изменяется. Стандартное время уточняют, иногда добавляя или отнимая от него долю секунды. Скорость вращения Земли замедляется примерно на 1/100000 секунды в год из-за приливных сил между Землёй и Луной. В длине эталона метра могут быть ещё большие изменения из-за сжатия металла.

В результате в те времена скорость света, измеренная в единицах м/с, немного менялась со временем. Ясно, что изменения величины c были больше вызваны используемыми единицами измерения, чем непостоянством самой скорости света, но неправильно считать что скорость света теперь стала постоянной, только потому, что она константа в системе СИ.

Определения в системе СИ выявили, что для ответа на наш на вопрос, нужно уточнить, что мы имеем в виду, говоря о постоянстве скорости света. Мы должны задать определения единиц длины и времени для измерения величины c . В принципе, можно получить разные ответы при измерении в лаборатории и при использовании астрономических наблюдений. (Одно из первых измерений скорости света сделал в 1676 году Олаф Ремер на основе наблюдаемых изменении периода затмений спутников Юпитера.)

Для примера, мы могли бы взять определения, установленные между 1967 и 1983 годами. Тогда метр определялся, как 1650763.73 длины волны красно-оранжевого света источника на криптоне-86, а секунда была определена (как и сегодня) как 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями цезия-133. В отличие от прежних определений, эти основаны на абсолютных физических величинах, и применимы всегда и везде. Можно ли сказать, что скорость света постоянна в этих единицах?

Из квантовой теории атома мы знаем, что частоты и длины волн в основном определяются постоянной Планка, зарядом электрона, массами электрона и ядра, и скоростью света. Из перечисленных параметров можно получить безразмерные величины, такие как постоянная тонкой структуры и отношение масс электрона и протона. Значения этих безразмерных величин не зависят от выбора единиц измерения. Поэтому очень важен вопрос, постоянны ли эти значения?

Если бы они изменялись, это повлияло бы не только на скорость света. Вся химия основана на этих значениях, от них зависят химические и механические свойства всех веществ. Скорость света изменялась бы по разному при выборе разных определений для единиц измерения. В таком случае было бы больше смысла приписать её изменение изменению заряда или массы электрона, чем изменению самой скорости света.

Достаточно надёжные наблюдения показывают, что значения этих безразмерных величин не изменялись в течении большей части жизни вселенной. See the FAQ article Have physical constants changed with time?

[На самом деле постоянная тонкой структуры зависит от масштаба энергии, но здесь мы имеем в виду её низкоэнергетический предел.]

Специальная теория относительности

Определение метра в системе СИ также основано на допущении о корректности теории относительности. Скорость света константа в соответствии с основным постулатом теории относительности. Это постулат содержит две идеи:

  • Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
  • Скорость света не зависит от координат во времени и пространстве.

Идея о независимости скорости света от скорости наблюдателя противоречит интуиции. Некоторые люди даже не могут согласиться, что эта идея логична. В 1905 году Эйнштейн показал, что эта идея логически корректна, если отказаться от предположения об абсолютной природе пространства и времени.

В 1879 году считалось, что свет должен распространяться по некоторой среде в пространстве, как звук распространяется по воздуху и другим веществам. Майкельсон и Морли поставили эксперимент по обнаружению эфира путём наблюдения изменения скорости света при изменении направления движения Земли относительно Солнца в течение года. К их удивлению изменение скорости света не было обнаружено.

Фицджеральд предположил, что это результат сокращения длины экспериментальной установки при её движении в эфире на такую величину, из-за которой обнаружить изменение скорости света не удаётся. Лоренц распространил эту идею на темп хода часов, и доказал, что эфир обнаружить невозможно.

Эйнштейн считал, что изменение длины и хода часов лучше понимать, как изменения пространства и времени, а не изменения в физических объектах. От абсолютного пространства и времени, введённых Ньютоном, нужно отказаться. Вскоре после этого математик Минковский показал, что Эйнштейновскую теорию относительности можно трактовать в терминах четырёхмерной неевклидовой геометрии, рассматривая пространство и время как единую сущность — пространство-время .

Теория относительности не только математически обоснована, она также подтверждена многочисленными прямыми экспериментами. Позже опыты Майкельсона-Морли повторялись с большей точностью.

В 1925 году Дейтон Миллер объявил, что он обнаружил изменения в скорости света. Он даже получил награду за это открытие. В пятидесятых годах дополнительное рассмотрение его работы показало, что результаты, видимо, были связаны с дневными и сезонными изменениями температуры его экспериментальной установки.

