Скорость света

Скорость света - физический термин, который используется в двух, связанных между собой, но концептуально разных значениях. Прежде всего скорость света - фундаментальное физическое стала, скорость распространения электромагнитного взаимодействия в вакууме. Другое значение - скорость распространения электромагнитных волн, включая светом, в определенной среде.

1. Скорость света как фундаментальная физическая стала

Фундаментальная физическая постоянная скорость света обозначается буквой (От лат. celeritas ) И в международной системе единиц СИ приравнена Резолюции 1 семнадцатой Генеральной конференции мер и весов ^[1] до значения

Это единственная физическая стала в основных уравнениях электродинамики. Она не зависит от системы отсчета, то есть одинаковая для любого наблюдателя независимо от скорости, с которой этот наблюдатель движется. Данное утверждение является основным постулатом теории относительности Эйнштейна.

По положениям теории относительности никакая информация не может быть передана со скоростью, которая превышала бы скорость света. Иначе всегда можно было найти систему отсчета, в которой информация была бы получена раньше отправлена.

Поскольку скорость света - фундаментальное, независимая от наблюдателя величина, то ее значение можно использовать для построения системы физических единиц. Например, можно выбрать систему единиц таким образом, чтобы скорость света в ней равнялась единице. Такие системы единиц называются природными и используются в теоретической физике. Однако природные системы очень неудобны на практике. Поэтому, поскольку скорость имеет размерность длины, разделенной на время, скорость света можно положить равной определенному значению, близкому к экспериментально измеренной с использованием традиционных единиц длины и времени - метра и секунды, а затем зафиксировать это значение. Таким образом, скорости света присвоено указанное выше значение. В дальнейшем она будет определяться с эксперимента. Ее фиксированное значение теперь служит для опытного определения единиц длины.

2. Скорость света в среде

Преломление света

В среде скорость света, то скорость распространения электромагнитных волн, меняется через процессы поляризации атомов и молекул вещества. Отношение скорости света в среде и в вакууме называют абсолютным показателем преломления в этой среде

где c _m - скорость света в среде.

Для электромагнитных волн с разной частотой показатель преломления различен. Это явление называется дисперсией света. Различают фазовую скорость света, которая определяется показателем преломления, и групповую скорость.

Фазовая скорость света характеризует связь между длиной волны и частотой. Она определяется для безграничных в пространстве плоских волн, которые не могут переносить информацию. Фазовая скорость может превышать скорость света в вакууме. При этом принцип причинности не нарушается.

Групповая скорость света в среде характеризует процесс распространения волнового пакета, которым может передаваться информация. Групповая скорость всегда меньше скорости света в вакууме, удовлетворяя принцип причинности.

3. Фундаментальная роль в физике

Фактор Лоренца (Лоренц-фактор) γ как функция от скорости. От возрастает от 1 до бесконечности по мере того как v приближается к c.

Скорость с которой световые волны распространяются в вакууме не зависит ни от движения источника волн ни от инерциальной системы отсчета наблюдателя. ^{[Прим. 1]} Эйнштейн постулировал такую ​​инвариантность скорости света в 1905 г. ^[2] Он пришел к этому выводу исходя из теории электромагнетизма Максвелла и отсутствии доказательств существования светоносного эфира. ^[3] С тех пор инвариантность скорости света неизменно подтверждается множеством экспериментов. Существует возможность проверить экспериментально лишь то, что скорость света в "двухстороннем" эксперименте (например, от источника к зеркалу и обратно) является независимой от системы отсчета, поскольку невозможно измерить одностороннюю скорость света (например, от источника к удаленному приемника) без дополнительных договоренностей относительно того как синхронизировать часы на источнике и на приемнике. Однако, если принять для синхронизации часов синхронизации Эйнштейна, односторонняя скорость света становится равной двусторонней скорости света по определению. ^{[4] [5]} Специальная теория относительности исследует последствия этой инвариантности с предположению, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. ^{[6] [7]} Одним из последствий является то, что c - это скорость, с которой все безмассовые частицы и волны, в том числе свет, должны двигаться в вакууме.

Специальная теория относительности имеет много экспериментально проверенных последствий противоречащих интуиции. ^[8] Такие последствия включают эквивалентность массы и энергии ( ), Сокращение длины (сокращение объектов во время движения) ^{[Прим. 2]} и замедление времени (подвижной часы идут медленнее). Коэффициент γ, на которое сокращается длина и замедляется время, известный как фактор Лоренца (Лоренц-фактор), равна γ = (1 - v ² / c ^{2) -1 / 2} , Где V - скорость объекта. Отличие γ от 1 является отвергнуто-малой для скоростей намного меньше, чем c, например, для всех скоростей, с которыми мы стикаемость повседневно, и в этом случае специальная теория относительности хорошо аппроксимируется относительностью Галилея, но она увеличивается при релятивистских скоростях и стремится к бесконечности при приближении V в с.

