15 сентября 2017 в 18:16

Спросите Итана: почему скорость света такая, какая есть?

• Научно-популярное

• Перевод

Вне зависимости от цвета, длины волны или энергии, скорость, с которой свет перемещается в вакууме, остаётся постоянной. Она не зависит от местоположения или направлений в пространстве и времени

Ничто во Вселенной не способно двигаться быстрее света в вакууме. 299 792 458 метров в секунду. Если это массивная частица, она может лишь приблизиться к этой скорости, но не достичь её; если это безмассовая частица, она всегда должна двигаться именно с этой скоростью, если дело происходит в пустом пространстве. Но откуда нам это известно и что тому причиной? На этой неделе наш читатель задаёт нам три связанных со скоростью света вопроса:

Почему скорость света конечна? Почему она именно такая, какая есть? Почему не быстрее и не медленнее?

Вплоть до XIX века у нас даже не было подтверждений этим данным.



Иллюстрация света, проходящего через призму и разделяющегося на чёткие цвета.

Если свет проходит через воду, призму или любую другую среду, он разделяется на разные цвета. Красный цвет преломляется не под тем углом, под которым это делает синий, из-за чего и возникает что-то типа радуги. Это можно наблюдать и вне видимого спектра; инфракрасный и ультрафиолетовый свет ведут себя так же. Это было бы возможно, только если скорость света в среде отличается для света разных длин волн/энергий. Но в вакууме, вне всякой среды, всякий свет перемещается с одной и той же конечной скоростью.

Разделение света на цвета происходит из-за разных скоростей движения света, зависящих от длины волны, через среду

До этого додумались только в середине XIX века, когда физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что на самом деле представляет собой свет: электромагнитную волну. Максвелл впервые поставил независимые явления электростатики (статичные заряды), электродинамики (движущиеся заряды и токи), магнитостатики (постоянные магнитные поля) и магнитодинамики (наведённые токи и переменные магнитные поля) на единую, объединённую платформу. Управляющие ею уравнения – уравнения Максвелла – позволяют вычислять ответ на простой вроде бы вопрос: какие типы электрических и магнитных полей могут существовать в пустом пространстве вне электрических или магнитных источников? Без зарядов и без токов можно было бы решить, что никакие – но уравнения Максвелла удивительным образом доказывают обратное.

Табличка с уравнениями Максвелла с обратной стороны его памятника

Ничто – одно из возможных решений; но возможно и другое – колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. У них есть определённые амплитуды. Их энергия определяется частотой колебаний полей. Они передвигаются с определённой скоростью, определяемой двумя константами: ε 0 и µ 0 . Эти константы определяют величину электрического и магнитного взаимодействий в нашей Вселенной. Получаемое уравнение описывает волну. И, как у всякой волны, у неё есть скорость, 1/√ε 0 µ 0 , которая оказывается равной c, скорости света в вакууме.

Колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся со скоростью света, определяют электромагнитное излучение

С теоретической точки зрения, свет – безмассовое электромагнитное излучение. По законам электромагнетизма он обязан двигаться со скоростью 1/√ε 0 µ 0 , равной c – вне зависимости от остальных его свойств (энергии, импульса, длины волны). ε 0 можно измерить, сделав и измерив конденсатор; µ 0 точно определяется из ампера, единицы электрического тока, что и даёт нам c. Та же фундаментальная константа, впервые выведенная Максвеллом в 1865 году, с тех пор появлялась во многих других местах:

Это скорость любой безмассовой частицы или волны, включая гравитационные.
Это фундаментальная константа, соотносящая ваше движение в пространстве с вашим движением во времени в теории относительности.
И это фундаментальная константа, связывающая энергию с массой покоя, E = mc 2

Наблюдения Рёмера снабдили нас первыми измерениями скорости света, полученными при помощи геометрии и измерения времени, необходимого на то, чтобы свет прошёл расстояние, равное диаметру орбиты Земли.

Первые измерения этой величины были сделаны во время астрономических наблюдений. Когда луны Юпитера входят и выходят в положение затмения, они кажутся видимыми или невидимыми с Земли в определённой последовательности, зависящей от скорости света . Это привело к первому количественному измерению с в XVII веке, которое определили в 2,2 × 10 8 м/с. Отклонение звёздного света – из-за движения звезды и Земли, на которой установлен телескоп – тоже можно оценить численно. В 1729 году этот метод измерения с показал значение, отличающееся от современного всего на 1,4%. К 1970-м с определили равным 299 792 458 м/с с погрешностью всего в 0,0000002%, большая часть которой проистекала из невозможности точного определения метра или секунды. К 1983 году секунду и метр переопределили через с и универсальные свойства излучения атома. Теперь скорость света равна точно 299 792 458 м/с.

Атомный переход с орбитали 6S, δf 1 , определяет метр, секунду и скорость света

Так почему же скорость света не больше и не меньше? Объяснение такое же простое, как указанный на рис. Выше атом. Атомные переходы происходят так, как происходят, из-за фундаментальных квантовых свойств строительных блоков природы. Взаимодействия атомного ядра с электрическим и магнитными полями, создаваемыми электронами и другими частями атома приводят к тому, что разные энергетические уровни оказываются чрезвычайно близко друг к другу, но всё же немного отличаются: это называется сверхтонким расщеплением . В частности, частота перехода сверхтонкой структуры цезия-133 испускает свет совершенно определённой частоты. Время, за которое проходит 9 192 631 770 таких циклов, определяет секунду; расстояние, которое свет проходит за это время, равняется 299 792 458 метрам; скорость, с которой распространяется этот свет, определяет с.

