Что такое скорость света?

30.06.2016 мастер

Свет во все времена занимал немаловажное место в выживании людей и создании ими развитой цивилизации, которую мы видим на сегодняшний день. Скорость света на протяжении всей истории развития человечества будоражила умы сначала философов и естествоиспытателей, а потом ученых и физиков. Это основополагающая константа существования нашей Вселенной.

Многие ученые в разные времена стремились выяснить, чему равняется распространения света в разнообразных средах. Наибольшее значение для науки имело вычисление значения, которое имеет скорость света в вакууме. Данная статья поможет вам разобраться в этом вопросе и узнать много интересного о том, как ведет себя свет в вакууме.

Свет и вопрос скорости

Свет в современной физике играет ключевую роль, ведь, как выяснилось, преодолеть значение его скорости на данном этапе развития нашей цивилизации невозможно. Много лет потребовалось для того, чтобы измерить, чему равна скорость света. До этого ученые провели немало исследований, пытаясь дать ответ на самые важный вопрос «чему равна скорость распространения в вакууме света?». На данный момент времени ученые доказали, что скорость распространения света (СРС) обладает следующими характеристиками:

она постоянна;
она неизменна;
она недостижима;
она конечна.

Обратите внимание! Скорость света на текущий момент развития науки является абсолютно недостижимой величиной. У физиков существуют только некоторые предположения, что происходит с объектом, который гипотетически достигает значения скорости распространения светового потока в вакууме.

Скорость светового потока

Почему же так важно, с какой быстротой продвигается свет в вакууме? Ответ прост. Ведь вакуум находится в космосе. Поэтому узнав, какой цифровой показатель имеет скорость света в вакууме, мы сможем понять, с какой максимально возможной быстротой можно перемещаться по просторам Солнечной системы и за ее пределами. Элементарными частичками, которые переносят свет в нашей Вселенной, являются фотоны. А быстрота, с которой продвигается свет в вакууме, считается абсолютной величиной.

Обратите внимание! Под СРС подразумевается быстрота продвижения электромагнитных волн. Интересно, что свет одномоментно являет собой элементарные частицы (фотоны) и волну. Это следует из корпускулярно-волновой теории. Согласно ней при определенных ситуациях свет ведет себя подобно частице, а при других – подобно волне.

На данный момент времени распространение света в космосе (вакууме) считается фундаментальной постоянной, которая не зависит от выбора используемой инерциальной системы отсчета. Данное значение относится к физическим фундаментальным постоянным. При этом значение СРС характеризует в целом основные свойства геометрии пространства-времени. Современные представления характеризуют СРС как константу, которая является предельной допустимым значением для движения частиц, а также распространения их взаимодействия. В физике эта величина обозначается латинской буквой «с».

От поверхности Солнца — от 8 мин. 8,3 сек. в перигелии до 8 мин. 25 сек. в афелии.
Скорость распространения светового импульса в среде отличается от скорости его распространения в вакууме (меньше, чем в вакууме), и может быть различной для разных сред. Когда говорят просто о скорости света, обычно подразумевается именно скорость света в вакууме; если же говорят о скорости света в среде, это, как правило, оговаривается явно.
В настоящее время наиболее точные методы измерения скорости света основаны на независимом определении значений длины волны λ {\displaystyle \lambda } и частоты ν {\displaystyle \nu } света или другого электромагнитного излучения и последующего расчёта в соответствии с равенством c = λ ν {\displaystyle c=\lambda \nu } .[10]
См. например «Частица Oh-My-God».
Аналогом может быть посылка наудачу двух заклеенных конвертов с белой и чёрной бумагой в разные места. Открытие одного конверта гарантирует, что во втором будет лежать второй лист — если первый чёрный, то второй белый, и наоборот. Эта «информация» может распространяться быстрее скорости света — ведь вскрыть второй конверт можно в любое время, и там всегда будет этот второй лист. При этом принципиальная разница с квантовым случаем состоит только в том, что в квантовом случае до «открытия конверта»-измерения состояние листа внутри принципиально неопределённо, как у кота Шрёдингера, и там может оказаться любой лист.
Однако, частота света зависит от движения источника света относительно наблюдателя, благодаря эффекту Доплера
В то время как движущиеся измеряемые объектов оказываются короче по линии относительного движения, они также выглядят повёрнутыми. Этот эффект, известный как вращение Террелла, связан с разницей во времени между пришедшими к наблюдателю сигналами от разных частей объекта.[22][23]
Считается, что эффект Шарнхорста позволяет сигналам распространяться немногим выше c {\displaystyle c} , но особые условия, при которых эффект может возникать, мешают применить этот эффект для нарушения принципа причинности[36]

