История

В XIX веке произошло несколько научных экспериментов, которые привели к открытию ряда новых явлений. Среди этих явлений – открытие Гансом Эрстедом порождения магнитной индукции электрическим током. Позже Майкл Фарадей обнаружил обратный эффект, который был назван электромагнитной индукцией.

Уравнения Джеймса Максвелла – электромагнитная природа света

В результате этих открытий было отмечено так называемое «взаимодействие на расстоянии», в результате чего новая теория электромагнетизма, сформулированная Вильгельмом Вебером, была основана на дальнодействии. Позже, Максвелл определил понятие электрического и магнитного полей, которые способны порождать друг друга, что и есть электромагнитной волной. Впоследствии Максвелл использовал в своих уравнениях так называемую «электромагнитную постоянную» — с.

К тому времени ученые уже вплотную приблизились к тому факту, что свет имеет электромагнитную природу. Физический же смысл электромагнитной постоянной – скорость распространения электромагнитных возбуждений. На удивление самого Джеймса Максвелла, измеренное значение данной постоянной в экспериментах с единичными зарядами и токами оказалось равным скорости света в вакууме.

До данного открытия человечество разделяло свет, электричество и магнетизм. Обобщение Максвелла позволило по-новому взглянуть на природу света, как на некий фрагмент электрического и магнитного полей, распространяющийся самостоятельно в пространстве.

На рисунке ниже изображена схема распространения электромагнитной волны, которой также является свет. Здесь H – вектор напряженности магнитного поля, E — вектор напряженности электрического поля. Оба вектора перпендикулярны друг другу, а также направлению распространения волны.

Опыт Майкелъсона — абсолютность скорости света

Физика того времени во многом строилась с учетом принципа относительности Галилея, согласно которому законы механики выглядят одинаково в любой выбранной инерциальной системе отсчета. В то же время согласно сложению скоростей – скорость распространения должна была зависеть от скорости движения источника. Однако, в таком случае электромагнитная волна вела бы себя по-разному в зависимости от выбора системы отсчета, что нарушает принцип относительности Галилея. Таким образом, вроде бы отлично сложенная теория Максвелла находилась в шатком состоянии.

Эксперименты показали, что скорость света действительно не зависит от скорости движения источника, а значит требуется теория, которая способна объяснить столь странный факт. Лучшей теорией на то время оказалась теория «эфира» — некой среды, в которой и распространяется свет, подобно тому как распространяется звук в воздухе. Тогда бы скорость света определялась бы не скоростью движения источника, а особенностями самой среды – эфира.

Предпринималось множество экспериментов с целью обнаружения эфира, наиболее известный из которых – опыт американского физика Альберта Майкелъсона. Говоря кратко, известно, что Земля движется в космическом пространстве. Тогда логично предположить, что также она движется и через эфир, так как полная привязанность эфира к Земле – не только высшая степень эгоизма, но и попросту не может быть чем-либо вызвана. Если Земля движется через некую среду, в которой распространяется свет, то логично предположить, что здесь имеет место сложение скоростей. То есть распространение света должно зависеть от направления движения Земли, которая летит через эфир. В результате своих экспериментов Майкелъсон не обнаружил какой-либо разницей между скоростью распространения света в обе стороны от Земли.

Данную проблему попытался решить нидерландский физик Хендрик Лоренц. Согласно его предположению, «эфирный ветер» влиял на тела таким образом, что они сокращали свои размеры в направлении своего движения. Исходя из этого предположения, как Земля, так и прибор Майкелъсона, испытывали это Лоренцево сокращение, вследствие чего Альберт Майкелъсон получил одинаковую скорость для распространения света в обоих направлениях. И хотя Лоренцу несколько удалость оттянуть момент гибели теории эфира, все же ученые чувствовали, что данная теория «притянута за уши». Так эфир должен был обладать рядом «сказочных» свойств, в числе которых невесомость и отсутствие сопротивления движущимся телам.

Конец истории эфира пришел в 1905-м году вместе с публикацией статьи «К электродинамике движущихся тел» тогда еще мало известного – Альберта Эйнштейна.

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна

Двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн высказывал совсем новый, иной взгляд на природу пространства и времени, который шел в разрез с тогдашними представлениями, и в особенности грубо нарушал принцип относительности Галилея. Согласно Эйнштейну, опыт Майкельсона не дал положительных результатов по той причине, что пространство и время имеют такие свойства, что скорость света есть абсолютная величина. То есть в какой бы системе отсчета не находился наблюдатель – скорость света относительно него всегда одна 300 000 км/сек. Из этого следовала невозможность применения сложения скоростей по отношению к свету – с какой бы скоростью не двигался источник света, скорость света не будет меняться (складываться или вычитаться).

Эйнштейн использовал Лоренцево сокращение для описания изменения параметров тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Так, например, длина таких тел будет сокращаться, а их собственное время – замедляться. Коэффициент таких изменений называется Лоренц-фактор. Известная формула Эйнштейна E=mc² на самом деле включает также Лоренц-фактор (E= ymc²), который в общем случае приравнивается к единице, в случае, когда скорость тела v равна нулю. С приближением скорости тела v к скорости света c Лоренц-фактор y устремляется к бесконечности. Из этого следует, что для того, чтобы разогнать тело до скорости света потребуется бесконечное количество энергии, а потому перейти этот предел скорости – невозможно.

В пользу данного утверждения существует также такой аргумент как «относительность одновременности».

