Матвеев А.Н. — «Постоянство скорости света» (глава из книги)
Матвеев А.Н. — «Постоянство скорости света» (глава из книги)[вернуться к содержанию сайта]
Матвеев А.Н.
МЕХАНИКА И ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
(М.: Мир и образование, 2003. – фрагменты из книги)
стр. 84
13. Постоянство скорости света
Справедливость преобразований Галилея может быть проверена сравнением следствий из них с экспериментом. Важнейшим следствием является формула сложения (12.10). Именно проверка этой формулы показала её приближённый характер. Отклонения от неё тем значительнее, чем больше скорость. Особенно они велики при скоростях, близких к скорости света. Эти отклонения впервые были открыты при исследовании скорости света, поведение которой с точки зрения классической физики оказалось не только странным, но и необъяснимым. Поэтому необходимо прежде всего рассмотреть вопрос о скорости света.
Развитие взглядов на скорость света. Античные мыслители имели о свете представления двоякого рода. Платон (427—347 гг. до н. э.) придерживался теории зрительных лучей, которые исходят из глаза и как бы “ощупывают предметы”. Демокрит (460–370 гг. до н. э.) был сторонником теории атомов истечения, которые попадают от предметов в глаз. Аристотель (384–322 гг. до н. э.) также придерживался теории истечения. Однако геометрический характер, приданный оптике Евклидом (300 г. до н. э.), установившим учение о прямолинейном распространении лучей света и законы отражения, делал обе точки зрения практически эквивалентными. В дальнейшем получила перевес точка зрения атомов истечения, при этом считалось, что свет распространяется с очень большой скоростью и даже мгновенно. Это убеждение базировалось на аналогии с полётом стрелы из лука: траектория стрелы тем прямее, чем больше скорость стрелы.
Основоположник новой физики Галилей (1564–1642) считал скорость света конечной, но не имел о ней никакого реального представления, пытаясь измерить её заведомо непригодными методами.
Декарт (1596–1650) выдвинул новую точку зрения на свет, согласно которой свет есть давление, передаваемое через среду с бесконечной скоростью. Таким образом, Декартом ясно высказывается мысль о необходимости среды для передачи света. Гримальди (1618–1660) и Гук (1625–1695) предложили волновую точку зрения на свет: свет есть волновое движение в однородной среде. Но истинным создателем волновой теории света явился Христиан Гюйгенс (1629–1695), изложивший её перед Парижской Академией наук в 1678 г. Ньютон (1643–1727) неохотно высказывался о природе света, “не желая измышлять гипотез”. Однако он явно принимал корпускулярную теорию истечения, хотя и не настаивал на её безусловной правильности. В 1675 г. Ньютон писал: “Свет, по моему мнению, не следует определять ни как эфир, ни как колебательное движение эфира, но как нечто, распространяющееся от светящихся тел. Это нечто можно считать либо группой различных перипатетических качеств, либо, ещё лучше, множеством крайне малых и быстрых корпускул”.
Определение скорости света Рёмером. Впервые скорость света была измерена в 1676 г. Рёмером. Наблюдения затмений спутников Юпитера показали, что видимый период их обращения уменьшается, когда Земля в своём годовом движении приближается к Юпитеру, и увеличивается, когда Земля удаляется от него. Рёмер понял, что этот эффект связан с конечной скоростью распространения света, и по результатам наблюдений вычислил эту скорость. На рис. 27 изображено положение спутника Юпитера в момент после затмения.
27. К определению скорости света Рёмером
Если в движущемся поезде производить выстрелы с интервалом, например, в одну секунду, то наблюдатель на полотне железной дороги, н которому этот поезд приближается, будет слышать их следующими друг за другом чаще чем через секунду. Наблюдатель, от которого поезд удаляется, будет слышать более редкие выстрелы.
Поскольку период обращения Юпитера вокруг Солнца много больше периода обращения Земли вокруг Солнца, при расчёте можно считать Юпитер неподвижным.
T1=t1+s1/c, (13.1)
где s1 – расстояние между Землёй и точкой выхода спутника из тени в момент наблюдения, с – скорость света. После того как спутник совершит один оборот вокруг Юпитера, выход его из тени произойдёт в момент t2, а земной наблюдатель отметит в момент
T2=t2+s2/c, (13.2)
Tнабл= T2–T1= Tист+(s2 –s1)/c, (13.
3)
где Tист= (t2–t1) — истинный период обращения спутника. Таким образом, вследствие разности расстояний от Земли до Юпитера s2–s1 наблюдаемый период обращения спутника будет отличаться от истинного. Если проделать большое число измерений этого периода как при приближении Земли к Юпитеру, так и при удалении от него, то среднее значение полученных результатов будет равно истинному периоду, поскольку при усреднении члены (
Зная Tист, можно по формуле (13.3) определить скорость света:
c=(s2–s1)/(Tнабл–Tист). (13.4)
Величины s2 и s1 известны из астрономических вычислений, поскольку движения Юпитера и Земли хорошо изучены.
Аберрация света (Брадлей, 1727). Капли дождя в безветренную погоду падают вертикально. Однако на стекле движущегося горизонтально поезда они оставляют наклонный след. Это является следствием сложения вертикальной скорости капли и горизонтальной скорости поезда. Со светом наблюдается аналогичное явление, называемое аберрацией. В результате аберрации света кажущееся направление на звезду отличается от истинного (рис. 28) на угол (π/2)–α= β, называемый углом аберрации. Из рисунка видно, что
tgβ
= v┴/c, (13.5)где v┴ — составляющая скорости движения Земли, перпендикулярная направлению к Звезде, с — скорость света.
Явление аберрации практически наблюдается следующим образом. Ось телескопа при каждом наблюдении в течение года ориентируется одинаковым образом в пространстве относительно звёздного неба, и при этом изображение звезды фиксируется в фокальной плоскости телескопа. В течение года это изображение описывает некоторый эллипс. Зная размеры эллипса и другие данные наблюдения, можно определить угол аберрации. Измерив α и зная
Различные трактовки скорости света. После того как установлена скорость света, возникает вопрос о том, от чего она зависит. Ответ на него в рамках существовавших в то время представлений был обусловлен взглядом на природу света.
28. При наблюдении света от звезды, расположенной перпендикулярно скорости движения Земли, ось телескопа необходимо ориентировать под углом β к истинному направлению на звезду из-за аберрации света.
Во время дождя при отсутствии ветра, чтобы не намокнуть, надо зонтик держать вертикально. Если те приходится бежать, то его необходимо наклонить в направлении движения.
Если свет есть волнообразное движение однородной среды, то его скорость относительно этой среды является некоторой постоянной величиной, определяемой свойствами среды. Скорость же света относительно источника и наблюдателя является переменной величиной, зависящей от скорости источника или наблюдателя относительно этой среды, и находится по правилу сложения скоростей (12.10).
Если свет есть поток быстрых корпускул, летящих от источника, то естественно считать, что скорость этих корпускул относительно источника имеет некоторое постоянное значение, а относительно наблюдателя складывается согласно (12.10) со скоростью наблюдателя относительно источника.
Идея так называемого Мирового эфира и Абсолютной скорости.
Авторитет Ньютона принёс победу корпускулярной точке зрения на свет. Волновая теория Гюйгенса, хотя и имела сторонников, в продолжение свыше ста лет была оттеснена на задний план. Однако в начале XIX столетия новые открытия в оптике в корне изменили положение. В 1801 г. Юнг установил принцип интерференции и на его основе объяснил цвета тонких пластинок. Однако эти представления Юнга, носившие скорее качественный характер, ещё не смогли завоевать всеобщего признания. Окончательный удар по корпускулярной теории был нанесён в 1818 г. Френелем, решившим на основе волновой теории проблему дифракции. Все попытки рассмотреть эту проблему в рамках корпускулярной теории оказались безуспешными. Идея работы Френеля базировалась на объединении принципа элементарных волн Гюйгенса с принципом интерференции Юнга. В течение нескольких лет после этого корпускулярная теория была полностью вытеснена из науки и общепринятой стала точка зрения на свет как на волновой процесс в среде. Эта среда, заполняющая всю Вселенную, получила название “Мирового эфира”.
Задача заключалась в том, чтобы построить теорию света как теорию колебаний эфира. В дальнейшем роль эфира была расширена, он считался ответственным и за другие явления (тяготение, магнетизм, электричество). В работе по созданию теории Мирового эфира приняли участие многие выдающиеся учёные прошлого столетия. Однако сейчас эти работы имеют лишь исторический интерес и их нет необходимости освещать. Мы напомнили о Мировом эфире лишь для того, чтобы пояснить понятие Абсолютной скорости и методы её поисков.