Современные физические инструменты могли бы легко обнаружить движение эфира, если бы он существовал. Земля движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Если бы скорости складывались, в соответствии с ньютоновской механикой, то последние 5 цифр в величине скорости света, постулируемой в системе СИ, были бы бессмысленными. Сегодня физики в CERN (Женева) и Fermilab (Чикаго) каждый день разгоняют частицы до скорости на волосок от скорости света. Любая зависимость скорости света от системы отсчёта была бы давно замечена, если только она не незаметно мала.

Что, если вместо теории об изменении пространства и времени, мы бы последовали теории Лоренца-Фицджеральда, которые предположили, что эфир существует, но его нельзя обнаружить из-за физических изменений в длине материальных объектов и в темпе хода часов?

Чтобы их теория согласовалась с наблюдениями, эфир должен быть необнаружим при помощи часов и линейки. Всё, включая наблюдателя, сокращалось бы и замедлялось точно на нужную величину. Такая теория могла бы делать те же предсказания для всех экспериментов, что и теория относительности. Тогда эфир был бы метафизической сущностью, если только не найдут какой-нибудь другой способ его обнаружения — такой способ пока никто не нашёл. С точки зрения Эйнштейна такая сущность была бы ненужным усложнением, лучше убрать её из теории.

Общая теория относительности

Эйнштейн разработал более общую теорию относительности, которая объяснила гравитацию в терминах искривления пространства-времени, и он говорил об изменении скорости света в этой новой теории. В 1920 году в книге «Relativity. The special and general theory» он пишет:
. .. в общей теорией относительности закон постоянства скорости света в вакууме, который является одним из двух фундаментальных допущений в специальной теории относительности, [. . .] не может быть безоговорочно справедлив. Искривление луча света может реализоваться только, когда скорость распространения света зависит от его положения.
Поскольку Эйнштейн говорил о векторе скорости (скорость и направление), а не просто о скорости, то не ясно, имел ли он в виду, что величина скорости изменяется, но ссылка на специальную теорию относительности говорит о том, что да, имел в виду. Такое понимание совершенно верно, и имеет физический смысл, но в соответствии с современной трактовкой скорость света постоянна и в общей теории относительности.

Сложность здесь в том, что скорость зависит от координат, и возможны разные толкования. Чтобы определить скорость (пройденное расстояние / затраченное время) мы должны вначале выбрать некоторые стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные результаты. Это применимо и к специальной теории относительности: если измерять скорость света в ускоряющейся системе отсчёта, то в общем случае она отличается от c .

В специальной теории относительности скорость света константа в любой инерциальной системе отсчёта. В общей теории относительности соответствующим обобщением является то, что скорость света константа в любой свободно падающей системе отсчёта в достаточно малой области, чтобы можно было пренебречь приливными силами. В приведённой цитате Эйнштейн не говорит о свободно падающей системе отсчёта. Он говорит о системе отсчёта, находящейся в покое относительно источника гравитации. В такой системе отсчёта скорость света может отличаться от c из-за влияния гравитации (кривизны постранства-времени) на часы и линейки.

Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости света в инерциальной системе отсчёта — это тавтологическое следствие геометрии пространства-времени. Путешествие со скоростью c в инерциальной системе отсчёта — это путешествие вдоль прямой мировой линии на поверхности светового конуса.

Использование в системе СИ константы c , как коэффициента для связи метра и секунды полностью оправдано, как теоретически, так и практически потому, что c не только скорость света — это фундаментальное свойство геометрии пространства-времени.

Как и для специальной теории относительности, предсказания общей теории относительности подтверждены многими наблюдениями.

В итоге мы приходим к выводу, что скорость света постоянна не только в соответствии с наблюдениями. В свете хорошо проверенных физических теорий даже не имеет смысла говорить о её непостоянстве.

Steve Carlip, Philip Gibbs, 1997

Перевод Е.Корниенко

cyber-ek.ru

Свет — Википедия

Спектр света — часть спектра электромагнитного излучения

Свет — в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380—400 нм (750—790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы — участок 760—780 нм (385—395 ТГц)[1].

В широком смысле, используемом вне физической оптики, светом часто называют любое оптическое излучение[2], то есть такое электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне с приблизительными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра[3]. В этом случае в понятие «свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучения.

Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.

Также, особенно в теоретической физике, термин свет может иногда выступать просто синонимом термина электромагнитное излучение, независимо от его частоты, особенно когда конкретизация не важна, а хотят, например, использовать более короткое слово.

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).

Одной из субъективных характеристик света, воспринимаемой человеком в виде осознанного зрительного ощущения, является его цвет, который для монохроматического излучения определяется главным образом частотой света, а для сложного излучения — его спектральным составом.

Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света.

Скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с точно.

Свет на границе между средами испытывает преломление и/или отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается и рассеивается веществом. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления есть скалярная функция (в общем случае — от времени и координаты). В анизотропных средах он представляется в виде тензора. Зависимость показателя преломления от длины волны света — оптическая дисперсия — приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью, благодаря чему возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр.

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. У линейно поляризованного света определена плоскость (т. н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрической составляющей электромагнитной волны. У эллиптически (в частности циркулярно) поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, «вращается» по или против часовой стрелки.

Неполяризованный свет является смесью световых волн со случайной поляризацией. Поляризованный свет может быть выделен из неполяризованного пропусканием через поляризатор или отражением/прохождением на границе раздела сред при падении на границу под определённым углом, зависящим от показателей преломления сред (см. угол Брюстера). Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причём угол поворота зависит от концентрации оптически активного вещества, — это явление используется, в частности, в поляриметрическом анализе веществ (например, для измерения концентрации сахара в растворе).

Количественно интенсивность света характеризуют с помощью фотометрических величин нескольких видов. К основным из них относятся энергетические и световые величины. Первые из них характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также производных от них. К энергетическим величинам в частности относятся энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, энергетическая светимость и облучённость.

Каждой энергетической величине соответствует аналог — световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость и освещённость.

Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат отражает тот факт, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому.

Видимый свет — электромагнитное излучение с длинами волн ≈ 380—760 нм (от фиолетового до красного) включительно.

Скорость света в вакууме определяется в точности 299 792 458 м/с (около 300 000 км в секунду). Фиксированное значение скорости света в СИ связано с тем, что метр, как единица длины в СИ с 1983 года определяется как расстояние, проходимое светом за 1/299 792 458 часть секунды[4]. Все виды электромагнитного излучения, как полагают, распространяются в вакууме с точно такой же скоростью.

Различные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей безуспешно пытался измерить скорость света в 1607 году. Другой эксперимент по измерению скорости света был проведён в 1676 году датским физиком Оле Рёмером. С помощью телескопа Рёмер наблюдал движение Юпитера и одной из его лун Ио, фиксируя при этом моменты затмений Ио. Рёмер обнаружил, что эти моменты зависят от положения Земли на её орбите. Предположив, что такая зависимость обусловлена конечностью скорости света, он вычислил, что свету требуется около 22 минут, чтобы пройти расстояние, равное диаметру орбиты Земли[5]. Тем не менее, его размер не был известен в то время. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы получил значение скорости, равное 227 000 000 м/с.

Другой — более точный — способ измерения скорости света применил француз Ипполит Физо в 1849 году. Физо направил луч света в зеркало на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, который проходил от источника к зеркалу и затем возвращался к своему источнику. Физо обнаружил, что при определённой скорости вращения луч будет проходить через один пробел в колесе на пути и следующий разрыв на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, число зубьев на колесе, и скорость вращения, Физо удалось вычислить скорость света, — было получено значение в 313 000 000 м/с.

Существенного прогресса в измерении скорости света удалось достигнуть в результате применения и совершенствования метода вращающегося зеркала, предложенного другим французом — Франсуа Араго (1838 г.). Развив и осуществив идею Араго, Леон Фуко в 1862 году получил значение скорости света равное 298 000 000±500 000) м/с. В 1891 году Саймон Ньюком, повысив точность измерений на порядок, получил величину в 299 810 000±50 000 м/с. В результате многолетних усилий Альберт А. Майкельсон добился ещё более высокой точности: полученное им в 1926 году значение составило 299 796 000±4 000 м/с. В ходе этих измерений А. Майкельсон измерял время, требовавшееся свету, чтобы пройти расстояние между вершинами двух гор, равное 35,4 км (точнее, 35 373,21 м)[6].

Наивысшая точность измерений была достигнута в начале 1970-х. В 1975 году XV Генеральная конференция по мерам и весам зафиксировала это положение и рекомендовала считать скорость света, равной 299 792 458 м/с с относительной погрешностью 4•10−9, что соответствует абсолютной погрешности 1,1 м/с[7]. Впоследствии это значение скорости света было положено в основу определения метра в Международной системе единиц (СИ), а сама скорость света стала рассматриваться как фундаментальная физическая постоянная, по определению равная указанному значению точно.

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 от скорости света в вакууме. Снижение скорости света при прохождении вещества, как полагают, происходит не от фактического замедления фотонов, а от их поглощения и переизлучения частицами вещества.