Парадокс относительности одновременности СТО

Говоря кратко, явление относительности одновременности состоит в том, что часы, которые располагаются в разных точках пространства, могут идти «одновременно» только если они находятся в одной и той же инерциальной системе отсчета. То есть время на часах зависит от выбора системы отсчета.

Из этого же следует такой парадокс, что событие B, которое является следствием события A, может произойти одновременно с ним. Кроме того, можно выбрать системы отсчета таким образом, что событие B произойдет раньше, чем вызвавшее его событие A. Подобное явление нарушает принцип причинности, который довольно прочно укрепился в науке и ни разу не ставился под сомнение. Однако, данная гипотетическая ситуация наблюдается лишь в том случае, когда расстояние между событиями A и B больше, чем временной промежуток между ними, умноженный на «электромагнитную постоянную» — с. Таким образом, постоянная c, которой равна скорость света, является максимальной скоростью передачи информации. В противном бы случае нарушался бы принцип причинности.

Как измеряют скорость света?

 

Наблюдения Олаф Рёмера

Ученые античности в своем большинстве полагали, что свет движется с бесконечной скоростью, и первая оценка скорости света была получена аж в 1676-м году. Датский астроном Олаф Рёмер наблюдал за Юпитером и его спутниками. В момент, когда Земля и Юпитер оказались с противоположных сторон Солнца, затмение спутника Юпитера – Ио запаздывало на 22 минуты, по сравнению с рассчитанным временем. Единственное решение, которое нашел Олаф Рёмер – скорость света предельна. По этой причине информация о наблюдаемом событии запаздывает на 22 минуты, так как на прохождение расстояния от спутника Ио до телескопа астронома требуется некоторое время. Согласно подсчетам Рёмера скорость света составила 220 000 км/с.

Наблюдения Джеймса Брэдли

В 1727-м году английский астроном Джеймс Брэдли открыл явление аберрации света. Суть данного явления состоит в том, что при движении Земли вокруг Солнца, а также во время собственного вращения Земли наблюдается смещение звезд в ночном небе. Так как наблюдатель землянин и сама Земля постоянно меняют свое направление движения относительно наблюдаемой звезды, свет, излучаемый звездой, проходит различное расстояние и падает под разным углом к наблюдателю с течением времени. Ограниченность скорости света приводит к тому, что звезды на небосводе описывают эллипс в течение года. Данный эксперимент позволил Джеймсу Брэдли оценить скорость света — 308 000 км/с.

Опыт Луи Физо

В 1849-м году французским физиком Луи Физо был поставлен лабораторный опыт по измерению скорости света. Физик установил зеркало в Париже на расстоянии 8 633 метров от источника, однако согласно расчетам Рёмера свет пройдет данное расстояние за стотысячные доли секунды. Подобная точность часов тогда была недостижима. Тогда Физо использовал зубчатое колесо, которое вращалось на пути от источника к зеркалу и от зеркала к наблюдателю, зубцы которого периодически закрывали свет. В случае, когда световой луч от источника к зеркалу проходил между зубцами, а на обратном пути попадал в зубец – физик увеличивал скорость вращения колеса вдвое. С увеличением скорости вращения колеса свет практически перестал пропадать, пока скорость вращения не дошла до 12,67 оборотов в секунду. В этот момент свет снова исчез.

Подобное наблюдение означало, что свет постоянно «натыкался» на зубцы и не успевал «проскочить» между ними. Зная скорость вращения колеса, количество зубцов и удвоенное расстояние от источника к зеркалу, Физо высчитал скорость света, которая оказалась равной 315 000 км/сек.

Спустя год другой французский физик Леон Фуко провел похожий эксперимент, в котором вместо зубчатого колеса использовал вращающееся зеркало. Полученное ним значение скорости света в воздухе равнялось 298 000 км/с.

Спустя столетие метод Физо был усовершенствован настолько, что аналогичный эксперимент, поставленный в 1950-м году Э. Бергштрандом дал значение скорости равное 299 793,1 км/с. Данное число всего на 1 км/с расходится с нынешним значением скорости света.

Дальнейшие измерения

С возникновением лазеров и повышением точности измерительных приборов удалось снизить погрешность измерения вплоть до 1 м/с. Так в 1972-м году американские ученые использовали лазер для своих опытов. Измерив частоту и длину волны лазерного луча, им удалось получить значение – 299 792 458 м/с. Примечательно, что дальнейшее увеличение точности измерения скорости света в вакууме было нереализуемо в не в силу технического несовершенства инструментов, а из-за погрешности самого эталона метра. По этой причине в 1983-м году XVII Генеральная конференция по мерам и весам определила метр как расстояние, которое преодолевает свет в вакууме за время, равное 1 / 299 792 458 секунды.

Подведем итоги

Итак, из всего вышесказанного следует, что скорость света в вакууме – фундаментальная физическая постоянная, которая фигурирует во многих фундаментальных теориях. Данная скорость абсолютна, то есть не зависит от выбора системы отсчета, а также равна предельной скорости передачи информации. С данной скоростью движутся не только электромагнитные волны (свет), но также и все безмассовые частицы. В том числе, предположительно, гравитон – частица гравитационных волн. Помимо всего прочего, в силу релятивистских эффектов собственное время для света буквально стоит.

Подобные свойства света, в особенности неприменимость к нему принципа сложения скоростей, не укладываются в голове. Однако, множество экспериментов подтверждают перечисленные выше свойства, и ряд фундаментальных теорий строятся именно на таковой природе света.