Скорость света не в вакууме: всегда ли свет движется с одной и той же скоростью? / Хабр

Стюарт Кларк

Henrik Sorensen / Getty

Скорость света в вакууме — это предел космической скорости.Простое приближение к нему вызывает проблемы: возникают странные искажения теории относительности Эйнштейна, поэтому время замедляется, длина увеличивается, массы надуваются и все, что вы считали фиксированным, меняется. Только вещи, которые изначально не имеют массы, могут достигать скорости света — фотоны света являются классическим примером. Абсолютно ничто не может превышать этот космический максимум.

Мы узнали об особой природе скорости света после эксперимента американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли в 1880-х годах.Они установили два бегущих луча света, один параллельно, а другой под прямым углом к ​​направлению вращения Земли, предполагая, что разные относительные движения означают, что световые лучи будут двигаться с разными скоростями — только для того, чтобы обнаружить, что скорость всегда была одинаковой.

Постоянная конечная скорость Света тормозит наши амбиции по межзвездной колонизации. Наша галактика составляет 100 000 световых лет в поперечнике, и это более четырех лет светового путешествия даже до Проксимы Центавра, ближайшей звезды к Солнцу и, возможно, дома для обитаемой планеты, похожей на Землю.

Опять же, если бы скорость света была бесконечной, безмассовые частицы и информация, которую они несут, мгновенно перемещались бы от A к B, причина была бы поверх следствия, и все произошло бы сразу. У Вселенной не было бы ни истории, ни будущего, а время, как мы его понимаем, исчезло бы. Нам бы не понравилась такая вселенная.

Но не ставьте…

The Physics of Light and Color — Speed ​​of Light

Где-то в космическом пространстве, в миллиардах световых лет от Земли, первоначальный свет, связанный с Большим взрывом Вселенной, освещает новую землю, продолжая двигаться наружу.В отличие от другой формы электромагнитного излучения, происходящего на Земле, радиоволны из первого прямого эфира сериала The Lucy Show транслируют первую трансляцию где-то в глубоком космосе, хотя и значительно уменьшены по амплитуде.

Основная концепция, лежащая в основе обоих событий, включает скорость света (и все другие формы электромагнитного излучения), которую ученые тщательно исследовали, и теперь выражается как постоянное значение, обозначаемое в уравнениях символом c .Не совсем константа, а максимальная скорость в вакууме, скорость света, которая составляет почти 300 000 километров в секунду, может быть изменена путем изменения среды или с помощью квантовой интерференции.

Свет, движущийся в однородном веществе или среде, распространяется по прямой линии с относительно постоянной скоростью, если он не преломляется, не отражается, не дифрагирует или не возмущается каким-либо другим образом. Этот общепризнанный научный факт не является продуктом атомной эры или даже эпохи Возрождения, а был первоначально продвинут древнегреческим ученым Евклидом где-то около 350 г. до н.э. в его историческом трактате Optica .Однако интенсивность света (и другого электромагнитного излучения) обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел дважды заданное расстояние, интенсивность падает в четыре раза.

Когда свет, проходящий через воздух, попадает в другую среду, такую ​​как стекло или вода, скорость и длина волны света уменьшаются (см. Рисунок 2), хотя частота остается неизменной. Свет распространяется со скоростью примерно 300 000 километров в секунду в вакууме с показателем преломления 1.0, но он замедляется до 225 000 километров в секунду в воде (показатель преломления 1,3; см. Рисунок 2) и до 200 000 километров в секунду в стекле (показатель преломления 1,5). В алмазе с довольно высоким показателем преломления 2,4 скорость света снижается до относительного ползания (125 000 километров в секунду), что примерно на 60 процентов меньше его максимальной скорости в вакууме.

Из-за огромных путешествий, которые свет проходит в космическом пространстве между галактиками (см. Рисунок 1) и внутри Млечного Пути, расстояние между звездами измеряется не в километрах, а в световых годах, расстояние, которое свет пройдет за год. .Световой год равен 9,5 триллиона километров или примерно 5,9 триллиона миль. Расстояние от Земли до следующей ближайшей звезды за пределами нашего Солнца, Proxima Centauri , составляет примерно 4,24 световых года. Для сравнения: диаметр галактики Млечный Путь составляет около 150 000 световых лет, а расстояние до галактики Андромеды составляет примерно 2,21 миллиона световых лет. Это означает, что свет, покидающий галактику Андромеды 2,21 миллиона лет назад, как раз достигает Земли, если только он не был задержан отражением небесных тел или преломлением обломков.

Когда астрономы смотрят в ночное небо, они наблюдают смесь реального времени, недавнего прошлого и древней истории. Например, в период, когда первопроходцы вавилоняне, арабские астрологи и греческие астрономы описывали звездные созвездия, Скорпион ( Скорпион для астрологов) все еще имел хлыст скорпиона. Хвостовая звезда и другие звезды в этом созвездии появились в небе как новые звезды между 500 и 1000 годами до нашей эры, но сегодня они не видны.Хотя некоторые из звезд, которые наблюдаются в ночном небе Земли, уже давно погибли, световые волны, которые несут их изображения, все еще достигают человеческих глаз и телескопов. Фактически, свет от их разрушения (и тьма их отсутствия) еще не пересек огромные расстояния глубокого космоса из-за недостаточного времени.

Эмпедокл из Акрагаса, живший около 450 г. до н.э., был одним из первых известных философов, которые предположили, что свет распространяется с конечной скоростью.Спустя почти тысячелетие, примерно в 525 году нашей эры, римский ученый и математик Аниций Боэций попытался задокументировать скорость света, но, будучи обвиненным в измене и колдовстве, был обезглавлен за свои научные усилия. С самого первого применения китайцами черного пороха для фейерверков и сигналов человек задавался вопросом о скорости света. Поскольку вспышка света и цвета предшествовали взрывному звуку на несколько секунд, не требовалось серьезных вычислений, чтобы понять, что скорость света явно превышает скорость звука.

Скорость света в прозрачных материалах

Узнайте, как скорость света уменьшается пропорционально показателю преломления материала, когда свет попадает в новую прозрачную среду, такую ​​как воздух, вода или стекло.

Китайские секреты взрывчатых веществ проникли на Запад в середине XIII века, и вместе с ними возникли вопросы о скорости света. До этого периода другие исследователи, должно быть, рассматривали вспышку молнии, за которой позже последовал удар грома, типичный для грозы, но не предлагали правдоподобных научных объяснений природы задержки.Арабский ученый Альхазен был первым серьезным ученым-оптиком, который предположил (около 1000 г. н.э.), что свет имеет конечную скорость, а к 1250 г. британский пионер оптики Роджер Бэкон написал, что скорость света конечна, хотя и очень велика. Тем не менее, широко распространенное мнение большинства ученых того периода заключалось в том, что скорость света бесконечна и не может быть измерена.

В 1572 году знаменитый датский астроном Тихо Браге первым описал сверхновую, которая произошла в созвездии Кассиопеи .Наблюдая за тем, как в небе внезапно появляется «новая звезда», которая медленно усиливается в яркости, а затем исчезает из поля зрения в течение 18 месяцев, астроном был озадачен, но заинтригован. Эти новые небесные видения заставили Браге и его современников подвергнуть сомнению широко распространенное представление о совершенной и неизменной вселенной, имеющей бесконечную скорость света. Трудно было отвергнуть веру в то, что свет имеет бесконечную скорость, хотя некоторые ученые начали сомневаться в скорости света в шестнадцатом веке.Еще в 1604 году немецкий физик Иоганн Кеплер предположил, что скорость света мгновенная. В своих опубликованных заметках он добавил, что космический вакуум не замедляет скорость света, затрудняя, ​​в ограниченной степени, поиски его современниками эфира, который якобы заполнял пространство и нес свет.