Согласно только что изложенным представлениям, эфир заполняет всё пространство, в котором движутся материальные тела, и неподвижен в этом пространстве. Скорость света относительно эфира является постоянной величиной, определяемой свойствами эфира. Материальные тела движутся относительно неподвижного эфира, заполняющего всё пространство. Ясно, что это движение тел относительно эфира носит абсолютный характер и отличается от движения материальных тел друг относительно друга.
Действительно, если тело А движется относительно тела В со скоростью v, то её можно изменить, действуя силой как на тело А, так и на тело В. Изменить же движение тела А относительно эфира можно только приложением силы к нему, а не к какому-либо другому телу. Скорость тела относительно эфира была названа “Абсолютной”. Абсолютная скорость данного материального тела не зависит от движения других тел. Она, по идее, имела бы смысл даже тогда, когда все остальные тела перестали существовать. Возникает лишь вопрос, как её измерить.
Идея измерения так называемой Абсолютной скорости. Поскольку скорость света относительно эфира постоянна, то относительно материальных тел, движущихся в эфире, она переменна и зависит от их скорости относительно эфира. Измерив скорость тела относительно света, или, что то же самое, скорость света относительно тела, можно определить скорость его относительно эфира (скорость света относительно эфира можно считать известной).
Ситуация здесь совершенно аналогична той, когда гребцы в лодке, измерив скорость лодки относительно волн и зная скорость волн относительно неподвижной воды, могут найти свою скорость относительно воды.
Попытка таким способом определить Абсолютную скорость Земли была выполнена Майкельсоном и Морли (1881, 1887)…
…Баллистическая гипотеза. Имеется и другой путь объяснения результата опыта Майкельсона — Морли: можно с самого начала отказаться от эфира и считать, что свет является потоком материальных корпускул, т. е. вернуться к первоначальной точке зрения Ньютона. Естественно считать, что скорость этих корпускул относительно источника является постоянной величиной и складывается со скоростью источника по правилу параллелограмма.
Поскольку в баллистической гипотезе скорость света относительно источника во всех направлениях имеет одно и то же значение, то никакой разности хода в опыте Майкельсона–Морли ожидать нельзя.
Поэтому баллистическая гипотеза естественным образом объясняет результат этого опыта и позволяет избежать совершенно непонятного в рамках преобразований Галилея положения о постоянстве скорости света. Однако баллистическая гипотеза оказалась несостоятельной.
Несостоятельность баллистической гипотезы. Проверку баллистической гипотезы можно сделать из астрономических наблюдений двойных звёзд, на которые впервые указал де-Ситтер в 1913 г. Двойная звезда представляет собой две сравнительно близко расположенные друг от друга звезды, движущиеся вокруг общего центра масс. Если одна из звёзд значительно массивнее другой, то можно считать, что менее массивная звезда движется вокруг более массивной, которая покоится. Такие двойные звёзды наблюдаются в довольно большом числе. По эффекту Доплера можно измерить скорость звёзд и вычислить элементы орбиты. Оказывается, что компоненты двойной звезды движутся по эллиптическим орбитам в соответствии с законами Кеплера, т.
е. между ними действуют силы тяготения, убывающие обратно пропорционально квадрату расстояния между компонентами.
30. Наблюдение двойных звёзд.
Если бы была справедлива баллистическая гипотеза, то кроме изменения наблюдаемого движения двойной звезды должна была бы наблюдаться переменность её блеска. Действительно, имеется много переменных звёзд, но закон изменения их блеска не соответствует тому, который получается из баллистической гипотезы.
Каких-либо странностей в движении компонент двойных звёзд не наблюдается. Между тем если бы была справедлива баллистическая гипотеза, то движение двойных звёзд представлялось бы весьма странным.
Пусть наблюдение двойной звезды ведётся с достаточно большого расстояния s. Для простоты будем считать, что менее массивная звезда движется по окружности со скоростью v вокруг более массивной, которую можно считать неподвижной (рис.
30), и имеет период обращения Т. Луч света, испущенный в тот момент, когда звезда находилась в точке B (верхнее положение на рис. 30) и двигалась от наблюдателя, будет распространяться в направлении наблюдателя со скоростью с–v. Испущенный в момент t1, он достигнет глаза наблюдателя в момент
T1=t1+s/(с–v), (13.18)
где s — расстояние от звезды до наблюдателя. Через половину периода обращения Т/2 звезда испустит луч из точки А (нижнее положение на рис. 30), двигаясь но направлению к наблюдателю. Скорость этого луча при движении к наблюдателю равна с+v. Следовательно, луч, испущенный в точке А, достигнет глаза наблюдателя в момент
T2=t1+ T/2+s/(с+v). (13.19)
Если расстояние s достаточно велико, то этот луч, имея большую скорость, может обогнать луч, испущенный в точке В.
Это произойдёт на расстоянии s, для которого Т2= Т1. Нетрудно найти это расстояние из формул (13.18) и (13.19). На больших расстояниях луч из А может обогнать луч, испущенный из В на предыдущем обороте, и т. д. Тогда наблюдатель, находящийся на достаточно большом расстоянии, увидит звезду одновременно в нескольких точках орбиты.
Таким образом, если бы баллистическая гипотеза была справедливой, то при наблюдении двойных звёзд астрономы должны были бы видеть довольно замысловатую картину. В действительности же ничего подобного нет.
Наблюдаемая картина получается из предположения, что двойные звёзды движутся по законам Кеплера и скорость света постоянна, а не складывается со скоростью источника, как этого требует баллистическая гипотеза. Таким образом, баллистическая гипотеза оказывается опровергнутой.
Несостоятельность баллистической гипотезы заставляет признать, что скорость света не зависит от скорости источника света.
Результат опыта Майкельсона–Морли показывает, что она не зависит также и от скорости наблюдателя. Поэтому делается вывод, что скорость света является постоянной величиной, не зависящей ни от скорости источника, ни от скорости наблюдателя.
Несовместимость постоянства скорости света с привычными представлениями. Постоянство скорости света находится в глубоком противоречии с привычными представлениями повседневного опыта и с формулами сложения скоростей (12.10), которые являются следствием преобразований Галилея. Таким образом, можно сказать, что преобразования Галилея (12.2) противоречат экспериментальному факту постоянства скорости света. Однако это противоречие становится заметным лишь для достаточно больших скоростей.
Представим себе поезд, который движется со скоростью 100 км/ч относительно полотна железной дороги. Если вдоль вагона в направлении движения поезда идёт человек со скоростью 5 км/ч относительно поезда, то скорость этого человека относительно полотна железной дороги равна 105 км/ч.
Этот результат понятен и полностью согласуется с привычными представлениями о пространстве и времени, выражением которых в рассматриваемом случае является формула сложения скоростей классической механики. Эксперимент неоднократно подтверждал эту формулу.
Представим теперь ракету, которая движется со скоростью 100000 км/с относительно Земли. Пусть в ракете в направлении её движения перемещается некоторый предмет со скоростью 100000 км/с относительно ракеты. Спрашивается, какова будет скорость этого предмета относительно Земли? Если бы измерить её, то получилось бы значение около 164000 км/с. Хотя описанный опыт с ракетой не производился, но проводились многочисленные другие опыты, которые показали, что формула сложения скоростей (12.10) не является правильной. При скоростях, много меньших скорости света, эта неправильность не замечается, поскольку отклонения от этой формулы чрезвычайно малы. Впервые в эксперименте неправильность формулы сложения скоростей была обнаружена в середине прошлого столетия.
Но в то время учёные не смогли осознать этот факт.
Идея опыта Физо. Задолго до того, как возникло представление о постоянстве скорости света и был установлен приближенный характер преобразований Галилея, в физике был известен опыт, который указывал на странный закон сложения больших скоростей, сравнимых со скоростью света. Это был опыт Физо, выполненный в 1860 г.
Идея опыта Физо состояла в измерении скорости света в движущейся материальной среде, например воде. Пусть и’=с/п – скорость света в среде, п — показатель преломления среды. Если среда, в которой распространяется свет, сама движется со скоростью v, то скорость света относительно покоящегося наблюдателя должна быть и’±v в зависимости от того, одинаково или противоположно направлены скорости света и среды. В своём опыте Физо сравнил скорости лучей света в направлении движения среды и против этого направления.
Схема опыта Физо изображена на рис.
