Приборная скорость
- 1 year ago
- 0
- 0
Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн , в точности равная 299 792 458 м/с (или приблизительно 3×10 8 м/с). В физике традиционно обозначается латинской буквой « » (произносится как «цэ»), от лат. celeritas (скорость).
Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная , не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО) . Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом . Из постулата причинности (любое событие может оказывать влияние только на события, происходящие позже него, и не может оказывать влияние на события, произошедшие раньше него ) и постулата специальной теории относительности о независимости скорости света в вакууме от выбора инерциальной системы отсчёта (скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга ) следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света . Таким образом, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.
Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м / с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году .
На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная , по определению, точно равная 299 792 458 м/с , или 1 079 252 848,8 км/ч . Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды .
В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1. Можно сказать, что свет проходит 1 планковскую длину за планковское время , но в планковской системе единиц скорость света является основной единицей, а единицы времени и расстояния — производными (в отличие от СИ , где основными являются метр и секунда ).
В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):
Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света , но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость, лишь на 3 м/с меньше скорости света, имеют массивные частицы ( протоны ), полученные на ускорителе ( Большой адронный коллайдер ) или входящие в состав космических лучей . [ источник не указан 2271 день ]
В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом). Существует, однако, проблема « запутанных состояний » частиц, которые, судя по всему, «узнают» о состоянии друг друга мгновенно . Однако и в этом случае сверхсветовой передачи информации не происходит , поскольку для передачи информации таким способом необходимо привлечь дополнительный классический канал передачи со скоростью света .
Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например, солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью, большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой)
.Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума . В среде, обладающей дисперсией , различают фазовую и групповую скорость .
Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде ( ). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше . Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде называется показателем преломления среды. Если угловая частота волны в среде зависит от волнового числа нелинейным образом, то групповая скорость равняется первой производной , в отличие от фазовой скорости .
Групповая скорость света определяется как скорость распространения биений между двумя волнами с близкой частотой и в равновесной среде всегда меньше . Однако в неравновесных средах, например, сильно поглощающих, она может превышать . При этом, однако, передний фронт импульса всё равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.
Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал , что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.
Уравнения Максвелла в дифференциальной форме:
- вектор напряженности электрического поля
- вектор напряженности магнитного поля
- вектор магнитной индукции
- вектор электрической индукции
- магнитная проницаемость
- магнитная постоянная
- электрическая проницаемость
- электрическая постоянная
- плотность тока
- плотность заряда
- ротор , дифференциальный оператор,
- дивергенция , дифференциальный оператор,
- оператор Лапласа, ,
Для электромагнитной волны , , поэтому:
Согласно свойству ротора векторного поля . Подставив сюда и , получим:
подставляем сюда из уравнений Максвелла , получаем:
(1)
Уравнение волны:
, где - оператор Д’Аламбера ,
(2)
Подставляем (1) в (2) , находим скорость:
с A /м кг
кг м/с А
В вакууме ,
м/с
Скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит ни от движения источника волн, ни от системы отсчёта наблюдателя . Эйнштейн постулировал такую инвариантность скорости света в 1905 году . Он пришёл к этому выводу на основании теории электромагнетизма Максвелла и доказательства отсутствия светоносного эфира .
Инвариантность скорости света неизменно подтверждается множеством экспериментов . Существует возможность проверить экспериментально лишь то, что скорость света в «двустороннем» эксперименте (например, от источника к зеркалу и обратно) не зависит от системы отсчёта, поскольку невозможно измерить скорость света в одну сторону (например, от источника к удалённому приёмнику) без дополнительных договоренностей относительно того, как синхронизировать часы источника и приёмника. Однако, если применить для этого синхронизацию Эйнштейна, односторонняя скорость света становится равной двусторонней по определению .
Специальная теория относительности исследует последствия инвариантности в предположении, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта . Одним из последствий является то, что — это та скорость, с которой должны двигаться в вакууме все безмассовые частицы и волны (в частности, и свет).
Специальная теория относительности имеет много экспериментально проверенных последствий, которые противоречат интуиции . Такие последствия включают: эквивалентность массы и энергии , сокращение длины (сокращение объектов во время движения) и замедление времени (движущиеся часы идут медленнее). Коэффициент , показывающий, во сколько раз сокращается длина и замедляется время, известен как фактор Лоренца (Лоренц-фактор)
где — скорость объекта. Для скоростей гораздо меньших, чем (например, для скоростей, с которыми мы имеем дело в быту) разница между и 1 настолько мала, что ею можно пренебречь. В этом случае специальная теория относительности хорошо аппроксимируется относительностью Галилея. Но на релятивистских скоростях разница увеличивается и стремится к бесконечности при приближении к .
Объединение результатов специальной теории относительности требует выполнения двух условий: (1) пространство и время являются единой структурой, известной как пространство-время (где связывает единицы измерения пространства и времени), и (2) физические законы удовлетворяют требованиям особой симметрии, которая называется инвариантность Лоренца (Лоренц-инвариантность), формула которой содержит параметр . Инвариантность Лоренца встречается повсеместно в современных физических теориях, таких как квантовая электродинамика , квантовая хромодинамика , стандартная модель физики элементарных частиц и общая теория относительности . Таким образом, параметр встречается повсюду в современной физике и появляется во многих смыслах, которые не имеют отношения собственно к свету. Например, общая теория относительности предполагает, что гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью . В неинерциальных системах отсчёта (в гравитационно искривлённом пространстве или в системах отсчёта, движущихся с ускорением), локальная скорость света также является постоянной и равна , однако скорость света вдоль траектории конечной длины может отличаться от в зависимости от того, как определено пространство и время .
