Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой). Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.

Содержание

Числовое значение, обозначения и единицы измерения

Какая скорость света и как ее вообще измерили

Скорость света в вакууме обычно обозначается строчной буквой c , что означает « постоянная» или латинское celeritas (что означает «быстрота, быстрота»). В 1856 году Вильгельм Эдуард Вебер и Рудольф Кольрауш использовали c для другой постоянной, которая, как позже было показано, равна √ 2 скорости света в вакууме. Исторически символ V использовался в качестве альтернативного символа скорости света, введенного Джеймсом Клерком Максвеллом в 1865 году. В 1894 году Пол Друде пересмотрел определение c в его современном значении. Эйнштейн использовал V в своих оригинальных немецкоязычных статьях по специальной теории относительности в 1905 году, но в 1907 году он переключился на c , которая к тому времени стала стандартным символом скорости света.

Иногда c используется для обозначения скорости волн в любой материальной среде, а c 0 — для скорости света в вакууме. Это индексируемое обозначение, которое одобрено в официальной литературе СИ, имеет ту же форму, что и другие связанные константы: а именно, μ 0 для проницаемости вакуума или магнитной постоянной, ε 0 для диэлектрической проницаемости или электрической постоянной вакуума и Z 0 для импеданса свободное место . В этой статье c используется исключительно для обозначения скорости света в вакууме.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

С 1983 года метр был определен в Международной системе единиц (СИ) как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1 /299 792 458 секунды. Это определение фиксирует скорость света в вакууме точно на 299 792 458  м / с . Как размерная физическая константа , численное значение c различно для разных систем единиц. В разделах физики, в которых часто встречается c , например, в теории относительности, обычно используются системы естественных единиц измерения или геометризованная система единиц, где c = 1 . При использовании этих единиц c не отображается явно, потому что умножение или деление на  1 не влияет на результат.

Фундаментальная роль в физике

Смотрите также: Специальная теория относительности и односторонняя скорость света

Скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит ни от движения источника волн, ни от инерциальной системы отсчета наблюдателя. Эта неизменность скорости света была постулирована Эйнштейном в 1905 году после того, как она была мотивирована теорией электромагнетизма Максвелла и отсутствием доказательств существования светоносного эфира ; с тех пор это постоянно подтверждается многими экспериментами. Можно только экспериментально проверить, что двусторонняя скорость света (например, от источника к зеркалу и обратно) не зависит от кадра, потому что невозможно измерить одностороннюю скорость света (например, , от источника к удаленному детектору) без каких-либо соглашений о том, как часы на источнике и на детекторе должны быть синхронизированы. Однако, приняв синхронизацию Эйнштейна для часов, односторонняя скорость света по определению становится равной двусторонней скорости света. Специальная теория относительности исследует последствия этой инвариантности с с предположением о том , что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Одним из следствий этого является то, что c — это скорость, с которой все безмассовые частицы и волны, включая свет, должны перемещаться в вакууме.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

Лоренц — фактор γ в зависимости от скорости. Он начинается с  1 и приближается к бесконечности, когда v приближается к  c .

Специальная теория относительности имеет много противоречивых и экспериментально проверенных следствий. К ним относятся эквивалентность массы и энергии ( E = mc 2 ) , сокращение длины (движущиеся объекты укорачиваются) и замедление времени (движущиеся часы идут медленнее). Коэффициент  γ, на который длина сокращается, а время увеличивается, известен как фактор Лоренца и определяется выражением γ = (1 — v 2 / c 2 ) −1/2 , где v — скорость объекта. Отличие γ от  1 незначительно для скоростей, намного меньших, чем  c , таких как большинство обычных скоростей — и в этом случае специальная теория относительности близко аппроксимируется теорией относительности Галилея — но она увеличивается при релятивистских скоростях и расходится до бесконечности, когда v приближается к c . Например, коэффициент замедления времени γ  = 2 возникает при относительной скорости 86,6% скорости света ( v  = 0,866  c ). Точно так же коэффициент замедления времени γ  = 10 возникает при v  = 99,5%  c .

Результаты специальной теории относительности можно суммировать, рассматривая пространство и время как единую структуру, известную как пространство-время (где  c связывает единицы пространства и времени), и требуя, чтобы физические теории удовлетворяли специальной симметрии, называемой лоренц-инвариантностью , математическая формулировка которой содержит параметр  c . Лоренц — инвариантность является почти универсальным допущением для современных физических теорий, таких как квантовая электродинамика , квантовая хромодинамика , в Стандартной модели в физике элементарных частиц и общей теории относительности . Таким образом, параметр  c широко используется в современной физике, появляясь во многих контекстах, не связанных со светом. Например, общая теория относительности предсказывает, что  c — это также скорость гравитации и гравитационных волн . В неинерциальных системах отсчета (гравитационно искривленное пространство-время или ускоренные системы отсчета ) местная скорость света постоянна и равна  c , но скорость света по траектории конечной длины может отличаться от  c , в зависимости от того, как расстояния и времена определены.