История изучения вопроса

В древние времена, как ни удивительно, еще античные мыслители задавались вопросом распространения света в нашей вселенной. Тогда считалось, что это бесконечная величина. Первую оценку физическому явлению скорости света дал Олаф Ремер лишь в 1676 г. Согласно его расчетам распространение света составляло примерно 220 тысяч км/с.

Обратите внимание! Олаф Ремер дал приблизительное значение, но, как в последствии выяснилось, не очень отдаленное от реального.

Правильное значение скоростного показателя, с которым продвигается свет в вакууме, было определенно только через полвека после Олафа Ремера. Это смог сделать французский физик А.И.Л. Физо, проведя особый эксперимент.

Эксперимент Физо

Он смог измерить это физическое явление путем измерения времени, за которое луч прошел определенный и точно измеренный участок. Опыт имел следующий вид:

источник S испускал световой поток;
он отражался от зеркала (3);
после этого световой поток прерывался при помощи зубчатого диска (2);
затем оно проходил базу, расстояние которого равнялось 8 км;
после этого световой поток отражался зеркалом (1) и отправлялся в обратный путь к диску.

В ходе эксперимента световой поток попадал в промежутки между зубцами диска, и его можно было наблюдать через окуляр (4). Физо определял время прохождения луча по скорости вращения диска. В результате этого эксперимента он получил значение с = 313300 км/с. Но это не конец исследований, которые были посвящены данному вопросу. Конечная формула расчета физической константы появилась благодаря многим ученым, включая и Альберта Эйнштейна.

Сенсация: Физики зафиксировали превышение скорости света

До сверхсветовых скоростей разогнались нейтрино — субатомная элементарная частица, обладающая массой

Вся современная физика затрещала по швам. Вместе с теорией относительности Эйнштейна. Под угрозой главное физическое табу — скорость света. Ведь как считается, ни одно материальное тело не может ее превысить. А исследователи, работающие в лаборатории CERN (Европейский центр ядерных исследований в Женеве, Швейцария), уверяют, что зафиксировали превышение. И не один раз. Быстрее света двигались нейтрино, выпущенные из лаборатории в Швейцарии и пойманные в Италии — в нескольких сотнях километрах — датчиками детектора OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Его оборудование весом в 1300 тонн расположено на глубине почти полтора километра. Как рассказал Антонио Эридитато (Antonio Ereditato) из Университета Берна (University of Bern) — спикер, представляющий коллектив детектора, насчитывающий 160 ученых, аномалии продолжаются вот уже три года. И не могут быть случайностью. Быстрее света пролетели примерно 16 тысяч нейтрино.

Схема проведения сенсационного эксперимента.

Если бы частицы двигались со скоростью света, то они преодолевали ли бы расстояние в 732 километра от CERN до OPERA за 2,43 миллисекунды. А частицы пребывают на детектор на 60 наносекунд быстрее. — Мы многократно проверяли данные, — говорит ученый, — но не нашли ничего такого, что могло бы исказить измерения. 60 наносекунд — это, конечно, мелочь. Как и сами нейтрино. Но и такой разницы быть не должно, если речь идет о частицах, обладающих массой. А у нейтрино она есть.

Ученый Валерий Рубаков: В физике будет революция!

00:00

Авторы экспериментов пока не готовы плясать на остатках физики. Призывают мировое научное сообщество проверить полученные результаты. Ждут, чтобы их кто-нибудь повторил. Оборудование для подобных экспериментов есть в США, в Японии и в Китае. Не исключено, конечно, что существует объяснение и в рамках принятой сегодня теории. И оно будет предложено.