31. Монохроматический луч от источника А падает на полупрозрачную пластинку В и разделяется на два когерентных луча. Луч, отразившийся от пластинки, проходит путь BKDEB (К, D, Е — зеркала), а прошедший через пластинку В — путь BEDKB, т. е. противоположно предыдущему. Первый луч, возвратившись к пластинке В, частично отражается от неё и попадает в интерферометр F. Второй луч, возвратившись к пластинке В, частично проходит через неё и также попадает в интерферометр F. Оба луча проходят один и тот же путь, причём на участках BE и KD эти пути проходят через жидкость, которая течёт по трубе. Если жидкость покоится, то пути обоих лучей совершенно эквивалентны и время их прохождения в обоих направлениях одно и то же, разницы никакой нет.
31. Схема опыта Физо.
Если же жидкость движется, пути лучей не эквивалентны: скорость одного из них на указанных участках направлена по течению жидкости, а другого — против течения.
Вследствие этого возникает разность хода — один из лучей запаздывает по сравнению с другим. По интерференционной картине можно определить эту разность хода, а по ней вычислить скорость света на участках с жидкостью, потому что известны скорость света на остальных участках и длина всех участков пути…
…Результат опыта Физо. В опыте Физо было получено следующее значение коэффициента k:
k=1–1/п2, (13.23)
где n — показатель преломления жидкости. Таким образом, скорости света в жидкости и жидкости не складываются по формуле сложения скоростей классической механики. С обыденной привычной точки зрения этот результат столь же удивителен, как и утверждение о постоянстве скорости света в вакууме. Однако в те годы, когда был выполнен опыт Физо, его результат не вызвал удивления. Дело в том, что Френель задолго до опыта Физо показал, что материя, движущаяся в эфире, должна за собой лишь частично увлекать эфир, и величина этого увлечения в точности соответствует результату опыта Физо.
Лишь после создания теории относительности стало ясным, что в опыте Физо впервые была экспериментально доказана несправедливость классического закона сложения скоростей и преобразований Галилея.
Постулативный характер постоянства скорости света. Утверждение о постоянстве скорости света в вакууме, т. е. независимость скорости света от скорости источника и скорости наблюдателя, является естественным выводом из многих экспериментальных фактов. Выше были описаны лишь те эксперименты и соображения, которые исторически были первыми. В дальнейшем это утверждение выдержало другие многочисленные экспериментальные проверки. Главным же его подтверждением является согласие с экспериментом всех тех выводов, которые из него следуют. Эти подтверждения очень многочисленны, потому что вся современная физика больших скоростей и высоких энергий основывается на постулате постоянства скорости света.
Тем не менее в своём абсолютном виде утверждение «о постоянстве скорости света является постулатом, т.
е. допущением, выходящим за пределы прямой экспериментальной проверки. Это связано с конечной точностью экспериментальных проверок, как это было объяснено выше в связи с постулативным характером принципа относительности.
Дата установки: 28.03.2010
[вернуться к содержанию сайта]
(PDF) Вывод общего вида кинематики с универсальной системой отсчета (in Russian)
Вывод общего вида кинематики с универсальной системой отсчета
Карол Шостэк , Роман Шостэк
20 www.ste.com.pl
СТЭ, построенная на преобразовании эфир-система (67), имеет тесную связь с СТО
Эйнштейна. Предсказания кинематики СТО такие же, как и предсказания СТЭ, описанной
преобразованиями (67), но только для наблюдателей, неподвижных относительно эфира.
Мы
описали это в работе [6].
Очевидно, что множество из возможных теорий эфира можно отбросить, так как они
не являются правильными моделями кинематики из-за несогласия с различными
экспериментами. Например, известно, что время жизни ускоренных элементарных частиц
в нашей системе отсчета дольше, чем в системе, связанной с самими частицами. Поэтому,
вероятно, неправильной будет модель с абсолютным временем, опирающаяся на
преобразования (69). Решение, которое в рамках СТЭ является правильной моделью
кинематики тел, должно быть одним из важнейших задач будущей физики и, вероятно,
потребует экспериментальных исследований. Таким экспериментом может быть точно
проведенный опыт Айвса-Стилуэлла (Ives-Stilwell), в котором проверяется замедление
времени на основе доплеровского сдвига для света.
Допущение, что скорость света может зависеть от направления его излучения, не
выделяет какого-либо преимущественного направления в пространстве. Речь идет о скорости
света, измеряемой подвижным наблюдателем. Это скорость, с которой наблюдатель
движется относительно эфира, выделяет в пространстве характеристическое направление, но
только для данного наблюдателя. Для неподвижного относительно эфира наблюдателя
скорость света всегда постоянна и не зависит от направления его излучения. Если
наблюдатель движется относительно эфира, тогда для него пространство несимметрично.
В таком случае это похоже на то, как наблюдатель плывет в воде и измеряет скорость волны
на поверхности воды. Так как волна расходится по поверхности воды с постоянной
скоростью в каждом из направлений, то для плывущего наблюдателя скорость волны будет
различной в разных направлениях. Поэтому представленная теория, опирающаяся на
постулаты I–V, простым способом объясняет анизотропию РИ. В рамках представленной
теории эта анизотропия обусловлена эффектом Доплера, который следует из факта движения
Солнечной системы относительно УСО, в которой распространяется свет.
Литература
[1] Kennedy Roy J., Thorndike Edward M., Experimental Establishment of the Relativity of Time,
Physical Review, 42 (3), 400-418, 1932.
[2] Mansouri Reza, Sexl Roman U., A Test Theory of Special Relativity: I. Simultaneity and Clock
Synchronization, General Relativity and Gravitation, Vol. 8, No. 7, 497-513, 1977.
[3] Michelson Albert A., Morley Edward W., On the relative motion of the earth and the
luminiferous ether, American Journal of Science, 34, 333-345, 1887.
[4] Rizzi Guido, Ruggiero Matteo L., Serafini Alessio, Synchronization Gauges and the Principles
of Special Relativity, Foundations of Physics, Vol. 34, 1835-1887, No. 12, 2004.
[5] Смут Джордж Ф., Анизотропия реликтового излучения: открытие и научное значение
(на русском языке), Нобелевская лекция в 2006 году, Успехи Физических Наук, Том 177,
№ 12, 1294-1317, 2007, https://ufn.ru/ru/articles/2007/12/d.
Smoot George F.
, Nobel Lecture: Cosmic microwave background radiation anisotropies: Their
discovery and utilization (на английском языке), Reviews of Modern Physics, Volume 79,
1349-1379, 2007, https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.79.1349.
Равномерное прямолинейное движение и его скорость, правило перевода км/ч в м/с, скорость света: определение, примеры
п.1. Равномерное прямолинейное движение
Представим себе автомобиль, который движется по прямой дороге и проходит каждый час по 60 км. Пусть автомобиль движется настолько размеренно, что за каждые полчаса проходит 30 км, каждые четверть часа – 15 км, каждые пять минут – 5 км и т.д. Т.е., за любые равные промежутки времени он преодолевает равные расстояния.
Равномерным прямолинейным называют такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени проходит равные расстояния в одном и том же направлении.
Например, если мы отсчитаем четыре равных промежутка времени, то получим следующую цепочку перемещений:
$$ \overrightarrow{AB}=\overrightarrow{BC}= \overrightarrow{CD}=\overrightarrow{DE} $$ Т.
е. «равные расстояния в том же направлении» означают не что иное, как «равные перемещения» (см. §6 данного справочника).
Поэтому можем дать еще одно определение.
Равномерным прямолинейным называют такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает равные перемещения.
Модуль перемещения при равномерном прямолинейном движении равен пройденному пути: $$ |\overrightarrow{r}|=s $$
п.2. Скорость
Скорость – векторная величина, равная отношению перемещения ко времени, за которое это перемещение было совершено: $$ \overrightarrow{v}=\frac{\overrightarrow{r}}{t} $$
Примеры направления вектора скорости при движении различных тел
Модуль скорости при равномерном прямолинейном движении равен отношению пройденного пути ко времени, за которое этот путь был пройден: $$ v=\frac st=const $$ Эта величина является постоянной (константой).
Действительно, т.к. \(v=|\overrightarrow{v}|=\frac{|\overrightarrow{r}|}{t}\) и \(\overrightarrow{|r|}=s\), получаем, что \(v=\frac st\).
В системе СИ (см. §2 данного справочника) путь измеряется в метрах, а время – в секундах.
