Что такое скорость света и как ее измеряют

Что такое скорость света

Скорость света — это предельная скорость, с которой свет и другие электромагнитные волны распространяются в пространстве. В вакууме она составляет 299 792 458 м/с. Это означает, что за одну секунду световой луч мог бы пролететь расстояние, равное семи с половиной окружностям Земли по экватору. Для удобства это значение округляют до 300 тыс. км/с. [1]

Скорость света имеет тесную связь с другими важными величинами. Все современные физические теории — от уравнений Максвелла, описывающих электромагнитные поля, до общей теории относительности Эйнштейна — опираются на скорость света в вакууме как на константу. Даже величина метра определяется именно через это значение. [2]

Раньше метр измеряли физическим эталоном — металлической линейкой, хранящейся в Международном бюро мер и весов. Но в 1983 году было решено: метр — это то расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 4581 секунды. [3] А с помощью некоторых замысловатых уравнений с ее помощью можно определить килограмм и температуру по Кельвину. [4] Таким образом, скорость света не измеряют: ее саму используют как эталон и делают расчеты относительно нее.

Можно ли двигаться быстрее скорости света

Специальная теория относительности, которую Эйнштейн открыл в 1905 году, объединила энергию, материю и скорость света в известном уравнении: E = mc^2. Согласно этой теории, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света. Дело в том, что по мере того, как материя приближается к скорости света, ее масса становится больше. Она стремится к бесконечности, как и энергия, необходимая для ее передвижения. Но это не значит, что скорость света слишком далека от наших возможностей: ученые ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям, CERN) разгоняют протоны в Большом адронном коллайдере до скорости 299 792 455 м/c, что всего на 3 м/с уступает скорости света с невесомыми фотонами. [5]

Правда, теоретически мы можем иметь дело с частицей, которая не имеет массы и не взаимодействует ни с какими другими материями, — эти гипотетические частицы называют тахионами. [6] Безмассовые материи могут превысить скорость света, а мы можем стать свидетелями фантастического сюжета о путешествиях во времени.

Социальная экономика Что такое время и почему о нем спорят ученые

Свет далеких планет

Невозможность превысить скорость света создает серьезное препятствие для путешествий не только во времени, но и по Вселенной. Космические объекты расположены слишком далеко от Земли — лишь до малой их части человек может долететь за свою жизнь. Но именно благодаря постоянной скорости света мы можем видеть звезды и планеты такими, какими они были миллионы лет назад.

Когда астрономы изучают космические объекты, они видят их не в реальном времени, а какими они были, когда свет их покинул. Этот принцип позволяет ученым увидеть Вселенную такой, какой она была, например, вскоре после Большого Взрыва около 13,8 млрд лет назад. Объекты, находящиеся на расстоянии 10 млрд световых лет от нас, астронавты видят такими, какими они выглядели задолго до появления первого живого существа на Земле.

Чему равна скорость света

В зависимости от среды и ее плотности скорость света меняется. И если в воздухе она лишь слегка меньше, чем в вакууме, то, например, через алмаз свет проходит почти в 2,5 раза медленнее. Чем больше оптическая плотность среды, тем меньше скорость распространения света. Свет изгибается при контакте с частицами, что приводит к уменьшению его скорости.

Важным показателем в таком случае служит показатель преломления среды. Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости распространения света в среде.

Абсолютный показатель преломления среды [9]:

n = c/v

n — показатель преломления среды

с — скорость света

v — скорость света в заданной среде

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете и из Стэнфордского университета смогла создать такую среду, в которой скорость света замедлилась до 17 м/с. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии бозе-эйнштейновского конденсата — оно возникает при очень низких температурах, почти равных абсолютному нулю (−273,15°C). [10]

Обычно в вакууме свет движется с постоянной скоростью, но в 2015 году шотландские ученые смогли замедлить частицу света — одиночный фотон. Разница в пути между замедленным и «обычным» фотоном была крошечной, всего несколько миллионных долей метра, но эксперимент показал: в особых условиях свет в вакууме может двигаться чуть медленнее официального значения 300 тыс. км/ч. [11]