Возможно, аномалия вызвана систематической ошибкой в измерениях, как осторожно пока считают многие физики. А если нет? И скорость света в 300 тысяч километров в секунду отнюдь не предел для материальных тел? Тогда есть шансы, что когда-нибудь реальностью станет вся нынешняя фантастика о межзвездных перелетах. И наши корабли понесутся быстрее света, а не только крохотные частицы. Кстати, уже появилась гипотеза, что до небывалых скоростей нейтрино разгоняются, просачиваясь через иные измерения. И это тоже обнадеживает: значит можно будет быстро перемещаться из одной точки Вселенной в другие сквозь некое «субпространство». Как, например, в сериале «Вавилон-5». Вечером 23 сентября 2011 года экспериментаторы докладывают о своих результатам коллегам из CERN. Выслушают все, что те о них думают. «Комсомолка» будет следить за событиям.

Детектор OPERA.

КОММЕНТАРИИ СПЕЦИАЛИСТОВ

Профессор кафедры теоретической физики физического факультета МГУ, директор научно-образовательного центра по физике нейтрино и астрофизике имени Бруно Понтекорво Александр Студеникин: «Это открытие переворачивает физику со времен Галилео! Могут стать реальностью возможности посылать сигналы в прошлое и будущее» — Александр Иванович, неужели подорван фундамент современной физики, построенной на теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой скорость света является предельной во Вселенной? — Скорее всего, сегодняшний день, 23 сентября, может стать эпохальным. Подобных грандиозных открытий не было со времен Галилео. — Но многие скептики уже сомневаются. Говорят, что эти результаты — следствие систематической ошибки в измерениях. И требуют перепроверки открытия. — Учитывая, что люди, которые проводят этот эксперимент, являются высочайшего класса экспертами в своей области, то результат выглядит достаточно достоверным и сенсационным. На детекторе OPERA произошло невозможное: нейтрино распространился со скоростью, которая превышает скорость света в вакууме на 10 в -5 единицы. — Это много? — Это очень существенное отличие от скорости света. И достоверность результата очень высокая.

— Наши представления о мире теперь изменятся? — Если этот результат действительно реальный, то он приведет к доказательству существования достаточно экстравагантных и удивительных вещей. Ведь в обычной теории относительности постулируется, что есть некая предельная скорость движения тел, движения элементарных частиц и передачи информации. Эта скорость ограничена скоростью света. Никакой объект не может двигаться со скоростью выше, чем скорость света. Одним из фундаментов парадигмы современной физической картины мира является как раз этот постулат. Если вы выбиваете этот камень из фундаментальных основ физики, то естественно, что возникает значительное количество новых возможностей, которые приведут к тому, что многие уже, казалось бы, хорошо понятые и объясненные эффекты будут переосмыслены.

— А сейчас этот закон нарушен, значит, теория относительности Эйнштейна не верна?

Вот здесь и было сделано ошеломляющее открытие

— Я бы так не говорил. Дело в том, что просто для какого-то круга явлений то стандартное представление о теории относительности адекватно, а для какого-то рода явлений оно неадекватно.— Эйнштейн мог предполагать, что в будущем его теория окажется неверной? — Думаю, это не предполагалось. В самой теории относительности постулируется, что скорость света есть предельная скорость. И вся наша физика, все наше представление о том, как устроен мир, как работают законы физики, они все основаны на этом постулате. А сейчас это ставится под сомнение. Наверное, это будет самое яркое открытие в физике со средних веков. Это можно сравнить с предсказаниями Галилея о том, как устроено пространство и время. — Что появится нового, что раньше считалось невозможным? Что перепишут в учебниках физики? — Ставится под вопрос принцип причинности, как мы его понимаем сейчас — что событие последующее не может влиять на предшествующее. Это будет иметь революционные последствия для возможности посылать сигналы в прошлое или будущее.

— То есть пророки, которые говорили, что видели будущее, они на самом деле его могли видеть, просто не могли объяснить? — Так трудно говорить. Вопрос о причинности возникает… Он и нарушается в первую очередь.

