Швидкість світла

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Швидкість світла — фізичний термін, який використовується у двох, пов'язаних між собою, але концептуально різних значеннях. Перш за все швидкість світла — фундаментальна фізична стала, швидкість розповсюдження електромагнітної взаємодії у вакуумі. Інше значення — швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль, включно із світлом, у певному середовищі.

Швидкість світла як фундаментальна фізична стала[ред.ред. код]

Фундаментальна фізична стала швидкість світла позначається літерою  c (від лат. celeritas) і в міжнародній системі одиниць СІ її визначено резолюцією 1 17-ої Генеральної конференції мір і ваг[1]:

c = 299 792 458 м/с.

Це єдина фізична стала в основних рівняннях електродинаміки. Вона не залежить від системи відліку, тобто однакова для будь-якого спостерігача незалежно від швидкості, з якою цей спостерігач рухається. Це твердження є основним постулатом теорії відносності Ейнштейна.

Відповідно до теорії відносності ніяка інформація не може бути передана зі швидкістю, яка перевищувала б швидкість світла. Якщо це не так, то існуватиме така система відліку, в якій інформацію буде отримано раніше, ніж вона надіслана.

Оскільки швидкість світла — фундаментальна і незалежна від спостерігача величина, то її значення можна застосувати для побудови системи фізичних одиниць. Наприклад, можна обрати систему одиниць таким чином, щоб швидкість світла в ній дорівнювала одиниці. Такі системи одиниць називають природними і вони застосовуються в теоретичній фізиці. Проте природні системи дуже незручні на практиці. Тому, оскільки швидкість має розмірність довжини, поділеної на час, можна покласти її рівною певному значенню, близькому до експериментально виміряного з застосуванням традиційних одиниць довжини й часу — метра й секунди, а потім зафіксувати це значення. Таким чином, швидкість світла отримала наведене вище значення. Надалі вона не буде визначатись з експерименту. Її фіксоване значення тепер слугуватиме для дослідного визначення одиниць довжини.

Швидкість світла в середовищі[ред.ред. код]

Заломлення світла

У середовищі швидкість світла, тобто швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль, змінюється через процеси поляризації атомів та молекул речовини. Відношення швидкості світла в середовищі й у вакуумі називають абсолютним показником заломлення  n у цьому середовищі

n=\frac{\sin \alpha}{\sin \beta}=\frac{c}{c_m},

де cm — швидкість світла в середовищі.

Для електромагнітних хвиль із різною частотою показник заломлення різний. Це явище називається дисперсією світла. Розрізняють фазову швидкість світла, яка визначається показником заломлення, і групову швидкість.

Фазова швидкість світла характеризує зв'язок між довжиною хвилі й частотою. Вона визначається для необмежених у просторі плоских хвиль, які не можуть переносити інформацію. Фазова швидкість може перевищувати швидкість світла у вакуумі. При цьому принцип причинності не порушується.

Групова швидкість світла в середовищі характеризує процес розповсюдження хвильового пакету, яким може передаватися інформація. Групова швидкість завжди менша за швидкість світла у вакуумі, задовільняючи принцип причинності.

Фундаментальна роль у фізиці[ред.ред. код]

γ starts at 1 when v equals zero and stays nearly constant for small v's, then it sharply curves upwards and has a vertical asymptote, diverging to positive infinity as v approaches c.
Фактор Лоренца (Лоренц-фактор) γ як функція швидкості. Він зростає від 1 (для нульової швидкості) до нескінченності (із наближенням v до c).

Швидкість, із якою світлові хвилі поширюються у вакуумі, не залежить ні від руху джерела хвиль, ні від системи відліку спостерігача[Прим. 1]. Ейнштейн постулював таку інваріантність швидкості світла 1905 року[2]. Він дійшов цього висновку виходячи з теорії електромагнетизму Максвелла та відсутності доказів існування світлоносного ефіру[3]. Відтоді інваріантність швидкості світла незмінно підтверджується безліччю експериментів. Існує можливість перевірити експериментально лише те, що швидкість світла в «двосторонньому» експерименті (наприклад, від джерела до дзеркала і назад) є незалежною від системи відліку, оскільки неможливо виміряти швидкість світла в один бік (наприклад, від джерела до віддаленого приймача) без додаткових домовленостей щодо того, як синхронізувати годинники джерела та приймача. Однак, якщо застосувати для цього синхронізацію Ейнштейна, одностороння швидкість світла стає рівною двосторонній за визначенням[4][5]. Спеціальна теорія відносності досліджує наслідки цієї інваріантності с у припущенні, що закони фізики однакові в усіх інерційних системах відліку[6][7]. Одним із наслідків є те, що c—це та швидкість, з якою мають рухатись у вакуумі всі безмасові частинки та хвилі (зокрема, і світло).

Спеціальна теорія відносності має багато експериментально перевірених наслідків, які суперечать інтуїції[8]. Такі наслідки включають: еквівалентність маси та енергії (E_0 = mc^2), скорочення довжини (скорочення об'єктів під час руху) [Прим. 2] та уповільнення часу (рухомий годинник іде повільніше). Коефіцієнт γ, на який скорочується довжина та уповільнюється час, відомий як фактор Лоренца (Лоренц-фактор) \gamma = \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}, де V - швидкість об'єкта. Для швидкостей набагато менших, ніж c (наприклад, для швидкостей, з якими ми маємо справу повсякдень) різниця між γ та 1 настільки мала, що нею можна знехтувати. У цьому випадку спеціальна теорія відносності добре апроксимується відносністю Галілея. Але на релятивістських швидкостях різниця збільшується та наближається до нескінченності із наближенням V до с.

Об'єднання результатів спеціальної теорії відносності потребує виконання двох умов: (1) простір та час є єдиною структурою, відомою як простір-час (де c пов'язує одиниці виміру простору та часу), та (2) фізичні закони задовольняють вимогам особливої симетрії, яка має назву інваріантність Лоренца (Лоренц-інваріантність), формула якої містить параметр с.[11]. Інваріантність Лоренца є майже універсальним припущенням сучасних фізичних теорій, таких як квантова електродинаміка, квантова хромодинаміка, стандартна модель фізики елементарних частинок та загальна теорія відносності. Таким чином, параметр с наявний повсюди в сучасній фізиці та з'являється в багатьох контекстах, які не мають стосунку власне до світла. Наприклад, загальна теорія відносності передбачає, що гравітація та гравітаційні хвилі розповсюджуються зі швидкістю c[12][13]. У неінерційних системах відліку (у гравітаційно викривленому просторі або в системах відліку, що рухаються з прискоренням), локальна швидкість світла також є постійною та дорівнює c, проте швидкість світла вздовж траєкторії скінченної довжини може відрізнятись від c залежно від того, як визначено простір та час[14].

Вважається, що фундаментальні константи, такі як c, мають однакове значення в усьому просторі-часі, тобто, вони не залежать від місця та не змінюються з часом. Однак, деякі теорії припускають, що швидкість світла може змінюватись із часом[15][16]. Наразі немає переконливих доказів таких змін, але вони залишаються предметом досліджень[17][18].

Крім того, вважається, що швидкість світла ізотропна, тобто, не залежить він напрямку його поширення. Спостереження за випромінюванням ядерних енергетичних переходів як функції від орієнтації ядер у магнітному полі (експеримент Гугса—Древера, англ. Hughes—Drever), а також обертових оптичних резонаторів (експеримент Майкельсона—Морлі), наклали жорсткі обмеження на можливість існування двосторонньої анізотропії[19][20].

Верхня межа швидкості[ред.ред. код]

Згідно зі спеціальною теорією відносності, енергія об'єкту з масою спокою m та швидкістю v дорівнює γmc2, де γ – визначений вище фактор Лоренца. Коли v дорівнює нулю γ дорівнює одиниці, що призводить до відомої формули еквівалентності маси та енергії E = mc2. Оскільки фактор γ наближається до нескінченності із наближенням v до  c, прискорення масивного об'єкта до швидкості світла потребуватиме нескінченної енергії. Швидкість світла — це верхня межа швидкості для об'єктів із масою спокою. Це експериментально встановлено в багатьох тестах релятивістської енергії та імпульсу[21].

""
Подія A передує події B у червоній системі відліку (СВ), одночасна з B у зеленій СВ та відбувається після B у синій СВ.

Взагалі, інформація або енергія не може передаватися швидше, ніж c. Один з аргументів на користь цього випливає з контр-інтуітивного висновку спеціальної теорії відносності, відомого як відносність одночасності. Якщо просторова відстань між двома подіями А та В більша, ніж проміжок часу між ними помножений на c, то існують системи відліку, в яких А передує B, та інші, в яких B передує А, а також такі, в яких події А та B одночасні. В результаті, якщо об'єкт рухався б швидше ніж c відносно деякої інерційної системи відліку, то в іншій системі відліку він би подорожував назад у часі, та принцип причинності було б порушено. [Прим. 3][23]. У такій системі відліку «наслідок» можна було б спостерігати раніше його «першопричини». Таке порушення причинності ніколи не спостерігалося[5]. Воно також може призводити до парадоксів, таких як тахіонний антителефон[24].

Методи визначення швидкості світла[ред.ред. код]

Історія вимірювань c (в км/с)
1675 Ремер та Гюйгенс, затемнення супутників Юпітера 220 000[25][26]
1729 Джеймс Бредлі,
аберація світла
301 000[27]
1849 Іпполіт Фізо, зубчасте колесо 315 000[27]
1862 Леон Фуко, обертання дзеркала 298 000±500[27]
1907 Роза і Дорсі, сталі електромагнетизму 299 710±30[28][29]
1926 Альберт Майкельсон, обертання дзеркала 299 796±4[30]
1950 Ессен і Гордон-Сміт, резонатор 299 792.5±3.0[31]
1958 К. Д. Фроом, радіо-інтерферометрія 299 792.50±0.10[32]
1972 Евенсон та ін., лазерна інтерферометрія 299 792.4562±0.0011[33]
1983 17-та ГКМВ, означення метра 299 792.458 (рівно)[1]

Традиційні методи, які застосовуються для визначення швидкості світла, ґрунтуються на вимірюванні часу, протягом якого світло долає певний шлях. Однак із більшою точністю можна визначити швидкість світла з інших вимірювань: вимірювання співвідношення між величинами, зв'язок між якими визначається константою c. Прикладом таких вимірювань є незалежне визначення частоти та довжини хвилі певного випромінювання.

Досліди з визначення швидкості світла робив ще Галілео Галілей. Піднявшись із своїм учнем на вершини сусідніх гір, вони обмінювалися сигналами ліхтарів, визначаючи час затримки між надсиланням та отриманням сигналу. Потім цей дослід повторювали для більшої відстані між горами, щоб відняти час реакції людини. Галілей дійшов висновку, що швидкість світла набагато більша за можливості такого методу вимірювання.

Історично першу оцінку швидкості світла зробив Оле Ремер 1675 року. Ремер спостерігав затемнення супутників Юпітера й зауважив, що вони відбуваються не зовсім регулярно. За його спостереженнями відхилення досягало 22 хвилин від розрахункового. Зміни в ритмі затемнень відбувалися із певною закономірністю. У міру того як Земля (у її русі орбітою навколо Сонця) наближалась до Юпітера, затемнення Іо наставали все раніше й раніше очікуваного моменту, а з віддаленням Землі вони наставали дедалі пізніше. Ремер припустив, що така нерегулярність зумовлена різницею у відстані між Юпітером і Землею, а отже, зміною проміжку часу, який потрібен світлу, щоб досягнути Землі. 22 хвилини — це час, який потрібен світлу, щоб подолати відстань, яка дорівнює діаметру орбіти Землі. З урахуванням оцінки розмірів земної орбіти на той час, Ремер обчислив, що швидкість світла становить 214 тис. км/с. Таким чином, вперше вдалося отримати значення швидкості світла з непоганою точністю, а розбіжність із сучасними даними пояснюється похибкою в обчисленні часу затемнень — насправді затримка становить 17 хвилин. Принциповим для подальшого розвитку фізики стало не чисельне значення швидкості, а експериментальне підтвердження того, що швидкість світла скінченна.

Тахіони[ред.ред. код]

Докладніше: Тахіони

Жодне тіло не може подолати бар'єр швидкості світла. Однак теоретично можливе існування частинок, які завжди рухаються з надсвітловою швидкістю. Такі частинки не могли б зменшити свою швидкість до досвітлової. З іншого боку, вони не можуть брати участь у передачі інформації, бо інакше порушився б принцип причинності. Ці гіпотетичні частинки отримали назву тахіонів.

Цікаві факти[ред.ред. код]

Донедавна найменша офіційно зареєстрована швидкість світла була трохи більшою за 60 км/год — із такою швидкістю світло рухається крізь натрій за температури —272 °C[34].

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Однак, частота світла залежить від руху джерела світла відносно спостерігача, завдяки Ефекту Доплера
  2. У той час як рухомі виміри об'єктів виявляються коротшими по лінії відносного руху, вони також виглядають як начебто їх повертають. Цей ефект, відомий як обертання Террелла, пов'язаний із різницею в часі, який потрібен світлу від різних частин об'єкта для того, щоб досягти спостерігача[9][10]
  3. Вважається, що ефект Шарнхорста не дозволяє сигналам поширюватись швидше ніж  c, але особливі умови, за яких ефект може виникати, заважають застосувати цей ефект для порушення принципу причинності[22]

Посилання[ред.ред. код]