Пурпурный фотон переносит в миллион раз больше энергии, чем жёлтый. Космический гамма-телескоп Ферми не показывает никаких задержек какого-либо из фотонов, пришедших к нам от гамма-всплеска, что подтверждает постоянство скорости света для всяких энергий

Чтобы поменять это определение, нужно, чтобы с этим атомным переходом или с идущим от него светом произошло что-то фундаментально отличное от его текущей природы. Этот пример также даёт нам ценный урок: если бы атомная физика и атомные переходы работали бы в прошлом или на дальних расстояниях по-другому, это было бы свидетельством изменения скорости света со временем. Пока что все проводимые нами измерения лишь накладывают дополнительные ограничения на постоянство скорости света, и эти ограничения весьма строги: изменение не превосходит 7% от текущего значения за последние 13,7 млрд лет. Если бы по какой-то из этих метрик скорость света оказалась не постоянной, или же она отличалась бы у разных типов света, это привело бы к крупнейшей научной революции со времён Эйнштейна. Вместо этого все свидетельства говорят в пользу Вселенной, в которой все законы физики всегда, везде, во всех направлениях, во все времена остаются одинаковыми, включая и физику самого света. В каком-то смысле это тоже достаточно революционные сведения.

Учёные-физики из американской лаборатории, расположенной в Лос-Аламосе, заявили, что 2 млрд. лет назад абсолютная величина скорости света была меньше, нежели сейчас. Если данное утверждение будет взято за основу, то теория Эйнштейна претерпит серьёзную трансформацию, а многие фундаментальные понятия придётся кардинально пересматривать.

То, что скорость света меняется, теоретически допускалось уже давно. Однако никаких доказательств этому не было. В данном случае речь идёт о распространении электромагнитного излучения в вакууме, а не о каких-то искусственных установках, способных тормозить свет. То есть подразумевается естественная мировая константа, присущая всей Вселенной.

Однако дерзкие американцы выдвинули идею, что константа вовсе таковой не является. А обосновали свои рассуждения путём расчета постоянной тонкой структуры – альфы. Равна она 0,00729735 и является обратно пропорциональной величиной световой скорости. Эта тонкая структура находится в прямой зависимости от заряда электрона и постоянной Планка. А те, как известно, всегда считались константами. Таким образом, если альфа подвержена колебаниям, то соответствующие колебания должны наблюдаться и у скорости света.

Впервые в постоянстве альфы усомнились австралийские учёные в 1998 году. Они измеряли электромагнитные излучения, идущие от квазаров через межгалактические газовые скопления. Расчёты показали, что 12 млрд. лет тому назад величина альфы была меньше, а, соответственно, световая скорость больше.

Отсюда появилось мнение, что альфа со временем плавно меняется. Сам же процесс носит волнообразный характер. То есть величина то повышается, то понижается. Однако с данным утверждением согласились не все физики. Оппоненты австралийцев сослались на ядерные реакции, которые указывают на постоянство альфа с точностью до 8-го знака. А дело в том, что тонкая структура связана с изотопами в ядерных реакциях. За это как раз и ухватились американцы из Лос-Аламоса.

В Западной Африке 2 млрд. лет назад образовался естественный природный ядерный реактор. Возник он глубоко под землёй в урановых рудах с содержанием угля и доступом грунтовых вод. Назвали его Окло по названию местности, в которой он располагался.

В реакторе шла ядерная реакция. При этом она сопровождалась нагревом породы, выделением радиации и выработкой изотопов. На сегодняшний день реакция закончилась, но в Окло находится много урана-235, самария, скандия, рубидия, палладия, технеция и др.

Анализ всего этого уже проводился, но американцы решили ещё раз тщательно проверить все вычисления. И оказалось, что за время работы реактора альфа уменьшилась в 8-м знаке после запятой. Соответственно, изменилась и скорость света: она возросла.

Следует заметить, что точность вычисления альфа охватывает более 15 знаков. Поэтому 8-й знак указывает на серьёзные изменения. А отсюда напрашивается вывод, что никакой константы не существует. Американцы исключают ошибки в своих расчётах. Но в любом случае нужны многочисленные и тщательные проверки, ведь под сомнение поставлены фундаментальные понятия физики.

Что же касается учёных, то некоторые из них были бы совсем не против, если бы альфа не оказалась константой. А дело всё упирается в неразрешимую «проблему горизонта». Тут дело в том, что огромные области космоса показывают одинаковый температурный фон. Это указывает на то, что давным давно эти области находились рядом друг с другом и, обмениваясь энергией, уравняли свои температуры.

Однако ранняя модель Вселенной противоречит этому. А вот если бы было доказано, что скорость света меняется, то тогда всё встало бы на свои места. Ведь здесь вместо маленьких расстояний можно было бы взять за основу более высокие скорости электромагнитных излучений.

Непостоянство альфы также повышает шанс на полное признание теории струн (динамика взаимодействия одномерных протяжённых объектов), дополнительных пространственных измерений и некоторых других теорий. На сегодняшний день они находятся на переднем крае физики, но требуют пересмотра многих фундаментальных понятий и представлений.

Относится к «О теории относительности»

О постоянстве скорости света. Анализ постулатов Эйнштейна

Зададимся простым, на первый взгляд, вопросом: «относительно чего постоянна скорость света в специальной теор ии относительности (СТО)?». Многие из тех, кому я задавал этот вопрос, удивленно пожимали плечами, но, подумав, несколько неуверенно произносили: «относительно пустоты». Однако на практике скорость движения одного материального объекта (в том числе – частицы или световой волны) может быть определена относительно системы отсчета, связанной с некоторым другим материальным объектом, а не «относительно пустоты», поскольку сама пустота, если она действительно может существовать в природе, не является материей и не характеризуется никакими физическими константами. Такого же мнения в отношении пустоты придерживается А. Эйнштейн : «… в специальной теор ии относительности область пространства без материи и без электрического поля представляется совершенно пустой, т.е. ее нельзя охарактеризовать никакими физическими величинами …» .

В пустоте нет материальных объектов, с которыми можно связать систему отсчета. Определить скорость света относительно этой «области пространства без материи и без электрического поля» невозможно по причине невозможности создания системы отсчета, «скрепленной» с пространством. Тогда, все-таки, относительно чего она постоянна?