Схема проведения эксперимента

«В физике будет революция!» Академик РАН, доктор физико-математических наук, один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии Валерий РУБАКОВ: — Если этот экспериментальный результат подтвердится, то это будет революция! Придется менять специальную и общую теорию относительности. Перепишутся учебники. Ведь движение быстрее скорости света заставит пересмотреть множество привычных вещей. Например, причинно-следственные связи. Про них надо думать как-то по-другому. Станет возможной мгновенная пересылка сигналов, передача информации, полеты к дальним звездам — все это может стать реальностью. В физической картине мира много что изменится. А что — даже представить не могу. Потом нужно вместо теории Эйнштейна построить новую теорию, в которой новому явлению нашлось бы место. Новая теория должна обобщать и расширять то, что мы сейчас имеем. Но нужна перепроверка данных, она займет около пяти лет. В таком трудном эксперименте есть множество подводных камней. Беседовала Светлана КУЗИНА.

Эйнштейн и вакуум: конечные результаты расчета

Сегодня каждый человек на Земле знает, что предельно допустимой величиной перемещения материальных объектов, а также любых сигналов, считается именно скорость света в вакууме. Точное значение этого показателя — почти 300 тыс. км/с. Если быть точным, то скорость распространения в вакууме света составляет 299 792 458 м/с. Теорию о том, что невозможно превысить данное значение, выдвинул известный физик прошлого Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности или СТО.

Обратите внимание! Теория относительности Эйнштейна считается незыблемой до момента появления реальных доказательств того, что передача сигнала возможна на скоростях, превышающих СРС в вакууме.

Теория относительности Эйнштейна

Но сегодня некоторые исследователи открыли явления, которые могут служить предпосылкой к тому, что СТО Эйнштейна может быть изменена. При некоторых специально заданных условиях имеется возможность отслеживать появление сверхсветовых скоростей. Интересно то, что при этом нарушение теории относительности не происходит.

Скорость света – максимально возможная величина?

Многие школьники и студенты задаются вопросом: какая скорость больше скорости света? Есть ли такая вообще? Ответ однозначен: нет!

Скорость распространения света в вакууме считается недосягаемой величиной. Ученые не пришли к единому мнению, что же может происходить с атомами, достигающими этого предела.

Помимо прочего, исследователи выявили, что частица, обладающая массой, может приблизиться к скорости светового луча. Но она не может догнать ее и тем более превысить. Максимальная скорость света пока остается неизменна.

Вас также заинтересует Теория литосферных плит: кто основал и какая крупнейшая?

Самый приближенный числовой показатель был достигнут при исследовании космических лучей. Их разгоняли в специально оборудованных ускорителях частиц, беря в расчет длину волны.

Почему же эта цифра так важна? Дело в том, что вакуум обволакивает все космическое пространство. Зная, как свет ведет себя в вакууме, мы можем представить, какова предельная скорость передвижения в нашей Вселенной.

По какой причине невозможно двигаться быстрее света?

Так из-за чего же константа СРС не может быть преодолена в обычных условиях? Исходя из теории, можно смело утверждать, что в ситуации превышения будет нарушен фундаментальный закон построения мира, если говорить конкретно – закон причинности. Согласно этому закону, следствие не в силах опередить свою причину.

Рассмотрим этот парадокс на конкретном примере: не может случиться так, что олень сначала упадет замертво, а уже после произойдёт выстрел охотника, застреливший его. Так вот и при повышении СРС разворачиваемые действия должны начинаться в обратной последовательности. В итоге время должно пойти вспять, а это противоречит всем устоявшимся законам физики.

Эйнштейн и вакуум: конечные результаты расчета

В настоящее время большинство людей на планете знают, что максимально допустимой величиной передвижения материальных объектов и различных сигналов является скорость света в вакууме. А кто же первым додумался до этого?

Мысль о невозможности превысить значение скорости света выразил великий физик Альберт Эйнштейн. Он оформил свои наблюдения и назвал их теорией относительности.

Величайшая теория Эйнштейна до сих пор незыблема. Она останется таковой до момента, пока не будут предъявлены реальные доказательства того, что передать сигнал возможно на скорости, превышающей СРС в вакууме. Этот момент может никогда не наступить.

Однако уже было проведено несколько исследований, предвещающих разлад с некоторыми пунктами самой известной теории Эйнштейна. Измерение сверхсветовых скоростей уже возможно при заданных условиях. Примечательно то, что теория относительности не нарушается полностью.