Как измеряли скорость света

Галилео Галилей

В середине 1600-х годов итальянский астроном Галилео Галилей поместил двух человек на холмы, расстояние между которыми составляло около 1,5 км. По хорошо выверенным часам они должны были засечь, как быстро свет от одного достигает другого и отражается от него. Но экспериментального расстояния Галилея было недостаточно для того, чтобы его участники могли зафиксировать скорость света. Он мог только заключить, что свет движется как минимум в десять раз быстрее звука. [12]

Неудачные опыты Галилео Галилея. Два наблюдателя А и В находятся на расстоянии l друг от друга и по часам должны определить, за какое время t свет от одного наблюдателя достигнет другого по формуле c=l/t, где c — скорость света (Фото: Научная библиотека)

Оле Ремер

В 1676 году датский астроном Оле Ремер изучал, как происходит затмение спутника Юпитера Ио. Ученый заметил, что они случаются чуть раньше или чуть позже в зависимости от того, на каком расстоянии Земля находится от Юпитера. Ремер связал это с тем, что свету нужно время, чтобы пройти дополнительное расстояние. Из этого он сделал вывод: свет движется с определенной скоростью, а не мгновенно при любых условиях, и даже смог рассчитать ее численно — у него вышло около 220 тыс. км/с. [13]

Джеймс Брэдли

В 1727 году английский физик Джеймс Брэдли измерил звездную аберрацию — ежегодное смещение видимых положений звезд. По этим наблюдениям он оценил скорость света в 295 тыс. км/с и определил, что солнечный свет достигает Земли за 8 минут 13 секунд. [14]

Кто определил скорость света

Физо и Фуко

В 1849 году Ипполит Физо измерил скорость света, направив его через зубчатое колесо к зеркалу на расстоянии 8,63 км, и получил 313 300 км/с. [15] В 1862 году Леон Фуко повторил опыт с вращающимся зеркалом и определил значение 298 тыс. км/с с погрешностью 500 км/с. [16]

Ипполит Физо (слева) и Леон Фуко (Фото: Википедия)

Альберт А. Майкельсон

Альберт Майкельсон, уроженец Польши, в 1879 году усовершенствовал метод Фуко, увеличив расстояние между зеркалами и применив более качественные оптические элементы. Он получил результат 299 910 км/с, который оставался самым точным 40 лет. Позже он повторял измерения: сначала между горными вершинами, затем в 1931 году — в 1,5-километровой вакуумной трубе. Итоговое значение 299 796 км/с оказалось лишь немного ниже современного, более точного — 299 792,458 км/с. [17]

Майкельсон рядом с гофрированной стальной трубой, с помощью которой он измерил наиболее точное значение скорости света (Фото: Space.com)

Экономика инноваций Наука в объективе: 11 фотографий, сделанных учеными

Итоговое значение

Дальнейший прогресс в изучении скорости света был связан с появлением лазеров с высокой стабильностью частоты излучения. Они позволили определять скорость света и одновременно измерять длину волн и частоту их излучения. В начале 1970-х годов погрешность измерений скорости света приблизилась к 1 м/с и итоговое значение скорости света составило 299 792 458 м/с. [18]

Скорость света и скорость звука

Когда говорят о чем-то очень быстром, часто упоминают скорость звука и скорость света, например «сверхзвуковой самолет» или «промчался со скоростью света». Но одинаково ли быстры эти скорости?

Звук почти в миллион раз медленнее света. Как и скорость света, скорость звука зависит от плотности среды, в которой он распространяется. Но если более плотная среда препятствует свету, то звук в ней, наоборот, ускоряется.

Звук представляет собой волновые колебания любой материальной среды, а значит, может распространяться в газах, жидкостях, твердых телах, но только не в вакууме.

Принято считать, что средняя скорость звука равна 331 м/с. [19] Но этот показатель применим исключительно к воздушной среде и температуре 0 градусов по Цельсию. А вот под водой средняя скорость звука составит уже 1500 м/с — это примерно 15 футбольных полей, пройденных из конца в конец за секунду. [20] Вода плотнее, чем воздух, поэтому и скорость распространения колебаний в ней выше. В более разреженной среде звук будет передаваться медленнее, пока не упадет до 0 км/ч в вакууме, в то время как именно в вакууме свет достигает своего максимального значения.