Давайте попробуем разобраться в этом вопросе подробнее и послушаем, что на эту тему говорит сам А. Эйнштейн : «…Примеры подобного рода (речь ранее шла о взаимодействии магнита и проводника с током, находящихся в состоянии относительного движения. Прим. автора), как и неудавшиеся попытки обнаружить движение земли относительно «светоносной среды», ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя (выделено автором) и даже, более того, – к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно, что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью V (в современном обозначении – С. Прим. автора), не зависящей от состояния движения излучающего тела».

Говоря здесь о несоответствии свойств физических явлений состоянию «абсолютного покоя» А. Эйнштейн подчеркивает один из ключевых моментов своей теор ии – отсутствие светоносной среды («эфира»), заполняющей пространство, являющейся носителем световых волн и проводником электромагнитного взаимодействия, с которой многими учеными ранее связывалось понятие «абсолютного покоя». А. Эйнштейн вполне справедливо полагает, что любой покой относителен, то есть любая система отсчета может покоиться лишь относительно некоторой другой системы отсчета.

В этой связи необходимо сделать небольшое отступление. Физики до сих пор не смогли достоверно обнаружить ни самой светоносной среды, ни движения Земли относительно этой среды. Результаты некоторых известных экспериментов по обнаружению движения Земли относительно «эфира», нуждаются в подтверждении другими независимыми экспериментами. Тем не менее, даже если факты подтверждения будут иметь место, то какие у нас при этом появятся основания утверждать, что именно с «эфиром» может быть связана система отсчета, неподвижная относительно пространства? Как мы уже говорили, в пустом пространстве не может существовать системы отсчета, «скрепленной» с пространством, поэтому покой «эфира» может быть установлен только относительно системы отсчета, связанной с некоторым другим материальным объектом, но не с пространством. Достоверное обнаружение светоносной среды вероятно позволит ученым существенно глубже постичь природу окружающего мира, но не позволит использовать эту среду в качестве системы отсчета, находящейся в состоянии покоя относительно пространства, то есть в состоянии «абсолютного покоя» .

Итак по «допущению» А. Эйнштейна, «свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью» С. Эта скорость не зависит «от состояния движения излучающего тела». Но, все-таки, относительно чего может быть определена (измерена) эта скорость С? На этот вопрос А. Эйнштейн отвечает в §2 : «Дальнейшие соображения опираются на принцип относительности и на принцип постоянства скорости света. Мы формулируем оба принципа следующим образом.

1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно, эти изменения состояния относятся.

2. Каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определенной скоростью V, независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом» .

Ясно, что поскольку находящиеся в состоянии равномерного прямолинейного относительного движения «в пустоте» координатные системы совершенно равноправны, то любую из них можно считать «покоящейся», тогда другая будет «движущейся». Соответственно, если мы или кто-то другой выберет первую систему в качестве «покоящейся», то скорость света относительно неё должна иметь значение С. Если же мы (или кто-то другой) назначит вторую систему «покоящейся», то и относительно неё скорость света также должна иметь значение С.

Иными словами, скорость распространения света «в пустоте» согласно эйнштейновской формулировке «принципа постоянства скорости света» должна всегда иметь значение С относительно ЛЮБОЙ координатной системы, движущейся равномерно и прямолинейно относительно любой другой координатной системы.

В работе А. Эйнштейн приводит несколько более уточненную формулировку своего «принципа постоянства скорости света»: «…можно считать установленным, что свет, как это вытекает из уравнений Максвелла – Лоренца, распространяется в пустоте со скоростью С, по крайней мере, в определенной инерциальной системе координат К. В согласии со специальным принципом относительности мы должны считать (выделено автором), что этот принцип верен также и в любой другой инерциальной системе».

Думается, что ссылка на «уравнения Максвелла – Лоренца» , приведенная в последней цитате, не совсем корректна, поскольку Дж. К. Максвелл, и Г. А. Лоренц связывали эту систему координат со светоносным «эфиром», заполняющим окружающее пространство. По их убеждению свет распространяется не «в пустоте со скоростью С» , а как раз наоборот – в материальной среде, характеризующейся определенными физическими константами. При этом скорость света может быть постоянна и равна С только относительно системы координат, «связанной» с этой материальной средой.

В работе А. Эйнштейн приводит упрощенную формулировку своего «принципа постоянства скорости света»: «Скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света» .

Как видно из этих формулировок, измеренное значение скорости света в пустом пространстве по А. Эйнштейну всегда равно С, даже если эти измерения проводятся не только относительно «излучающего тела» , но и относительно «приемника света», что является явным парадоксом с точки зрения классической физики. Почему парадоксом? В первую очередь, из-за нашего понимания того факта, что в общем случае движение приемника света и движение света не связаны между собой никакой причинно-следственной зависимостью, и ничем не ограничиваемая в «совершенно пустой» области пространства скорость «приемника света» в принципе может иметь любое произвольн ое значение относительно движущихся световых волн. Если свет и приемник движутся независимо друг от друга, то каким же образом значение скорости света оказывается всегда равным С относительно «приемника света» ? Вопреки практике и логике по А. Эйнштейну «мы должны считать» движение света таким движением, скорость которого постоянна и равна С относительно любого объекта (и связанной с ним координатной системы), равномерно движущегося в любом направлении с произвольн ой скоростью относительно других объектов в «совершенно пустой» области пространства. Такое относительное движение света и приемника, если оно может существовать, коренным образом отличается от обычного независимого движения, каковым является любое относительное движение не связанных между собой материальных объектов.

Справедливо отвергнув существование абсолютного покоя в природе, но заодно отбросив и саму гипотез у существования светоносной среды – «эфира», А. Эйнштейн постул ирует существование в природе совершенно нового для физики явления – абсолютной скорости движения света, имеющей одно и то же значение при измерении ее в любом множестве координатных систем, движущихся относительно друг друга «в пустоте». Выдвижение такого постул ата, в свою очередь, неизбежно должно привести и действительно приводит в СТО к отказу от безоговорочно признаваемых классической физикой абсолютного времени и абсолютного пространства, размеры единиц времени и длины в которых одинаковы для всех координатных систем. Может ли принципиально существовать этот новый абсолют в природе?

