Художественное представление космического корабля, совершающего прыжок к "скорости света". Предоставлено: NASA/Glenn Research Center.

С древних времен философы и ученые стремились понять свет. Кроме того, пытаясь определить его основные свойства (т.е. из чего он состоит - частица или волна и т.д.), они также стремились проделать конечные измерения того, как быстро он движется. С конца 17 века ученые делают именно это, и с возрастающей точностью.

Поступая таким образом, они получили лучшее понимание механики света, и какую важную роль он играет в физике, астрономии и космологии. Проще говоря, свет движется с невероятной скоростью, и это самый быстро движущийся объект во Вселенной. Его скорость является постоянной и неприступным барьером и используется в качестве измерения расстояния. Но насколько же быстро он движется?

Скорость света (с):

Свет движется с постоянной скоростью 1 079 252 848,8 км/ч (1,07 млрд). Что получается 299 792 458 м/с. Расставим все по своим местам. Если вы могли бы двигаться со скоростью света, вы смогли бы обогнуть земной шар примерно семь с половиной раз в секунду. Между тем, у человека, летящего со средней скоростью 800 км/ч, заняло бы более 50 часов, чтобы обогнуть планету.

Иллюстрация, показывающая расстояние, которое свет проходит между Землей и Солнцем. Предоставлено: LucasVB/Public Domain.

Рассмотрим это с астрономической точки зрения, среднее расстояние от до 384 398,25 км. Поэтому свет проходит это расстояние примерно за секунду. Между тем, среднее 149 597 886 км, что означает, что свету требуется всего около 8 минут, чтобы совершить это путешествие.

Неудивительно тогда, почему скорость света - это показатель, используемый для определения астрономических расстояний. Когда мы говорим, что звезда, такая как , находится в 4,25 световых годах, мы подразумеваем, что для того, чтобы добраться туда, потребуется, путешествуя с постоянной скоростью 1,07 млрд км/ч, около 4 лет и 3 месяцев. Но как же мы пришли к этому весьма конкретному значению скорости света?

История изучения:

До 17 века ученые были уверены в том, что свет путешествовал с конечной скоростью, или мгновенно. Со времен древних греков до средневековых исламских богословов и ученых нового времени шли дебаты. Но до тех пор, пока ни появилась работа датского астронома Оле Рёмера (1644-1710), в которой были проведены первые количественные измерения.

В 1676 году Рёмер наблюдал, что периоды самой внутренней луны Юпитера Ио казались короче, когда Земля приближалась к Юпитеру, чем когда она удалялась. Из этого он заключил, что свет движется с конечной скоростью, и по оценкам, ему требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли.

Профессор Альберт Эйнштейн на 11-й лекции Джозайи Уилларда Гиббса в Технологическом Институте Карнеги 28 декабря 1934 года, где он разъясняет свою теорию о том, что материя и энергия - это одно и то же в разных формах. Предоставлено: AP Photo.

Христиан Гюйгенс использовал эту оценку и объединил её с оценкой диаметра орбиты Земли, чтобы получить оценку в 220000 км/с. Исаак Ньютон также рассказывал о расчетах Рёмера в своей основополагающей работе "Оптика" 1706 года. Внося поправки для расстояния между Землей и Солнцем, он подсчитал, что свету потребуется семь или восемь минут, чтобы добраться от одного к другому. В обоих случаях была сравнительно небольшая погрешность.

Более поздние измерения, проведенные французскими физиками Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868), уточнили эти показатели, приведя к значению 315000 км/с. И ко второй половине 19 века ученым стало известно о связи между светом и электромагнетизмом.

Это было достигнуто физиками за счет измерения электромагнитных и электростатических зарядов. Затем они обнаружили, что числовое значение было очень близко к скорости света (как измерил Физо). Исходя из его собственной работы, которая показала, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве, немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер предположил, что свет был электромагнитной волной.

Следующий большой прорыв произошёл в начале 20-го века. В своей статье под названием "К электродинамике движущихся тел" Альберт Эйнштейн утверждает, что скорость света в вакууме, измеренная наблюдателем, имеющим постоянную скорость, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или наблюдателя.

Лазерный луч, светящий через стакан с водой, показывает, скольким изменениям он подвергается, когда проходит из воздуха в стекло, в воду и обратно в воздух. Предоставлено: Bob King.

Взяв это утверждение и принцип относительности Галилео за основу, Эйнштейн вывел специальную теорию относительности, в которой скорость света в вакууме (с) является фундаментальной константой. До этого соглашение среди ученых гласило, что космос был заполнен "светоносным эфиром", который отвечает за его распространение - т.е. свет, движущийся через движущуюся среду будет плестись в хвосте среды.