Как крайний пример замедления света, можно сказать, что двум независимым группам физиков удалось полностью «остановить» свет, пропуская его через конденсат Бозе-Эйнштейна на основе рубидия,[8] Тем не менее слово «остановить» в этих экспериментах относится только к свету, хранящемуся в возбуждённых состояниях атомов, а затем повторно излучаемому в произвольное более позднее время, как вынужденное вторым лазерным импульсом излучение. Во времена, когда свет «остановился», он перестал быть светом.

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с

Изучение света и взаимодействия света и материи называют оптикой. Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние позволяют пролить свет на природу света.

Преломление[править | править код]

Пример преломления света. Соломка кажется изогнутой из-за преломления света на границе между жидкостью и воздухом

Преломлением света называется изменение направления распространения света (световых лучей) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных сред. Оно описывается законом Снеллиуса:

n1sin⁡θ1=n2sin⁡θ2{\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}}

где θ1{\displaystyle \theta _{1}} — угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде, θ2{\displaystyle \theta _{2}} — угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде, а n1{\displaystyle n_{1}} и n2{\displaystyle n_{2}} — показатели преломления первой и второй среды соответственно. При этом n=1{\displaystyle n=1} для вакуума и n>1{\displaystyle n>1} в случае прозрачных сред.

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если свет падает на границу не перпендикулярно ей, то изменение длины волны приводит к изменению направления его распространения. Такое изменение направления и является преломлением света.

Преломление света линзами часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый размер изображения, как, например, в лупах, очках, контактных линзах, микроскопах и телескопах.

Свет создаётся во многих физических процессах, в которых участвуют заряженные частицы. Наиболее важным является тепловое излучение, имеющее непрерывный спектр с максимумом, положение которого определяется температурой источника. В частности, излучение Солнца близко к тепловому излучению абсолютно чёрного тела, нагретого до примерно 6000 К, причём около 40 % солнечного излучения лежит в видимом диапазоне, а максимум распределения мощности по спектру находится вблизи 550 нм (зелёный цвет). Другие процессы, являющиеся источниками света:

В прикладных науках важна точная характеристика спектра источника света. Особенно важны следующие типы источников:

Указанные источники имеют разную цветовую температуру.

Лампы дневного света, выпускаемые промышленностью, испускают излучение с различным спектральным составом, в том числе:

Спектральные зависимости относительной чувствительности человеческого глаза для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения

К одним из наиболее важных и востребованных наукой и практикой характеристик света, как и любого другого физического объекта, относятся энергетические характеристики. Измерением и изучением такого рода характеристик, выраженных в энергетических фотометрических величинах, занимается раздел фотометрии, называемый «радиометрия оптического излучения»[9]. Таким образом, радиометрия изучает свет безотносительно к свойствам человеческого зрения.

С другой стороны, свет играет особую роль в жизни человека, поставляя ему бо́льшую часть необходимой для жизни информации об окружающем мире. Происходит это благодаря наличию у человека органов зрения — глаз. Отсюда вытекает необходимость измерения таких характеристик света, по которым можно было бы судить о его способности возбуждать зрительные ощущения. Упомянутые характеристики выражают в световых фотометрических величинах, а их измерения и исследования составляет предмет занятий другого раздела фотометрии — «световые измерения»[9].

В качестве единиц измерения световых величин используются особые световые единицы, они базируются на единице силы света «кандела», являющейся одной из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).

Световые и энергетические величины связаны друг с другом с помощью относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения V(λ){\displaystyle V(\lambda )}[10], имеющей смысл относительной спектральной чувствительности среднего человеческого глаза, адаптированного к дневному зрению. Для монохроматического излучения с длиной волны λ{\displaystyle \lambda }, соотношение, связывающее произвольную световую величину Xv(λ){\displaystyle X_{v}(\lambda )} с соответствующей ей энергетической величиной Xe(λ){\displaystyle X_{e}(\lambda )}, в СИ записывается в виде:

Xv(λ)=683⋅Xe(λ)V(λ).{\displaystyle X_{v}(\lambda )=683\cdot X_{e}(\lambda )V(\lambda ).}

В общем случае, когда ограничений на распределение энергии излучения по спектру не накладывается, это соотношение приобретает вид:

Xv=683⋅∫380 nm780 nmXe,λ(λ)V(λ)dλ,{\displaystyle X_{v}=683\cdot \int \limits _{380~nm}^{780~nm}X_{e,\lambda }(\lambda )V(\lambda )d\lambda ,}

где Xe,λ(λ){\displaystyle X_{e,\lambda }(\lambda )} — спектральная плотность энергетической величины Xe{\displaystyle X_{e}}, определяемая как отношение величины dXe(λ){\displaystyle dX_{e}(\lambda )}, приходящейся на малый спектральный интервал, заключённый между λ{\displaystyle \lambda } и λ+dλ{\displaystyle \lambda +d\lambda }, к ширине этого интервала. Связь световой величины, характеризующей излучение, с соответствующей ей энергетической величиной, выражают также, используя понятие световая эффективность излучения.

