Получил значение близкое к скорости света. Школьная энциклопедия

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ.

В середине прошлого года в журналах появилось сенсационное сообщение. Группа американских исследователей обнаружила, что очень короткий лазерный импульс движется в особым образом подобранной среде в сотни раз быстрее, чем в вакууме. Это явление казалось совершенно невероятным (скорость света в среде всегда меньше, чем в вакууме) и даже породило сомнения в справедливости специальной теории относительности. Между тем сверхсветовой физический объект - лазерный импульс в усиливающей среде - был впервые обнаружен не в 2000 году, а на 35 лет раньше, в 1965 году, и возможность сверхсветового движения широко обсуждалась до начала 70-х годов. Сегодня дискуссия вокруг этого странного явления вспыхнула с новой силой.

Примеры "сверхсветового" движения.

В начале 60-х годов короткие световые импульсы большой мощности стали получать, пропуская через квантовый усилитель (среду с инверсной заселенностью) лазерную вспышку.

В усиливающей среде начальная область светового импульса вызывает вынужденное излучение атомов среды усилителя, а конечная его область - поглощение ими энергии. В результате наблюдателю будет казаться, что импульс движется быстрее света.

Эксперимент Лиджуна Вонга.

Луч света, проходящий сквозь призму из прозрачного материала (например, стекла), преломляется, то есть испытывает дисперсию.

Световой импульс представляет собой набор колебаний разной частоты.

Наверное, всем - даже людям, далеким от физики, - известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме. Она обозначается буквой с и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с. Скорость света в вакууме - одна из фундаментальных физических констант. Невозможность достижения скоростей, превышающих с , вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с . Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.

Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света. Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел? Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира - закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину. Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с , последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения.

Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во все более и более ранние моменты времени. Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем - испущенные позавчера, потом - неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребенка... То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами.

Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно наглядно демонстрирует, что движение со сверхсветовой скоростью приводит к невозможной в нашем мире ситуации. Однако природа поставила еще более жесткие условия: недостижимо движение не только со сверхсветовой скоростью, но и со скоростью, равной скорости света, - к ней можно только приближаться. Из теории относительности следует, что при увеличении скорости движения возникают три обстоятельства: возрастает масса движущегося объекта, уменьшается его размер в направлении движения и замедляется течение времени на этом объекте (с точки зрения внешнего "покоящегося" наблюдателя). При обычных скоростях эти изменения ничтожно малы, но по мере приближения к скорости света они становятся все ощутимее, а в пределе - при скорости, равной с , - масса становится бесконечно большой, объект полностью теряет размер в направлении движения и время на нем останавливается. Поэтому никакое материальное тело не может достичь скорости света. Такой скоростью обладает только сам свет! (А также "всепроникающая" частица - нейтрино, которая, как и фотон, не может двигаться со скоростью, меньшей с. )

Теперь о скорости передачи сигнала. Здесь уместно воспользоваться представлением света в виде электромагнитных волн. Что такое сигнал? Это некая информация, подлежащая передаче. Идеальная электромагнитная волна - это бесконечная синусоида строго одной частоты, и она не может нести никакой информации, ибо каждый период такой синусоиды в точности повторяет предыдущий. Cкорость перемещения фазы cинусоидальной волны - так называемая фазовая скорость - может в среде при определенных условиях превышать скорость света в вакууме. Здесь ограничения отсутствуют, так как фазовая скорость не является скоростью сигнала - его еще нет. Чтобы создать сигнал, надо сделать какую-то "отметку" на волне. Такой отметкой может быть, например, изменение любого из параметров волны - амплитуды, частоты или начальной фазы. Но как только отметка сделана, волна теряет синусоидальность. Она становится модулированной, состоящей из набора простых синусоидальных волн с различными амплитудами, частотами и начальными фазами - группы волн. Скорость перемещения отметки в модулированной волне и является скоростью сигнала. При распространении в среде эта скорость обычно совпадает с групповой скоростью, характеризующей распространение вышеупомянутой группы волн как целого (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). При обычных условиях групповая скорость, а следовательно, и скорость сигнала меньше скорости света в вакууме. Здесь не случайно употреблено выражение "при обычных условиях", ибо в некоторых случаях и групповая скорость может превышать с или вообще терять смысл, но тогда она не относится к распространению сигнала. В СТО устанавливается, что невозможна передача сигнала со скоростью, большей с .