Почему нельзя двигаться быстрее света

На сегодняшний день в данном вопросе существуют некоторые «подводные камни». Например, почему при обычных условиях константа СРС не может быть преодолена? По принятой теории в этой ситуации будет нарушаться фундаментальный принцип строения нашего мира, а именно — закон причинности. Он утверждает, что следствие по определению не способно опережать свою причину. Образно говоря, не может быть такого, что сначала медведь упадет замертво, а только потом раздастся выстрел охотника, застрелившего его. А вот если СРС превысить, то события должны начать происходить в обратной последовательности. В результате время начнет свой обратный бег.

Так чему все же равна скорость распространения светового луча?

После многочисленных исследований, которые приводились с целью определения точного значения, чему равно СРС, были получены конкретные цифры. На сегодняшний день с = 1 079 252 848,8 километров/час или 299 792 458 м/c. а в планковских единицах данный параметр определяется как единица. Это означает, что энергия света за 1 единицу планковского времени проходит 1 планковскую единицу длины.

Обратите внимание! Эти цифры справедливы только для условий, которые имеются в вакууме.

Формула значения постоянной

Но в физике для более простого способа решения задач используется округленное значение — 300 000 000 м/c. Это правило в нормальных условиях касается всех объектов, а также рентгеновских лучей, гравитационных и световых волн видимого для нас спектра. Кроме этого ученые доказали, что частицы, обладающие массой, могут приближаться к скорости светового луча. Но они не в состоянии достичь ее или превысить.

Обратите внимание! Максимальная скорость, приближенная к световой, была получена при исследовании космических лучей, разгоняемых в специальных ускорителях.

Стоит отметить, что эта физическая константа зависит от того, в какой среде она измеряется, а именно от показателя преломления. Поэтому ее реальный показатель может разниться в зависимости от частот.

Обнаружена частица, которая движется быстрее света

Группа ученых из эксперимента OPERA в сотрудничестве с Европейской организацией ядерных исследований (CERN) опубликовала сенсационные результаты эксперимента по преодолению скорости света. Результаты опыта опровергают специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна, на которой базируется вся современная физика. Теория гласит, что скорость света составляет 299 792 458 м/с, а элементарные частицы не могут двигаться быстрее скорости света.

Тем не менее ученые зафиксировали ее превышение пучком нейтрино на 60 наносекунд при преодолении 732 км. Произошло это 22 сентября в ходе эксперимента, который проводила международная группа физиков-ядерщиков из Италии, Франции, России, Кореи, Японии и других стран.

Эксперимент проходил следующим образом: протонный пучок разгоняли в специальном ускорителе и били им в центр специальной мишени. Так рождались мезоны — частицы, состоящие из кварков.

— При распаде мезонов рождаются нейтрино, — разъяснил «Известиям» академик РАН Валерий Рубаков, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН. — Пучок расположен так, чтобы нейтрино пролетало 732 км и попадало в итальянскую подземную лабораторию в Гран-Сассо. В ней стоит специальный детектор, который фиксирует скорость пучка нейтрино.

Результаты исследования раскололи научный мир. Некоторые учены отказываются поверить результатам.

— То, что сделали в CERN, с современных позиций физики невозможно, — заявил «Известиям» академик РАН Спартак Беляев, научный руководитель Института общей и ядерной физики. — Необходимо проверить этот эксперимент и его результаты — возможно, они просто ошиблись. Все проводимые до этого эксперименты укладывались в существующую теорию, а из-за одного единожды проведенного эксперимента поднимать панику не стоит.

Академик Беляев в то же время признает: если удастся доказать, что нейтрино может двигаться быстрее скорости света, это будет переворот.

— Нам тогда придется ломать всю физику, — сказал он.

— Если результаты подтвердятся, это революция, — согласен академик Рубаков. — Сложно сказать, чем это обернется для обывателей. Вообще, специальную теорию относительности менять, конечно, можно, но сделать это крайне сложно и какая в результате выкристаллизуется теория, не совсем понятно.

Рубаков обратил внимание, что в отчете говорится, что за три года эксперимента зафиксировано и измерено 15 тыс. событий.

— Статистика очень хорошая, а в эксперименте участвовала международная группа авторитетных ученых, — резюмирует Рубаков.

Академики подчеркнули, что мире регулярно предпринимаются попытки экспериментально опровергнуть специальную теорию относительности. Однако положительных результатов ни одна из них до сих пор не давала.