Вскоре после изобретения и некоторых относительно грубых усовершенствований телескопа датский астроном Оле Ремер (в 1676 году) стал первым ученым, сделавшим строгую попытку оценить скорость света.Изучая спутник Юпитера Ио и его частые затмения, Ремер смог предсказать периодичность периода затмений для Луны (рис. 3). Однако через несколько месяцев он заметил, что его прогнозы постепенно становились менее точными по мере увеличения временных интервалов, достигая максимальной ошибки около 22 минут (довольно большое расхождение, учитывая, как далеко свет проходит за этот промежуток времени). Затем, как ни странно, его прогнозы снова стали более точными через несколько месяцев, и цикл повторился.Работая в Парижской обсерватории, Ремер вскоре понял, что наблюдаемые различия были вызваны вариациями расстояния между Землей и Юпитером из-за орбитальных путей планет. Когда Юпитер удалялся от Земли, свету приходилось перемещаться на большее расстояние, и ему требовалось дополнительное время, чтобы достичь Земли. Применяя относительно неточные расчеты расстояний между Землей и Юпитером, доступные в тот период, Ремер смог оценить скорость света примерно в 137 000 миль (или 220 000 километров) в секунду.На рисунке 3 показана репродукция оригинальных рисунков Ремера, в которых описывается его методика определения скорости света.

Работа Ремера всколыхнула научное сообщество, и многие исследователи начали пересматривать свои предположения о бесконечной скорости света. Сэр Исаак Ньютон, например, написал в своем знаменательном трактате 1687 года Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Математические принципы естественной философии): «Поскольку теперь очевидно из явлений спутников Юпитера, подтвержденных наблюдениями различных астрономов, этот свет распространяется последовательно, и ему требуется около семи или восьми минут, чтобы пройти от Солнца до Земли », что на самом деле является очень точной оценкой правильной скорости света.Уважаемое мнение и широкая репутация Ньютона сыграли важную роль в запуске научной революции и помогли начать новые исследования ученых, которые теперь признали скорость света конечной.

Следующим в очереди, кто дал полезную оценку скорости света, был британский физик Джеймс Брэдли. В 1728 году, через год после смерти Ньютона, Брэдли оценил скорость света в вакууме примерно в 301 000 километров в секунду, используя звездные аберрации. Эти явления проявляются в явном изменении положения звезд из-за движения Земли вокруг Солнца.Степень звездной аберрации можно определить по отношению орбитальной скорости Земли к скорости света. Измеряя угол звездной аберрации и применяя эти данные к орбитальной скорости Земли, Брэдли смог прийти к удивительно точной оценке.

В 1834 году сэр Чарльз Уитстон, изобретатель калейдоскопа и пионер в науке о звуке, попытался измерить скорость электричества. Уитстон изобрел устройство, в котором использовались вращающиеся зеркала и емкостной разряд через лейденскую банку, чтобы генерировать и синхронизировать движение искр по почти восьми милям провода.К сожалению, его расчеты (и, возможно, его приборы) были ошибочными до такой степени, что Уитстон оценил скорость электричества в 288 000 миль в секунду, ошибка, которая заставила его поверить в то, что электричество движется быстрее света. Позднее исследования Уитстона были расширены французским ученым Домиником Франсуа Жаном Араго. Хотя ему не удалось завершить свою работу до того, как в 1850 году у него ухудшилось зрение, Араго правильно предположил, что в воде свет распространяется медленнее, чем в воздухе.

Тем временем во Франции конкурирующие ученые Арман Физо и Жан-Бернар-Леон Фуко независимо друг от друга попытались измерить скорость света, не полагаясь на небесные явления, воспользовавшись открытиями Араго и расширив конструкцию инструмента с вращающимся зеркалом Уитстона. В 1849 году Физо сконструировал устройство, которое направило луч света через зубчатое колесо (вместо вращающегося зеркала), а затем на неподвижное зеркало, расположенное на расстоянии 5,5 миль. Вращая колесо с большой скоростью, он смог направить луч через промежуток между двумя зубьями на обратном пути и поймать отраженные лучи в соседнем промежутке на обратном пути.Вооружившись скоростью вращения колеса и расстоянием, пройденным импульсным светом, Физо смог вычислить скорость света. Он также обнаружил, что в воздухе свет распространяется быстрее, чем в воде (подтверждая гипотезу Араго), и этот факт позже подтвердил его соотечественник Фуко путем экспериментов.

Фуко использовал быстро вращающееся зеркало, приводимое в движение турбиной сжатого воздуха, для измерения скорости света. В его аппарате (см. Рис. 4) узкий луч света проходит через апертуру, а затем через стеклянное окно (действующее также как светоделитель) с мелкой градуированной шкалой, прежде чем попасть на быстро вращающееся зеркало.Свет, отраженный от вращающегося зеркала, направляется через батарею стационарных зеркал по зигзагообразной схеме, предназначенной для увеличения длины пути инструмента примерно до 20 метров без соответствующего увеличения размера. За то время, которое потребовалось свету, чтобы отразиться через серию зеркал и вернуться к вращающемуся зеркалу, произошло небольшое изменение положения зеркала. Затем свет, отраженный от смещенного положения вращающегося зеркала, следует по новому пути обратно к источнику и попадает в микроскоп, установленный на приборе.Крошечный сдвиг света можно было увидеть в микроскоп и зарегистрировать. Путем анализа данных, собранных в ходе его эксперимента, Фуко смог вычислить скорость света как 298 000 километров в секунду (примерно 185 000 миль в секунду).

Световой путь в устройстве Фуко был достаточно коротким, чтобы его можно было использовать при измерении скорости света в среде, отличной от воздуха. Он обнаружил, что скорость света в воде или стекле составляет лишь около двух третей от скорости света в воздухе, и он также пришел к выводу, что скорость света через данную среду обратно пропорциональна показателю преломления.Этот замечательный результат согласуется с предсказаниями о поведении света, полученными сотнями лет назад из волновой теории распространения света.

Следуя указаниям Фуко, американский физик польского происхождения по имени Альберт А. Михельсон попытался повысить точность метода и успешно измерил скорость света в 1878 году с помощью более совершенной версии прибора вдоль облицовки стены высотой 2000 футов. берега реки Северн в Англии. Вкладывая средства в высококачественные линзы и зеркала для фокусировки и отражения луча света по гораздо более длинному пути, чем тот, который использовал Фуко, Майкельсон рассчитал конечный результат 186 355 миль в секунду (299 909 километров в секунду), допуская возможную ошибку около 30 миль в секунду.Из-за возросшей сложности его экспериментальной конструкции точность измерений Майкельсона была более чем в 20 раз выше, чем у Фуко.

В конце 1800-х годов большинство ученых все еще считало, что свет распространяется в космосе с использованием носителя, называемого эфиром . Майкельсон объединился с ученым Эдвардом Морли в 1887 году, чтобы разработать экспериментальный метод обнаружения эфира путем наблюдения относительных изменений скорости света, когда Земля завершила свой оборот вокруг Солнца.Для достижения этой цели они разработали интерферометр, который разделяет луч света и перенаправляет отдельные лучи по двум разным путям, каждый длиной более 10 метров, используя сложную матрицу зеркал. Майкельсон и Морли рассуждали, что если Земля движется через эфирную среду, луч, отражающийся взад и вперед перпендикулярно потоку эфира, должен проходить дальше, чем луч, отражающийся параллельно эфиру. Результатом будет задержка в одном из световых лучей, которую можно было бы обнаружить, когда лучи были рекомбинированы посредством интерференции.