Поэтому:
Единицей скорости в системе СИ является метр в секунду (1 м/с) – скорость равномерного прямолинейного движения, при которой тело за 1 с перемещается на 1 м.
Скорость движения транспорта обычно выражают в км/ч.
Могут встречаться и другие внесистемные единицы, например: мм/с, мм/ч, см/с и т.д.
Внимание!
Чтобы получить правильный ответ в задаче, необходимо величины, выраженные через различные внесистемные единицы, перевести в систему СИ.
п.3. Правило перевода км/ч в м/с
Выразим 1 км/ч в метрах в секунду: $$ 1\frac{\text{км}}{\text{ч}}=\frac{1\ \text{км}}{1\ \text{ч}}=\frac{1000\ \text{м}}{3600\ \text{c}}=\frac{1}{3,6} \frac{\text{м}}{\text{с}} $$
Чтобы перевести скорость, измеренную в км/ч, в метры в секунду, нужно разделить данную величину на 3,6: $$ 1\frac{\text{км}}{\text{ч}}=\frac{1}{3,6} \frac{\text{м}}{\text{с}} $$
Верно также обратное правило:
Чтобы перевести скорость, измеренную в м/с, в километры в час, нужно умножить данную величину на 3,6: $$ 1\frac{\text{м}}{\text{c}}=3,6\frac{\text{км}}{\text{ч}} $$
п.
8\ \text{м/с} $$Вакуум – это пространство, в котором нет вещества.
Это теоретическое представление. На практике вакуумом считают пространство, в котором вещество всё-таки есть, но его воздействие так мало, что им можно пренебречь.
Это интересно
| Со скоростью света в повседневной жизни мы встречаемся каждый раз, когда используем систему глобального позиционирования – GPS. Всего на орбите в системе GPS находится 32 спутника: 24 основных и 8 резервных. Радиосигналы со спутников системы GPS распространяются со скоростью света. Наш приёмник (телефон, планшет или другой прибор) регистрирует сигналы от нескольких спутников и по разности времени регистрации проводит расчёт места, где мы находимся, с точностью до 5-10 метров. | |
п.5. Задачи
Задача 1. Какой путь относительно берега проплывет плот за 20 мин, если скорость течения реки равна 1,2 м/с? Выразите путь в километрах.
Дано:
t=20 мин=1200 с
v=1,2 м/с
______________________
s — ?
Путь при равномерном прямолинейном движении: s=vt
Подставляем: s=1,2∙1200=1440 (м)=1,44 (км)
Ответ: 1,44 км
Задача 2. Выразите в метрах в секунду следующие значения скорости:
36 км/ч; 1,8 км/ч; 540 км/ч; 7,2 км/ч
Используем выведенное выше правило перевода (делим на 3,6): \begin{gather*} 36\frac{\text{км}}{\text{ч}}=\frac{36\ \text{м}}{3,6\ \text{c}}=10\frac{\text{м}}{\text{c}}\\ 1,8\frac{\text{км}}{\text{ч}}=\frac{1,8\ \text{м}}{3,6\ \text{c}}=0,5\frac{\text{м}}{\text{c}}\\ 540\frac{\text{км}}{\text{ч}}=\frac{540\ \text{м}}{3,6\ \text{c}}=150\frac{\text{м}}{\text{c}}\\ 7,2\frac{\text{км}}{\text{ч}}=\frac{7,2\ \text{м}}{3,6\ \text{c}}=2\frac{\text{м}}{\text{c}} \end{gather*} Ответ: 10 м/с; 0,5 мс; 150 м/с; 2 м/с
Задача 3. Выразите в километрах в час следующие значения скорости:
10 м/с; 15 м/с; 25 м/с; 8 м/с
Используем выведенное выше правило перевода (умножаем на 3,6): \begin{gather*} 10\frac{\text{м}}{\text{c}}=10\cdot 3,6\frac{\text{км}}{\text{ч}}=36\frac{\text{км}}{\text{ч}}\\ 15\frac{\text{м}}{\text{c}}=15\cdot 3,6\frac{\text{км}}{\text{ч}}=54\frac{\text{км}}{\text{ч}}\\ 25\frac{\text{м}}{\text{c}}=25\cdot 3,6\frac{\text{км}}{\text{ч}}=90\frac{\text{км}}{\text{ч}}\\ 8\frac{\text{м}}{\text{c}}=8\cdot 3,6\frac{\text{км}}{\text{ч}}=28,8\frac{\text{км}}{\text{ч}} \end{gather*} Ответ: 36 км/ч; 54 км/ч; 90 км/ч; 28,8 км/ч
Задача 4.
Чемпион мира в беге на 100 метров Усейн Болт пробежал дистанцию за 9,58 секунды. Можно ли сказать, что он бегает быстрее ветра, если скорость умеренного ветра 6 м/с? скорость ураганного ветра 33 м/с? Во сколько раз?
Дано:
s=100 м
t=9,58 с
vветер=6 м/с
vураган=33 м/с
______________________
\(\frac{v}{v_{\text{ветер}}},\ \frac{v_{\text{ураган}}}{v}\) — ?
Скорость бегуна \(v=\frac st\).
Получаем:
\(v=\frac{100}{9,58}\approx 10,4\ (\text{м/с})\gt v_{\text{ветер}}\)
\(\frac{v}{v_{\text{ветер}}}=\frac{10,4}{6}\approx 1,7\) — скорость бегуна больше скорости умеренного ветра в 1,7 раз.
\(v=10,4\ \text{м/с}\lt v_{\text{ураган}}\)
\(\frac{v_{\text{ураган}}}{v}=\frac{33}{10,4}\approx 3,2\) — скорость бегуна меньше скорости ураганного ветра в 3,2 раза.
Ответ: больше умеренного ветра в 1,7 раз; меньше ураганного ветра в 3,2 раза.
Задача 5. При сближении минимальное расстояние между Землей и Марсом составляет 55 миллиона километров. 8}=2673\ (c)=44\ \text{мин}\ 33\ \text{c} \end{gather*}
Ответ: 6 мин 7 с; 44 мин 33 с
2 мифа о свете: скорость света и видимость | Qbici.ru
Без света наше существование было бы невозможно, он дарит жизнь и радость всем нам. Но, как много мы о нем знаем? Хотелось бы поведать о двух заблуждениях, которые мы можем услышать от большинства людей.
1 миф. Скорость света почти 300 тыс. км. в секунду
( если быть точным 299 792 458 м / с )
Отчасти это верно, но лишь отчасти. Многие утверждают, что скорость света постоянна, но это совершенно не верно. Цифра указанная в подзаголовке — это максимальная скорость света, которую он достигает лишь в полном вакууме.
Скорость света в вакууме — максимальнаВ других же средах скорость света может очень сильно различаться, но она всегда будет меньше чем в вакууме.
- Сквозь алмазы свет проходит со скоростью примерно равной 130 тыс. км/с — более чем в два раза медленнее
- Не так много времени назад минимальная скорость света считалась равной всего 60 км/ч (да на гоночном велосипеде и то можно быстрее ехать!) — так свет проявлял себя проходя через натрий при абсолютном нуле (-272 °С), но все перевернулось к 2000 году!
- В 2000 году группа ученых из Гарварда ОСТАНОВИЛА свет! Свет пришел к полной остановке когда его направили на «бэк» (конденсат Бозе-Эйнштейна) химического элемента рубидий.
2 миф. Свет можно увидеть
Как бы это странно не звучало, но свет нельзя увидеть. Сам по себе свет невидимый, а увидеть можно лишь то, на что он наталкивается. В доказательство: световой луч в вакууме, падающий перпендикулярно по отношению к наблюдателю будет абсолютно невидим.
Свет отражается от пылиЗвучит конечно удивительно, но все это вполне поддается логике: Если бы свет был видим, то он бы образовывал нечто вроде тумана или дымки между нашими глазами и тем, что находится перед нами.
Читаем далее..:)
Что мешает людям летать в космосе со скоростью света
Нынешний рекорд скорости в космосе держится уже 46 лет.
Корреспондент BBC Future задался вопросом, когда же он будет побит.
Мы, люди, одержимы скоростью. Так, только за последние несколько месяцев стало известно о том, что студенты в Германии поставили рекорд скорости для электромобиля, а ВВС США планируют так усовершенствовать гиперзвуковые самолеты, чтобы те развивали скорость в пять раз превышающую скорость звука, т.е. свыше 6100 км/ч.
У таких самолетов не будет экипажа, но не потому, что люди не могут передвигаться с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже перемещались со скоростью, которая в несколько раз выше скорости звука.
