Чему равно максимальное значение скорости света. Как измеряли скорость света и каково ее реальное значение
Скорость света - абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). Скорость света в вакууме - фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме - предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Также важен тот факт, что эта величина абсолютна. Это один из постулатов СТО.
В вакууме (пустоте)
В 1977 году удалось вычислить приблизительную скорость света, равную 299 792 458 ± 1,2 м/с рассчитанную исходя из эталонного метра 1960 года. На данный момент считают, что скорость света в вакууме - фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Скорость света обозначается буквой c.
Основополагающий для СТО опыт Майкельсона показал, что скорость света в вакууме не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя. В природе со скоростью света распространяются:
собственно видимый свет
другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.)
Из специальной теории относительности следует, что ускорение частиц, имеющих массу покоя, до скорости света невозможно, так как это событие нарушило бы фундаментальный принцип причинности. То есть, исключается превышение скорости света сигналом, или движение массы с такой скоростью. Однако теория не исключает движение частиц в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью. Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически, тахионы легко укладываются в преобразование Лоренца - это частицы с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия - так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее частице ускориться до скорости света - сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно. Следует понимать, что, во-первых, тахионы - это класс частиц, а не один вид частиц, и, во-вторых никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности - с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а между собой разность их скоростей также не бывает равной скорости света.
Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой покоя, в отличие от безмассовых фотонов и гравитонов, которые всегда движутся со скоростью света.
В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.
В прозрачной среде
Скорость света в прозрачной среде - скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.
Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно двигается со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.
Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча так же способно влиять на скорость распространения света в этой среде.
Отрицание постулата о максимальности скорости света
В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана - сверхсветовая скорость при туннельном эффекте.
Научный анализ значимости этих и подобных результатов показывает, что они принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества.
История измерений скорости света
Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной . В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.
Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220000 км/сек - неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.
Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.
Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью - почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с - фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.
В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха - 1,0003, воды - 1,33, различных сортов стекла - от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз - 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.
В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект - так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!
Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.
Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости - фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны - бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления - тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.
Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.
Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но "красный" спортсмен бежит быстрее, чем "оранжевый", "оранжевый" - быстрее, чем "желтый", и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии - большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.
Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики - теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.
Все частицы - как заключенные в атоме, так и свободные - делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком - основном - энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания "атомного лазера" (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.).
Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики - оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10-7 - 10-8 с и в конденсированных средах - менее 10-11 c. При этом возникает запаздывание импульса - его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.
Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние - на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).
После этого конденсат осветили "связующим пучком" линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков - в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз - до 43 микрометров.
Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет - возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.
Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.
Ограничение скорости на большинстве автострад от 90 до 110 километров. Хотя в вакууме космического пространства нет дорожных указателей, но и там есть ограничение скорости - это 1080000000 километров в час.
Самая большая скорость в природе
Это самая большая скорость света в природе. Ученые обычно приводят скорость света в километрах в секунду - 300 000 километров в секунду. Свет состоит из фотонов. Именно они могут летать с такой сумасшедшей скоростью.
Своеобразные частицы – фотоны
Ученые называют фотоны частицами. Но это очень своеобразные частицы. У них нет массы покоя, то есть, в обычном смысле у них нет веса. Трудно себе представить что – то такое реальное, что было бы чистой энергией и не содержало бы ни крупицы вещества. Фотоны и есть такая реальность. сравнить предельную скорость фотонов с теми скоростями, которые мы привыкли считать большими.
Космический корабль, летящий со скоростью света, для стороннего наблюдателя не имел бы линейных размеров. Возьмем, например, ракету «Пионер», построенную для полетов за пределами Солнечной системы. Так вот, покидая пределы Солнечной системы, «Пионер» имел скорость 60 километров в секунду. Неплохо! Расстояние от Нью-Йорка до Сан-Франциско он мог бы покрыть за полторы минуты. Но в сравнении со скоростью фотона в 300 000 километров в секунду, скорость «Пионера» выглядит просто черепашьей. Или посмотрим, с какой скоростью перемещается в пространстве Солнце.
Материалы по теме:
Почему светят звезды?
Зато время, что вы читаете это предложение, Солнце, Земля и прочие восемь планет нашей Солнечной системы несутся вокруг Млечного Пути, как карусельные лошадки, со скоростью 230 километров в секунду (при этом сами-то мы совершенно не замечаем, что летим с такой невероятной скоростью). Но и эта огромная скорость очень мала по сравнению со скоростью света и составляет около одного ее процента.
Скорость света и предметы
Если разогнать обычный предмет до около световой скорости, с ним начнут происходить необыкновенные приключения. При достижении телом таких скоростей наблюдатель отметит изменение линейных размеров и массы предмета. Даже время начнет меняться. Космический корабль, летящий со скоростью 90 процентов скорости света, уменьшится в размерах приблизительно наполовину. При увеличении скорости он будет уменьшаться все сильнее и сильнее, пока при достижении скорости света он совершенно не потеряет свои линейные размеры.