Экспериментальная установка, построенная Майкельсоном и Морли, была массивной (см. Рис. 5). Установленный на медленно вращающейся каменной плите площадью более пяти квадратных футов и толщиной 14 дюймов, инструмент был дополнительно защищен находящейся под ним лужей ртути, которая действовала как амортизатор без трения, устраняя вибрации Земли. После того, как плита была приведена в движение, достигнув максимальной скорости 10 оборотов в час, потребовались часы, чтобы снова остановиться. Свет, проходящий через светоделитель и отраженный системой зеркал, исследовался с помощью микроскопа на предмет интерференционных полос, но они никогда не наблюдались.Однако Майкельсон использовал свой интерферометр, чтобы точно определить скорость света на уровне 186 320 миль в секунду (299 853 километра в секунду), значение, которое оставалось стандартом в течение следующих 25 лет. Неспособность обнаружить изменение скорости света с помощью эксперимента Майкельсона-Морли положила начало прекращению споров об эфире, которые были окончательно положены теориями Альберта Эйнштейна в начале двадцатого века.

В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою Специальную теорию относительности , а в 1915 году — Общую теорию относительности .Первая теория относилась к движению объектов с постоянной скоростью относительно друг друга, а вторая фокусировалась на ускорении и его связи с гравитацией. Поскольку они оспаривали многие давние гипотезы, такие как закон движения Исаака Ньютона, теории Эйнштейна были революционной силой в физике. Идея относительности воплощает идею о том, что скорость объекта может быть определена только относительно положения наблюдателя. Например, человек, идущий внутри авиалайнера, кажется, движется со скоростью около одной мили в час в системе отсчета самолета (который сам движется со скоростью 600 миль в час).Однако наблюдателю с земли кажется, что человек движется со скоростью 601 миля в час.

Эйнштейн в своих расчетах предположил, что скорость света, движущегося между двумя системами отсчета, остается одинаковой для наблюдателей в обоих местах. Поскольку наблюдатель в одном кадре использует свет для определения положения и скорости объектов в другом кадре, это меняет способ, которым наблюдатель может соотносить положение и скорость объектов. Эйнштейн использовал эту концепцию, чтобы вывести несколько важных формул, описывающих, как объекты в одной системе отсчета выглядят, если смотреть с другой, которая движется равномерно относительно первой.Его результаты привели к некоторым необычным выводам, хотя эффекты становятся заметными только тогда, когда относительная скорость объекта приближается к скорости света. Таким образом, основные выводы из фундаментальных теорий Эйнштейна и его часто упоминаемого уравнения относительности:

E = mc ²

можно резюмировать следующим образом:

• Длина объекта уменьшается по сравнению с наблюдателя, поскольку скорость этого объекта увеличивается.

• Когда система отсчета перемещается, временные интервалы становятся короче.Другими словами, космический путешественник, движущийся со скоростью света или близкой к ней, мог покинуть Землю на многие годы и вернуться, пережив промежуток времени всего в несколько месяцев.

• Масса движущегося объекта увеличивается с увеличением его скорости, и по мере приближения скорости к скорости света масса приближается к бесконечности. По этой причине широко распространено мнение, что путешествие со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, потому что для ускорения бесконечной массы потребуется бесконечное количество энергии.

Хотя теория Эйнштейна повлияла на весь мир физики, она имела особенно важные последствия для тех ученых, которые изучали свет. Теория объяснила, почему эксперимент Майкельсона-Морли не дал ожидаемых результатов, препятствуя дальнейшим серьезным научным исследованиям природы эфира как среды-носителя. Он также продемонстрировал, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме, и что эта скорость является постоянной и неизменной величиной.Тем временем ученые-экспериментаторы продолжали применять все более изощренные инструменты, чтобы установить правильное значение скорости света и уменьшить ошибку в ее измерении.

Измерения скорости света

Таблица 1

В конце девятнадцатого века достижения в области радио- и микроволновых технологий предоставили новые подходы к измерению скорости света. В 1888 году, более чем через 200 лет после первых наблюдений за небесными телами Ремера, немецкий физик Генрих Рудольф Герц измерил скорость радиоволн. Герц получил значение около 300 000 километров в секунду, подтвердив теорию Джеймса Клерка Максвелла о том, что радиоволны и свет являются формами электромагнитного излучения.Дополнительные доказательства были собраны в 1940-х и 1950-х годах, когда британские физики Кейт Дэви Фрум и Луи Эссен использовали радио и микроволны, соответственно, для более точного измерения скорости электромагнитного излучения.

Максвеллу также приписывают определение скорости света и других форм электромагнитного излучения не путем измерения, а путем математического вывода. Во время своих попыток найти связь между электричеством и магнетизмом Максвелл предположил, что изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, обратное следствие закона Фарадея.Он предположил, что электромагнитные волны состоят из комбинированных колеблющихся электрических и магнитных волн, и рассчитал скорость этих волн в пространстве как:

Скорость (V) = 1 / (ε • µ) ^1/2

где ε — это диэлектрическая проницаемость , и µ, — проницаемость , свободного пространства, две константы, которые можно измерить с относительно высокой степенью точности. В результате получается значение, которое близко приближается к измеренной скорости света.

В 1891 году, продолжая свои исследования скорости света и астрономии, Майкельсон создал крупномасштабный интерферометр с помощью преломляющего телескопа в обсерватории Лик в Калифорнии. Его наблюдения были основаны на задержке во времени прихода света при просмотре далеких объектов, таких как звезды, которые можно количественно проанализировать, чтобы измерить как размер небесных тел, так и скорость света. Почти 30 лет спустя Майкельсон перенес свои эксперименты в обсерваторию Маунт Вильсон и применил те же методы к 100-дюймовому телескопу, крупнейшему в то время в мире.

Включив восьмиугольное вращающееся зеркало в свой экспериментальный проект, Майкельсон получил значение скорости света 299 845 километров в секунду. Хотя Майкельсон умер до завершения своих экспериментов, его коллега в Mount Wilson, Фрэнсис Г. Пиз, продолжал использовать новаторскую технику для проведения исследований в 1930-е годы. Используя модифицированный интерферометр, Пиз провел множество измерений в течение нескольких лет и, наконец, определил, что правильное значение скорости света составляет 299 774 километра в секунду, что является самым близким измерением, достигнутым на тот момент.Несколько лет спустя, в 1941 году, научное сообщество установило стандарт скорости света. Это значение, 299 773 километра в секунду, было основано на компиляции самых точных измерений того периода. На рисунке 6 представлено графическое представление измерений скорости света за последние 200 лет.

К концу 1960-х годов лазеры стали стабильным исследовательским инструментом с четко определенными частотами и длинами волн. Быстро стало очевидно, что одновременное измерение частоты и длины волны даст очень точное значение скорости света, подобно экспериментальному подходу, проведенному Китом Дэви Фрумом с использованием микроволн в 1958 году.Несколько исследовательских групп в США и других странах измерили частоту 633-нанометровой линии от гелий-неонового лазера, стабилизированного йодом, и получили очень точные результаты. В 1972 году Национальный институт стандартов и технологий применил лазерную технологию для измерения скорости на уровне 299 792 458 метров в секунду (186 282 мили в секунду), что в конечном итоге привело к переопределению измерителя благодаря очень точной оценке скорости света.

Начиная с прорывных усилий Ремера в 1676 году, скорость света была измерена по крайней мере 163 раза с использованием широкого спектра различных методов более чем 100 исследователями (см. Таблицу 1 для компиляции методов, исследователей и дат).По мере совершенствования научных методов и устройств пределы ошибок оценок сужались, хотя скорость света существенно не изменилась со времени расчетов Ремера семнадцатого века. Наконец, в 1983 году, более чем через 300 лет после первой серьезной попытки измерения, скорость света была определена Семнадцатым Всеобщим конгрессом по мерам и весам как 299 792,458 километров в секунду. Таким образом, измеритель определяется как расстояние, которое свет проходит за интервал времени 1/299 792 458 секунд.Однако в целом (даже во многих научных расчетах) скорость света округляется до 300 000 километров (или 186 000 миль) в секунду. Получение стандартного значения скорости света было важно для создания международной системы единиц, которая позволила бы ученым со всего мира сравнивать свои данные и расчеты.