Однако существует ли предел, преодолев который наши стремительно несущиеся тела уже не смогут выдерживать перегрузки?
Нынешний рекорд скорости поровну принадлежит трем астронавтам, которые участвовали в космической миссии «Аполлон 10», — Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину Сернану.
В 1969 году, когда астронавты облетели вокруг Луны и возвращались обратно, капсула в которой они находились, развила скорость, которая на Земле равнялась бы 39,897 км/час.
«Я думаю, что сто лет назад мы вряд ли могли себе представить, что человек сможет перемещаться в космосе со скоростью почти в 40 тысяч километров в час», — говорит Джим Брей из аэрокосмического концерна Lockheed Martin.
(Другие статьи сайта BBC Future на русском языке)
Брей — директор проекта обитаемого модуля для перспективного корабля «Орион» (Orion), который разрабатывается Космическим агентством США НАСА.
По замыслу разработчиков, космический корабль «Орион» – многоцелевой и частично многоразовый — должен выводить астронавтов на низкую орбиту Земли. Очень может быть, что с его помощью удастся побить рекорд скорости, установленный для человека 46 лет назад.
Новая сверхтяжелая ракета, входящая в Систему космических пусков (Space Launch System), должна, согласно плану, совершить свой первый пилотируемый полет в 2021 году. Это будет облет астероида, находящегося на окололунной орбите.
Среднестатистический человек может вынести перегрузку примерно в пять G, прежде чем потеряет сознание
Затем должны последовать многомесячные экспедиции к Марсу.
Сейчас, по мысли конструкторов, обычная максимальная скорость «Ориона» должна составлять примерно 32 тысяч км/час. Однако скорость, которую развил «Аполлон 10», можно будет превзойти даже при сохранении базовой конфигурации корабля «Орион».
Таблоид: КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР В ПОМОЩЬ: УЧЕНЫЙ НАЗВАЛ НОВЫЙ СПОСОБ ИСКАТЬ ВНЕЗЕМНЫЕ ЦИВИЛИЗАЦИИ
«Orion предназначен для полетов к различным целям в течение всего своего срока эксплуатации, — говорит Брей. – Его скорость может оказаться значительно выше той, что мы сейчас планируем».
Но даже «Орион» не будет представлять пик скоростного потенциала человека. «По сути дела, не существует другого предела скорости, с какой мы можем перемещаться, кроме скорости света», — говорит Брей.
Скорость света один миллиард км/час. Есть ли надежда, что нам удастся преодолеть разрыв между 40 тысячами км/час и этими величинами?
Удивительным образом скорость как векторная величина, обозначающая быстроту перемещения и направление движения, не является для людей проблемой в физическом смысле, пока она относительно постоянна и направлена в одну сторону.
Следовательно, люди – теоретически – могут перемещаться в пространстве лишь чуть медленнее «скоростного предела вселенной», т.е. скорости света.
Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Как будет ощущать себя человек в корабле, летящем с околосветовой скоростью?
Но даже если допустить, что мы преодолеем значительные технологические препятствия, связанные с созданием скоростных космических кораблей, наши хрупкие, состоящие в основном из воды тела столкнутся с новыми опасностями, сопряженными с эффектами высокой скорости.
Могут возникнуть и пока только воображаемые опасности, если люди смогут передвигаться быстрее скорости света благодаря использованию лазеек в современной физике или с помощью открытий, разрывающих шаблон.
Как выдержать перегрузки
Впрочем, если мы намерены передвигаться со скоростью свыше 40 тысяч км/час, нам придется достигать ее, а затем замедляться, не спеша и сохраняя терпение.
Быстрое ускорение и столь же быстрое замедление таят в себе смертельную опасность для организма человека. Об этом свидетельствует тяжесть телесных травм, возникающих в результате автомобильных катастроф, при которых скорость падает с нескольких десятков километров в час до нуля.
В чем причина этого? В том свойстве Вселенной, которое носит название инерции или способности физического тела, обладающего массой, противостоять изменению его состояния покоя или движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий.
Эта идея сформулирована в первом законе Ньютона, который гласит: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние».
Мы, люди, в состоянии переносить огромные перегрузки без тяжких травм, правда, только в течение нескольких мгновений
«Состояние покоя и движение с постоянной скоростью — это нормально для человеческого организма, — объясняет Брей.
— Нам скорее следует беспокоиться о состоянии человека в момент ускорения».
Около века назад создание прочных самолетов, которые могли маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали говорить о странных симптомах, вызываемых изменениями скорости и направления полета. Эти симптомы включали в себя временную потерю зрения и ощущение либо тяжести, либо невесомости.
Причина заключается в перегрузках, измеряемых в единицах G, которые представляют собой отношение линейного ускорения к ускорению свободного падения на поверхности Земли под воздействием притяжения или гравитации. Эти единицы отражают воздействие ускорения свободного падения на массу, например, человеческого тела.
Перегрузка в 1 G равна весу тела, которое находится в поле тяжести Земли и притягивается к центру планеты со скоростью 9,8 м/сек (на уровне моря).
Перегрузки, которые человек испытывает вертикально с головы до пят или наоборот, являются поистине плохой новостью для пилотов и пассажиров.
При отрицательных перегрузках, т.е. замедлении, кровь приливает от пальцев на ногах к голове, возникает чувство перенасыщения, как при стойке на руках.
Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Для того чтобы понять, сколько G смогут выдержать астронавты, их тренируют в центрифуге
«Красная пелена» (чувство, которое испытывает человек, когда кровь приливает к голове) наступает, когда распухшие от крови, полупрозрачные нижние веки поднимаются и закрывают зрачки глаз.
И, наоборот, при ускорении или положительных перегрузках кровь отливает от головы к ногам, глаза и мозг начинают испытывать недостаток кислорода, поскольку кровь скапливается в нижних конечностях.
Сначала зрение туманится, т.е. происходит потеря цветного зрения и накатывает, что называется, «серая пелена», потом наступает полная потеря зрения или «черная пелена», но человек остается в сознании.
Чрезмерные перегрузки ведут к полной потере сознания.
Это состояние называют обмороком, вызванным перегрузкой. Многие пилоты погибли из-за того, что на их глаза опускалась «черная пелена» — и они разбивались.
Среднестатистический человек может вынести перегрузку примерно в пять G, прежде чем потеряет сознание.
Пилоты, одетые в специальные противоперегрузочные комбинезоны и обученные особым образом напрягать и расслаблять мышцы торса для того, чтобы кровь не отливала от головы, способны управлять самолетом при перегрузках примерно в девять G.
По достижении стабильной крейсерской скорости в 26 000 км/ч на орбите астронавты ощущают скорость не больше, чем пассажиры коммерческих авиарейсов
«На протяжении коротких периодов времени человеческое тело может переносить гораздо более сильные перегрузки, чем девять G, — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Ассоциации аэрокосмической медицины, расположенной в городе Александрия, штат Вирджиния. — Но выдерживать высокие перегрузки на протяжении длительного периода времени способны очень немногие».
Мы, люди, в состоянии переносить огромные перегрузки без тяжких травм, правда, только в течение нескольких мгновений.
Рекорд кратковременной выносливости поставил капитан ВВС США Эли Бидинг-младший на авиабазе Холломэн в штате Нью-Мексико. В 1958 году он при торможении на специальных санях с ракетным двигателем после разгона до 55 км/ч за 0.1 секунду испытал перегрузку в 82.3 G.
Этот результат зафиксировал акселерометр, закрепленный у него на груди. На глаза Бидинга также упала «черная пелена», но он отделался только синяками во время этой выдающейся демонстрации выносливости человеческого организма. Правда, после заезда он провел три дня в госпитале.
А теперь в космос
Астронавты, в зависимости от средства передвижения, также испытывали довольно высокие перегрузки — от трех до пяти G — во время взлетов и при возвращении в плотные слои атмосферы соответственно.
Эти перегрузки переносятся сравнительно легко, благодаря разумной идее пристегивать космических путешественников к креслам в положении лежа лицом по направлению полета.
По достижении стабильной крейсерской скорости в 26 000 км/ч на орбите астронавты ощущают скорость не больше, чем пассажиры коммерческих авиарейсов.
Если перегрузки не будут представлять собой проблему для длительных экспедиций на кораблях «Орион», то с мелкими космическими камнями – микрометеоритами – все сложнее.
Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Для защиты от микрометеоритов «Ориону» понадобится своего рода космическая броня
Эти частицы размером с рисовое зернышко могут развивать впечатляющие и при этом разрушительные скорости до 300 тысяч км/час. Для обеспечения целостности корабля и безопасности его экипажа «Орион» оснащен внешним защитным слоем, толщина которого варьируется от 18 до 30 см.
Таблоид: 10 космических программ ближайшего будущего
Кроме того, предусмотрены дополнительные экранирующие щиты, а также используется хитроумное размещение оборудования внутри корабля.
«Чтобы не лишиться полетных систем, жизненно важных для всего космического корабля, мы должны точно рассчитывать углы подлета микрометеоритов», — говорит Джим Брей.
Будьте уверены: микрометеориты – не единственная помеха для космических экспедиций, во время которых высокие скорости полета человека в безвоздушном пространстве будут играть все более важную роль.
В ходе экспедиции к Марсу придется решать и другие практические задачи, например, по снабжению экипажа продовольствием и противодействию повышенной опасности раковых заболеваний из-за воздействия на человеческий организм космической радиации.
Сокращение времени в пути снизит остроту таких проблем, поэтому быстрота перемещения будет становиться все более желаемой.
Космические полеты следующего поколения
Эта потребность в скорости воздвигнет новые препятствия на пути космических путешественников.
Новые корабли НАСА, которые угрожают побить рекорд скорости «Аполлона 10», по-прежнему будут полагаться на испытанные временем химические системы ракетных двигателей, используемые со времен первых космических полетов.
Но эти системы обладают жесткими ограничениями скорости по причине высвобождения малых величин энергии на единицу топлива.
Наиболее предпочтительный, хотя и труднодостижимый источник энергии для быстрого космического корабля — это антиматерия, двойник и антипод обычной материи
Поэтому, чтобы существенно увеличить скорость полета для людей, отправляющихся на Марс и далее, необходимы, как признают ученые, совершенно новые подходы.
«Те системы, которыми мы располагаем сегодня, вполне в состоянии доставить нас туда, — говорит Брей, — однако все мы хотели бы стать свидетелями революции в двигателях».
Эрик Дэвис, ведущий физик-исследователь в Институте перспективных исследований в Остине, штат Техас, и участник программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, шестилетнего исследовательского проекта, завершившегося в 2002 году, выделил три наиболее перспективных средства, с точки зрения традиционной физики, способных помочь человечеству достичь скоростей, разумно достаточных для межпланетных путешествий.
Если коротко, речь идет о явлениях выделения энергии при расщеплении вещества, термоядерном синтезе и аннигиляции антиматерии.
Первый метод заключается в делении атомов и применяется в коммерческих ядерных реакторах.
Второй, термоядерный синтез, заключается в создании более тяжелых атомов из простых атомов – такого рода реакции питают энергией Солнце. Это технология, которая завораживает, но не дается в руки; до ее обретения «всегда остается еще 50 лет» — и так будет всегда, как гласит старый девиз этой отрасли.
«Это весьма передовые технологии, — говорит Дэвис, — но они основаны на традиционной физике и прочно утвердились еще на заре Атомного века». По оптимистическим оценкам, двигательные системы, основанные на концепциях деления атомов и термоядерном синтезе, в теории, способны разогнать корабль до 10% скорости света, т.е. до весьма достойных 100 миллионов км/час.
Правообладатель иллюстрации US Air Force Image caption Летать со сверхзвуковой скоростью — уже не проблема для человека. Другое дело — скорость света, или хотя бы близко к ней…
Наиболее предпочтительный, хотя и труднодостижимый источник энергии для быстрого космического корабля — это антиматерия, двойник и антипод обычной материи.
Когда два вида материи приходят в соприкосновение, они уничтожают друг друга, в результате чего выделяется чистая энергия.
Технологии, позволяющие вырабатывать и хранить – пока крайне незначительные – количества антиматерии, существуют уже сегодня.
В то же время производство антивещества в полезных количествах потребует новых специальных мощностей следующего поколения, а инженерной мысли придется вступить в конкурентную гонку по созданию соответствующего космического корабля.
Но, как говорит Дэвис, немало отличных идей уже прорабатывается на чертежных досках.
Космические корабли, приводимые в движение энергией антиматерии, смогут перемещаться с ускорением в течение нескольких месяцев и даже лет и достигать более существенных процентов от скорости света.
При этом перегрузки на борту будут оставаться приемлемыми для обитателей кораблей.
Вместе с тем, такие фантастические новые скорости будут таить в себе и иные опасности для организма человека.
Энергетический град
На скорости в несколько сот миллионов километров в час любая пылинка в космосе, от распыленных атомов водорода до микрометеоритов, неизбежно становится пулей, обладающей высокой энергией и способной прошить корпус корабля насквозь.
«Когда вы передвигаетесь с очень высокой скоростью, это означает, что частицы, летящие вам навстречу, движутся с теми же скоростями», — говорит Артур Эдельстайн.
Вместе с покойным отцом, Уильямом Эдельстайном, профессором радиологии в Медицинской школе Университета имени Джона Хопкинса, он работал над научным трудом, в котором рассматривались последствия воздействия атомов космического водорода (на людей и технику) во время сверхбыстрых космических путешествий в космосе.
Хотя его содержание не превышает одного атома на кубический сантиметр, рассеянный в космосе водород может приобрести свойства интенсивной радиационной бомбардировки.
Водород начнет разлагаться на субатомные частицы, которые будут проникать внутрь корабля и подвергать воздействию радиации как экипаж, так и оборудование.
Двигатель Алькубьерре понесет вас, как серфингиста, несущегося на доске по гребню волны
Эрик Дэвис, физик-исследователь
На скорости, равной 95% скорости света, воздействие такой радиации будет означать почти мгновенную смерть.
Звездолет нагреется до температур плавления, перед которыми не устоит ни один мыслимый материал, а вода, содержащаяся в организме членов экипажа, немедленно закипит.
«Это все крайне неприятные проблемы», — замечает Эдельстайн с мрачным юмором.
Он и его отец приблизительно подсчитали, что для создания некоей гипотетической системы магнитной защиты, способной оградить корабль и находящихся в нем людей от смертоносного водородного дождя, звездолет может перемещаться со скоростью, не превышающей половины скорости света.
Тогда люди на борту имеют шанс выжить.
Таблоид: 10 фактов, которые необходимо знать о внешнем космическом пространстве
Марк Миллис, физик, занимающийся проблемами поступательного движения, и бывший руководитель программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, предупреждает, что этот потенциальный предел скорости для полетов в космосе остается пока проблемой отдаленного будущего.
«На основании физических знаний, накопленных к настоящему времени, можно сказать, что развить скорость свыше 10% от скорости света будет крайне трудно, — говорит Миллис. – Опасность нам пока не угрожает. Простая аналогия: зачем переживать, что мы можем утонуть, если мы еще даже не вошли в воду».
Быстрее света?
Если допустить, что мы, так сказать, научились плавать, сможем ли мы тогда освоить скольжение по космическому времени — если развивать дальше эту аналогию — и летать со сверхсветовой скоростью?
Гипотеза о врожденной способности к выживанию в сверхсветовой среде хотя и сомнительна, но не лишена определенных проблесков образованной просвещенности в кромешной тьме.
Один из таких интригующих способов перемещения основан на технологиях, подобных тем, что применяются в «варп-двигателе» или «двигателе искривления» из сериала «Звездный путь».
Принцип действия этой силовой установки, известной еще как «двигатель Алькубьерре»* (названного по фамилии мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре), состоит в том, что он позволяет кораблю сжимать перед собой нормальное пространство-время, описанное Альбертом Эйнштейном, и расширять его позади себя.
Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Нынешний рекорд скорости принадлежит трем астронавтам «Аполлона 10» — Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину Сернану
По существу, корабль перемещается в некоем объеме пространства-времени, своеобразном «пузыре искривления», который движется быстрее скорости света.
Таким образом, корабль остается неподвижным в нормальном пространстве-времени в этом «пузыре», не подвергаясь деформациям и избегая нарушений универсального предела скорости света.
«Вместо того чтобы плыть в толще воды нормального пространства-времени, — говорит Дэвис, — двигатель Алькубьерре понесет вас, как серфингиста, несущегося на доске по гребню волны».
Есть тут и определенный подвох. Для реализации этой затеи необходима экзотическая форма материи, обладающая отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время.
«Физика не содержит никаких противопоказаний относительно отрицательной массы, — говорит Дэвис, — но никаких ее примеров нет, и мы никогда не встречали ее в природе».