Почему это так? Потому, что препятствием для передачи любого сигнала со скоростью больше с служит все тот же закон причинности. Представим себе такую ситуацию. В некоторой точке А световая вспышка (событие 1) включает устройство, посылающее некий радиосигнал, а в удаленной точке В под действием этого радиосигнала происходит взрыв (событие 2). Понятно, что событие 1 (вспышка) - причина, а событие 2 (взрыв) - следствие, наступающее позже причины. Но если бы радиосигнал распространялся со сверхсветовой скоростью, наблюдатель вблизи точки В увидел бы сначала взрыв, а уже потом - дошедшую до него со скоростью с световую вспышку, причину взрыва. Другими словами, для этого наблюдателя событие 2 совершилось бы раньше, чем событие 1, то есть следствие опередило бы причину.

Уместно подчеркнуть, что "сверхсветовой запрет" теории относительности накладывается только на движение материальных тел и передачу сигналов. Во многих ситуациях возможно движение с любой скоростью, но это будет движение не материальных объектов и не сигналов. Например, представим себе две лежащие в одной плоскости достаточно длинные линейки, одна из которых расположена горизонтально, а другая пересекает ее под малым углом. Если первую линейку двигать вниз (в направлении, указанном стрелкой) с большой скоростью, точку пересечения линеек можно заставить бежать сколь угодно быстро, но эта точка - не материальное тело. Другой пример: если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несет никакой информации о точке А.

Казалось бы, вопрос о сверхсветовых скоростях решен. Но в 60-х годах двадцатого столетия физиками-теоретиками была выдвинута гипотеза существования сверхсветовых частиц, названных тахионами. Это очень странные частицы: теоретически они возможны, но во избежание противоречий с теорией относительности им пришлось приписать мнимую массу покоя. Физически мнимая масса не существует, это чисто математическая абстракция. Однако это не вызвало особой тревоги, поскольку тахионы не могут находиться в покое - они существуют (если существуют!) только при скоростях, превышающих скорость света в вакууме, а в этом случае масса тахиона оказывается вещественной. Здесь есть некоторая аналогия с фотонами: у фотона масса покоя равна нулю, но это просто означает, что фотон не может находиться в покое - свет нельзя остановить.

Наиболее сложным оказалось, как и следовало ожидать, примирить тахионную гипотезу с законом причинности. Попытки, предпринимавшиеся в этом направлении, хотя и были достаточно остроумными, не привели к явному успеху. Экспериментально зарегистриро вать тахионы также никому не удалось. В итоге интерес к тахионам как к сверхсветовым элементарным частицам постепенно сошел на нет.

Однако в 60-х же годах было экспериментально обнаружено явление, поначалу приведшее физиков в замешательство. Об этом подробно рассказано в статье А. Н. Ораевского "Сверхсветовые волны в усиливающих средах" (УФН № 12, 1998 г.). Здесь мы кратко приведем суть дела, отсылая читателя, интересующегося подробностями, к указанной статье.

Вскоре после открытия лазеров - в начале 60-х годов - возникла проблема получения коротких (длительностью порядка 1 нс = 10 -9 с) импульсов света большой мощности. Для этого короткий лазерный импульс пропускался через оптический квантовый усилитель. Импульс расщеплялся светодели тельным зеркалом на две части. Одна из них, более мощная, направлялась в усилитель, а другая распространялась в воздухе и служила опорным импульсом, с которым можно было сравнивать импульс, прошедший через усилитель. Оба импульса подавались на фотоприемники, а их выходные сигналы могли визуально наблюдаться на экране осциллографа. Ожидалось, что световой импульс, проходящий через усилитель, испытает в нем некоторую задержку по сравнению с опорным импульсом, то есть скорость распространения света в усилителе будет меньше, чем в воздухе. Каково же было изумление исследователей, когда они обнаружили, что импульс распространялся через усилитель со скоростью не только большей, чем в воздухе, но и превышающей скорость света в вакууме в несколько раз!