Существует умеренное противоречие по поводу того, существуют ли доказательства того, что скорость света замедлялась со времен Большого взрыва, когда он мог двигаться значительно быстрее, как предполагают некоторые исследователи.Хотя представленные и опровергнутые аргументы увековечивают эту дискуссию, большинство ученых по-прежнему утверждают, что скорость света постоянна. Физики отмечают, что реальная скорость света, измеренная Ремером и его последователями, существенно не изменилась, а скорее указывают на ряд усовершенствований в научном оборудовании, связанных с повышением точности измерений, используемых для определения скорости света. Сегодня расстояние между Юпитером и Землей известно с высокой степенью точности, как и диаметр Солнечной системы и орбитальные траектории планет.Когда исследователи применяют эти данные для доработки расчетов, сделанных за последние несколько столетий, они получают значения скорости света, сопоставимые с теми, которые были получены с помощью более современных и сложных приборов.

Соавторы

Кеннет Р. Спринг — научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Томас Дж. Феллерс , Лоуренс Д. Цукерман и Майкл В. Дэвидсон — Национальное сильное магнитное поле Лаборатория, 1800 г. Ист. Поль Дирак., Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

BBC — Земля — ​​Настоящие причины, по которым ничто не может двигаться быстрее света

Это был сентябрь 2011 года, и физик Антонио Эредитато только что потряс мир.

Объявление, которое он сделал, обещало перевернуть наше понимание Вселенной. Если данные, собранные 160 учеными, работающими над проектом OPERA, были правильными, то наблюдалось немыслимое.

Частицы — в данном случае нейтрино — перемещались быстрее света.

На этот раз ученые ошиблись.

Согласно теории относительности Эйнштейна, этого не могло быть. И последствия для демонстрации того, что это произошло, были огромны. Возможно, придется пересмотреть многие аспекты физики.

Хотя Эредитато сказал, что он и его команда «очень уверены» в своем результате, они не утверждали, что знали, что он был полностью точным. Фактически, они просили других ученых помочь им понять, что произошло.

В итоге результат ОПЕРЫ оказался неверным. Проблема с синхронизацией была вызвана плохо подключенным кабелем, который должен был передавать точные сигналы со спутников GPS.

Произошла непредвиденная задержка сигнала. Как следствие, измерения того, сколько времени нейтрино потребовалось, чтобы пройти заданное расстояние, были отклонены примерно на 73 наносекунды, что создавало впечатление, что они пролетели быстрее, чем мог бы сделать свет.

Несмотря на месяцы тщательных проверок перед экспериментом и обильную перепроверку данных после этого, на этот раз ученые ошиблись.Эредитато подал в отставку, хотя многие отмечали, что подобные ошибки постоянно происходят в чрезвычайно сложном оборудовании ускорителей элементарных частиц.

Почему было так важно предположить — даже в качестве возможности — что что-то движется быстрее света? И действительно ли мы уверены, что ничего не может?

Давайте сначала рассмотрим второй из этих вопросов. Скорость света в вакууме составляет 299 792,458 км / с — это всего лишь круглая цифра в 300 000 км / с. Это довольно круто.Солнце находится на расстоянии 150 миллионов километров от Земли, и свету требуется всего восемь минут и 20 секунд, чтобы пройти так далеко.

Ему нужно было использовать все большее количество дополнительной энергии, чтобы уменьшить разницу в скорости

Может ли какое-нибудь из наших творений соревноваться в гонке со светом? Один из самых быстрых когда-либо созданных искусственно созданных объектов, космический зонд New Horizons, прошел мимо Плутона и Харона в июле 2015 года. Он достиг скорости относительно Земли чуть более 16 км / с, что значительно ниже 300 000 км / с.

Однако мы заставили крошечные частицы двигаться намного быстрее, чем это. В начале 1960-х Уильям Бертоцци из Массачусетского технологического института экспериментировал с ускорением электронов со все большими и большими скоростями.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их можно толкать — или, скорее, отталкивать — путем приложения того же отрицательного заряда к материалу. Чем больше энергии приложено, тем быстрее будут ускоряться электроны.

Вы можете представить, что вам просто нужно увеличить прилагаемую энергию, чтобы достичь требуемой скорости 300 000 км / с, но оказывается, что электроны просто не могут двигаться с такой скоростью.Эксперименты Бертоцци показали, что использование большего количества энергии не просто вызывает прямо пропорциональное увеличение скорости электронов.

По мере того, как объекты перемещаются все быстрее и быстрее, они становятся все тяжелее и тяжелее

Вместо этого ему нужно было использовать все большее количество дополнительной энергии, чтобы все меньше зависело от скорости движения электронов. Они приближались к скорости света, но так и не достигли ее.

Представьте, что вы путешествуете по направлению к двери в серии движений, в каждом из которых вы проходите ровно половину расстояния между вашим текущим положением и дверью.Строго говоря, вы никогда не доберетесь до двери, потому что после каждого вашего движения вам все равно остается пройти некоторое расстояние. Именно с такими проблемами столкнулся Бертоцци со своими электронами.

Но свет состоит из частиц, называемых фотонами. Почему эти частицы могут двигаться со скоростью света, а частицы вроде электронов — нет?

«По мере того, как объекты движутся все быстрее и быстрее, они становятся все тяжелее и тяжелее — чем тяжелее они становятся, тем труднее добиться ускорения, поэтому вы никогда не достигнете скорости света», — говорит Роджер Рассул, физик из Университета Мельбурн, Австралия.

«На самом деле фотон не имеет массы», — говорит он. «Если бы у него была масса, он не мог бы двигаться со скоростью света».

По большей части справедливо будет сказать, что свет движется со скоростью 300 000 км / с

Фотоны — это нечто особенное. Мало того, что у них нет массы, что дает им свободу действий, когда дело доходит до того, что они носятся в вакууме, например в космосе, им не нужно ускоряться. Естественная энергия, которой они обладают, путешествуя волнами, означает, что в момент их создания они уже набирают максимальную скорость.

На самом деле, в некотором смысле имеет смысл думать о свете как о энергии, а не как о потоке частиц, хотя на самом деле это — немного сбивает с толку — и то, и другое.

Тем не менее, иногда кажется, что свет движется медленнее, чем мы могли ожидать. Хотя интернет-специалисты любят говорить о сообщениях, перемещающихся со «скоростью света» через оптические волокна, на самом деле свет проходит через стекло этих волокон примерно на 40% медленнее, чем через вакуум.

На самом деле фотоны все еще движутся со скоростью 300 000 км / с, но они сталкиваются с своего рода интерференцией, вызванной другими фотонами, высвобождаемыми из атомов стекла, когда проходит основная световая волна.Это непростая идея, но ее стоит отметить.

Точно так же специальные эксперименты с отдельными фотонами смогли замедлить их, изменив их форму.

Тем не менее, по большей части справедливо будет сказать, что свет распространяется со скоростью 300 000 км / с. Мы действительно не наблюдали и не создавали ничего, что могло бы происходить так быстро или даже быстрее. Есть несколько особых случаев, упомянутых ниже, но прежде давайте займемся другим вопросом. Почему так важно, чтобы это правило скорости света было таким строгим?

Несмотря на то, что расстояние увеличилось, теории Эйнштейна настаивают на том, что свет все еще движется с той же скоростью

Ответ, как это часто бывает в физике, лежит на человеке по имени Альберт Эйнштейн.Его специальная теория относительности исследует многие последствия этих универсальных ограничений скорости.

Одним из важных элементов теории является представление о том, что скорость света постоянна. Независимо от того, где вы находитесь и с какой скоростью вы путешествуете, свет всегда движется с одной и той же скоростью.

Но это создает некоторые концептуальные проблемы.

Представьте себе сияющий свет от факела до зеркала на потолке неподвижного космического корабля. Свет будет светить вверх, отражаться от зеркала и падать, ударяясь о пол космического корабля.Допустим, пройденное расстояние составляет 10 метров.