Считается, что фундаментальные константы, такие как , имеют одинаковое значение во всём пространстве-времени, то есть они не зависят от места и не меняются со временем. Однако некоторые теории предполагают, что скорость света может изменяться со временем . Пока нет убедительных доказательств таких изменений, но они остаются предметом исследований .
Кроме того, считается, что скорость света изотропна, то есть не зависит от направления его распространения. Наблюдения за излучением ядерных энергетических переходов как функции от ориентации ядер в магнитном поле (эксперимент Гугса — Древера), а также вращающихся оптических резонаторов ( эксперимент Майкельсона — Морли и его новые вариации), наложили жёсткие ограничения на возможность двусторонней анизотропии .
В ряде естественных систем единиц скорость света является единицей измерения скорости . В планковской системе единиц, также относящейся к естественным системам, она служит в качестве единицы скорости и является одной из основных единиц системы.
Согласно специальной теории относительности, энергия объекта с массой покоя и скоростью равна , где — определённый выше фактор Лоренца. Когда равна нулю, равен единице, что приводит к известной формуле эквивалентности массы и энергии . Поскольку фактор приближается к бесконечности с приближением к , ускорение массивного объекта до скорости света потребует бесконечной энергии. Скорость света — это верхний предел скорости для объектов с ненулевой массой покоя. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса .
Вообще информация или энергия не могут передаваться в пространстве быстрее, чем со скоростью света. Один из аргументов в пользу этого следует из контринтуитивного 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 , то существуют такие системы отсчёта, в которых А предшествует B, и другие, в которых B предшествует А, а также такие, в которых события А и B одновременны. В результате, если объект двигался бы быстрее скорости света относительно некоторой инерциальной системы отсчёта, то в другой системе отсчёта он бы путешествовал назад во времени, и принцип причинности был бы нарушен . В такой системе отсчёта «следствие» можно было бы наблюдать раньше его «первопричины». Такое нарушение причинности никогда не наблюдалось . Оно также может приводить к парадоксам, таким как тахионный антителефон .
Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной . В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер , Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.
Первую оценку скорости света произвёл Олаф Рёмер ( 1676 ). Он заметил, что, когда Земля на своей орбите находится дальше от Юпитера , затмения Юпитером спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты . Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное значение, но близкое к истинному. В 1676 году он сделал сообщение в Парижской Академии, но не опубликовал свои результаты в виде формальной научной работы. Поэтому научное сообщество приняло идею о конечной скорости света только полвека спустя , когда в 1728 году открытие аберрации позволило Дж. Брэдли подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку. Полученное Брэдли значение составило 308 000 км/с .
Впервые измерения скорости света, основанные на определении времени прохождения светом точно измеренного расстояния в земных условиях, выполнил в 1849 году А. И. Л. Физо . В своих экспериментах Физо использовал разработанный им «метод прерываний», при этом расстояние, преодолеваемое светом в опытах Физо, составляло 8,63 км . Полученное в результате выполненных измерений значение оказалось равным 313 300 км/с. В дальнейшем метод прерываний значительно усовершенствовали и его использовали для измерений М. А. Корню (1876 г.), А. Ж. Перротен (1902 г.) и . Измерения, выполненные Э. Бергштрандом в 1950 году, дали для скорости света значение 299 793,1 км/с , при этом точность измерений была доведена до 0,25 км/с .
Другой лабораторный метод («метод вращающегося зеркала»), идея которого была высказана в 1838 году Ф. Араго , в 1862 году осуществил Леон Фуко . Измеряя малые промежутки времени с помощью вращающегося с большой скоростью ( 512 об/с ) зеркала, он получил для скорости света значение 298 000 км/с с погрешностью 500 км/с. Длина базы в экспериментах Фуко была сравнительно небольшой — двадцать метров . В последующем за счёт совершенствования техники эксперимента, увеличения используемой базы и более точного определения её длины точность измерений с помощью метода вращающегося зеркала была существенно повышена. Так, С. Ньюком в 1891 году получил значение 299 810 км/с с погрешностью 50 км/с , а А. А. Майкельсону в 1926 году удалось понизить погрешность до 4 км/с и получить для скорости величину 299 796 км/с . В своих экспериментах Майкельсон использовал базу, равную 35 373,21 м .
Дальнейший прогресс был связан с появлением мазеров и лазеров , которые отличаются очень высокой стабильностью частоты излучения, что позволило определять скорость света одновременным измерением длины волны и частоты их излучения. В начале 1970-х годов погрешность измерений скорости света приблизилась к 1 м/с . После проверки и согласования результатов, полученных в различных лабораториях, XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с , с относительной погрешностью (неопределённостью) 4⋅10 -9 , что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с .
Существенно, что дальнейшее повышение точности измерений стало невозможным в силу обстоятельств принципиального характера: ограничивающим фактором стала величина неопределённости реализации определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность «изготовления» эталона метра, относительное значение которой составляло 4⋅10 -9 . Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света и определив метр как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды .
Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) нарушило бы принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами , движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.
Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами . Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.
Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и во-вторых, тахионы не нарушают принцип причинности, если они никак не взаимодействуют с обычными частицами .
Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами . Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой , в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами . Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны , глюоны и гипотетические гравитоны .
C 2006 года показано, что в так называемом эффекте квантовой телепортации кажущееся взаимовлияние частиц распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные фотонные состояния, показала, что это кажущееся «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый « » — кажущаяся сверхсветовая скорость при туннельном эффекте . Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества .
В результате обработки данных эксперимента OPERA , набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН , было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино . Сообщение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов . Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино . В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили . В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля) .
{{
cite arXiv
}}
:
|class=
игнорируется (
справка
)
{{
cite arXiv
}}
:
Неизвестный параметр
|accessdate=
игнорируется (
справка
)
;
Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры:
|version=
(
справка
)
.