Это в свою очередь означает, что измеренная скорость света была бы простой суммой его скорости через среду плюс скорость той среды. Тем не менее, теория Эйнштейна сделала концепцию неподвижного эфира бесполезной и изменила представление о пространстве и времени.

Она (теория) не только продвинула идею о том, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах, но также была высказана мысль о том, что происходят серьезные изменения, когда вещи движутся близко к скорости света. К ним относятся пространственно-временные рамки движущегося тела, кажущегося замедляющимся, и направление движения, когда измерение происходит с точки зрения наблюдателя (т.е. релятивистские замедление времени, где время замедляется при приближении к скорости света).

Его наблюдения также согласуются с уравнениями Максвелла для электричества и магнетизма с законами механики, упрощают математические расчеты, уходя от несвязанных аргументов других ученых, и согласовываются с непосредственным наблюдением скорости света.

Насколько похожи материя и энергия?

Во второй половине 20-го века всё более точные измерения с помощью метода лазерных интерферометров и резонансных полостей далее уточняли оценки скорости света. К 1972 году группа в Национальном бюро стандартов США в Боулдере, Колорадо, использовала метод лазерной интерферометрии, чтобы получить принятое в настоящее время значение 299 792 458 м/с.

Роль в современной астрофизике:

Теория Эйнштейна о том, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и инерциальный системы отсчета наблюдателя, с тех пор неизменно подтверждается множеством экспериментов. Она также устанавливает верхний предел скорости, с которой все безмассовые частицы и волны (включая свет) могут распространяться в вакууме.

Один из результатов этого в том, что космологии теперь рассматривают пространство и время как единую структуру, известную как пространство-время, в которой скорость света может быть использована для определения значения обоих (т.е. световые года, световые минуты и световые секунды). Измерение скорости света также может стать важным фактором при определении ускорения расширения Вселенной.

В начале 1920-х с наблюдениями Леметра и Хаббла ученым и астрономам стало известно, что Вселенная расширяется из точки происхождения. Хаббл также заметил, чем дальше галактика, тем быстрее она движется. То, что сейчас называют постоянной Хаббла - это скорость, с которой расширяется Вселенная, она равна 68 км/с на мегапарсек.

Как быстро расширяется Вселенная?

Это явление, представленное в виде теории, означает, что некоторые галактики на самом деле могут двигаться быстрее скорости света, что может наложить ограничение на то, что мы наблюдаем в нашей Вселенной. По сути, галактики, движущиеся быстрее скорости света, пересекли бы "космологический горизонт событий", где они больше не видны для нас.

Кроме того, к 1990-м измерения красного смещения далёких галактик показали, что расширение Вселенной ускоряется за последние несколько миллиардов лет. Это привело к теории "Темной Энергии", где невидимая сила движет расширением самого пространства, а не объектов, движущихся через него (при этом не поставив ограничение на скорость света или нарушение относительности).

Наряду со специальной и общей теорией относительности современное значение скорости света в вакууме сформировалось из космологии, квантовой механики и Стандартной модели физики элементарных частиц. Она остается постоянной, когда речь идет о верхнем пределе, с которым могут двигаться безмассовые частицы и остается недостижимым барьером для частиц, имеющих массу.

Вероятно, когда-нибудь мы найдем способ превысить скорость света. Пока у нас нет практических идей о том, как это может происходить, похоже "умные деньги" на технологиях позволят нам обойти законы пространства-времени, либо путем создания варп-пузырей (ака. варп-двигатель Алькубьерре) либо туннелирование через него (ака. червоточины).

Что такое червоточины?

До этого времени мы просто будем вынуждены довольствоваться Вселенной, которую мы видим, и придерживаться исследования той части, до которой можно добраться с помощью обычных методов.

Название прочитанной вами статьи "Что такое скорость света?" .

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ.

В середине прошлого года в журналах появилось сенсационное сообщение. Группа американских исследователей обнаружила, что очень короткий лазерный импульс движется в особым образом подобранной среде в сотни раз быстрее, чем в вакууме. Это явление казалось совершенно невероятным (скорость света в среде всегда меньше, чем в вакууме) и даже породило сомнения в справедливости специальной теории относительности. Между тем сверхсветовой физический объект - лазерный импульс в усиливающей среде - был впервые обнаружен не в 2000 году, а на 35 лет раньше, в 1965 году, и возможность сверхсветового движения широко обсуждалась до начала 70-х годов. Сегодня дискуссия вокруг этого странного явления вспыхнула с новой силой.