А теперь представим, что космический корабль начинает двигаться с невероятной скоростью, многие тысячи километров в секунду.

Люди, путешествующие в быстро движущихся транспортных средствах, перемещаются во времени медленнее

Когда вы снова включите фонарик, кажется, что свет будет вести себя так же, как и раньше: он будет светить вверх, удариться в зеркало и отскочить назад, чтобы ударить об пол . Но для этого свет должен двигаться по диагонали, а не только по вертикали.Ведь зеркало теперь быстро движется вместе с космическим кораблем.

Следовательно, расстояние, которое проходит свет, увеличивается. Представим, что он увеличился в целом на 5 метров. Итого 15 метров вместо 10.

И все же, хотя расстояние увеличилось, теории Эйнштейна настаивают на том, что свет все еще движется с той же скоростью. Поскольку скорость — это расстояние, разделенное на время, для того, чтобы скорость была такой же, но расстояние увеличилось, время также должно увеличиться.

Да, должно быть, само время растянулось.Звучит странно, но это доказано экспериментально.

Это явление известно как замедление времени. Это означает, что для людей, путешествующих в быстро движущихся транспортных средствах, время движется медленнее, чем для тех, кто находится в неподвижном состоянии.

Например, время идет на 0,007 секунды медленнее для астронавтов на Международной космической станции, которая движется со скоростью 7,66 км / с относительно Земли, по сравнению с людьми на планете.

Мюоны генерируются с такой большой энергией, что движутся со скоростями, очень близкими к скорости света

Все становится интересно для частиц, таких как упомянутые выше электроны, которые могут двигаться со скоростью, близкой к скорости света.Для этих частиц степень замедления времени может быть большой.

Стивен Колтхаммер, физик-экспериментатор из Оксфордского университета в Великобритании, указывает на пример, связанный с частицами, называемыми мюонами.

Мюоны нестабильны: они быстро распадаются на более простые частицы. Фактически, настолько быстро, что большинство мюонов, покидающих Солнце, должно было распасться к тому времени, когда они достигли Земли. Но на самом деле мюоны прибывают на Землю с Солнца в большом количестве. Это было то, что ученым долгое время было трудно понять.

«Ответ на эту загадку состоит в том, что мюоны генерируются с такой большой энергией, что движутся со скоростью, очень близкой к скорости света», — говорит Колтхаммер. «Так что их чувство времени, если хотите, их внутренние часы на самом деле идут медленно».

Мюоны «оставались живыми» дольше, чем ожидалось, относительно нас, благодаря реальному естественному искривлению времени.

Когда объекты перемещаются быстро относительно других объектов, их длина также сокращается. Эти последствия, замедление времени и сокращение длины, являются примерами того, как пространство-время изменяется в зависимости от движения вещей, таких как вы, я или космический корабль, которые имеют массу.

Во Вселенной есть галактики, удаляющиеся друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.

Важно отметить, что, как сказал Эйнштейн, на свет не действует такое же влияние, потому что он не имеет массы. Вот почему так важно, чтобы все эти принципы шли рука об руку. Если бы вещи могли двигаться быстрее света, они бы не подчинялись этим фундаментальным законам, описывающим, как работает Вселенная.

Это резюмирует основные принципы. На этом этапе мы можем рассмотреть несколько исключений и предостережений.

Во-первых, хотя когда-либо не наблюдалось путешествий со скоростью, превышающей скорость света, это не означает, что теоретически невозможно нарушить это ограничение скорости в особых обстоятельствах.

Возьмем, к примеру, расширение самой Вселенной. Во Вселенной есть галактики, удаляющиеся друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.

Существует еще один возможный способ, которым технически возможно движение со скоростью, превышающей скорость света.

Другая интересная ситуация касается частиц, которые, кажется, проявляют одни и те же свойства в одно и то же время, независимо от того, насколько далеко они друг от друга находятся.

Это называется «квантовая запутанность». По сути, фотон будет переключаться назад и вперед между двумя возможными состояниями случайным образом, но эти перевороты будут точно отражать переворот другого фотона в другом месте, если они запутаны.

Таким образом, два ученых, изучающие свой фотон, получат одинаковые результаты в одно и то же время, быстрее скорости света.

Однако в обоих этих примерах важно отметить, что никакая информация не распространяется между двумя объектами быстрее скорости света.Мы можем рассчитать расширение Вселенной, но мы не можем наблюдать в ней объекты со скоростью быстрее света: они исчезли из поля зрения.

Что касается двух ученых с их фотонами, хотя они могли достичь одного и того же результата одновременно, они не могли подтвердить этот факт друг с другом быстрее, чем свет может перемещаться между ними.

«Это избавляет нас от любых проблем, потому что, если вы можете посылать сигналы быстрее света, вы можете создавать причудливые парадоксы, при которых информация может каким-то образом перемещаться назад во времени», — говорит Колтхаммер.

Что, если бы вместо этого вы активно исказили пространство-время контролируемым образом?

Есть еще один возможный способ, которым технически возможно путешествие со скоростью, превышающей скорость света: разломы в самом пространстве-времени, которые позволяют путешественнику избежать правил обычного путешествия.

Джеральд Кливер из Университета Бэйлора в Техасе рассмотрел возможность того, что однажды мы сможем построить космический корабль со скоростью, превышающей скорость света. Один из способов сделать это — пройти через червоточину.Это петли в пространстве-времени, полностью согласующиеся с теориями Эйнштейна, которые могут позволить астронавту перепрыгивать из одной части Вселенной в другую через аномалию в пространстве-времени, своего рода космический ярлык.

Объект, движущийся через червоточину, не превысил бы скорость света, но теоретически он мог бы достичь определенного места назначения быстрее, чем свет, если бы он выбрал «нормальный» маршрут.

Но червоточины могут быть недоступны для космических путешествий. Что, если вместо этого вы активно искажаете пространство-время контролируемым образом, чтобы путешествовать со скоростью более 300 000 км / с относительно кого-то другого?

Кливер исследовал идею, известную как «двигатель Алькубьерре», предложенную физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году.По сути, он описывает ситуацию, в которой пространство-время сдавливается перед космическим кораблем, тянет его вперед, в то время как пространство-время позади корабля расширяется, создавая толкающий эффект.

«Но тогда, — говорит Кливер, — есть вопросы, как это сделать и сколько энергии на это потребуется».

Путешествие быстрее скорости света пока остается фантазией

В 2008 году он и аспирант Ричард Обоуси рассчитали некоторые из задействованных энергий.

«Мы выяснили, что если предположить, что размер корабля составляет примерно 10 x 10 x 10 м — вы говорите 1000 кубических метров — то количество энергии, которое потребуется для запуска процесса, должно быть порядка вся масса Юпитера.«

После этого необходимо было бы продолжать подавать энергию постоянно, чтобы гарантировать, что процесс не сработает. Никто не знает, как это вообще возможно, или как будет выглядеть технология для этого.

» Я не хочу, чтобы меня неверно процитировали столетия спустя из-за того, что я предсказывал, что этого никогда не произойдет, — говорит Кливер, — но сейчас я не вижу решений ».

Таким образом, путешествие со скоростью быстрее света остается фантазией для на данный момент

Но, хотя это может показаться разочаровывающим, свет — это совсем не то.Фактически, большую часть этой статьи мы думали в терминах видимого света. Но на самом деле свет — это гораздо больше.

Все, от радиоволн до микроволн до видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей и гамма-лучей, испускаемых распадающимися атомами, — все эти фантастические лучи сделаны из одного вещества: фотонов.

Разница в энергии, а значит, и в длине волны. Вместе эти лучи составляют электромагнитный спектр. Например, тот факт, что радиоволны движутся со скоростью света, чрезвычайно полезен для связи.