Обычно предполагается, что фундаментальные константы, такие как  c, имеют одинаковое значение в пространстве-времени, что означает, что они не зависят от местоположения и не меняются со временем. Однако в различных теориях предполагалось, что скорость света могла со временем измениться . Не было найдено убедительных доказательств таких изменений, но они остаются предметом текущих исследований.

Также обычно предполагается, что скорость света изотропна , что означает, что она имеет одно и то же значение независимо от направления, в котором она измеряется. Наблюдения за излучением ядерных уровней энергии в зависимости от ориентации излучающих ядер в магнитном поле (см. Эксперимент Хьюза-Древера ) и вращающихся оптических резонаторов (см. Эксперименты с резонаторами ) наложили строгие ограничения на возможные двусторонние анизотропия .

Верхний предел скорости

Согласно специальной теории относительности, энергия объекта с массой покоя m и скоростью v определяется выражением γmc 2 , где γ — коэффициент Лоренца, определенный выше. Когда v равно нулю, γ равно единице, что дает начало знаменитой формуле E = mc 2 для эквивалентности массы и энергии . Коэффициент γ приближается к бесконечности, когда v приближается к  c , и потребуется бесконечное количество энергии, чтобы разогнать объект с массой до скорости света. Скорость света — это верхний предел скорости объектов с положительной массой покоя, и отдельные фотоны не могут двигаться быстрее скорости света. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса .

Какая скорость света и как ее вообще измерили

Событие A предшествует B в красной рамке, одновременно с B в зеленой рамке и следует за B в синей рамке.

В более общем смысле, сигналы или энергия не могут двигаться быстрее, чем  c . Один из аргументов в пользу этого следует из нелогичного вывода специальной теории относительности, известной как относительность одновременности . Если пространственное расстояние между двумя событиями A и B больше, чем временной интервал между ними, умноженный на  c, тогда есть системы отсчета, в которых A предшествует B, другие, в которых B предшествует A, и другие, в которых они одновременны. В результате, если бы что-то двигалось быстрее, чем  c, относительно инерциальной системы отсчета, оно двигалось бы назад во времени относительно другой системы отсчета, и причинность была бы нарушена. В такой системе отсчета «следствие» может наблюдаться раньше его «причины». Такое нарушение причинности никогда не регистрировалось и привело бы к таким парадоксам , как тахионный антителефон .

Наблюдения и эксперименты со сверхсветовой скоростью

Бывают ситуации, в которых может показаться, что материя, энергия или несущий информацию сигнал движутся со скоростью больше  c , но это не так. Например, как обсуждается ниже при распространении света в разделе среды , многие скорости волны могут превышать  c . Так , например, фазовая скорость от рентгеновских лучей через большинство стекол может обычно превышать C , но фазовая скорость не определяет скорость , с которой волны передают информацию.

Если лазерный луч быстро проходит через удаленный объект, пятно света может двигаться быстрее, чем  c , хотя первоначальное движение пятна задерживается из-за времени, которое требуется свету, чтобы добраться до удаленного объекта со скоростью  c . Однако единственные движущиеся физические объекты — это лазер и излучаемый им свет, который движется со скоростью  c от лазера к различным положениям пятна. Точно так же тень, проецируемая на удаленный объект, может двигаться быстрее, чем  c , после задержки во времени. Ни в том, ни в другом случае материя, энергия или информация не движутся быстрее света.

Скорость изменения расстояния между двумя объектами в системе отсчета, относительно которой оба движутся (их скорость приближения ), может иметь значение, превышающее  c . Однако это не отражает скорость какого-либо отдельного объекта, измеренную в одном инерциальном кадре.

Некоторые квантовые эффекты передаются мгновенно и, следовательно, быстрее, чем c , как в парадоксе ЭПР . Пример включает квантовые состояния двух частиц, которые могут быть запутаны . Пока одна из частиц не будет обнаружена, они существуют в суперпозиции двух квантовых состояний. Если частицы разделены и наблюдается квантовое состояние одной частицы, квантовое состояние другой частицы определяется мгновенно. Однако невозможно контролировать, какое квантовое состояние примет первая частица при ее наблюдении, поэтому информация не может быть передана таким образом.