Скорость света в различных средах различается значительно. Сложность состоит в том, что человеческий глаз не видит его во всем спектральном диапазоне. Природа происхождения световых лучей интересовала ученых еще в древности. Первые попытки расчета скорости света были предприняты еще за 300 лет до н.э. В тот период ученые определили, что волна распространяется по прямой линии.
Быстрый ответ
Им удалось описать математическими формулами свойства и света и траекторию его движения. стала известной через 2 тысячи лет после проведения первых исследований.
Что такое световой поток?
Световой луч представляет собой электромагнитную волну в сочетании с фотонами. Под фотонами понимают простейшие элементы, которые также называют квантами электромагнитного излучения. Световой поток во всех спектрах невидим. Он не перемещается в пространстве в традиционном понимании этого слова. Для описания состояния электромагнитной волны с квантовыми частицами введено понятие показателя преломления оптической среды.
Световой поток переносится в пространстве в виде луча с малым поперечным сечением. Способ движения в пространстве выведен геометрическими методами. Это прямолинейный пучок, который на границе с различными средами начинает преломляться, формируя криволинейную траекторию. Ученые доказали, что максимальная скорость создается в вакууме, в других средах скорость движения может различаться в разы. Учеными разработана система, световой луч и выведенная величина в которой является основной для выведения и отсчета некоторых единиц СИ.
Немного исторических фактов
Примерно около 900 лет назад Авиценой было выдвинуто предположение, что независимо от номинала величины скорость света имеет конечное значение. Галилео Галилей пытался опытным путем вычислить скорость светового потока. С помощью двух фонариков экспериментаторы пытались засечь время, за которое световой пучок от одного объекта будет виден другому. Но такой эксперимент выявился неудачным. Скорость оказалась столь высока, что им не удалось засечь время задержки.
Галилео Галилей обратил внимание на то, что у Юпитера промежуток между затмениями четырех его спутников составил 1320 секунд. На основе этих открытий в 1676 году астроном из Дании Оле Ремер рассчитал скорость распространения светового пучка, как значение 222 тысячи км/сек. На тот период данное измерение было наиболее точным, но его не могли проверить земными мерками.
Через 200 лет Луизи Физо смог вычислить скорость движения светового луча опытным путем. Он создал специальную установку с зеркалом и зубчатым механизмом, который вращался на огромной скорости. Световой поток отражался от зеркала и через 8 км возвращался назад. При увеличении скорости колеса возникал тот момент, когда зубчатый механизм перекрывал луч. Таким образом, скорость луча была установлена, как 312 тысяч километров в секунду.
Фуко усовершенствовал это оборудование, уменьшив параметры за счет замены зубчатого механизма плоским зеркалом. У него точность измерений получилась наиболее приближенной к современному эталону и составила 288 тысяч метров в секунду. Фуко предпринял попытки рассчитать скорость света в инородной среде, взяв за основу воду. Физику удалось сделать вывод, что данная величина не постоянная и зависит от особенностей преломления в данной среде.
Вакуум представляет собой пространство, свободное от вещества. Скорость света в вакууме в системе Си обозначена латинской буквой C. Она является недостижимой. Ни один предмет нельзя разогнать до такого значения. Физики только предполагают, что может произойти с объектами, если они разгонятся до такой степени. Скорость распространения светового луча обладает постоянными характеристиками, она:
- постоянная и конечная;
- недостижимая и неизменная.
Знание этой константы позволяет вычислить, с какой максимальной скоростью объекты могут перемещаться в космосе. Величина распространения луча света признана фундаментальной постоянной. Она используется для характеристик пространства времени. Это предельно допустимое значение для движущихся частиц. Какая скорость света в вакууме? Современную величину получили посредством лабораторных измерений и математических подсчетов. Она равна 299.792.458 метров в секунду с точностью до ± 1,2 м/с . Во многих дисциплинах, в том числе в школьных, при решении задач используются приближенных вычисления. Берется показатель, равный 3 108 м/с.
Световые волны видимого человеку спектра и рентгеновские волны возможно разогнать до показаний, приближающихся до скорости распространения света. Они не могут сравняться с этой константой, а также превысить ее значение. Константа выведена на основе отслеживания поведения космических лучей в момент разгона их в специальных ускорителях. Она зависит от той инерциальной среды, в которой происходит распространение луча. В воде прохождение света ниже на 25%, а воздухе будет зависеть от температуры и давления на момент вычислений.