Существует и другой подвох. В опубликованной в 2012 году работе исследователи из Университета Сиднея предположили, что «пузырь искривления» будет накапливать заряженные высокой энергией космические частицы, поскольку неизбежно начнет взаимодействовать с содержимым Вселенной.
Некоторые частицы будут проникать внутрь самого пузыря и накачивать корабль радиацией.
Застрявшие в досветовых скоростях?
Неужели мы так и обречены застрять на этапе досветовых скоростей по причине нашей деликатной биологии?!
Речь ведь не столько о том, чтобы установить новый мировой (галактический?) рекорд скорости для человека, сколько о перспективе превращения человечества в межзвездное общество.
Со скоростью в половину скорости света — а это тот предел, который, согласно данным изысканий Эдельстайна, способен выдержать наш организм — путешествие к ближайшей звезде в оба конца займет более 16 лет.
(Эффекты расширения времени, под воздействием которых для экипажа звездолета в его системе координат пройдет меньше времени, чем для людей, оставшихся на Земле в своей системе координат, не приведут к драматическим последствиям на скорости, составляющей половину скорости света).
Марк Миллис полон надежд. Принимая во внимание, что человечество изобрело противоперегрузочные костюмы и защиту от микрометеоритов, позволяющие людям безопасно путешествовать в великой голубой дали и усеянной звездами черноте космоса, он уверен, что мы сможем найти способы выживания, на какие бы скоростные рубежи не вышли в будущем.
«Те же самые технологии, которые смогут помочь нам достигать невероятных новых скоростей перемещения, — размышляет Миллис, — обеспечат нас новыми, пока неведомыми возможностями для защиты экипажей».
Примечания переводчика:
*Мигель Алькубьерре выдвинул идею своего «пузыря» в 1994 году. А в 1995 году российский физик-теоретик Сергей Красников предложил концепцию устройства для космических путешествий быстрее скорости света. Идея получила название «трубы Красникова».
Это искусственное искривление пространства времени по принципу так называемой кротовой норы. Гипотетически корабль будет двигаться по прямой от Земли к заданной звезде сквозь искривленное пространство-время, проходя через другие измерения.
Согласно теории Красникова, космический путешественник вернется обратно в то же самое время, когда он отправился в путь.
Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.
Пределом скорости является скорость света
Пределом скорости является скорость света
В 1905–1915 гг. великий ученый А. Эйнштейн разработал теорию относительности, которая легла в основу всей современной физики. Наши представления о расширяющейся Вселенной, искривленном четырехмерном пространстве-времени, о «черных дырах» и многих других больших и малых явлениях природы основаны на теории относительности. Учение Эйнштейна опирается на несколько постулатов, т. е. своеобразных физических аксиом.
Одной из таких физических аксиом является положение о предельности распространения взаимодействий в природе. Еще в XIX столетии физики пришли к заключению, что взаимодействие между любыми телами передается в мировом пространстве не мгновенно, но с конечной скоростью. Эйнштейн назвал максимальной скоростью распространения взаимодействия в природе скорость движения электромагнитных волн.
Эту скорость имеют радиоволны, космические лучи, многие другие виды излучения, а также обычный видимый свет. Оттого пороговую скорость назвали просто скоростью света. Она приближенно равна 300 000 км/с. Согласно выводам Эйнштейна, если какому-то телу или лучу и удастся развить скорость, равную световой, то превысить ее уже не получится. Это положение оказалось неожиданным для сторонников существования контактов с инопланетными цивилизациями. Звезды удалены друг от друга на многие миллиарды километров, а также на большие расстояния, которые не случайно называются астрономическими.
Эти расстояния самим астрономам удобнее измерять не в числах-великанах, а с помощью особых единиц, например светового года. Это не срок времени, а линейное расстояние, преодолеваемое лучом света за год. Нетрудно подсчитать, что при скорости 300 000 км/с луч за 365 дней пролетит около 9,46 на 1012 км. Расстояния до ближайших к нам звезд равны 4—20 св. годам. От самых далеких светил нашей Галактики луч идет десятки тысяч лет, а от других галактик доходит до Земли лишь за миллионы и даже миллиарды лет.
Таковы космические расстояния, которые человеку не преодолеть с помощью ракет. Даже радиоволны не помогут нам наладить связь с внеземными расами, поскольку передача информации, затянувшаяся на миллионы лет, лишена всякого смысла. Получается, что теория относительности лежит на пути межзвездного странника непреодолимым препятствием. Световой предел является одновременно скоростным барьером.
Многие известные ученые-физики не соглашаются с Эйнштейном и предлагают теории, альтернативные его релятивистскому учению. Известны и попытки создания на основе таких теорий неких технических устройств. Начиная с 2000 г. в США под руководством Центра оборонных исследований ведутся работы по освоению технологий передачи информации со сверхсветовыми скоростями. В этом фантастическом проекте задействованы более 20 университетов страны и несколько секретных агентств.
Идея передавать важную военную информацию на столь высокой скорости представляется правительству США довольно интересной. Такая информация поступает от источника не только за рекордно короткие сроки, но еще и не может быть перехвачена. Причем определить местоположение источника сигнала, равно как и приемника, у вражеской разведки нет ни малейшей возможности. Это просто нереально.
Но и сверхсветовые скорости тоже нереальны с точки зрения современной физики, опирающейся на теорию относительности. Военные не случайно решили пойти против науки, на то имелось несколько весомых причин. Во-первых, световой барьер порядком наскучил многим знаменитым физикам, прославившимся значительными открытиями. Эти физики, не отбрасывая ценных идей релятивизма, все же признают существование сверхсветовых скоростей.
Оппоненты теории Эйнштейна исходят из элементарного факта, знакомого всем по школьным учебникам. Фотон (частица, слагающая световой луч) не обладает массой покоя. Но в таком случае скорость движения этой частицы не должна чем-либо ограничиваться, что подтверждается некоторыми уравнениями квантовой теории электромагнитного поля. Любопытные умозаключения противников Эйнштейна привели американского физика Г. Эверитта к идее постройки сверхсветовых средств связи и компьютеров, обрабатывающих информацию со сверхсветовой скоростью.
Благодаря этой идее Пентагон и прочие организации стали заниматься проектами по разработке принципиально новых технологий, с рассказа о которых начался этот раздел. Исследователи рассчитывают на успех и еще по одной причине. За год до того (в 1999 г.) бельгийским ученым В. ден Бреком были проведены вычисления, доказывающие возможность тела двигаться практически с бесконечной скоростью.
В свое время мексиканский математик М. Алькубьер доказал (впрочем, не вполне убедительно, по мнению авторитетных специалистов) возможность пространства сворачиваться. Оно ведь искривляется под действием отрицательной энергии гравитации черных дыр. Брек полагает, что если космический корабль, затратив некоторую энергию (видимо, сравнимую с энергией черной дыры), свернет вокруг себя часть космического пространства в виде пузыря, то этот пузырь сможет перенести космонавтов в любую точку Вселенной почти мгновенно.
В окрестностях черной дыры мировое пространство имеет искривление
Единственная неприятность физического плана, которую доставит такой перелет, заключается в том, что он не оставляет места для проявления знаменитого парадокса близнецов. Все мы знаем, что космонавт, возвращающийся на Землю после межзвездного путешествия, застает на ней своих родственников постаревшими, хотя сам остался молодым. В случае с полетом на бесконечно большой скорости этого никогда не произойдет. Космонавты и жители Земли будут стариться абсолютно одинаково.
Внезапный интерес к сверхсветовым скоростям не случаен. Эйнштейна критиковали и задолго до этого, но всерьез к возможности сверхсветового перемещения относились очень немногие. Положение вещей изменилось после неожиданного астрономического открытия, имевшего место в конце 1997 г. Тогда группа английских астрономов обнаружила на расстоянии нескольких десятков тысяч световых лет в Млечном пути объект, напоминающий по своим свойствам черную дыру. Примечательным в этой гипотетической дыре оказалось то, что она взорвалась.
Черные дыры, как известно, активно поглощают из мирового пространства вещество и излучение, непрерывно разогреваясь при этом. Как только температура дыры превысит некую критическую отметку, из недр черной дыры вырывается такой мощный поток излучения, что она взрывается. Взрыв средней черной дыры эквивалентен взрыву водородной бомбы в 1 000 000 Мт!
Ученые замерили скорость потоков излучения, разлетающегося от места космической катастрофы, открытой ими в 1997 г. Оказалось, что выброшенная материя разлетается со скоростью, почти вдвое превосходящей световую. Чем объяснить загадочное явление, астрономы не знают и сейчас. Хотя не исключено, что на самом деле ученые неверно замерили скорость излучения, что случалось неоднократно. Либо астрономы не ошиблись, но просто столкнулись с оптической иллюзией.