  1. а б «Resolution 1 of the 17th CGPM». BIPM. 1983. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2009-08-23. 
  2. Stachel, JJ (2002). Einstein from "B" to "Z" – Volume 9 of Einstein studies. Springer. с. 226. ISBN 0-8176-4143-2. 
  3. Einstein, A (1905). «Zur Elektrodynamik bewegter Körper». Annalen der Physik (German) 17. с. 890–921. doi:10.1002/andp.19053221004.  English translation: Perrett, W; Jeffery, GB (tr.); Walker, J (ed.). «On the Electrodynamics of Moving Bodies». Fourmilab. Архів оригіналу за 2013-02-01. Процитовано 2009-11-27. 
  4. Hsu, J-P; Zhang, YZ (2001). Lorentz and Poincaré Invariance. Advanced Series on Theoretical Physical Science 8. World Scientific. с. 543ff. ISBN 981-02-4721-4. 
  5. а б Zhang, YZ (1997). Special Relativity and Its Experimental Foundations. Advanced Series on Theoretical Physical Science 4. World Scientific. с. 172–3. ISBN 981-02-2749-3. 
  6. d'Inverno, R (1992). Introducing Einstein's Relativity. Oxford University Press. с. 19–20. ISBN 0-19-859686-3. 
  7. Sriranjan, B (2004). «Postulates of the special theory of relativity and their consequences». The Special Theory to Relativity. PHI Learning. с. 20 ff. ISBN 81-203-1963-X. 
  8. Roberts, T; Schleif, S; Dlugosz, JM (ed.) (2007). «What is the experimental basis of Special Relativity?». Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Архів оригіналу за 2013-02-01. Процитовано 2009-11-27. 
  9. Terrell, J (1959). «Invisibility of the Lorentz Contraction». Physical Review 116 (4). с. 1041–5. Bibcode:1959PhRv..116.1041T. doi:10.1103/PhysRev.116.1041. 
  10. Penrose, R (1959). «The Apparent Shape of a Relativistically Moving Sphere». Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 55 (01). с. 137–9. Bibcode:1959PCPS...55..137P. doi:10.1017/S0305004100033776. 
  11. Hartle, JB (2003). Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity. Addison-Wesley. с. 52–9. ISBN 981-02-2749-3. 
  12. Hartle, JB (2003). Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity. Addison-Wesley. с. 332. ISBN 981-02-2749-3. 
  13. 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; seeSchäfer, G; Brügmann, MH (2008). «Propagation 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’». У Dittus, H; Lämmerzahl, C; Turyshev, SG. Lasers, clocks and drag-free control: Exploration of relativistic gravity in space. Springer. ISBN 3-540-34376-8. 
  14. Gibbs, P (1997) [1996]. «Is The Speed of Light Constant?». У Carlip, S. Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Архів оригіналу за 2009-11-17. Процитовано 2009-11-26. 
  15. Ellis, GFR; Uzan, J-P (2005). «‘c’ is the speed of light, isn’t it?». American Journal of Physics 73 (3). с. 240–7. arXiv:gr-qc/0305099. Bibcode:2005AmJPh..73..240E. doi:10.1119/1.1819929. «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.» 
  16. An overview can be found in the dissertation of Шаблон:Cite arxiv
  17. Uzan, J-P (2003). «The fundamental constants and their variation: observational status and theoretical motivations». Reviews of Modern Physics 75 (2). с. 403. arXiv:hep-ph/0205340. Bibcode:2003RvMP...75..403U. doi:10.1103/RevModPhys.75.403. 
  18. Шаблон:Cite arxiv
  19. Herrmann, S та ін. (2009). «Rotating optical cavity experiment testing Lorentz invariance at the 10−17 level». Physical Review D 80 (100). с. 105011. arXiv:1002.1284. Bibcode:2009PhRvD..80j5011H. doi:10.1103/PhysRevD.80.105011. 
  20. Lang, KR (1999). Astrophysical formulae (вид. 3rd). Birkhäuser. с. 152. ISBN 3-540-29692-1. 
  21. Fowler, M (March 2008). «Notes on Special Relativity». University of Virginia. с. 56. Архів оригіналу за 2013-02-01. Процитовано 2010-05-07. 
  22. Liberati, S; Sonego, S; Visser, M (2002). «Faster-than-c signals, special relativity, and causality». Annals of Physics 298 (1). с. 167–85. arXiv:gr-qc/0107091. Bibcode:2002AnPhy.298..167L. doi:10.1006/aphy.2002.6233. 
  23. Taylor, EF; Wheeler, JA (1992). Spacetime Physics. W. H. Freeman. с. 74–5. ISBN 0-7167-2327-1. 
  24. Tolman, RC (2009) [1917]. «Velocities greater than that of light». The Theory of the Relativity of Motion (вид. Reprint). BiblioLife. с. 54. ISBN 978-1-103-17233-7. 
  25. «Touchant le mouvement de la lumiere trouvé par M. Rŏmer de l'Académie Royale des Sciences». Journal des sçavans (French). 1676. с. 233–36. 
  26. Huygens, C (1690). Traitée de la Lumière (French). Pierre van der Aa. с. 8–9. 
  27. а б в Gibbs, P (1997). «How is the speed of light measured?». Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2010-01-13. 
  28. Essen, L; Gordon-Smith, AC (1948). «The Velocity of Propagation of Electromagnetic Waves Derived from the Resonant Frequencies of a Cylindrical Cavity Resonator». Proceedings of the Royal Society of London A 194 (1038). с. 348–361. Bibcode:1948RSPSA.194..348E. doi:10.1098/rspa.1948.0085. Шаблон:JSTOR. 
  29. Rosa, EB; Dorsey, NE (1907). «The Ratio of the Electromagnetic and Electrostatic Units». Bulletin of the Bureau of Standards 3. с. 433. doi:10.1103/PhysRevSeriesI.22.367. 
  30. doi:10.1086/143021
    This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
  31. Essen, L (1950). «The Velocity of Propagation of Electromagnetic Waves Derived from the Resonant Frequencies of a Cylindrical Cavity Resonator». Proceedings of the Royal Society of London A 204 (1077). с. 260–277. Bibcode:1950RSPSA.204..260E. doi:10.1098/rspa.1950.0172. Шаблон:JSTOR. 
  32. Froome, KD (1958). «A New Determination of the Free-Space Velocity of Electromagnetic Waves». Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 247 (1248) (The Royal Society). с. 109–122. doi:10.1098/rspa.1958.0172. Шаблон:Jstor. 
  33. Evenson, KM; et al. (1972). «Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser». Physical Review Letters 29. с. 1346–49. doi:10.1103/PhysRevLett.29.1346. 
  34. Light speed reduction to 17 m/c in an ultracold atomic gas.


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.