Все расчеты проведены с использованием теории относительности и закону причинности, выведенному Энштейном. Физик считает, что если объекты достигнут скорости 1 079 252 848,8 километров/час и превысят ее, то произойдут необратимые изменения в строении нашего мира, система поломается. Время начнет отсчитываться в обратном порядке, нарушая порядок событий.
На основе скорости светового луча выведено определение метра. Под ним понимают участок, который успевает пройти световой луч за 1/299792458 секунды. Не следует смешивать данное понятие с эталоном. Эталон метра - это специальное техническое устройство на кадмиевой основе со штриховкой, позволяющее видеть данное расстояние физически.
Несмотря на то что в обычной жизни рассчитывать скорость света нам не приходится, многих эта величина интересует с детского возраста.
Наблюдая за молнией во время грозы, наверняка каждый ребенок пытался понять, с чем связана задержка между ее вспышкой и громовыми раскатами. Очевидно, что свет и звук имеют разную скорость. Почему так происходит? Что такое скорость света и каким образом ее можно измерить?
В науке скоростью света называют быстроту перемещения лучей в воздушном пространстве или вакууме. Свет – это электромагнитное излучение, которое воспринимает глаз человека. Он способен передвигаться в любой среде, что оказывает прямое влияние на его скорость.
Попытки измерить эту величину предпринимались с давних времен. Ученые античной эпохи полагали, что скорость света является бесконечной. Такое же мнение высказывали и физики XVI–XVII веков, хотя уже тогда некоторые исследователи, такие как Роберт Гук и Галилео Галлилей, допускали конечность .
Серьезный прорыв в изучении скорости света произошел благодаря датскому астроному Олафу Ремеру, который первым обратил внимание на запаздывание затмения спутника Юпитера Ио по сравнению с первичными расчетами.
Тогда ученый определил примерное значение скорости, равное 220 тысячам метров в секунду. Более точно эту величину сумел вычислить британский астроном Джеймс Бредли, хотя и он слегка ошибся в расчетах.
В дальнейшем попытки рассчитать реальную скорость света предпринимали ученые из разных стран. Однако только в начале 1970-х годов с появлением лазеров и мазеров, имевших стабильную частоту излучения, исследователям удалось сделать точный расчет, а в 1983 году за основу было принято современное значение с корреляцией на относительную погрешность.
Если говорить простым языком, скорость света – это время, за которое солнечный луч преодолевает определенное расстояние. В качестве единицы времени принято использовать секунду, в качестве расстояния – метр. С точки зрения физики свет – это уникальное явление, имеющее в конкретной среде постоянную скорость.
Предположим, человек бежит со скоростью 25 км/час и пытается догнать автомобиль, который едет со скоростью 26 км/час. Выходит, что машина движется на 1 км/час быстрее бегуна. Со светом всё обстоит иначе. Независимо от быстроты передвижения автомобиля и человека, луч всегда будет передвигаться относительно них с неизменной скоростью.
Скорость света во многом зависит от вещества, в котором распространяются лучи. В вакууме она имеет постоянное значение, а вот в прозрачной среде может иметь различные показатели.
В воздухе или воде ее величина всегда меньше, чем в вакууме. К примеру, в реках и океанах скорость света составляет порядка ¾ от скорости в космосе, а в воздухе при давлении в 1 атмосферу – на 2 % меньше, чем в вакууме.
Подобное явление объясняется поглощением лучей в прозрачном пространстве и их повторным излучением заряженными частицами. Эффект называют рефракцией и активно используют при изготовлении телескопов, биноклей и другой оптической техники.
Если рассматривать конкретные вещества, то в дистиллированной воде скорость света составляет 226 тысяч километров в секунду, в оптическом стекле – около 196 тысяч километров в секунду.
В вакууме скорость света в секунду имеет постоянное значение в 299 792 458 метров, то есть немногим больше 299 тысяч километров. В современном представлении она является предельной. Иными словами, никакая частица, никакое небесное тело не способны достичь той скорости, какую развивает свет в космическом пространстве.
Даже если предположить, что появится Супермен, который будет лететь с огромной скоростью, луч все равно будет убегать от него с большей быстротой.
Хотя скорость света является максимально достижимой в вакуумном пространстве, считается, что существуют объекты, которые движутся быстрее.
На такое способны, к примеру, солнечные зайчики, тень или фазы колебания в волнах, но с одной оговоркой – даже если они разовьют сверхскорость, энергия и информация будут передаваться в направлении, которое не совпадает направлением их движения.
Что касается прозрачной среды, то на Земле существуют объекты, которые вполне способны двигаться быстрее света. К примеру, если луч, проходящий через стекло, замедляет свою скорость, то электроны не ограничены в быстроте передвижения, поэтому при прохождении через стеклянные поверхности могут перемещаться быстрее света.
Такое явление называется эффект Вавилова – Черенкова и чаще всего наблюдается в ядерных реакторах или в глубинах океанов.