Подобная иллюзия уже известна науке. С 1977 по 1980 гг. астрономы наблюдали разлетание двух частей сверхдальнего объекта под номером 3C273. За это время расстояние между ними составило порядка 25 св. лет, или 236 500 млрд км. Однако это физически невозможно, поскольку за 1 год свет в состоянии преодолеть расстояние, равное всего лишь 9460 млрд км. Оно как раз и называется световым годом. Получается, что объекты разлетались со скоростью, в 25 раз превосходящей световую!
Ученые не сразу поняли, в чем заключалась их ошибка. Дело в том, что оба объекта двигались под некоторым углом по отношению друг к другу. В результате от одного из них свет приходил с трехлетним запозданием. Ученые наблюдали запоздавший световой сигнал, который наложился на исходный и показал заключительные 3 года разлетания, выдав их за 25 лет.
Точку в споре о световом пределе ставить пока рано. До сих пор ученые не открыли ничего, что действительно бы противоречило теории относительности Эйнштейна. Вероятно, загадка излучения новооткрытой черной дыры, если это действительно черная дыра, будет вскоре разгадана, и очередная сенсация окажется загубленной, похоронив одновременно фантастические планы Пентагона.
Как понять теорию относительности — Лайфхакер
Как известно, вся материальная Вселенная имеет три измерения: вверх-вниз, вправо-влево, вперёд-назад. Четвёртое измерение — это время. Вместе они и составляют пространственно-временной континуум. Но вся загвоздка в том, что наши представления о пространстве и времени напрямую зависят от скорости, с которой мы движемся.
Именно взаимоотношения между временем, пространством и движущимся объектом описывает специальная теория относительности (СТО), разработанная Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Позже на её основе великий физик создал также общую теорию относительности (ОТО), которая, помимо времени и пространства, учитывает и другие факторы, например гравитацию. О ней мы говорить не будем — для этого потребовался бы отдельный научный труд. Итак, приступим к изучению специальной теории относительности!
Главные принципы теории относительности
Первое, что нужно понять для освоения теории относительности: движение относительно.
Это значит, что наличие или отсутствие движения всегда определяется относительно других объектов. Движение и его скорость зависят от наблюдателя (того, кто смотрит на объект) и системы отсчёта (того, откуда он смотрит).
Представьте, что пассажир едет в поезде и читает книгу. Для него книга неподвижна, как неподвижны и кресла в поезде, и другие пассажиры (если они сидят на своих местах, а не пробираются к вагону-ресторану, конечно). Скорость всех неподвижных объектов в поезде, с точки зрения нашего пассажира-читателя, будет равна нулю.
В это время на платформе стоит другой человек, мимо которого со свистом пролетает поезд. Для него и пассажир с книгой, и кресла движутся со скоростью поезда — допустим, 200 км/ч. А вот пассажиры на пути в вагон-ресторан, расположенный в голове состава, будут двигаться ещё быстрее: их скорость сложится со скоростью поезда.
Так происходит при любом сложении скоростей, но есть одно исключение: скорость света. Свет от прожектора на носу нашего поезда будет двигаться всегда с одинаковой скоростью — 300 000 км/с.
Здесь мы вплотную подошли к базовым принципам, на которых строится теория относительности:
- Принцип относительности: для тех тел, которые относительно друг друга движутся на постоянной скорости или неподвижны (как пассажир и его книга), физические процессы протекают одинаково.
- Принцип постоянства скорости света: скорость света постоянна для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. То есть свет от фонаря на носу поезда или свет от прожектора на космическом корабле имеют одинаковую скорость.
Свет движется так быстро, что его распространение кажется нам мгновенным. Но на космических расстояниях всё выглядит совсем по-другому. К примеру, расстояние от Солнца до Земли, составляющее 150 миллионов километров, свет проходит примерно за 8 минут. А значит, что если Солнце когда-нибудь потухнет, то мы увидим это только через 8 минут.
Следствия теории относительности
Что же следует из описанных выше принципов и как они связаны со временем и пространством? Теория относительности имеет три основных следствия: пространство расширяется, время сжимается, масса увеличивается. Разберёмся с каждым по порядку.
Время сжимается
Эйнштейн первым понял, что время не абсолютно и зависит от системы отсчёта, в которой мы его наблюдаем. Земля и далёкая галактика на другом конце Вселенной находятся в разных точках не только пространства, но и времени.
Относительно движущихся объектов время идёт медленнее. Этот факт был проверен с использованием двух одинаковых атомных часов: один прибор оставили на Земле, а другой отправили на сверхзвуковом самолёте вокруг планеты. При посадке было отмечено, что часы, которые летали, на несколько тысячных секунды отстают от часов в состоянии покоя.
Чем ближе скорость объекта становится к скорости света, тем медленнее для него течёт время. В теории, если астронавт отправится в путешествие на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, он попадёт в будущее. Для него пройдёт несколько недель, а на Земле — несколько десятилетий. Это и есть относительность времени.
Пространство сжимается
Ещё одно удивительное следствие относительности: когда мы видим объект в движении, то можем наблюдать, что он становится всё более коротким с увеличением его скорости. С точки зрения наблюдателя, при приближении к скорости света объект становится всё короче и короче по направлению движения, а перпендикулярно ему остаётся в прежних размерах.
Допустим, мы сажаем астронавта в космический корабль, который может двигаться со скоростью света, а сами отправляемся в уютную обсерваторию наблюдать за его путешествием. По мере приближения к скорости света с кораблём начнёт происходить что-то странное. Мы заметим, что он становится всё короче. Но изменения происходят только в отношении направления движения, ширина корабля остаётся постоянной. Достигнув скорости света, он станет практически неразличим в длину.
Наверное, нашему астронавту сейчас не очень весело? Не беспокойтесь за него: для астронавта никаких изменений не происходит. Он всё так же радостно несётся навстречу космическим просторам и ничего не замечает. Пространство сжимается только относительно наблюдателя.
Масса увеличивается
Ещё одним поразительным следствием относительности является то, что по мере увеличения скорости объекта его масса тоже увеличивается.
Масса и энергия неразрывно связаны. Именно это выразил Эйнштейн в знаменитом уравнении E = mc². Эта формула показывает, что энергия тела пропорциональна его массе. При передаче телу энергии (то есть его ускорении) увеличивается и масса. Выходит, что часть энергии идёт на увеличение скорости, а другая часть увеличивает массу.
Вспомним о нашем астронавте, который приближается к скорости света в своём корабле. Наблюдая с Земли, мы видим, что по мере увеличения скорости корабля становится всё труднее ускорить его, то есть всё больше и больше энергии требуется, чтобы его подтолкнуть. Наступает момент, когда корабль достигнет такой массы, что никакая энергия во Вселенной больше не сможет его двигать. Вот поэтому на практике путешествия во времени пока невозможны.
Если коротко
Итак, при приближении к скорости света время расширяется, пространство сжимается. Но происходит всё это только в глазах наблюдателя, который видит движение объекта относительно себя. Для астронавта в корабле ничего не меняется (кроме увеличения массы). Но при этом обе точки зрения верны. Поэтому теория относительности и носит такое название.
Все ещё не очень ясно? Неудивительно, ведь самому Эйнштейну потребовалось 10 лет, чтобы сформировать основные постулаты теории относительности. Есть книга, которая поможет вам ещё раз уложить эти принципы в голове и объяснит всё буквально на пальцах, с яркими картинками и доступными графиками. «Теория относительности» от редакции «Аванта» издательства АСТ адресована школьникам средних классов, но будет интересна любому взрослому, желающему проникнуть в тайны нашей Вселенной. Ведь то, что кажется чудесами, на самом деле реальность!
Купить книгу
Читайте также ⭐️
Скорость света в километры в час (c в км / ч)
Коэффициент преобразования скорости света в километры в час
1 скорость света равна 1079252847,9366 километров в час
Формула преобразования скорости света в километры в час
Скорость (км / ч) = Скорость (c) × 1079252847.9366
Пример: Рассмотрим скорость 301 скорость света. Ниже приведены инструкции по их преобразованию в километры в час.
Скорость (км / ч) = 301 ( c ) × 1079252847.9366 ( км / ч / c )
Скорость (км / ч) = 324855107228,92 км / ч или
301 c = 324855107228,92 км / ч
301 скорость света равна 32,9255107228 км в час