Пространство-время податливо, и это позволяет каждому испытать одни и те же законы физики

В своем исследовании Кольтхаммер создает схему, которая использует фотоны для передачи сигналов от одной части схемы к другой, поэтому он хорошо расположен чтобы прокомментировать пользу потрясающей скорости света.

«Идея о том, что мы, например, построили инфраструктуру Интернета и даже до этого, радио, основанного на свете, безусловно, связана с легкостью, с которой мы можем его передавать», — отмечает он.

Он добавляет, что свет действует как коммуникационная сила для Вселенной. Когда электроны в мачте мобильного телефона колеблются, фотоны вылетают и заставляют другие электроны в вашем мобильном телефоне также колебаться. Именно этот процесс позволяет вам позвонить по телефону.

Колебание электронов на Солнце также испускает фотоны — с фантастической скоростью — которые, конечно же, производят свет, питающий жизнь на Земле.

Свет — это вещание Вселенной. Эта скорость — 299 792,458 км / с — остается неизменной.Между тем, пространство-время податливо, и это позволяет каждому испытать одни и те же законы физики, независимо от их положения или движения.

Кто вообще захочет путешествовать быстрее света? Шоу, которое он ставит, слишком хорошее, чтобы его пропустить.

Вот почему скорость света равна скорости света

Скорость света в вакууме составляет 299 792 458 метров в секунду — цифра, к которой ученые наконец пришли в 1975 году, — но зачем останавливаться на этой цифре? А какое это имеет значение?

Ответы на эти вопросы отправят нас в удивительное путешествие через пространство, время, физику и измерения, и история еще не совсем рассказана.Современные исследования впервые за столетия ставят под сомнение скорость света.

Для начала, немного истории: в начале 17 века, общее мнение заключалось в том, что у света нет скорости, что он просто появляется мгновенно, присутствует он или нет.

В 1600-х годах эта идея подверглась серьезным испытаниям. Во-первых, голландским ученым Исааком Бекманом в 1629 году, который установил серию зеркал вокруг взрывов пороха, чтобы увидеть, заметили ли наблюдатели какую-либо разницу в том, когда появляются вспышки света.

К несчастью для Бекмана и прогресса науки, результаты были неубедительными, но затем в 1676 году датский астроном Оле Ремер заметил странные изменения времени затмений одной из лун Юпитера в течение года.

Может ли это быть из-за того, что свету требовалось больше времени, чтобы отойти от Юпитера, когда Земля находилась дальше? Рёмер так думал, и его грубые расчеты показали, что скорость света составляет около 220 000 километров в секунду — неплохая оценка, особенно если учесть, что данные о размерах планет, которые он имел, не были такими уж точными.

Дальнейшие эксперименты с лучами света на нашей планете приблизили ученых к правильному числу, а затем в середине 1800-х годов физик Джеймс Клерк Максвелл представил свои уравнения Максвелла — способы измерения электрических и магнитных полей в вакууме.

Уравнения Максвелла фиксировали электрические и магнитные свойства пустого пространства, и, отметив, что скорость безмассовой волны электромагнитного излучения очень близка к предполагаемой скорости света, Максвелл предположил, что они могут точно совпадать.

Оказывается, Максвелл был прав, и мы впервые смогли измерить скорость света на основе других констант во Вселенной.

В то же время работа Максвелла убедительно свидетельствует о том, что свет сам по себе является электромагнитной волной, и после того, как эта идея была подтверждена, Альберт Эйнштейн в 1905 году подхватил ее как часть своей специальной теории относительности.

Сегодня скорость света, или c , как ее обычно называют, считается краеугольным камнем специальной теории относительности — в отличие от пространства и времени, скорость света постоянна, независимо от наблюдателя.

Более того, эта константа лежит в основе большей части того, что мы понимаем о Вселенной. Он соответствует скорости гравитационной волны, и да, это тот же c , который находится в знаменитом уравнении E = mc ² .

Однако Максвелл и Эйнштейн не только знают, что такое скорость света. Ученые измерили его, отражая лазеры от объектов и наблюдая за тем, как гравитация действует на планеты, и все эти эксперименты дали одну и ту же цифру.

Однако история на этом не заканчивается, благодаря квантовой теории, той области физики, которая намекает, что Вселенная может быть не такой постоянной, как мы думаем.

Квантовая теория поля утверждает, что вакуум никогда не бывает пустым: он заполнен элементарными частицами, которые быстро появляются и исчезают. Согласно гипотезе, эти частицы создают на своем пути электромагнитную рябь и потенциально могут вызывать изменения скорости света.

Исследования этих идей продолжаются, и мы пока не знаем наверняка, так или иначе.На данный момент скорость света остается такой же, как и на протяжении веков, постоянной и фиксированной … но наблюдайте за этим пространством.

Почему скорость света равна скорости света?

Если вы посетите Парижскую обсерваторию на левом берегу Сены, вы увидите мемориальную доску на ее стене, сообщающую, что скорость света была впервые измерена там в 1676 году. Странно, что этот результат был получен случайно. Оле Рёмер, датчанин, работавший помощником итальянского астронома Джованни Доменико Кассини, пытался объяснить определенные расхождения в затмениях одной из лун Юпитера.Рёмер и Кассини обсуждали возможность того, что свет имеет конечную скорость (обычно считалось, что он движется мгновенно). В конце концов, после некоторых грубых расчетов, Ремер пришел к выводу, что световым лучам нужно 10 или 11 минут, чтобы пересечь расстояние, «равное половине диаметра земной орбиты».

Сам Кассини сомневался в этой идее. Он утверждал, что если проблема заключается в конечной скорости, а свету действительно нужно время, чтобы обойти его, такая же задержка должна быть видна при измерениях других спутников Юпитера — а это не так.Последовавшие за этим споры прекратились только в 1728 году, когда английский астроном Джеймс Брэдли нашел альтернативный способ измерения. И, как подтвердили многие последующие эксперименты, оценка, сделанная на основе первоначальных наблюдений Ремера, была примерно на 25% неверной. Теперь мы зафиксировали скорость света в вакууме, равную 299 792,458 километров в секунду.

Почему именно эта скорость, а не что-то другое? Или, другими словами, откуда взялась скорость света?

Электромагнитная теория дала первое важное открытие 150 лет назад.Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что, когда электрическое и магнитное поля меняются во времени, они взаимодействуют, образуя бегущую электромагнитную волну. Максвелл вычислил скорость волны из своих уравнений и обнаружил, что это в точности известная скорость света. Это убедительно свидетельствовало о том, что свет был электромагнитной волной, что вскоре было окончательно подтверждено.

Еще один прорыв произошел в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн показал, что c , скорость света в вакууме, является универсальным ограничением скорости.Согласно его специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее. Итак, благодаря Максвеллу и Эйнштейну мы знаем, что скорость света удивительным образом связана с рядом других (на первый взгляд совершенно разных) явлений.

Но ни одна из теорий полностью не объясняет, что определяет эту скорость. Что может? Согласно новым исследованиям, секрет c можно найти в природе пустого пространства.

До появления квантовой теории электромагнетизм был законченной теорией света.Он остается чрезвычайно важным и полезным, но поднимает вопрос. Чтобы вычислить скорость света в вакууме, Максвелл использовал эмпирически измеренные значения двух констант, которые определяют электрические и магнитные свойства пустого пространства. Назовите их соответственно Ɛ ⁰ и μ ⁰ .

Дело в том, что в вакууме непонятно, что эти числа должны что-то значить. В конце концов, электричество и магнетизм на самом деле возникают из-за поведения заряженных элементарных частиц, таких как электроны.Но если мы говорим о пустом пространстве, там не должно быть никаких частиц, не так ли?

Вот где вступает квантовая физика. В продвинутой версии, называемой квантовой теорией поля, вакуум никогда не бывает пустым. Это «вакуумное состояние», самая низкая энергия квантовой системы. Это арена, на которой квантовые флуктуации порождают исчезающие энергии и элементарные частицы.