Рассмотрим простейший пример. Предположим, что несколько материальных объектов вместе с координатными системами и наблюдателями движутся с различными скоростями независимо друг от друга в одном и том же луче света. Пусть луч света никоим образом не связан с движущимися объектами и движется сам по себе «в пустоте». Тем не менее «мы должны считать» , что измеренное значение скорости движения волн в луче света согласно «принципу постоянства скорости света» окажется равным С для каждого из наблюдателей, находящихся на этих материальных объектах. Как это может соответствовать реальности? Для объяснения этого «явления» одних только математических формул, предложенных СТО и связывающих скорость, пространство и время, здесь явно недостаточно. Если эти математические формулы получены в результате неверного постул ата, благодаря которому независимая переменная величина – скорость света – заменена в них некоторой гипотетической константой, то явления, предсказываемые формулами, не могут соответствовать физической реальности. Если же постул ат верен – в природе должен существовать некий «механизм», устанавливающий причинно-следственные связи между независимыми движениями и поддерживающий новый абсолют. Как может действовать этот «механизм»?

Вариант первый – луч света «сравнивает» собственную скорость со скоростью каждого из наблюдателей и «подстраивает» свою скорость под скорость движения каждого наблюдателя. В этом варианте рассматриваемый луч света должен, как минимум, обладать системой «автоматической» подстройки скорости движения световых волн под одно и то же постоянное значение С относительно любого движущегося в луче объекта. При этом скорость движения световых волн должна быть различной в разных участках одного и того же светового луча. Очевидно, что этот вариант абсурден по своей сути для любого физика.

Вариант второй, признаваемый большинством последователей СТО (физиков-релятиви стов), – пространство и время, в которых движутся объекты, обладают свойством изменяться в зависимости от скорости движения этих объектов. Скорости движения объектов относительно чего? Мы уже говорили, что в пространстве нет и не может быть системы отсчета, «скрепленной» с этим пространством, поэтому определить значение этой скорости относительно «совершенно пустой» области пространства даже мыслящему существу не представляется возможным.

Тогда, может быть, в зависимости от скорости движения этих объектов относительно друг друга или относительно некоторой вспомогательной системы отсчета, условно считаемой неподвижной? Но каким образом неодушевленные пространство и время «сравнивают» между собой скорости движения этих объектов, пространственно удаленных друг от друга? В «совершенно пустой» области пространства, разделяющей движущиеся объекты, отсутствует переносчик информации, поэтому «сравнить» между собой скорости движения объектов, находящихся на удалении друг от друга, принципиально невозможно.

Может быть пространство и время «сравнивают» скорость движения каждого из объектов со скоростью волн в луче света, а затем «вычисляют» скорость движения этих объектов относительно друг друга? Но А. Эйнштейн постул ировал нам постоянство скорости света С относительно любых движущихся объектов – «приемников света» . Из этого постул ата неизбежно вытекает обратное утверждение – постоянство и равенство С скорости движения любых объектов относительно волн общего луча света. Соответственно, поскольку объекты движутся с одинаковой скоростью С относительно волн общего луча света, результат «вычислений» пространством и временем скорости движения объектов относительно друг друга всегда должен быть равен нулю (!), с какой бы относительной скоростью в действительности не передвигались эти объекты – «приемники света» . Налицо – противоречие практике, поскольку мы легко убеждаемся, что объекты, движущиеся в общем луче света, догоняют и обгоняют друг друга, то есть движутся с различными скоростями. Можно констатировать, что и второй вариант во всех его разновидностях нисколько не лучше первого и также должен быть абсурден для любого физика.

В А. Эйнштейн пишет: «Действительно, если каждый луч света в пустоте распространяется со скоростью С относительно системы К, то световой эфир должен всюду покоиться относительно К. Но если (выделено автором) законы распространения света в системе К’ (движущейся относительно К) такие же, как и в системе К, то мы с тем же правом должны предположить, что эфир покоится и в системе К’. Так как предположение о том, что эфир покоится одновременно в двух системах, является абсурдным и так как не менее абсурдно было бы отдавать предпочтение одной из двух (или из бесконечно большого числа) физически равноценных систем, то следует отказаться от введения понятия эфира, который превратился лишь в бесполезный довесок к теор ии, как только было отвергнуто механистическое истолкование света».

Действительно признание состояния покоя некоторого объекта относительно каждой из двух систем, находящихся в состоянии относительного движения безусловно является абсурдным. Но разве менее абсурдным является предположение о постоянстве скорости некоторого объекта (света) относительно каждой из двух «(или из бесконечно большого числа) физически равноценных» систем, находящихся в том же состоянии относительного движения? Чем один абсолют лучше другого?

Простой логический анализ явления, принятого в качестве главного постул ата в СТО, приводит к выводу, что в природе принципиально не может существовать «механизм», поддерживающий этот новый абсолют. Специальная геометрия, созданная в свое время Г. Минковским, «связала» с помощью математических формул воедино скорость, пространство и время, придав СТО лишь внешнюю изящность и самодостаточность, но не предложила главного – «механизма», устанавливающего причинно-следственные связи между независимыми движениями.

Таким образом, независимые движения света и наблюдателей оказываются причинно-следственно «связанными» в СТО лишь благодаря введенному человеческим разумом «постул ату». Не много ли мы на себя «взяли», господа физики-релятиви сты? Во имя обязательности «выполнения» природой «специального принципа относительности» мы отбросили весь накопленный человечеством опыт и установили волевым решением новый абсолют, «связав» причинно-следственными связями независимые явления природы. А что мы реально знаем о действительном «выполнении» природой «специального принципа относительности» на других планетах, звездах и галактиках? Откуда у нас взялась уверенность, что этот принцип выполняется повсюду? И почему мы так уверены, что именно он выполняется на Земле?

Результаты каких физических экспериментов могли «навеять» А. Эйнштейну этот , для выполнения которого потребовалось выдвижение абсолюта скорости света? Ведь не сам же собой он возник. Давайте попробуем узнать об этом у самого А. Эйнштейна.

Выше уже был процитирован абзац из самой первой статьи, написанной в 1905 г.: «… Примеры подобного рода, как и неудавшиеся попытки обнаружить движение земли относительно «светоносной среды», ведут к предположению …» . Вряд ли у кого могут возникнуть сомнения в том, что здесь идет речь об опытах Майкельсона и Майкельсона – Морли, направленных на обнаружение скорости движения Земли сквозь светоносный «эфир», ибо других неудавшихся попыток обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды» в то время еще не было. Этой же точки зрения придерживается один из известных специалистов по истории физики П. С. Кудрявцев : «…Во всей статье Эйнштейна нет ни одной ссылки на литературу. Позднее Эйнштейн утверждал, что он не знал об опыте Майкельсона, когда писал свою работу. Но если он читал работу Лоренца 1895 г., где доказан принцип относительности первого порядка, о чем он здесь упоминает, то он не мог не знать об опыте Майкельсона» (выделено автором).

1907 г. : «Со времени возникновения этой теор ии (электродинамики движущихся тел, разработанной Г. А. Лоренцем. Прим. автора) следовало ожидать, что удастся экспериментально обнаружить влияние движения Земли относительно эфира на оптические явления… Однако отрицательный результат опытов Майкельсона и Морли показал, что по крайней мере в этом случае отсутствует также эффект второго порядка (пропорциональный v2 /C2 ), хотя согласно основам теор ии Лоренца, он должен был бы проявиться на опыте… Поэтому создавалось впечатление, что от теор ии Лоренца надо отказаться, заменив ее теор ией, которая основывается на принципе относительности, ибо такая теор ия позволила бы сразу предвидеть отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли… Как будут выглядеть законы природы, если все явления изучать в системе отсчета, находящейся теперь в новом состоянии движения? В ответ на этот вопрос мы сделаем логически простейшее и подсказываемое опытом Майкельсона и Морли предположение: законы природы не зависят от состояния движения системы отсчета, по крайней мере, если она не ускорена» (Выделено автором).

Отметим для себя, что, спустя всего два года после выхода первой статьи, А. Эйнштейн впервые заявил о том, что «специальный принцип относительности» на Земле «подсказывается опытом Майкельсона и Морли» .

1910 г. : «В полученных выше уравнениях нетрудно узнать гипотез у Лоренца и Фитцджеральда. Эта гипотез а казалась нам странной, и ввести ее было необходимо для того, чтобы иметь возможность объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона и Морли. Здесь эта гипотез а выступает как естественное следствие принятых нами принципов» .

1915 г. : «Успехи теор ии Лоренца были настолько большими, что физики не задумываясь, отказались бы от принципа относительности, если бы не был получен один важный экспериментальный результат, о котором мы теперь должны сказать, а именно, результат опыта Майкельсона. Все же бoльшая часть этих отрицательных результатов не говорила ничего против теор ии Лоренца. Г. А. Лоренц в высшей степени остроумном теор етическом исследовании показал, что относительное движение в первом приближении не влияет на ход лучей при любых оптических экспериментах. Оставался только один оптический эксперимент, в котором метод был настолько чувствительным, что отрицательный исход опыта оставался непонятным даже с точки зрения теор етического анализа Г. А. Лоренца. Это был уже упомянутый опыт Майкельсона…».

1922 г. «Все опыты показывают, что поступательное движение Земли не влияет на электромагнитные и оптические явления по отношению к Земле, как к телу отсчета. Наиболее важными из этих опытов являются опыты Майкельсона и Морли, которые я предполагаю известными. Таким образом, справедливость специального принципа относительности вряд ли может вызывать сомнения» .

Можно привести и другие примеры, но, наверное, достаточно. Итак, «отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли» явился основой как для отказа от светоносной среды – «эфира», так и для выдвижения А. Эйнштейном «специального принципа относительности» и «принципа постоянства скорости света». Вероятно сам А. Эйнштейн интуитивно все-таки сомневался в незыблемости этой основы, поскольку позднее, как уже упоминалось выше, стал отрицать связь появления «принципа постоянства скорости света» с «отрицательным результатом опыта Майкельсона – Морли» .

Интуиция не подвела А. Эйнштейна в данном случае. Отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли «по экспериментальному обнаружению движения Земли относительно эфира» был вполне предсказуем именно с позиций существования светоносного «эфира» в окружающем нас пространстве. В опыте Майкельсона – Морли световые волны распространяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях с одинаковой скоростью С относительно «эфира», но в процессе измерений поочередно одно из плеч интерферометра движется вдоль световых волн, а второе – перпендикулярно им. Движение плеча интерферометра вдоль световых волн приводит не только к искомому в опыте изменению интервала времени прохождения луча света вдоль плеча «туда» и «обратно», но и к изменениям частоты световых колебаний на зеркалах, расположенных в этом плече интерферометра. Эти изменения частоты колебаний наглядно проиллюстрированы flash -моделью .

Экспериментаторы, проводившие опыт, считали частоту световых колебаний на зеркалах интерферометра Майкельсона постоянной, полагая при этом, что имеют дело с измерительным преобразованием «скорость движения Земли относительно «эфира» – разность интервалов времени». Реально же в опыте осуществлялось измерительное преобразование «скорость движения Земли относительно «эфира» – разность фаз» световых колебаний, суммируемых на «экране» интерферометра. Набег фазы световой волны на длине плеча интерферометра является произведением интервала времени прохождения световой волны вдоль плеча интерферометра на частоту колебаний, измеренную на зеркале интерферометра, воспринимающем световые волны. Если в этом произведении один из сомножителей, например – интервал времени, возрастает на какую-то величину, то другой – частота колебаний при этом убывает на ту же величину. Само же произведение – набег фазы – остается постоянным и не зависит от скорости движения Земли относительно «эфира».

Таким образом с опозданием на 100 лет следует признать, что, вопреки утверждениям А. Эйнштейна, результат опыта Майкельсона – Морли не мог быть использован в качестве экспериментального базиса для выдвижения «специального принципа относительности» и «принципа постоянства скорости света» . Оба «принципа» были выдвинуты всего лишь на основе очередной неудачной попытки объяснения нулевого результата опыта Майкельсона – Морли, в действительности свидетельствующего о нечувствительности интерферометра Майкельсона к скорости его движения относительно световых волн.

Однако, как утверждает современная «официальная» физика, следствия из этих «принципов» , находят широкое применение в теор ии и подтверждаются многочисленными реальными практическими результатами. Странная получается ситуация. Если положенный в основу СТО «принцип постоянства скорости света» принципиально не может существовать в природе и выдвинут лишь на основе неверной трактовки результата опыта Майкельсона – Морли, то каким же образом могут выполняться следствия из СТО? Может быть, это следствия каких-то других причин, ошибочно приписываемых СТО? Давайте отдельно проанализируем реальность физических явлений, предсказываемых СТО, и их соответствие тем явлениям, которые наблюдаются на практике.

Сначала – цитата из работы А. Эйнштейна : «Представим себе часы, способные показывать время системы отсчета k и находящиеся в состоянии покоя относительно k. Можно показать, что те же часы, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно системы отсчета k, с точки зрения системы k будут идти медленнее: если показание часов увеличивается на единицу, то часы системы k покажут, что в этой системе прошло время

Таким образом, движущиеся часы идут медленнее, чем такие же часы, покоящиеся относительно системы k. При этом необходимо представлять себе, что скорость хода часов в движущемся состоянии определяется путем постоянного сравнения стрелок этих часов с положением стрелок тех покоящихся относительно системы k часов, которые измеряют время системы k и мимо которых проходят рассматриваемые движущиеся часы».

Как добиться такого «замедления» хода движущихся часов «с точки зрения» покоящейся системы отсчета А. Эйнштейн наглядно продемонстрировал в , мысленно осуществив неверную методически синхронизацию световыми сигналами часов, расположенных в координатных системах, находящихся в состоянии относительного движения. При этой «синхронизации» заведомо неодинаковые интервалы времени движения световых сигналов от неподвижной координатной системы к движущейся и обратно А. Эйнштейн предложил измерять одинаковыми и синхронно идущими часами, расположенными в этих координатных системах, но результаты измерений этих неодинаковых интервалов времени приписал неодинаковости хода часов, подменив причину следствием, что и привело к «появлению» релятиви стского «замедления» времени. Более подробно это изложено в статье автора «О методической ошибке способа синхронизации часов световыми сигналами, предложенного А.Эйнштейном» , где взамен эйнштейновской «синхронизации» предложен другой способ синхронизации тех же часов теми же световыми сигналами, обеспечивающий одинаковость (в пределах неравномерности хода часов) измеряемых часами интервалов времени движения световых сигналов и исключающий любые основания для существования релятиви стского «замедления» времени.

Уместно привести здесь справедливое высказывание Л. Бриллюэна по поводу эйнштейновской «синхронизации» часов: «Это правило (эйнштейновская «методика» синхронизации. Прим. автора) является произвольн ым и даже метафизическим. Его нельзя доказать или опровергнуть экспериментально …» . В отличие от эйнштейновской «синхронизации» часов, синхронизация, предложенная автором в статье «О методической ошибке способа синхронизации часов световыми сигналами, предложенного А. Эйнштейном» , физически реализуема и может быть использована для экспериментального доказательства абсолютности времени и опровержения «факта» существования в природе релятиви стского «замедления» времени. В этой связи следует заявить совершенно определенно: никакого реального замедления времени у наблюдаемых материальных объектов, обусловленного их равномерным движением «в пустоте» относительно субъектов-наблюдателей, происходить не может. Для этого нет никаких оснований, кроме упомянутой выше неверной методики синхронизации часов.

Итак, неверная методика синхронизации часов привела к неверному выводу о существовании релятиви стского «замедления» времени. В свою очередь несуществующее релятиви стское «замедление» времени породило несуществующее релятиви стское «сокращение» длины. В частности, А. Эйнштейн замечает по этому поводу: «Этот результат (наличие релятиви стского «сокращения» длины. Прим. автора) оказывается не таким уж странным, если учесть, что это высказывание о размерах движущегося тела имеет весьма сложный смысл , поскольку в соответствии с предыдущим размеры тела можно определить только с помощью измерения времени ». Выделено автором).

Особый интерес представляет высказывания А. Эйнштейна о физическом смысл е релятиви стского «замедления» времени и «сокращения» длины:

– « Обобщая, можно сделать вывод: всякий процесс в некоторой физической системе замедляется, если эта система приводится в поступательное движение. Однако это замедление происходит только с точки зрения несопутствующей системы координат» ;

– «Вопрос о том, реально лоренцево сокращение или нет, не имеет смысл а. Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом; однако, оно реально, так как оно может быть принципиально доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом».

То есть релятиви стское «замедление» времени и «сокращение» длины, по мнению А. Эйнштейна, отсутствуют для движущегося с телом наблюдателя и одновременно имеют место для наблюдателя, не движущегося с этим же телом. Вот оно главное и неизбежное следствие релятиви зма – солипсизм1 ! Не сам объект наблюдения – движущееся материальное тело, параметры которого мы наблюдаем, является реальностью, а «реальность» – это лишь «представления» каждого из субъектов – наблюдателей об этом теле. Соответственно, по А. Эйнштейну – сколько наблюдателей, столько и «реальностей».

1. Солипсизм - субъективно-идеалистическая теор ия, согласно которой существует только человек и его сознание, а объективный мир существует лишь в сознании индивида.