Обьедання результатов специальной теории относительности требует выполнения двух условий: (1) пространство и время являются единственной структурой, известной как пространство-время (где c связывает единицы измерения пространства и времени), и (2) физические законы удовлетворяют требования специальной симметрии, которая называется инвариантность Лоренца (Лоренц-инвариантность), формула которого содержит параметр с. ^[11] Инвариантность Лоренца почти универсальным предположению современных физических теорий, таких как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика, стандартная модель физики элементарных частиц и общая теория относительности. Таким образом, параметр с повсеместно присутствует в современной физике и появляется во многих контекстах, которые не имеют отношения к свету. Например, общая теория относительности предполагает, что гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью c. ^{[12] [13]} В неинерциальных системах отсчета (в гравитационно искривленном пространстве или в ускоренных системах отсчета), локальная скорость света является постоянной и равна c, однако скорость света вдоль траектории конечной длины может отличаться от c в зависимости того, как определены пространство и время. ^[14]

Принято считать, что фундаментальные константы, такие как c, имеют одинаковое значение во всем пространстве-времени, что означает, что они не зависят от места и не меняются со временем. Тем не менее, различными теориями было предложено, что скорость света может изменяться со временем. ^{[15] [16]} В настоящее время нет убедительных доказательств существования таких изменений, но они остаются предметом исследований. ^{[17] [18]}

Кроме того, принято считать, что скорость света изотропная, т.е. скорость света не зависит он направления его распространения. Наблюдение за излучением ядерных энергетических переходов как функции от ориентации излучающих ядер в магнитном поле (эксперимент Гугса-Древера (Hughes-Drever)), а также вращающихся оптических резонаторов (см. эксперимент Майкельсона-Морли), наложили жесткие ограничения на возможность двусторонней анизотропии. ^{[19] [20]}

3.1. Верхняя граница скорости

Согласно специальной теории относительности, энергия объекта с массой покоя m и скоростью v равно γmc ² , Где γ - определенный выше фактор Лоренца. Когда v равна нулю γ равен единице, что приводит к известной формуле эквивалентности массы и энергии E = mc ² . Поскольку фактор γ стремится к бесконечности при приближении v к c, ускорение объекта массой до скорости света потрибуватиме бесконечного количества энергии. Скорость света - это верхний предел для скорости объектов с положительной массой покоя. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса. ^[21]

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

Вообще, информация или энергия не может двигаться быстрее, чем c. Один из аргументов в пользу этого следует с контр-интуитивного 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 системы отсчета, в которых А предшествует B, другие, в которых B предшествует А, а также такие, в которых события А и B одновременно . В результате, если объект двигался бы быстрее c относительно инерциальной системы отсчета, то он бы путешествовал назад во времени по отношению к другой системе отсчета, и принцип причинности был бы нарушен. ^{[Прим. 3] [23]} В такой системе отсчета "следствие" можно было бы наблюдать в его "первопричины". Такое нарушение причинности никогда не наблюдалось. ^[5] Оно также может приводить к парадоксов, таких как тахионной антителефон. ^[24]

4. Методы определения скорости света

Традиционные методы, которые используются для установки значения скорости света, основанные на измерении времени в течение которого свет проходит определенное путь, однако скорость света можно с большей точностью определить из других измерений: измерение соотношения между величинами, связь между которыми определяется константой c. Примером таких измерений является независимое определение частоты и длины волны определенного излучения.

Опыты по определению скорости света проводил еще Галилео Галилей. Поднявшись со своим учеником на вершины соседних гор, они обменивались сигналами фонарей, определяя время задержки между ссылкой и получением сигнала. Затем этот опыт повторялся для большего расстояния между горами, чтобы отнять время, связан со скоростью реакции человека. Галилей пришел к выводу, что скорость света намного больше возможности такого метода измерения.

Исторически первая оценка скорости света было сделано Ремер в 1675 году. Он получил значение 214 тыс. км / с. Ремер наблюдал за затмениями спутников Юпитера и заметил, что они происходят не совсем регулярно, по его наблюдениям различия составили 22 минуты. Он предположил, что такая нерегулярность обусловлена ​​разной расстоянием между Юпитером и Землей, а, следовательно, изменением промежутка времени, который необходим свету, чтобы достичь Земли. Однако сбои в ритме затмений происходили с определенной закономерностью. По мере того как Земля, в ее орбитальном положении, приближалась к Юпитеру, затмения Ио наступали все раньше и раньше ожидаемого момента, а по мере удаления Земли, они наступали все позже. Ремер пришел к выводу, что 22 минуты - время, которое требуется свету, чтобы преодолеть расстояние, равное диаметра орбиты Земли. С учетом оценок орбиты Земли, которые существовали в то время, Ремер подсчитал, что скорость света составляет 214 тыс. км / с. Таким образом, впервые удалось получить значение скорости света с неплохой точностью, а расхождение с современными данными возникла из-за погрешности в исчислении времени затмений. На самом деле задержка составляет 17 минут. Принципиальным для дальнейшего развития физики оказалось не это значение, а экспериментальное подтверждение того, что скорость света конечна.

5. Тахион

Ни тело не может преодолеть барьер скорости света. Однако теоретически возможно существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Такие частицы не могли бы уменьшить свою скорость до досвитловои. С другой стороны, они не могут участвовать в передаче информации, иначе нарушился бы принцип причинности. Эти гипотетические частицы получили название Тахион.

6. Интересные факты

До недавнего времени самая официально зарегистрирована скорость света была не более 60 км / ч - через натрий при температуре -272 ? C. ^[34]

См.. также

• Световой конус

7. Заметки

Примечания

Это незавершенная статья физики. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.