Что такое квантовая флуктуация? Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что всегда есть некоторая неопределенность, связанная с физическими измерениями.Согласно классической физике, мы можем точно знать положение и импульс, например, покоящегося бильярдного шара. Но это именно то, что отрицает принцип неопределенности. По словам Гейзенберга, мы не можем точно знать и то, и другое одновременно. Как будто мяч слегка дрожит или дрожит по сравнению с фиксированными значениями, которые, как мы думаем, у него есть. Эти колебания слишком малы, чтобы иметь большое значение в человеческом масштабе; но в квантовом вакууме они производят крошечные всплески энергии или (что эквивалентно) материи в форме элементарных частиц, которые быстро появляются и исчезают.

Лейкс очарован связью между классическим электромагнетизмом и квантовыми флуктуациями

Эти недолговечные явления могут показаться призрачной формой реальности. Но у них есть измеримые эффекты, в том числе электромагнитные. Это потому, что эти мимолетные возбуждения квантового вакуума проявляются в виде пар частиц и античастиц с равным и противоположным электрическим зарядом, таких как электроны и позитроны. Электрическое поле, приложенное к вакууму, искажает эти пары, вызывая электрический отклик, а магнитное поле воздействует на них, создавая магнитный отклик.Такое поведение дает нам возможность вычислить , а не просто измерить электромагнитные свойства квантового вакуума и, исходя из них, получить значение c .

В 2010 году физик Герд Леухс и его коллеги из Института науки о свете Макса Планка в Германии сделали именно это. Они использовали виртуальные пары в квантовом вакууме для вычисления электрической постоянной Ɛ ⁰ . Их значительно упрощенный подход дал значение в 10 раз по сравнению с правильным значением, используемым Максвеллом, — обнадеживающий знак! Это вдохновило Марселя Урбана и его коллег из Университета Париж-Юг вычислить c на основе электромагнитных свойств квантового вакуума.В 2013 году они сообщили, что их подход дал правильное числовое значение.

Результат удовлетворительный. Но это не окончательно. Во-первых, Урбану и его коллегам пришлось сделать несколько необоснованных предположений. Потребуется полный анализ и несколько экспериментов, чтобы доказать, что c действительно может быть получено из квантового вакуума. Тем не менее, Лейкс говорит мне, что его по-прежнему восхищает связь между классическим электромагнетизмом и квантовыми флуктуациями, и он работает над строгим анализом в рамках полной квантовой теории поля.В то же время Урбан и его коллеги предлагают новые эксперименты, чтобы проверить связь. Так что есть основания надеяться, что c , наконец, будет основано на более фундаментальной теории. А потом — тайна раскрыта?

Ну, это зависит от вашей точки зрения.

Скорость света, конечно, всего лишь одна из нескольких «фундаментальных» или «универсальных» физических констант. Считается, что они применимы ко всей вселенной и остаются неизменными с течением времени. Гравитационная постоянная G, например , определяет силу гравитации во Вселенной.В малых масштабах постоянная Планка h определяет размер квантовых эффектов, а крошечный заряд электрона e является основной единицей электричества.

Числовые значения этих и других констант известны с невероятной точностью. Например, ч измеряется как 6,626070040 × 10 ⁻³⁴ джоуль-секунда (с точностью до 10 ^-6 процентов!). Но все эти количества вызывают массу тревожных вопросов. Они действительно постоянны? В каком смысле они «фундаментальны»? Почему у них есть эти особые ценности? Что они на самом деле говорят нам о физической реальности вокруг нас?

Вопрос о том, действительно ли «константы» постоянны во Вселенной, — это древний философский спор.Аристотель считал, что Земля устроена иначе, чем небо. Коперник считал, что наш локальный кусочек Вселенной ничем не отличается от любой другой ее части. Сегодня наука следует современной точке зрения Коперника, предполагая, что законы физики одинаковы везде в пространстве-времени. Но предположение все это есть. Его необходимо протестировать, особенно для G и c, , чтобы убедиться, что мы не неверно интерпретируем то, что наблюдаем в далекой вселенной.

Нобелевский лауреат Поль Дирак высказал предположение, что G может изменяться со временем.В 1937 году космологические соображения привели его к предположению, что оно уменьшается примерно на одну десятую миллиардную долю в год. Он был прав? Возможно нет. Наблюдения за астрономическими телами под действием силы тяжести не показывают этого уменьшения, и пока нет никаких признаков того, что G изменяется в пространстве. Его измеренное значение точно описывает орбиты планет и траектории космических аппаратов по всей Солнечной системе, а также далекие космические события. Радиоастрономы недавно подтвердили, что G , как мы его знаем , правильно описывает поведение пульсара (быстро вращающийся остаток сверхновой) на расстоянии 3750 световых лет от нас.Точно так же, похоже, нет достоверных свидетельств того, что c изменяется в пространстве или времени.

Итак, предположим, что эти константы действительно постоянны. Они фундаментальны? Некоторые из них более фундаментальны, чем другие? Что мы вообще подразумеваем под словом «фундаментальный» в этом контексте? Один из способов подойти к этому вопросу — спросить, каков наименьший набор констант, из которого могут быть получены другие. Были предложены наборы от двух до 10 констант, но одним полезным выбором было всего три: h, c и G, вместе представляют теорию относительности и квантовую теорию.

только безразмерные константы действительно являются «фундаментальными», потому что они не зависят от какой-либо системы измерения

В 1899 году Макс Планк, основавший квантовую физику, исследовал отношения между h, c и G и тремя основными аспектами или измерениями физической реальности: пространство , время , и масса. Каждая измеряемая физическая величина определяется своим числовым значением и размерами. Мы не указываем c просто как 300 000, а как 300 000 километров в секунду, или 186 000 миль в секунду, или 0.984 фута в наносекунду. Числа и единицы измерения сильно различаются, но размеры те же: длина, деленная на время. Таким же образом, G и h имеют, соответственно, размеры [длина ³ / (масса x время ² )] и [масса x длина ² / время]. Из этих соотношений Планк вывел «натуральные» единицы, комбинации h , c и G , которые дают планковскую длину, массу и время 1,6 x 10 ^-35 метров, 2,2 x 10 ^-8 килограммов, и 5.4 x 10 ^-44 секунд. Помимо замечательных свойств, эти устройства Planck дают представление о квантовой гравитации и ранней Вселенной.

Но некоторые константы вообще не имеют размерностей . Это так называемые безразмерные константы — чистые числа, такие как отношение массы протона к массе электрона. Это просто число 1836,2 (которое считается немного странным, потому что мы не знаем, почему оно такое большое). По словам физика Майкла Даффа из Имперского колледжа Лондона, только безразмерные константы являются действительно «фундаментальными», поскольку они не зависят от какой-либо системы измерения.С другой стороны, размерные константы «представляют собой просто человеческие конструкции, количество и значения которых различаются от одного выбора единиц к другому».

Пожалуй, самой интригующей из безразмерных констант является постоянная тонкой структуры α. Впервые она была определена в 1916 году, когда квантовая теория была объединена с теорией относительности для объяснения деталей или «тонкой структуры» атомарного спектра водорода. Теоретически α — это скорость электрона, вращающегося вокруг ядра водорода, деленная на c. Имеет значение 0,0072973525698, или почти точно 1/137.

Сегодня, в рамках квантовой электродинамики (теории взаимодействия света и материи), α определяет силу электромагнитной силы, действующей на электрон. Это придает ему огромную роль. Наряду с гравитацией, сильными и слабыми ядерными взаимодействиями электромагнетизм определяет, как работает Вселенная. Но никто еще не объяснил значение 1/137, число без явных предшественников или значимых ссылок. Лауреат Нобелевской премии физик Ричард Фейнман писал, что α было «загадкой с тех пор, как было открыто… магическое число, которое приходит к нам без понимания человеком.Можно сказать, что «рука Бога» написала это число, и «мы не знаем, как Он толкнул свой карандаш».