Напрасно, однако, при этом А. Эйнштейн идентифи цировал лоренцево сокращение с релятиви стским «сокращением» длины. Лоренцево сокращение и релятиви стское «сокращение» длины хоть и записываются одной и той же формулой, но имеют совершенно разный смысл . Лоренцево сокращение длины было предложено в виде гипотез ы, объясняющей нулевой результат опыта Майкельсона – Морли. Эта гипотез а, несмотря на ее «экстраординарность» (по выражению Г. А. Лоренца), основывалась на неизвестных, но вполне вероятных физических причинах взаимодействия движущегося тела с неподвижным «эфиром». Предполагалось, что лоренцево сокращение – реальное сокращение длины любых движущихся сквозь «эфир» материальных тел, а не «результат» наблюдения, зависящий от скорости относительного движения этих тел и наблюдателей. Основой же релятиви стского «сокращения» длины явилось несуществующее реально релятиви стское «замедление» времени. Добавить можно только следующее: ни лоренцево сокращение, ни релятиви стское «сокращение» длины не наблюдаются на практике. И то, и другое «сокращения» не имеют никакого отношения к объяснению нулевого результата опыта Майкельсона – Морли.

Наиболее точно по поводу «реальности» существования релятиви стских «эффектов» высказался Луи де Бройль : «Кажущееся (здесь и ниже выделено автором) сокращение размеров сопровождается кажущимся замедлением хода часов. Наблюдатели, находящиеся, например, в системе координат А, изучая ход часов, движущихся вместе с системой В, обнаружат, что они отстают от их собственных часов, покоящихся в системе А. Иначе говоря, можно утверждать, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных. Как показал Эйнштейн, это тоже одно из следствий преобразования Лоренца. Итак, кажущееся сокращение длин и замедление хода часов однозначно следует из новых определений пространства и времени, с которыми и связано преобразование Лоренца. И обратно, постул ируя сокращение размеров и замедление хода часов, можно получить формулы преобразования Лоренца» .

В своей жизни мы ежедневно сталкиваемся с кажущимися явлениями. Передвигаясь по улице, мы видим, что здания в перспективе не представляют собой прямоугольные параллелепипеды, каковыми являются на самом деле. Более близко расположенные части здания кажутся нам более высокими и более объемными. Но мы с детства знаем, что таковы законы перспективы и поэтому не считаем это явление реальностью. К этому пониманию нас привел опыт. Реальность для нас – строгая одинаковость высоты противоположных сторон прямоугольных параллелепипедов – стен зданий, подкрепленная результатами точных измерений, осуществленных в процессе строительства зданий. Представим себе, что нашелся бы «ученый», который заявил бы нам о том, что высота стен зданий, в которых мы проживаем, зависит от их удаления от любого наблюдателя – пешехода, идущего по улице. Думаю, что аплодировать этому «ученому» за такое «открытие» мы бы не стали, даже если бы он попытался уверить нас, что его заявление может быть «принципиально доказано физическими средствами ». Тогда почему мы уже 100 лет считаем реальностью не сами объекты наблюдения – материальные тела, существующие самостоятельно и независимо от нас, а подменяем их индивидуальными «представлениями» наблюдателей об этих материальных телах, якобы зависящими от скорости относительного движения? Даже если действительно оказалось бы, что измеренное значение какого-либо из параметров материального тела зависит от скорости движения неких наблюдателей относительно этого тела, то почему бы каждому из этих наблюдателей не ввести в результат измерений поправку, вычисленную по уравнению связи измеряемого параметра с относительной скоростью движения, и получить при этом единое для всех наблюдателей действительное значение параметра наблюдаемого материального тела? Именно так обычно поступают метрологи, вводя в результат измерений необходимые поправки, компенсирующие влияние кажущихся явлений, возникших по тем или иным причинам в процессе измерений. Этот простой способ позволяет им откорректировать получаемые результаты измерений и с максимальной точностью привести их в соответствие с единственной физической реальностью – материальным телом.

О чем же тогда свидетельствует масса известных экспериментов, в которых «регистрируется» несуществующее реально релятиви стское «замедление» времени? Ответ может быть один. В действительности экспериментаторы регистрируют не кажущееся замедление времени, а реальное замедление скорости протекания физических процессов, происходящих в материальных объектах, движущихся относительно нас с большими скоростями, сопоставимыми со скоростью света, или с большими ускорениями. Объективная причина реального увеличения длительности протекания некоторых наблюдаемых физических процессов, таких как, например, увеличение времени «жизни» быстро движущихся нестабильных частиц, должна быть связана с изменениями внутренней структуры этих частиц, возникающими вследствие изменений интенсивности их взаимодействия с «эфиром» при движении относительно него с субсветовой скоростью или большим ускорением. Сам собой напрашивается вывод, что сегодня мы введены в заблуждение случайным совпадением математических формул, полученных в СТО, с формулами, которые должны описывать объективно происходящие процессы, и для объяснения замедления скорости протекания физических процессов требуется иная теор ия.

Подведем итоги. «Барахтаясь» на перекате XІX – XX веков, физика «заглотала» красивую наживку в виде «принципа относительности» и намертво попалась на «стальной крючок» абсолюта скорости света. До сих пор общепризнанным считается тот факт, что СТО своевременно «вывела» физику из глубокого кризиса. Может быть и «вывела», но куда в результате «завела»? В «болото» солипсизма, доверху «заросшее» кажущимися явлениями, откуда не видно выхода.

• Перевод

Вне зависимости от цвета, длины волны или энергии, скорость, с которой свет перемещается в вакууме, остаётся постоянной. Она не зависит от местоположения или направлений в пространстве и времени

Ничто во Вселенной не способно двигаться быстрее света в вакууме. 299 792 458 метров в секунду. Если это массивная частица, она может лишь приблизиться к этой скорости, но не достичь её; если это безмассовая частица, она всегда должна двигаться именно с этой скоростью, если дело происходит в пустом пространстве. Но откуда нам это известно и что тому причиной? На этой неделе наш читатель задаёт нам три связанных со скоростью света вопроса:

Почему скорость света конечна? Почему она именно такая, какая есть? Почему не быстрее и не медленнее?

Вплоть до XIX века у нас даже не было подтверждений этим данным.



Иллюстрация света, проходящего через призму и разделяющегося на чёткие цвета.

Если свет проходит через воду, призму или любую другую среду, он разделяется на разные цвета. Красный цвет преломляется не под тем углом, под которым это делает синий, из-за чего и возникает что-то типа радуги. Это можно наблюдать и вне видимого спектра; инфракрасный и ультрафиолетовый свет ведут себя так же. Это было бы возможно, только если скорость света в среде отличается для света разных длин волн/энергий. Но в вакууме, вне всякой среды, всякий свет перемещается с одной и той же конечной скоростью.

Разделение света на цвета происходит из-за разных скоростей движения света, зависящих от длины волны, через среду

До этого додумались только в середине XIX века, когда физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что на самом деле представляет собой свет: электромагнитную волну. Максвелл впервые поставил независимые явления электростатики (статичные заряды), электродинамики (движущиеся заряды и токи), магнитостатики (постоянные магнитные поля) и магнитодинамики (наведённые токи и переменные магнитные поля) на единую, объединённую платформу. Управляющие ею уравнения – уравнения Максвелла – позволяют вычислять ответ на простой вроде бы вопрос: какие типы электрических и магнитных полей могут существовать в пустом пространстве вне электрических или магнитных источников? Без зарядов и без токов можно было бы решить, что никакие – но уравнения Максвелла удивительным образом доказывают обратное.

Табличка с уравнениями Максвелла с обратной стороны его памятника

Ничто – одно из возможных решений; но возможно и другое – колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. У них есть определённые амплитуды. Их энергия определяется частотой колебаний полей. Они передвигаются с определённой скоростью, определяемой двумя константами: ε 0 и µ 0 . Эти константы определяют величину электрического и магнитного взаимодействий в нашей Вселенной. Получаемое уравнение описывает волну. И, как у всякой волны, у неё есть скорость, 1/√ε 0 µ 0 , которая оказывается равной c, скорости света в вакууме.

Колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся со скоростью света, определяют электромагнитное излучение

С теоретической точки зрения, свет – безмассовое электромагнитное излучение. По законам электромагнетизма он обязан двигаться со скоростью 1/√ε 0 µ 0 , равной c – вне зависимости от остальных его свойств (энергии, импульса, длины волны). ε 0 можно измерить, сделав и измерив конденсатор; µ 0 точно определяется из ампера, единицы электрического тока, что и даёт нам c. Та же фундаментальная константа, впервые выведенная Максвеллом в 1865 году, с тех пор появлялась во многих других местах:

Это скорость любой безмассовой частицы или волны, включая гравитационные.
Это фундаментальная константа, соотносящая ваше движение в пространстве с вашим движением во времени в теории относительности.
И это фундаментальная константа, связывающая энергию с массой покоя, E = mc 2

Наблюдения Рёмера снабдили нас первыми измерениями скорости света, полученными при помощи геометрии и измерения времени, необходимого на то, чтобы свет прошёл расстояние, равное диаметру орбиты Земли.

Первые измерения этой величины были сделаны во время астрономических наблюдений. Когда луны Юпитера входят и выходят в положение затмения, они кажутся видимыми или невидимыми с Земли в определённой последовательности, зависящей от скорости света . Это привело к первому количественному измерению с в XVII веке, которое определили в 2,2 × 10 8 м/с. Отклонение звёздного света – из-за движения звезды и Земли, на которой установлен телескоп – тоже можно оценить численно. В 1729 году этот метод измерения с показал значение, отличающееся от современного всего на 1,4%. К 1970-м с определили равным 299 792 458 м/с с погрешностью всего в 0,0000002%, большая часть которой проистекала из невозможности точного определения метра или секунды. К 1983 году секунду и метр переопределили через с и универсальные свойства излучения атома. Теперь скорость света равна точно 299 792 458 м/с.

Атомный переход с орбитали 6S, δf 1 , определяет метр, секунду и скорость света

Так почему же скорость света не больше и не меньше? Объяснение такое же простое, как указанный на рис. Выше атом. Атомные переходы происходят так, как происходят, из-за фундаментальных квантовых свойств строительных блоков природы. Взаимодействия атомного ядра с электрическим и магнитными полями, создаваемыми электронами и другими частями атома приводят к тому, что разные энергетические уровни оказываются чрезвычайно близко друг к другу, но всё же немного отличаются: это называется сверхтонким расщеплением . В частности, частота перехода сверхтонкой структуры цезия-133 испускает свет совершенно определённой частоты. Время, за которое проходит 9 192 631 770 таких циклов, определяет секунду; расстояние, которое свет проходит за это время, равняется 299 792 458 метрам; скорость, с которой распространяется этот свет, определяет с.

Пурпурный фотон переносит в миллион раз больше энергии, чем жёлтый. Космический гамма-телескоп Ферми не показывает никаких задержек какого-либо из фотонов, пришедших к нам от гамма-всплеска, что подтверждает постоянство скорости света для всяких энергий

Чтобы поменять это определение, нужно, чтобы с этим атомным переходом или с идущим от него светом произошло что-то фундаментально отличное от его текущей природы. Этот пример также даёт нам ценный урок: если бы атомная физика и атомные переходы работали бы в прошлом или на дальних расстояниях по-другому, это было бы свидетельством изменения скорости света со временем. Пока что все проводимые нами измерения лишь накладывают дополнительные ограничения на постоянство скорости света, и эти ограничения весьма строги: изменение не превосходит 7% от текущего значения за последние 13,7 млрд лет. Если бы по какой-то из этих метрик скорость света оказалась не постоянной, или же она отличалась бы у разных типов света, это привело бы к крупнейшей научной революции со времён Эйнштейна. Вместо этого все свидетельства говорят в пользу Вселенной, в которой все законы физики всегда, везде, во всех направлениях, во все времена остаются одинаковыми, включая и физику самого света. В каком-то смысле это тоже достаточно революционные сведения.