Другой квантовый эффект, который предсказывает возникновение скоростей, превышающих скорость света, называется эффектом Хартмана : при определенных условиях время, необходимое виртуальной частице для туннелирования через барьер, постоянно, независимо от толщины барьера. Это может привести к тому, что виртуальная частица пересечет большой промежуток быстрее света. Однако с помощью этого эффекта нельзя отправлять информацию.

Так называемое сверхсветовой движение наблюдается в некоторых астрономических объектов, таких как релятивистские струи из радиогалактиках и квазаров . Однако эти струи не движутся со скоростью, превышающей скорость света: кажущееся сверхсветовое движение — это эффект проекции, вызванный объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, и приближающимися к Земле под небольшим углом к ​​лучу зрения: поскольку свет который был испущен, когда струя находилась дальше, потребовалось больше времени, чтобы достичь Земли, время между двумя последовательными наблюдениями соответствует большему времени между моментами испускания световых лучей.

В моделях расширяющейся Вселенной чем дальше галактики находятся друг от друга, тем быстрее они расходятся. Это отступление происходит не из-за движения в пространстве, а скорее из-за расширения самого пространства . Например, галактики, далекие от Земли, кажутся удаляющимися от Земли со скоростью, пропорциональной их расстоянию. За пределами границы, называемой сферой Хаббла , скорость увеличения их расстояния от Земли становится больше, чем скорость света.

Распространение света

В классической физике свет описывается как разновидность электромагнитной волны . Классическое поведение электромагнитного поля описывается уравнениями Максвелла , которые предсказывают, что скорость  c, с которой электромагнитные волны (такие как свет) распространяются в вакууме, связана с распределенной емкостью и индуктивностью вакуума, иначе, соответственно, известной как электрическая постоянная ε 0 и магнитной постоянной μ 0 уравнением c знак равно 1/ε0μ0.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

В современной квантовой физике электромагнитное поле описывается теорией квантовой электродинамики (КЭД). В этой теории свет описывается фундаментальными возбуждениями (или квантами) электромагнитного поля, называемыми фотонами . В КЭД фотоны являются безмассовыми частицами и, следовательно, согласно специальной теории относительности, они движутся со скоростью света в вакууме.

Были рассмотрены расширения КЭД, в которых фотон имеет массу. В такой теории его скорость будет зависеть от его частоты, а инвариантная скорость  c специальной теории относительности будет тогда верхним пределом скорости света в вакууме. Никаких изменений скорости света в зависимости от частоты при тщательном тестировании не наблюдалось, что накладывает жесткие ограничения на массу фотона. Полученный предел зависит от используемой модели: если массивный фотон описывается теорией Прока , экспериментальная верхняя граница его массы составляет примерно 10 -57 граммов ; если масса фотона генерируется механизмом Хиггса , экспериментальный верхний предел менее точен, m ≤10 -14   2c эВ /   (примерно 2 × 10 -47  г).

Другой причиной того, что скорость света зависит от его частоты, может быть неприменимость специальной теории относительности к сколь угодно малым масштабам, как предсказывают некоторые предложенные теории квантовой гравитации . В 2009 году при наблюдении гамма-всплеска GRB 090510 не было обнаружено никаких доказательств зависимости скорости фотона от энергии, что подтверждает жесткие ограничения в конкретных моделях квантования пространства-времени на то, как на эту скорость влияет энергия фотона для энергий, приближающихся к планковскому масштабу .

В среде

В среде свет обычно не распространяется со скоростью, равной c ; более того, разные типы световых волн будут распространяться с разной скоростью. Скорость, с которой распространяются отдельные гребни и впадины плоской волны (волны, заполняющей все пространство, только с одной частотой ), называется фазовой скоростью  v p . Физический сигнал с конечной протяженностью (импульс света) распространяется с другой скоростью. Большая часть импульса проходит с групповой скоростью  v g , а его самая ранняя часть проходит со скоростью фронта  v f .

Синяя точка движется со скоростью ряби, фазовой скоростью; зеленая точка движется со скоростью огибающей, групповой скоростью; а красная точка движется со скоростью передней части импульса, скорости фронта.