Будь то «рука Бога» или какой-то действительно фундаментальный физический процесс, который сформировал константы, именно их очевидный произвол сводит физиков с ума. Почему эти цифры? Разве они не могли быть другими?

Один из способов справиться с этим тревожным чувством непредвиденной ситуации — противостоять ему лицом к лицу. Этот путь ведет нас к антропному принципу, философской идее о том, что то, что мы наблюдаем во Вселенной, должно быть совместимо с тем фактом, что мы, люди, собрались здесь, чтобы наблюдать это.Немного другое значение для α изменило бы Вселенную; например, сделав невозможным производство углерода в звездных процессах, а это означает, что наша собственная жизнь, основанная на углероде, не будет существовать. Короче говоря, причина, по которой мы видим ценности, заключается в том, что, если бы они были очень разными, нас бы не было рядом, чтобы увидеть их. QED. Такие соображения использовались для ограничения α диапазоном от 1/170 до 1/80, поскольку все, что находится за пределами этого диапазона, исключило бы наше собственное существование.

Но эти аргументы также оставляют открытой возможность того, что существуют другие вселенные, в которых константы другие.И хотя может случиться так, что эти вселенные негостеприимны для разумных наблюдателей, все же стоит представить, что можно было бы увидеть, если бы один из смог посетить .

Например, а что если бы c было быстрее? Свет кажется нам довольно быстрым, потому что нет ничего быстрее. Но это по-прежнему создает значительные задержки на больших расстояниях. Космос настолько обширен, что могут пройти целые эоны, прежде чем звездный свет достигнет нас. Поскольку наши космические корабли намного медленнее света, это означает, что мы никогда не сможем отправить их к звездам.С другой стороны, временная задержка превращает телескопы в машины времени, позволяя нам видеть далекие галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.

есть что-то очень интригующее в том, насколько четко построены законы нашей собственной Вселенной.

Если бы c было, скажем, в 10 раз больше, многое бы изменилось. Земные коммуникации улучшатся. Мы сократили задержку передачи радиосигналов на большие расстояния в космосе. НАСА получит лучший контроль над своими беспилотными космическими кораблями и исследователями планет.С другой стороны, более высокая скорость помешает нам заглянуть в историю Вселенной.

Или представьте себе медленный свет, такой вялый, что мы могли бы наблюдать, как он медленно выходит из лампы и заполняет комнату. Хотя в повседневной жизни это не принесет многого, спасительная благодать состоит в том, что наши телескопы вернут нас к самому Большому взрыву. (В некотором смысле в лаборатории был достигнут «медленный свет». В 1999 году исследователи довели лазерный свет до скорости велосипеда, а затем и до полной остановки, пропустив его через облако сверххолодных атомов.)

Об этих возможностях интересно подумать — и они вполне могут быть реальными в соседних вселенных. Но есть кое-что очень интригующее в том, насколько жестко построены законы нашей собственной Вселенной. Леукс указывает, что привязка c к квантовому вакууму показала бы, что примечательно, что квантовые флуктуации «тонко встроены» в классический электромагнетизм, хотя теория электромагнетизма предшествовала открытию квантовой области на 35 лет. Эта связь также станет ярким примером того, как квантовые эффекты влияют на всю Вселенную.

И если существует несколько вселенных, разворачивающихся по разным законам, с использованием разных констант, антропных рассуждений вполне может быть достаточно, чтобы объяснить, почему мы наблюдаем определенные закономерности, которые обнаруживаем в нашем собственном мире. В каком-то смысле это было бы просто удачей розыгрыша. Но я не уверен, что это поможет изгнать тайну из существующего положения вещей.

Предположительно, разные части мультивселенной должны будут соединяться друг с другом определенным образом, следуя своим собственным законам — и, по-видимому, в свою очередь, можно было бы вообразить различные способы взаимодействия этих вселенных.Почему мультивселенная должна работать так, а не так? Возможно, интеллекту не может преодолеть чувство произвольности вещей. Здесь мы близки к старой философской загадке, почему есть что-то, а не ничего. Это тайна, в которую, возможно, не проникнет ни один свет.

Скорость света — обзор

9.6 Скорость

Мы заявляли, что на скорость света не влияет относительная скорость передатчика и приемника.Теперь необходимо рассмотреть влияние относительного движения систем отсчета на наблюдаемые скорости. Начиная с уравнений Лоренца, уравнение (9.34), записанное в дифференциальной форме

(9.71) Δ (ct) ′ = γΔct − γβΔx

(9.72) Δx ′ = γΔx − γβΔ (ct)

и делящее уравнение (9.72) ) по (9.71) дает

Δx′cΔt ′ = Δx − βcΔtcΔt − βΔx

Деление числителя и знаменателя правой части на c Δ t и переход к пределу Δ t → 0 дает

u′xc = ux / c − β1 − βux / c

или

(9.75) u′x = ux − v1 − vux / c2

. Аналогичным образом найдены две другие скорости:

(9,76) u′y = uyγ (1 − vux / c2)

и

(9,77) u. ′ Z = uzγ (1 − vux / c2)

Для преобразования Галилея, если u _x , близко к c и — v близко к c , тогда u _x ′ может превышать c . Используя уравнение (9.75), можно показать, что u _x ′ никогда не может превышать c при условии, что величины u _x и v меньше c , как того требует специальная теория относительности.Это доказывается переписыванием уравнения (9.75) в виде

u′xc = ux / c − v / c1− (v / c) (ux / c)

, которое имеет вид

, поэтому нам нужно показать, что если | x | <1 и | y | <1 тогда | z | <1. Это эквивалентно доказательству

или

(1 − yx) 2> (x − y) 21 + y2x2−2yx> x2 + y2−2yx (1 − x2)> y2 (1 − x2)

Наконец,

, который удовлетворяет нашим условиям. Поскольку приведенные выше выражения симметричны в x и y , следует, что 1> x ² также удовлетворяется.Таким образом, наше утверждение, что | u′x / c | <1, доказано.

Теперь мы ищем четырехвекторную форму скорости, которая преобразуется так же, как четырехвектор событий. Разницу между двумя событиями можно записать как

(9,78) (ΔE) = (Δct Δx Δy Δz) T

, и нам нужно разделить на подходящий временной интервал. Изменение собственного времени Δτ не зависит от движения наблюдателя; следовательно, деление на эту величину гарантирует, что определенная таким образом скорость будет вести себя при преобразовании Лоренца идентично (Δ E ).

Скорость частицы относительно фиксированной системы отсчета будет

, так что

(9.80) γ = (1 − u2 / c2) −1/2

для системы отсчета, движущейся вместе с частицей.

Собственное время, как указано в уравнении (9.45), равно

, где

γ ′ = (1 − u′2 / c2) −1/2

Теперь мы можем записать правильную скорость как

(U ) = (ΔctΔτΔxΔτΔyΔτΔzΔτ) T Δτ → 0

или, поскольку Δτ = Δ τ / γ ,

(9,81) (U) = γ (c ux uy uz) T

Аналогично

(9.82) (U ′) = γ ′ (c u′x u′y u′z) T

Теперь для проверки преобразуем уравнение (9.81), используя уравнение преобразования (9.34), чтобы получить

(9.83) γ ′ C = γ0γc − γ0β0γux

(9,84) γ′u′x = −γ0β0γc + γ0γux

, где

и v — относительная скорость между двумя кадрами.

Из уравнения (9.83) получаем

γ ′ / γ = γ0 (1 − β0ux / c)

Таким образом, из уравнения (9.84)

и из уравнений (9.85) и (9.86)

u′y = uy (1 − vux / c2) u′z = uz (1 − vux / c2)

, которые аналогичны уравнениям (9.