Оправившись от первого шока, физики стали искать причину столь неожиданного результата. Ни у кого не возникло даже малейшего сомнения в принципах специальной теории относительности, и именно это помогло найти правильное объяснение: если принципы СТО сохраняются, то ответ следует искать в свойствах усиливающей среды.

Не вдаваясь здесь в детали, укажем лишь, что подробный анализ механизма действия усиливающей среды полностью прояснил ситуацию. Дело заключалось в изменении концентрации фотонов при распространении импульса - изменении, обусловленном изменением коэффициента усиления среды вплоть до отрицательного значения при прохождении задней части импульса, когда среда уже поглощает энергию, ибо ее собственный запас уже израсходован вследствие передачи ее световому импульсу. Поглощение вызывает не усиление, а ослабление импульса, и, таким образом, импульс оказывается усиленным в передней и ослабленным в задней его части. Представим себе, что мы наблюдаем за импульсом при помощи прибора, движущегося со скоростью света в среде усилителя. Если бы среда была прозрачной, мы видели бы застывший в неподвижности импульс. В среде же, в которой происходит упомянутый выше процесс, усиление переднего и ослабление заднего фронта импульса будет представляться наблюдателю так, что среда как бы подвинула импульс вперед. Но раз прибор (наблюдатель) движется со скоростью света, а импульс обгоняет его, то скорость импульса превышает скорость света! Именно этот эффект и был зарегистрирован экспериментаторами. И здесь действительно нет противоречия с теорией относительности: просто процесс усиления таков, что концентрация фотонов, вышедших раньше, оказывается больше, чем вышедших позже. Со сверхсветовой скоростью перемещаются не фотоны, а огибающая импульса, в частности его максимум, который и наблюдается на осциллографе.

Таким образом, в то время как в обычных средах всегда происходит ослабление света и уменьшение его скорости, определяемое показателем преломления, в активных лазерных средах наблюдается не только усиление света, но и распространение импульса со сверхсветовой скоростью.

Некоторые физики пытались экспериментально доказать наличие сверхсветового движения при туннельном эффекте - одном из наиболее удивительных явлений в квантовой механике. Этот эффект состоит в том, что микрочастица (точнее говоря, микрообъект, в разных условиях проявляющий как свойства частицы, так и свойства волны) способна проникать через так называемый потенциальный барьер - явление, совершенно невозможное в классической механике (в которой аналогом была бы такая ситуация: брошенный в стену мяч оказался бы по другую сторону стены или же волнообразное движение, приданное привязанной к стене веревке, передавалось бы веревке, привязанной к стене с другой стороны). Сущность туннельного эффекта в квантовой механике состоит в следующем. Если микрообъект, обладающий определенной энергией, встречает на своем пути область с потенциальной энергией, превышающей энергию микрообъекта, эта область является для него барьером, высота которого определяется разностью энергий. Но микрообъект "просачивается" через барьер! Такую возможность дает ему известное соотношение неопределенностей Гейзенбер га, записанное для энергии и времени взаимодействия. Если взаимодействие микрообъекта с барьером происходит в течение достаточно определенного времени, то энергия микрообъекта будет, наоборот, характеризоваться неопределенностью, и если эта неопределен ность будет порядка высоты барьера, то последний перестает быть для микрообъекта непреодолимым препятствием. Вот скорость проникновения через потенциальный барьер и стала предметом исследований ряда физиков, полагающих, что она может превышать с .

В июне 1998 года в КЈльне состоялся международный симпозиум по проблемам сверхсветовых движений, где обсуждались результаты, полученные в четырех лабораториях - в Беркли, Вене, КЈльне и во Флоренции.

И, наконец, в 2000 году появились сообщения о двух новых экспериментах, в которых проявились эффекты сверхсветового распространения. Один из них выполнил Лиджун Вонг с сотрудниками в исследовательском институте в Принстоне (США). Его результат состоит в том, что световой импульс, входящий в камеру, наполненную парами цезия, увеличивает свою скорость в 300 раз. Получалось, что главная часть импульса выходит из дальней стенки камеры даже раньше, чем импульс входит в камеру через переднюю стенку. Такая ситуация противоречит не только здравому смыслу, но, в сущности, и теории относитель ности.

Сообщение Л. Вонга вызвало интенсивное обсуждение в кругу физиков, большинство которых не склонны видеть в полученных результатах нарушение принципов относительно сти. Задача состоит в том, полагают они, чтобы правильно объяснить этот эксперимент.

В эксперименте Л.Вонга световой импульс, входящий в камеру с парами цезия, имел длительность около 3 мкс. Атомы цезия могут находиться в шестнадцати возможных квантовомеханических состояниях, называемых "сверхтонкие магнитные подуровни основного состояния". При помощи оптической лазерной накачки почти все атомы приводились только в одно из этих шестнадцати состояний, соответствующее почти абсолютному нулю температуры по шкале Кельвина (-273,15 о C). Длина цезиевой камеры составляла 6 сантиметров. В вакууме свет проходит 6 сантиметров за 0,2 нс. Через камеру же с цезием, как показали выполненные измерения, световой импульс проходил за время на 62 нс меньшее, чем в вакууме. Другими словами, время прохождения импульса через цезиевую среду имеет знак "минус"! Действительно, если из 0,2 нс вычесть 62 нс, получим "отрицательное" время. Эта "отрицательная задержка" в среде - непостижимый временной скачок - равен времени, в течение которого импульс совершил бы 310 проходов через камеру в вакууме. Следствием этого "временного переворота" явилось то, что выходящий из камеры импульс успел удалиться от нее на 19 метров, прежде чем приходящий импульс достиг ближней стенки камеры. Как же можно объяснить такую невероятную ситуацию (если, конечно, не сомневаться в чистоте эксперимента)?

Судя по развернувшейся дискуссии, точное объяснение еще не найдено, но несомненно, что здесь играют роль необычные дисперсионные свойства среды: пары цезия, состоящие из возбужденных лазерным светом атомов, представляют собой среду с аномальной дисперсией. Напомним кратко, что это такое.

Дисперсией вещества называется зависимость фазового (обычного) показателя преломления n от длины волны света l. При нормальной дисперсии показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны, и это имеет место в стекле, воде, воздухе и всех других прозрачных для света веществах. В веществах же, сильно поглощающих свет, ход показателя преломления с изменением длины волны меняется на обратный и становится гораздо круче: при уменьшении l (увеличении частоты w) показатель преломления резко уменьшается и в некоторой области длин волн становится меньше единицы (фазовая скорость V ф > с ). Это и есть аномальная дисперсия, при которой картина распространения света в веществе меняется радикальным образом. Групповая скорость V гр становится больше фазовой скорости волн и может превысить скорость света в вакууме (а также стать отрицательной). Л. Вонг указывает на это обстоятельство как на причину, лежащую в основе возможности объяснения результатов его эксперимента. Следует, однако, заметить, что условие V гр > с является чисто формальным, так как понятие групповой скорости введено для случая малой (нормальной) дисперсии, для прозрачных сред, когда группа волн при распространении почти не меняет своей формы. В областях же аномальной дисперсии световой импульс быстро деформируется и понятие групповой скорости теряет смысл; в этом случае вводятся понятия скорости сигнала и скорости распространения энергии, которые в прозрачных средах совпадают с групповой скоростью, а в средах с поглощением остаются меньше скорости света в вакууме. Но вот что интересно в эксперименте Вонга: световой импульс, пройдя через среду с аномальной дисперсией, не деформируется - он в точности сохраняет свою форму! А это соответствует допущению о распространении импульса с групповой скоростью. Но если так, то получается, что в среде отсутствует поглощение, хотя аномальная дисперсия среды обусловлена именно поглощением! Сам Вонг, признавая, что многое еще остается неясным, полагает, что происходящее в его экспериментальной установке можно в первом приближении наглядно объяснить следующим образом.

Световой импульс состоит из множества составляющих с различными длинами волн (частотами). На рисунке показаны три из этих составляющих (волны 1-3). В некоторой точке все три волны находятся в фазе (их максимумы совпадают); здесь они, складываясь, усиливают друг друга и образуют импульс. По мере дальнейшего распространения в пространстве волны расфазируются и тем самым "гасят" друг друга.

В области аномальной дисперсии (внутри цезиевой ячейки) волна, которая была короче (волна 1), становится длиннее. И наоборот, волна, бывшая самой длинной из трех (волна 3), становится самой короткой.

Следовательно, соответственно меняются и фазы волн. Когда волны прошли через цезиевую ячейку, их волновые фронты восстанавливаются. Претерпев необычную фазовую модуляцию в веществе с аномальной дисперсией, три рассматриваемые волны вновь оказываются в фазе в некоторой точке. Здесь они снова складываются и образуют импульс точно такой же формы, как и входящий в цезиевую среду.

Обычно в воздухе и фактически в любой прозрачной среде с нормальной дисперсией световой импульс не может точно сохранять свою форму при распространении на удаленное расстояние, то есть все его составляющие не могут быть сфазированы в какой-либо удаленной точке вдоль пути распространения. И в обычных условиях световой импульс в такой удаленной точке появляется спустя некоторое время. Однако вследствие аномальных свойств использованной в эксперименте среды импульс в удаленной точке оказался сфазирован так же, как и при входе в эту среду. Таким образом, световой импульс ведет себя так, как если бы он имел отрицательную временную задержку на пути до удаленной точки, то есть пришел бы в нее не позже, а раньше, чем прошел среду!

Большая часть физиков склонна связывать этот результат с возникновением низкоинтенсивного предвестника в диспергирующей среде камеры. Дело в том, что при спектральном разложении импульса в спектре присутствуют составляющие сколь угодно высоких частот с ничтожно малой амплитудой, так называемый предвестник, идущий впереди "главной части" импульса. Характер установления и форма предвестника зависят от закона дисперсии в среде. Имея это в виду, последовательность событий в эксперименте Вонга предлагается интерпретировать следующим образом. Приходящая волна, "простирая" предвестник впереди себя, приближается к камере. Прежде чем пик приходящей волны попадет на ближнюю стенку камеры, предвестник инициирует возникновение импульса в камере, который доходит до дальней стенки и отражается от нее, образуя "обратную волну". Эта волна, распространяясь в 300 раз быстрее с , достигает ближней стенки и встречается с приходящей волной. Пики одной волны встречаются со впадинами другой, так что они уничтожают друг друга и в результате ничего не остается. Получается, что приходящая волна "возвращает долг" атомам цезия, которые "одалживали" ей энергию на другом конце камеры. Тот, кто наблюдал бы только начало и конец эксперимента, увидел бы лишь импульс света, который "прыгнул" вперед во времени, двигаясь быстрее с.

Л. Вонг считает, что его эксперимент не согласуется с теорией относительности. Утверждение о недостижимости сверхсветовой скорости, полагает он, применимо только к объектам, обладающим массой покоя. Свет может быть представлен либо в виде волн, к которым вообще неприменимо понятие массы, либо в виде фотонов с массой покоя, как известно, равной нулю. Поэтому скорость света в вакууме, считает Вонг, не предел. Тем не менее Вонг признает, что обнаруженный им эффект не дает возможности передавать информацию со скоростью больше с .

"Информация здесь уже заключена в переднем крае импульса, - говорит П. Милонни, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории США. - И может создаться впечатление о сверхсветовой посылке информации, даже когда вы ее не посылаете".

Большинство физиков считают, что новая работа не наносит сокрушительного удара по фундаментальным принципам. Но не все физики полагают, что проблема улажена. Профессор А. Ранфагни из итальянской исследовательской группы, осуществившей еще один интересный эксперимент 2000 года, считает, что вопрос еще остается открытым. Этот эксперимент, проведенный Даниэлом Мугнаи, Анедио Ранфагни и Рокко Руггери, обнаружил, что радиоволны сантиметрового диапазона в обычном воздухе распространяются со скоростью, превышающей с на 25%.

Резюмируя, можно сказать следующее. Работы последних лет показывают, что при определенных условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью? Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. Тем не менее некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстри ровать преодоление светового барьера именно для сигналов. Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого математического обоснования (базирующегося, скажем, на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля) невозможности передачи сигналов со скоростью больше с . Такая невозможность в СТО устанавливается, можно сказать, чисто арифметически, исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности. Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае "...мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Но, хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит в себе, по-моему, никаких противоречий, он все же настолько противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения V > с представляется в достаточной степени доказанной". Принцип причинности - вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой передачи сигналов. И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов, как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить, ибо такова природа нашего мира.

В заключение следует подчеркнуть, что все вышеизложенное относится именно к нашему миру, к нашей Вселенной. Такая оговорка сделана потому, что в последнее время в астрофизике и космологии появляются новые гипотезы, допускающие существование множества скрытых от нас Вселенных, соединенных топологическими туннелями -перемычками. Такой точки зрения придерживается, например, известный астрофизик Н. С. Кардашев. Для внешнего наблюдателя входы в эти туннели обозначаются аномальными полями тяготения, подобно черным дырам. Перемещения в таких туннелях, как предполагают авторы гипотез, позволят обойти ограничение скорости движения, накладыва емое в обычном пространстве скоростью света, и, следовательно, реализовать идею о создании машины времени... Не исключено, что в подобных Вселенных действительно могут происходить необычные для нас вещи. И хотя пока что такие гипотезы слишком уж напоминают сюжеты из научной фантастики, вряд ли следует категорически отвергать принципиальную возможность многоэлементной модели устройства материального мира. Другое дело, что все эти другие Вселенные, скорее всего, останутся чисто математическими построениями физиков-теоретиков, живущих в нашей Вселенной и силой своей мысли пытающихся нащупать закрытые для нас миры...

См. в номере на ту же тему

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».

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.

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.

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.

Как посчитать значение фундаментальной константы

На сегодняшний день существуют различные методы определения СРС. Это могут быть:

• астрономические способы;
• усовершенствованный метод Физо. Здесь зубчатое колесо заменяют на современный модулятор.

Обратите внимание! Ученые доказали, что показатели СРС в воздухе и в вакууме практически совпадают. А воде он меньше примерно на 25%.

Для расчета величины распространения светового луча используют следующую формулу.

Формула для расчета скорости света

Эта формула подходит для расчета в вакууме.

Заключение

Свет в нашем мире очень важен и тот момент, когда ученые смогут доказать возможность существования сверхсветовых скоростей сможет полностью изменить наш привычный мир. Что это открытие будет значить для людей даже сложно оценить. Но однозначно, это будет невероятный прорыв!

Как подобрать и установить датчики объема для автоматического управления светом
Самодельные регулируемые транзисторные блоки питания: сборка, применение на практике

Человека всегда интересовала природа света, о чем свидетельствуют мифы, легенды, дошедшие до нас философские споры и научные наблюдения. Свет всегда был поводом для дискуссий древних философов, а попытки его изучения предпринимались еще во времена возникновения эвклидовой геометрии - за 300 лет до н.э. Уже тогда было известно о прямолинейности распространения света, равенстве углов падения и отражения, явлении преломления света, обсуждались причины возникновения радуги. Аристотель считал, что скорость света бесконечно велика, а значит, логически рассуждая, и света не подлежит обсуждению. Типичный случай, когда проблема своей глубиной опережает эпоху понимания ответа.

Каких-то 900 лет назад Авиценна предположил, что какой бы большой ни была скорость света она, все-таки, имеет конечную величину. Такого мнения был не только он, но никому не удавалось доказать это экспериментально. Гениальный Галилео Галилей предложил эксперимент механистического понимания проблемы: два человека, стоящие на расстоянии нескольких километров друг от друга, подают сигналы, открывая заслонку фонаря. Как только второй участник увидит свет от первого фонаря, он открывает свою заслонку и первый участник фиксирует время получения ответного светового сигнала. Затем расстояние увеличивается и все повторяется. Ожидалось зафиксировать увеличение задержки и на этой основе выполнить расчет скорости света. Эксперимент закончился ничем, потому как «все было не внезапно, но чрезвычайно быстро».

Первым измерил скорость света в вакууме в 1676 году астроном Оле Ремер - он воспользовался открытием Галилея: тот обнаружил в 1609 году четыре у которых в течение полугода разница времени между двумя затмениями спутника составляла 1320 секунд. Пользуясь астрономическими сведениями своего времени Ремер получил значение скорости света равным 222000 км в секунду. Потрясающим оказалось то, что сам метод измерения невероятно точен - применение ныне известных данных диаметра Юпитера и времени запаздывания затемнения спутника дает скорость света в вакууме, на уровне современных значений, полученных другими способами.

Поначалу к опытам Ремера была только одна претензия - необходимо было провести измерения земными средствами. Прошло почти 200 лет, и Луи Физо построил остроумную установку, в которой луч света отражался от зеркала на расстоянии более 8 км и приходил обратно. Тонкость была в том, что он проходил по дороге туда-обратно через впадины зубчатого колеса, и если скорость вращения колеса увеличивать, то настанет момент, когда свет перестанет быть виден. Остальное - дело техники. Результат измерения - 312000 км в секунду. Мы сейчас видим, что Физо был еще ближе к истине.

Следующий шаг в измерении скорости света сделал Фуко, который заменил зубчатое колесо Это позволило уменьшить габариты установки и увеличить точность измерения до 288000 км в секунду. Не меньшей важности был и проделанный Фуко эксперимент, в котором он определил скорость света в среде. Для этого между зеркалами установки была помещена труба с водой. В этом опыте было установлено уменьшение скорости света при его распространении в среде в зависимости от коэффициента преломления.

Во второй половине 19-го века наступило время Майкельсона, который посвятил 40 лет своей жизни измерениям в области света. Венцом его работы стала установка, на которой он измерил скорость света в вакууме используя вакуумированную металлическую трубу длиной более полутора километров. Другим фундаментальным достижением Майкельсона было доказательство того факта, что для любой длины волны скорость света в вакууме одинаковая и в качестве современного эталона составляет 299792458+/- 1.2 м/c. Такие измерения проводились на основании уточненных значений эталонного метра, определение которого утверждено с 1983 г. в качестве международного стандарта.

Мудрый Аристотель был неправ, но чтобы это доказать понадобилось почти 2000 лет.

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.

Еще задолго до того, как ученые измерили скорость света, им пришлось изрядно потрудиться над определением самого понятия «свет». Одним из первых над этим задумался Аристотель, который считал свет некой подвижной субстанцией, распространяющейся в пространстве. Его древнеримский коллега и последователь Лукреций Кар настаивал на атомарной структуре света.

К XVII веку сформировались две основные теории природы света – корпускулярная и волновая. К приверженцам первой относился Ньютон. По его мнению, все источники света излучают мельчайшие частицы. В процессе «полета» они образуют светящиеся линии – лучи. Его оппонент, голландский ученый Христиан Гюйгенс настаивал на том, что свет – это разновидность волнового движения.

В результате многовековых споров ученые пришли к консенсусу: обе теории имеют право на жизнь, а свет – это видимый глазу спектр электромагнитных волн.

Немного истории. Как измеряли скорость света

Большинство ученых древности были убеждены в том, что скорость света бесконечна. Однако результаты исследований Галилея и Гука допускали ее предельность, что наглядно было подтверждено в XVII веке выдающимся датским астрономом и математиком Олафом Ремером.

Свои первые измерения он произвел, наблюдая за затмениями Ио – спутника Юпитера в тот момент, когда Юпитер и Земля располагались с противоположных сторон относительно Солнца. Ремер зафиксировал, что по мере отдаления Земли от Юпитера на расстояние, равное диаметру орбиты Земли, изменялось время запаздывания. Максимальное значение составило 22 минуты. В результате расчетов он получил скорость 220000 км/сек.

Через 50 лет в 1728 году, благодаря открытию аберрации, английской астроном Дж. Брэдли «уточнил» этот показатель до 308000 км/сек. Позже скорость света измерили французские астрофизики Франсуа Арго и Леон Фуко, получив на «выходе» 298000 км/сек. Еще более точную методику измерения предложил создатель интерферометра, известный американский физик Альберт Майкельсон.

Опыт Майкельсона по определению скорости света

Опыты продолжались с 1924 по 1927 год и состояли из 5 серий наблюдений. Суть эксперимента заключалась в следующем. На горе Вильсон в окрестностях Лос-Анжелеса были установлены источник света, зеркало и вращающаяся восьмигранная призма, а через 35 км на горе Сан-Антонио – отражающее зеркало. Вначале свет через линзу и щель попадал на вращающуюся с помощью высокоскоростного ротора (со скоростью 528 об/сек.) призму.

Участники опытов могли регулировать частоту вращения таким образом, чтобы изображение источника света было четко видно в окуляре. Поскольку расстояние между вершинами и частота вращения были известны, Майкельсон определил величину скорости света – 299796 км/сек.

Окончательно со скоростью света ученые определились во второй половине XX века, когда были созданы мазеры и лазеры, отличающиеся высочайшей стабильностью частоты излучения. К началу 70-х погрешность в измерениях снизилась до 1 км/сек. В результате по рекомендации XV Генеральной конференции по мерам и весам, состоявшейся в 1975 году, было решено считать, что скоростью света в вакууме отныне равна 299792,458 км/сек.

Достижима ли для нас скорость света?

Очевидно, что освоение дальних уголков Вселенной немыслимо без космических кораблей, летящих с огромной скоростью. Желательно со скоростью света. Но возможно ли такое?

Барьер скорости света – одно из следствий теории относительности. Как известно, увеличение скорости требует увеличения энергии. Скорость света потребует практически бесконечной энергии.

Увы, но законы физики категорически против этого. При скорости космического корабля в 300000 км/сек летящие навстречу ему частицы, к примеру, атомы водорода превращаются в смертельный источник мощнейшего излучения, равного 10000 зивертов/сек. Это примерно то же самое, что оказаться внутри Большого адронного коллайдера.

По мнению ученых Университета Джона Хопкинса, пока в природе не существует адекватной защиты от столь чудовищной космической радиации. Довершит разрушение корабля эрозия от воздействия межзвездной пыли.

Еще одна проблема световой скорости – замедление времени. Старость при этом станет намного более продолжительной. Также подвергнется искривлению зрительное поле, в результате чего траектория движения корабля будет проходить как бы внутри тоннеля, в конце которого экипаж увидит сияющую вспышку. Позади корабля останется абсолютная кромешная тьма.

Так что в ближайшем будущем человечеству придется ограничить свои скоростные «аппетиты» 10 % от скорости света. Это означает, что до ближайшей к Земле звезды – Проксимы Центавра (4,22 св. лет) придется лететь примерно 40 лет.