Фазовая скорость важна для определения того, как световая волна распространяется через материал или от одного материала к другому. Его часто представляют в виде показателя преломления . Показатель преломления материала определяется как отношение c к фазовой скорости  v p в материале: большие показатели преломления указывают на более низкие скорости. Показатель преломления материала может зависеть от частоты света, интенсивности, поляризации или направления распространения; однако во многих случаях его можно рассматривать как константу, зависящую от материала. Показатель преломления воздуха составляет около 1,0003. Более плотные среды, такие как вода , стекло и алмаз , имеют показатели преломления около 1,3, 1,5 и 2,4 соответственно для видимого света. В экзотических материалах, таких как конденсаты Бозе – Эйнштейна, близкие к абсолютному нулю, эффективная скорость света может составлять всего несколько метров в секунду. Тем не менее, это представляет собой поглощение и переизлучение задержку между атомами, как это делают все медленнее чем- гр скорость материальных веществ. В качестве крайнего примера «замедления» света в веществе две независимые группы физиков заявили, что они «полностью остановили» свет, пропуская его через конденсат Бозе-Эйнштейна элемента рубидий . Однако популярное описание «остановки» света в этих экспериментах относится только к свету, который накапливается в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольно более позднее время, стимулированный вторым лазерным импульсом. За то время, когда он «остановился», он перестал светиться. Этот тип поведения обычно микроскопически верен для всех прозрачных сред, которые «замедляют» скорость света.

В прозрачных материалах показатель преломления обычно больше 1, что означает, что фазовая скорость меньше c . В других материалах показатель преломления может стать меньше  1 для некоторых частот; в некоторых экзотических материалах показатель преломления может даже стать отрицательным. Требование о том , причинности не нарушаются означает , что действительные и мнимые части по диэлектрической проницаемости из любого материала, соответствующие соответственно показатель преломления и к коэффициенту ослабления , связаны с отношениями крамерсов-Кронига . На практике это означает, что в материале с показателем преломления менее 1 поглощение волны настолько быстрое, что никакой сигнал не может быть отправлен быстрее, чем c .

Импульс с разными групповыми и фазовыми скоростями (который возникает, если фазовая скорость не одинакова для всех частот импульса) со временем размазывается — процесс, известный как дисперсия . Некоторые материалы имеют исключительно низкую (или даже нулевую) групповую скорость для световых волн — явление, называемое медленным светом , которое было подтверждено в различных экспериментах. Противоположное, групповые скорости, превышающие c , также было показано в эксперименте. Должна быть даже возможность, чтобы групповая скорость стала бесконечной или отрицательной, с импульсами, перемещающимися мгновенно или назад во времени.

Однако ни один из этих вариантов не позволяет передавать информацию быстрее, чем c . Невозможно передать информацию световым импульсом быстрее, чем скорость самой ранней части импульса ( скорость фронта ). Можно показать, что это (при определенных предположениях) всегда равно c .

Частица может перемещаться через среду быстрее, чем фазовая скорость света в этой среде (но все же медленнее, чем c ). Когда заряженная частица делает это в диэлектрическом материале, излучается электромагнитный эквивалент ударной волны , известный как черенковское излучение .

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.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

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.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

 

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.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

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.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

 

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.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

 

Формула для расчета скорости света

Эта формула подходит для расчета в вакууме.

Почему ничто не может преодолеть скорость света?

Какая скорость света и как ее вообще измерили

Если вы создадите или обнаружите объект, обладающий отличной от нуля массой или имеющий свойство каким-либо образом взаимодействовать с другими частицами, то вы изобретете машину времени. При этом ничего подобного в известном нам мире не наблюдалось ни разу. Упрощая научный язык, опишем ситуацию следующим образом:

Представим события X и Y, при этом событие X является причиной события Y, а Y, соответственно, является следствием X. Например, событие X — это вспышка сверхновой в далекой галактике, а Y — это регистрация ее частиц астрономами на Земле. Если расстояние между X и Y больше, чем время между ними (T), умноженное на скорость света (C), то в разных системах отсчета мы получим три разных результата:

1. Событие X произошло раньше события Y;
2. Событие Y произошло раньше события X;
3. События X и Y произошли одновременно.

Очевидно, что два последних варианта едва ли возможны с точки зрения современной науки, а значит ничто не может переместиться или передать информацию быстрее скорости света.

Впрочем, как насчет такой ситуации: вы берете очень мощный фонарик, направляете его на Марс, а в луче света двигаете палец — если вы делаете это достаточно быстро, то тень от вашего пальца «бегает» на поверхности Марса быстрее скорости света, что опровергает нашу теорию.

На самом деле, нет. Перемещение тени нельзя назвать перемещением объекта с массой, также как сама по себе тень ни с чем не взаимодействует, а является лишь отсутствием света. Фотоны же от вашего фонарика долетят до Марса с уже известной нам скоростью 299 792 458 метров в секунду.