Световые величины относятся к классу редуцированных фотометрических величин, к которому принадлежат и другие системы фотометрических величин. Однако, только световые величины узаконены в рамках СИ и только для них в СИ определены специальные единицы измерений.

Свет оказывает физическое давление на объекты на своём пути — явление, которое не может быть выведено из уравнений Максвелла, но может быть легко объяснено в корпускулярной теории, когда фотоны соударяются с преградой и передают свой импульс. Давление света равно мощности светового пучка, поделённой на с, скорость света. Из-за величины с, эффект светового давления является незначительным для повседневных объектов. Например, одномилливатная лазерная указка создаёт давление около 3,3 пН. Объект, освещённый таким образом, можно было бы поднять, правда для монеты в 1 пенни на это потребуется около 30 млрд 1-мВт лазерных указок.[11] Тем не менее, в нанометровом масштабе эффект светового давления является более значимым, и использование светового давления для управления механизмами и переключения нанометровых коммутаторов в интегральных схемах является активной областью исследований.[12]

При больших масштабах световое давление может заставить астероиды вращаться быстрее[13], действуя на их неправильные формы, как на лопасти ветряной мельницы. Возможность сделать солнечные паруса, которые бы ускорили движение космических кораблей в пространстве, также исследуется.[14][15]

История теорий света в хронологическом порядке[править | править код]

Античные Греция и Рим[править | править код]

В V веке до н. э., Эмпедокл предположил, что всё в мире состоит из четырёх элементов: огня, воздуха, земли и воды. Он считал, что из этих четырёх элементов, богиня Афродита создала человеческий глаз, и зажгла в нём огонь, свечение которого и делало зрение возможным. Для объяснения факта, что тёмной ночью человек видит не так хорошо, как днём, Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами, идущими из глаз и лучами от светящихся источников, таких, как солнце.

Примерно в 300 году до н. э. Евклидом был написан труд «Оптика», дошедший до наших дней, в котором он исследовал свойства света. Евклид утверждал, что свет распространяется по прямой линии, он изучал законы отражения света и описал их математически. Он выразил сомнение в том, что зрение является следствием исхождения луча из глаза, задаваясь вопросом: как человек, открыв в ночное время глаза, устремлённые в небо, может моментально увидеть звёзды. Проблема решалась только, если скорость луча света, исходящего из человеческого глаза, была бесконечно большой.

В 55 году до н. э. римский писатель Лукреций, продолживший идеи ранних греческих философов-атомистов, в своём сочинении «О природе вещей» писал, что свет и тепло солнца состоят из мельчайших движущихся частиц. Однако общего признания взгляды Лукреция на природу света не получили.

Птолемей (около II века) в своей книге «Оптика» описал преломление света.

Корпускулярная и волновая теории света[править | править код]

Начиная с 17 века научные споры о природе света шли между сторонниками волновой и корпускулярной теорий.

Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции — пленуме. Волновую теорию света разрабатывали Роберт Гук, предположивший и то, что свет является поперечной волной, и Христиан Гюйгенс, давший правильную теорию отражения и преломления света исходя из его волновой природы. По мнению Гюйгенса, световые волны распространяются в особой среде — эфире. Несколько раньше Гримальди открыл интерференцию и дифракцию света, объясняя их с помощью идеи волн, хотя в не слишком ясном и чистом виде, также предположив и связь цвета с волновыми свойствами света.

Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон.

В начале 19 века опыты Томаса Юнга с дифракцией дали убедительные свидетельства в пользу волновой теории. Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны. В то же время опыты Малюса и Био с поляризацией дали, как казалось тогда, убедительные свидетельства в пользу корпускулярной теории и против волновой теории. Но в 1815 году Ампер сообщил Френелю, что поляризацию света можно объяснить и с волновой точки зрения, если предположить, что свет представляет собой поперечные волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в заметке для Академии наук Огюстен Френель.

После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован как электромагнитные волны.

Победа волновой теории пошатнулась в конце XIX века, когда опыты Майкельсона-Морли не обнаружили эфира. Волны нуждаются в существовании среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности.

Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно чёрного тела со своим излучением Максом Планком привело к появлению идеи об излучении света порциями 

ru.wikipedia.org

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *