Скорость света

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Указано расстояние от Солнца до Земли, равное 150 миллионам километров.
Солнечному свету требуется около 8 минут 19 секунд, чтобы достигнуть Земли
Точные значения
Метров в секунду

299 792 458

Планковских единиц

1

Приблизительные значения
километров в секунду

300 000

километров в час

1,08 млрд

миль в секунду

186 000

миль в час

671 млн

астрономических единиц в день

173

Приблизительное время путешествия светового сигнала
Расстояние

Время

один фут

1,0 нс

один метр

3,3 нс

один километр

3,3 мкс

одна статутная миля

5,4 мкс

от геостационарной орбиты до Земли

119 мс

длина экватора Земли

134 мс

от Луны до Земли

1,255 с

от Солнца до Земли (1 а. е.)

8,3 мин.

от Вояджера-1 до Земли

17,34 часов (на ноябрь 2013)[1].

Один световой год

1 год

один парсек

3,26 лет

от Проксимы Центавра до Земли

4,24 лет

от Альфы Центавра до Земли

4,37 лет

от ближайшей галактики (Карликовой галактики в Большом Псе) до Земли

25 000 лет

через Млечный Путь

100 000 лет

от Галактики Андромеды до Земли

2,5 млн лет

от самой удалённой известной галактики до Земли

30 млрд лет[2]

Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме[3]. 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 или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

В вакууме (пустоте)[править | править вики-текст]

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с.

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году[Прим. 1].

На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды[5]. Для решения школьных задач и разного рода оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение 300 000 000 м/с (3×108 м/с).

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.

В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом). Существует, однако, проблема «запутанных состояний» частиц, которые, судя по всему, «узнают» о состоянии друг друга мгновенно. Однако и в этом случае сверхсветовой передачи информации не происходит, поскольку два запутанных фотона всё равно разлетаются друг от друга со скоростью света.

Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой)[6]. (Подробнее см. Сверхсветовое движение, также соответствующий раздел данной статьи ниже).

В прозрачной среде[править | править вики-текст]

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). 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 движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

Фундаментальная роль в физике[править | править вики-текст]

Фактор Лоренца (Лоренц-фактор) γ как функция скорости. Он растет от 1 (для нулевой скорости) до бесконечности (с приближением v к c).

Скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит ни от движения источника волн, ни от системы отсчета наблюдателя[Прим. 2]. Эйнштейн постулировал такую ​​инвариантность скорости света в 1905 году[7].Он пришел к этому выводу на основании теории электромагнетизма Максвелла и отсутствия доказательств существования светоносного эфира[8]. Инвариантность скорости света неизменно подтверждается множеством экспериментов[9]. Существует возможность проверить экспериментально лишь то, что скорость света в «двустороннем» эксперименте (например, от источника к зеркалу и обратно) не зависит от системы отсчета, поскольку невозможно измерить скорость света в одну сторону (например, от источника к удаленному приемнику) без дополнительных договоренностей относительно того, как синхронизировать часы источника и приемника. Однако, если применить для этого синхронизацию Эйнштейна, односторонняя скорость света становится равной двусторонней по определению[10][11]. Специальная теория относительности исследует последствия этой инвариантности c в предположении, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета[12][13]. Одним из последствий является то, что c — это та скорость, с которой должны двигаться в вакууме все безмассовые частицы и волны (в частности, и свет).

Специальная теория относительности имеет много экспериментально проверенных последствий, которые противоречат интуиции[14].Такие последствия включают: эквивалентность массы и энергии (E_0 = mc^2), сокращение длины (сокращение объектов во время движения)[Прим. 3] и замедление времени (движущиеся часы идут медленнее). Коэффициент γ, на которое сокращается длина и замедляется время, известен как фактор Лоренца (Лоренц-фактор) \gamma = \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}, где V — скорость объекта. Для скоростей гораздо меньших, чем c (например, для скоростей, с которыми мы имеем дело каждый день) разница между γ и 1 настолько мала, что ею можно пренебречь. В этом случае специальная теория относительности хорошо аппроксимируется относительностью Галилея. Но на релятивистских скоростях разница увеличивается и приближается к бесконечности с приближением V к с .

Объединение результатов специальной теории относительности требует выполнения двух условий: (1) пространство и время являются единой структурой, известной как пространство-время (где c связывает единицы измерения пространства и времени), и (2) физические законы удовлетворяют требованиям особой симметрии, которая называется инвариантность Лоренца (Лоренц-инвариантность), формула которой содержит параметр с[17]. Инвариантность Лоренца встречается повсеместно в современных физических теориях, таких как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика, стандартная модель физики элементарных частиц и общая теория относительности. Таким образом, параметр с встречающийся повсюду в современной физике и появляется во многих смыслах, которые не имеют отношения собственно к свету. Например, общая теория относительности предполагает, что гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью c[18][19]. В неинерциальных системах отсчета (в гравитационно искривленном пространстве или в системах отсчета, движущихся с ускорением), локальная скорость света также является постоянной и равна c, однако скорость света вдоль траектории конечной длины может отличаться от c в зависимости от того, как определено пространство и время[20].

Считается, что фундаментальные константы, такие как c, имеют одинаковое значение во всем пространстве-времени, то есть, они не зависят от места и не меняются со временем. Однако некоторые теории предполагают, что скорость света может изменяться со временем[21][22]. Пока нет убедительных доказательств таких изменений, но они остаются предметом исследований[23][24].

Кроме того, считается, что скорость света изотропна, то есть не зависит от направления его распространения. Наблюдение за излучением ядерных энергетических переходов как функции от ориентации ядер в магнитном поле (эксперимент Гугса-Древера), а также вращающихся оптических резонаторов (эксперимент Майкельсона-Морли), наложили жесткие ограничения на возможность двусторонней анизотропии[25][26].

Верхний предел скорости[править | править вики-текст]

Согласно специальной теории относительности, энергия объекта с массой покоя m и скоростью v равна γmc2, где γ — определенный выше фактор Лоренца. Когда v равна нулю, γ равен единице, что приводит к известной формуле эквивалентности массы и энергии E = mc2. Поскольку фактор γ приближается к бесконечности с приближением v к c, ускорение массивного объекта до скорости света потребует бесконечной энергии. Скорость света — это верхний предел скорости для объектов с массой покоя. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса[27].

Событие A предшествует событию B в красной системе отсчета (СО), одновременно с B в зелёной СВ и происходит после B в синей СВ.

Вообще, информация или энергия не может передаваться в пространстве быстрее, чем со скоростью света. Один из аргументов в пользу этого следует из контринтуитивного заключения специальной теории относительности, известного как относительность одновременности. Если пространственное расстояние между двумя событиями А и В больше, чем промежуток времени между ними, умноженный на c, то существуют такие системы отсчёта, в которых А предшествует B, и другие, в которых B предшествует А, а также такие, в которых события А и B одновременны. В результате, если объект двигался бы быстрее скорости света относительно некоторой инерциальной системы отсчета, то в другой системе отсчета он бы путешествовал назад во времени, и принцип причинности был бы нарушен. [Прим. 4][29]. В такой системе отсчета «следствие» можно было бы наблюдать раньше его «первопричины». Такое нарушение причинности никогда не наблюдалось[11]. Оно также может приводить к парадоксам, таким как тахионный антителефон[30].

История измерений скорости света[править | править вики-текст]

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной[31]. 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 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.

В начале 1970-х годов погрешность измерений скорости света приблизилась к 1 м/с[32]. После проверки и согласования результатов, полученных в различных лабораториях, XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с, с относительной погрешностью (неопределённостью) 4·10-9[33], что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с[34].

Существенно, что дальнейшее повышение точности измерений стало невозможным в силу обстоятельств принципиального характера: ограничивающим фактором стала величина неопределённости реализации определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность «изготовления» эталона метра, относительное значение которой составляло 4·10-9[34]. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света и определив метр как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды[35].

Сверхсветовое движение[править | править вики-текст]

Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) нарушило бы принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами, движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.

Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц 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 массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь 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, тахионы не нарушают принцип причинности, если они никак не взаимодействуют с обычными частицами.

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, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны.

В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

C 2006 года появляются сообщения о том, что в так называемом эффекте квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные 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. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества[36].

В результате обработки данных эксперимента OPERA[37], набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино[38]. Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов[39]. Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино[40]. В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили[41][42]. В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля)[43].

В культуре[править | править вики-текст]

В фантастическом рассказе «Светопреставление» Александр Беляев описывает ситуацию, когда скорость света снижается до нескольких метров в секунду.

См. также[править | править вики-текст]

Комментарии[править | править вики-текст]

  1. В настоящее время наиболее точные методы измерения скорости света основаны на независимом определении значений длины волны \lambda и частоты \nu света или другого электромагнитного излучения и последующего расчёта в соответствии с равенством c = \lambda \nu.[4]
  2. Однако, частота света зависит от движения источника света относительно наблюдателя, благодаря эффекту Доплера
  3. В то время как движущиеся измеряемые объектов оказываются короче по линии относительного движения, они также выглядят как будто их вращают. Этот эффект, известный как вращение Террелла, связанный с разницей во времени, между пришедшими к наблюдателю сигналами от разных частей объекта[15][16]
  4. Считается, что эффект Шарнхорста позволяет сигналам распространяться немногим выше c, но особые условия, при которых эффект может возникать, мешают применить этот эффект для нарушения принципа причинности[28]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Where Are the Voyagers - NASA Voyager. Voyager - The Interstellar Mission. Jet Propulsion Laboratory, California Istitute of Technology. Проверено 12 июля 2011. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012.
  2. New galaxy 'most distant' yet discovered
  3. 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.
  4. Сажин М. В. Скорость света // Физика космоса. Маленькая энциклопедия / Гл. ред. Р. А. Сюняев. — 2-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 622. — 783 с.
  5. ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
  6. Болотовский Б. М., Гинзбург В. Л. Эффект Вавилова — Черенкова и эффект Допплера при движении источников со скоростью больше скорости света в вакууме // УФН. — 1972. — Т. 106. — № 4. — С. 577-592.
  7. Einstein from "B" to "Z" – Volume 9 of Einstein studies. — Springer, 2002. — P. 226. — ISBN 0-8176-4143-2
  8. Einstein, A (1905). «Zur Elektrodynamik bewegter Körper» (German). Annalen der Physik 17: 890–921. DOI:10.1002/andp.19053221004. English translation: Perrett, W On the Electrodynamics of Moving Bodies. Fourmilab. Проверено 27 ноября 2009. Архивировано из первоисточника 1 февраля 2013.
  9. Александров Е. Б. Теория относительности: прямой эксперимент с кривым пучком // Химия и жизнь. — 2012. — № 3.
  10. Hsu J-P Lorentz and Poincaré Invariance. — World Scientific, 2001. — Vol. 8. — P. 543ff. — ISBN 981-02-4721-4
  11. 1 2 Zhang YZ Special Relativity and Its Experimental Foundations. — World Scientific, 1997. — Vol. 4. — P. 172–3. — ISBN 981-02-2749-3
  12. d'Inverno R Introducing Einstein's Relativity. — Oxford University Press, 1992. — P. 19–20. — ISBN 0-19-859686-3
  13. Sriranjan B Postulates of the special theory of relativity and their consequences // The Special Theory to Relativity. — PHI Learning, 2004. — P. 20 ff. — ISBN 81-203-1963-X
  14. Roberts, T What is the experimental basis of Special Relativity?. Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside (2007). Проверено 27 ноября 2009. Архивировано из первоисточника 1 февраля 2013.
  15. Terrell, J (1959). «Invisibility of the Lorentz Contraction». Physical Review 116 (4): 1041–5. DOI:10.1103/PhysRev.116.1041. Bibcode:1959PhRv..116.1041T.
  16. Penrose, R (1959). «The Apparent Shape of a Relativistically Moving Sphere». Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 55 (01): 137–9. DOI:10.1017/S0305004100033776. Bibcode:1959PCPS...55..137P.
  17. Hartle JB Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity. — Addison-Wesley, 2003. — P. 52–9. — ISBN 981-02-2749-3
  18. Hartle JB Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity. — Addison-Wesley, 2003. — P. 332. — ISBN 981-02-2749-3
  19. The interpretation of observations on binary systems used to determine the speed of gravity is considered doubtful by some authors, leaving the experimental situation uncertain; seePropagation of light in the gravitational filed of binary systems to quadratic order in Newton's gravitational constant: Part 3: ‘On the speed-of-gravity controversy’ // Lasers, clocks and drag-free control: Exploration of relativistic gravity in space. — Springer, 2008. — ISBN 3-540-34376-8
  20. Gibbs, P Is The Speed of Light Constant?. Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside (1997). Проверено 26 ноября 2009. Архивировано из первоисточника 17 ноября 2009.
  21. Ellis, GFR (2005). «‘c’ is the speed of light, isn’t it?». American Journal of Physics 73 (3): 240–7. DOI:10.1119/1.1819929. Bibcode:2005AmJPh..73..240E. “The possibility that the fundamental constants may vary during the evolution of the universe offers an exceptional window onto higher dimensional theories and is probably linked with the nature of the dark energy that makes the universe accelerate today.”
  22. An overview can be found in the dissertation of Mota, DF (2006), "Variations of the fine structure constant in space and time", arΧiv:astro-ph/0401631 [astro-ph] 
  23. Uzan, J-P (2003). «The fundamental constants and their variation: observational status and theoretical motivations». Reviews of Modern Physics 75 (2). DOI:10.1103/RevModPhys.75.403. Bibcode:2003RvMP...75..403U.
  24. Amelino-Camelia, G (2008), "Quantum Gravity Phenomenology", arΧiv:0806.0339 [gr-qc] 
  25. (2009) «Rotating optical cavity experiment testing Lorentz invariance at the 10−17 level». Physical Review D 80 (100): 105011. DOI:10.1103/PhysRevD.80.105011. Bibcode:2009PhRvD..80j5011H.
  26. Lang KR Astrophysical formulae. — 3rd. — Birkhäuser, 1999. — P. 152. — ISBN 3-540-29692-1
  27. Fowler, M Notes on Special Relativity. University of Virginia (March 2008). Проверено 7 мая 2010. Архивировано из первоисточника 1 февраля 2013.
  28. Liberati, S (2002). «Faster-than-c signals, special relativity, and causality». Annals of Physics 298 (1): 167–85. DOI:10.1006/aphy.2002.6233. Bibcode:2002AnPhy.298..167L.
  29. Taylor EF Spacetime Physics. — W. H. Freeman, 1992. — P. 74–5. — ISBN 0-7167-2327-1
  30. Tolman RC Velocities greater than that of light // The Theory of the Relativity of Motion. — Reprint. — BiblioLife, 2009. — P. 54. — ISBN 978-1-103-17233-7
  31. Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках. — издание третье, расширенное. — М.: МЦНМО, 2001. — С. 105-108. — ISBN 5-900916-83-9
  32. Evenson K. M., Wells J. S., Petersen F. R., Danielson B. L., Day G. W. Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 1972. — Vol. 29. — № 19. — P. 1346-1349. — DOI:10.1103/PhysRevLett.29.1346
  33. Указанное число представляет собой утроенное стандартное отклонение.
  34. 1 2 Рекомендованное значение скорости света  (англ.) Резолюция 2 XV Генеральной конференции по мерам и весам (1975)
  35. Определение метра (англ.) Резолюция 1 XVII Генеральной конференции по мерам и весам (1983)
  36. И. Иванов. Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности. Элементы.ру.
  37. Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus
  38. OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso
  39. OPERA Collaboration (Adam T. et al.) (2011), "Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam", arΧiv:1109.4897  .
  40. И.Иванов. Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино. Элементы.ру, 23 сентября 2011 года.
  41. Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam.
  42. Эйнштейн оказался прав.
  43. Эксперимент OPERA окончательно «закрыл» сверхсветовые нейтрино.

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]