Таблица перевода из Километров в час в Скорости света в вакууме

Километр в час Скорость света в вакууме

10 * 1095 * 101010 * 10102.5 * 10115 * 101110 * 10112.5 * 10125 * 1012
9.26646.32892.657231.642463.283926.5672 316.4174 632.835

Таблица перевода из Скоростей света в вакууме в Километры в час

Скорость света в вакууме Километр в час

15102550100250500
1.08 * 1095.4 * 1091.08 * 10102.7 * 10105.4 * 10101.08 * 10112.7 * 10115.4 * 1011

Как выглядит скорость света для самого света

Один из методов, который Эйнштейн использовал для формулирования своей специальной теории относительности, заключался в мысленной визуализации того, как Вселенная будет выглядеть с точки зрения фотона. Эйнштейн считал, что существование для фотона выглядело бы очень странно. Например, если бы вы были фотоном, время не имело бы для вас значения. Казалось бы, что все происходит мгновенно.

Проведём небольшой мысленный эксперимент. Действующие лица:

  1. Обычный фотон, зародившийся на поверхности звезды в другой галактике на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от Солнечной системы.
  2. Наблюдатель на Земле, который во что бы то ни стало хочет увидеть свет именно с этим фотоном.

Человеку на Земле придётся ждать ровно 4 миллиарда лет пока фотон долетит до его сетчатки. Для фотона же всё выглядит так: в одно мгновение он был создан, а в следующее он отражается или поглощается поверхностью глазного яблока. Фотон не пережил течения времени — его рождение и смерть произошли мгновенно.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

Скорость света можно воспринимать как «бесконечную скорость». Распространенное заблуждение — думать, что световая скорость такая же, как и любая другая конечная скорость. Скорость света конечна только с точки зрения наблюдателя; с точки зрения фотона она бесконечна. Если вы двигаетесь со скоростью, равной скорости света, вы можете отправиться куда угодно ровно за ноль секунд.

Ничто не может двигаться быстрее света, потому что скорость света можно рассматривать как бесконечную. Достичь или превзойти эту константу означало бы движение со скоростью бесконечно км/ч.

Скорость света наглядно

Ученые астрофизики в большинстве случаев лишены возможности проводить полноценные эксперименты в лабораториях, как это делают, например, биологи или химики, ввиду масштабов исследуемых процессов. При этом каждому астроному доступен самый большой полигон, на котором постоянно происходят грандиозные испытания — это вся обозримая Вселенная с квазарами, радиопульсарами, черными дырами и прочими любопытными объектами.

Однако самые интересные астрофизические открытия в наши дни выглядят как малопонятные сложные графики, а публика вынуждена довольствоваться обработанными снимками лишь нескольких инструментов, таких как телескоп имени Хаббла. Тем не менее, официальная наука нынче осознает важность медийной деятельности и всячески пытается визуализировать для обывателя процессы, которые невозможно просто представить в голове.

Например, сотрудник NASA Джеймс О’Донохью, продемонстрировал скорость света относительно нашей планеты (упразднив в своих расчетах влияние атмосферы) — луч света облетает Землю 7,5 раз всего за одну секунду, каждый раз преодолевая более 40 тысяч километров.

Расстояние до Луны составляет порядка 384 000 километров (в зависимости от текущего расположения объектов) и для его преодоления фотонам потребуется уже 1,22 секунды.

При передаче данных с Марса на Землю со скоростью света в момент максимального сближения планет придется ждать более шести минут, а при среднем удалении время ожидания затянется до получаса.

При этом от «красной планеты» нас отделяет в среднем 254 миллиона км, зонд New Horizons, к примеру, уже отлетел от Земли на 6,64 миллиарда км, а чтобы добраться до ближайшей планеты не Солнечной системы, необходимо пролететь 39,7 триллиона км.

Как измеряли скорость света?

Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

Измерение скорости света

Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.

Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.

Через некоторое время большинство ученых заинтересовались этой величиной. В исследованиях принимали участие люди науки из разных стран. Однако до 70-х годов 20 века каких либо грандиозных открытий не было. С 1970-х, когда придумали лазеры и мазеры (квантовые генераторы), ученые провели исследования и получили точную скорость. Текущее значение актуально с 1983 года. Исправляли лишь небольшие погрешности.

Опыт Галилея

Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.

Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.

Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

Как измеряли скорость света?

Опыт Рёмера и Брэдли

Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.

Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.

Интересно:  Почему алмаз не видно на рентгене?

Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.

В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.

Опыт Физо

Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.

Какая скорость света и как ее вообще измерили

Опыт Физо

Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.

Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.

Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.

Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.