Примеры "сверхсветового" движения.

В начале 60-х годов короткие световые импульсы большой мощности стали получать, пропуская через квантовый усилитель (среду с инверсной заселенностью) лазерную вспышку.

В усиливающей среде начальная область светового импульса вызывает вынужденное излучение атомов среды усилителя, а конечная его область - поглощение ими энергии. В результате наблюдателю будет казаться, что импульс движется быстрее света.

Эксперимент Лиджуна Вонга.

Луч света, проходящий сквозь призму из прозрачного материала (например, стекла), преломляется, то есть испытывает дисперсию.

Световой импульс представляет собой набор колебаний разной частоты.

Наверное, всем - даже людям, далеким от физики, - известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме. Она обозначается буквой с и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с. Скорость света в вакууме - одна из фундаментальных физических констант. Невозможность достижения скоростей, превышающих с , вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с . Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.

Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света. Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел? Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира - закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину. Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с , последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения.

Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во все более и более ранние моменты времени. Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем - испущенные позавчера, потом - неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребенка... То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами.

Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно наглядно демонстрирует, что движение со сверхсветовой скоростью приводит к невозможной в нашем мире ситуации. Однако природа поставила еще более жесткие условия: недостижимо движение не только со сверхсветовой скоростью, но и со скоростью, равной скорости света, - к ней можно только приближаться. Из теории относительности следует, что при увеличении скорости движения возникают три обстоятельства: возрастает масса движущегося объекта, уменьшается его размер в направлении движения и замедляется течение времени на этом объекте (с точки зрения внешнего "покоящегося" наблюдателя). При обычных скоростях эти изменения ничтожно малы, но по мере приближения к скорости света они становятся все ощутимее, а в пределе - при скорости, равной с , - масса становится бесконечно большой, объект полностью теряет размер в направлении движения и время на нем останавливается. Поэтому никакое материальное тело не может достичь скорости света. Такой скоростью обладает только сам свет! (А также "всепроникающая" частица - нейтрино, которая, как и фотон, не может двигаться со скоростью, меньшей с. )

Теперь о скорости передачи сигнала. Здесь уместно воспользоваться представлением света в виде электромагнитных волн. Что такое сигнал? Это некая информация, подлежащая передаче. Идеальная электромагнитная волна - это бесконечная синусоида строго одной частоты, и она не может нести никакой информации, ибо каждый период такой синусоиды в точности повторяет предыдущий. Cкорость перемещения фазы cинусоидальной волны - так называемая фазовая скорость - может в среде при определенных условиях превышать скорость света в вакууме. Здесь ограничения отсутствуют, так как фазовая скорость не является скоростью сигнала - его еще нет. Чтобы создать сигнал, надо сделать какую-то "отметку" на волне. Такой отметкой может быть, например, изменение любого из параметров волны - амплитуды, частоты или начальной фазы. Но как только отметка сделана, волна теряет синусоидальность. Она становится модулированной, состоящей из набора простых синусоидальных волн с различными амплитудами, частотами и начальными фазами - группы волн. Скорость перемещения отметки в модулированной волне и является скоростью сигнала. При распространении в среде эта скорость обычно совпадает с групповой скоростью, характеризующей распространение вышеупомянутой группы волн как целого (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). При обычных условиях групповая скорость, а следовательно, и скорость сигнала меньше скорости света в вакууме. Здесь не случайно употреблено выражение "при обычных условиях", ибо в некоторых случаях и групповая скорость может превышать с или вообще терять смысл, но тогда она не относится к распространению сигнала. В СТО устанавливается, что невозможна передача сигнала со скоростью, большей с .

Почему это так? Потому, что препятствием для передачи любого сигнала со скоростью больше с служит все тот же закон причинности. Представим себе такую ситуацию. В некоторой точке А световая вспышка (событие 1) включает устройство, посылающее некий радиосигнал, а в удаленной точке В под действием этого радиосигнала происходит взрыв (событие 2). Понятно, что событие 1 (вспышка) - причина, а событие 2 (взрыв) - следствие, наступающее позже причины. Но если бы радиосигнал распространялся со сверхсветовой скоростью, наблюдатель вблизи точки В увидел бы сначала взрыв, а уже потом - дошедшую до него со скоростью с световую вспышку, причину взрыва. Другими словами, для этого наблюдателя событие 2 совершилось бы раньше, чем событие 1, то есть следствие опередило бы причину.

Уместно подчеркнуть, что "сверхсветовой запрет" теории относительности накладывается только на движение материальных тел и передачу сигналов. Во многих ситуациях возможно движение с любой скоростью, но это будет движение не материальных объектов и не сигналов. Например, представим себе две лежащие в одной плоскости достаточно длинные линейки, одна из которых расположена горизонтально, а другая пересекает ее под малым углом. Если первую линейку двигать вниз (в направлении, указанном стрелкой) с большой скоростью, точку пересечения линеек можно заставить бежать сколь угодно быстро, но эта точка - не материальное тело. Другой пример: если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несет никакой информации о точке А.

Казалось бы, вопрос о сверхсветовых скоростях решен. Но в 60-х годах двадцатого столетия физиками-теоретиками была выдвинута гипотеза существования сверхсветовых частиц, названных тахионами. Это очень странные частицы: теоретически они возможны, но во избежание противоречий с теорией относительности им пришлось приписать мнимую массу покоя. Физически мнимая масса не существует, это чисто математическая абстракция. Однако это не вызвало особой тревоги, поскольку тахионы не могут находиться в покое - они существуют (если существуют!) только при скоростях, превышающих скорость света в вакууме, а в этом случае масса тахиона оказывается вещественной. Здесь есть некоторая аналогия с фотонами: у фотона масса покоя равна нулю, но это просто означает, что фотон не может находиться в покое - свет нельзя остановить.

Наиболее сложным оказалось, как и следовало ожидать, примирить тахионную гипотезу с законом причинности. Попытки, предпринимавшиеся в этом направлении, хотя и были достаточно остроумными, не привели к явному успеху. Экспериментально зарегистриро вать тахионы также никому не удалось. В итоге интерес к тахионам как к сверхсветовым элементарным частицам постепенно сошел на нет.

Однако в 60-х же годах было экспериментально обнаружено явление, поначалу приведшее физиков в замешательство. Об этом подробно рассказано в статье А. Н. Ораевского "Сверхсветовые волны в усиливающих средах" (УФН № 12, 1998 г.). Здесь мы кратко приведем суть дела, отсылая читателя, интересующегося подробностями, к указанной статье.

Вскоре после открытия лазеров - в начале 60-х годов - возникла проблема получения коротких (длительностью порядка 1 нс = 10 -9 с) импульсов света большой мощности. Для этого короткий лазерный импульс пропускался через оптический квантовый усилитель. Импульс расщеплялся светодели тельным зеркалом на две части. Одна из них, более мощная, направлялась в усилитель, а другая распространялась в воздухе и служила опорным импульсом, с которым можно было сравнивать импульс, прошедший через усилитель. Оба импульса подавались на фотоприемники, а их выходные сигналы могли визуально наблюдаться на экране осциллографа. Ожидалось, что световой импульс, проходящий через усилитель, испытает в нем некоторую задержку по сравнению с опорным импульсом, то есть скорость распространения света в усилителе будет меньше, чем в воздухе. Каково же было изумление исследователей, когда они обнаружили, что импульс распространялся через усилитель со скоростью не только большей, чем в воздухе, но и превышающей скорость света в вакууме в несколько раз!

Оправившись от первого шока, физики стали искать причину столь неожиданного результата. Ни у кого не возникло даже малейшего сомнения в принципах специальной теории относительности, и именно это помогло найти правильное объяснение: если принципы СТО сохраняются, то ответ следует искать в свойствах усиливающей среды.

Не вдаваясь здесь в детали, укажем лишь, что подробный анализ механизма действия усиливающей среды полностью прояснил ситуацию. Дело заключалось в изменении концентрации фотонов при распространении импульса - изменении, обусловленном изменением коэффициента усиления среды вплоть до отрицательного значения при прохождении задней части импульса, когда среда уже поглощает энергию, ибо ее собственный запас уже израсходован вследствие передачи ее световому импульсу. Поглощение вызывает не усиление, а ослабление импульса, и, таким образом, импульс оказывается усиленным в передней и ослабленным в задней его части. Представим себе, что мы наблюдаем за импульсом при помощи прибора, движущегося со скоростью света в среде усилителя. Если бы среда была прозрачной, мы видели бы застывший в неподвижности импульс. В среде же, в которой происходит упомянутый выше процесс, усиление переднего и ослабление заднего фронта импульса будет представляться наблюдателю так, что среда как бы подвинула импульс вперед. Но раз прибор (наблюдатель) движется со скоростью света, а импульс обгоняет его, то скорость импульса превышает скорость света! Именно этот эффект и был зарегистрирован экспериментаторами. И здесь действительно нет противоречия с теорией относительности: просто процесс усиления таков, что концентрация фотонов, вышедших раньше, оказывается больше, чем вышедших позже. Со сверхсветовой скоростью перемещаются не фотоны, а огибающая импульса, в частности его максимум, который и наблюдается на осциллографе.

Таким образом, в то время как в обычных средах всегда происходит ослабление света и уменьшение его скорости, определяемое показателем преломления, в активных лазерных средах наблюдается не только усиление света, но и распространение импульса со сверхсветовой скоростью.

Некоторые физики пытались экспериментально доказать наличие сверхсветового движения при туннельном эффекте - одном из наиболее удивительных явлений в квантовой механике. Этот эффект состоит в том, что микрочастица (точнее говоря, микрообъект, в разных условиях проявляющий как свойства частицы, так и свойства волны) способна проникать через так называемый потенциальный барьер - явление, совершенно невозможное в классической механике (в которой аналогом была бы такая ситуация: брошенный в стену мяч оказался бы по другую сторону стены или же волнообразное движение, приданное привязанной к стене веревке, передавалось бы веревке, привязанной к стене с другой стороны). Сущность туннельного эффекта в квантовой механике состоит в следующем. Если микрообъект, обладающий определенной энергией, встречает на своем пути область с потенциальной энергией, превышающей энергию микрообъекта, эта область является для него барьером, высота которого определяется разностью энергий. Но микрообъект "просачивается" через барьер! Такую возможность дает ему известное соотношение неопределенностей Гейзенбер га, записанное для энергии и времени взаимодействия. Если взаимодействие микрообъекта с барьером происходит в течение достаточно определенного времени, то энергия микрообъекта будет, наоборот, характеризоваться неопределенностью, и если эта неопределен ность будет порядка высоты барьера, то последний перестает быть для микрообъекта непреодолимым препятствием. Вот скорость проникновения через потенциальный барьер и стала предметом исследований ряда физиков, полагающих, что она может превышать с .

В июне 1998 года в КЈльне состоялся международный симпозиум по проблемам сверхсветовых движений, где обсуждались результаты, полученные в четырех лабораториях - в Беркли, Вене, КЈльне и во Флоренции.

И, наконец, в 2000 году появились сообщения о двух новых экспериментах, в которых проявились эффекты сверхсветового распространения. Один из них выполнил Лиджун Вонг с сотрудниками в исследовательском институте в Принстоне (США). Его результат состоит в том, что световой импульс, входящий в камеру, наполненную парами цезия, увеличивает свою скорость в 300 раз. Получалось, что главная часть импульса выходит из дальней стенки камеры даже раньше, чем импульс входит в камеру через переднюю стенку. Такая ситуация противоречит не только здравому смыслу, но, в сущности, и теории относитель ности.

Сообщение Л. Вонга вызвало интенсивное обсуждение в кругу физиков, большинство которых не склонны видеть в полученных результатах нарушение принципов относительно сти. Задача состоит в том, полагают они, чтобы правильно объяснить этот эксперимент.

В эксперименте Л.Вонга световой импульс, входящий в камеру с парами цезия, имел длительность около 3 мкс. Атомы цезия могут находиться в шестнадцати возможных квантовомеханических состояниях, называемых "сверхтонкие магнитные подуровни основного состояния". При помощи оптической лазерной накачки почти все атомы приводились только в одно из этих шестнадцати состояний, соответствующее почти абсолютному нулю температуры по шкале Кельвина (-273,15 о C). Длина цезиевой камеры составляла 6 сантиметров. В вакууме свет проходит 6 сантиметров за 0,2 нс. Через камеру же с цезием, как показали выполненные измерения, световой импульс проходил за время на 62 нс меньшее, чем в вакууме. Другими словами, время прохождения импульса через цезиевую среду имеет знак "минус"! Действительно, если из 0,2 нс вычесть 62 нс, получим "отрицательное" время. Эта "отрицательная задержка" в среде - непостижимый временной скачок - равен времени, в течение которого импульс совершил бы 310 проходов через камеру в вакууме. Следствием этого "временного переворота" явилось то, что выходящий из камеры импульс успел удалиться от нее на 19 метров, прежде чем приходящий импульс достиг ближней стенки камеры. Как же можно объяснить такую невероятную ситуацию (если, конечно, не сомневаться в чистоте эксперимента)?

Судя по развернувшейся дискуссии, точное объяснение еще не найдено, но несомненно, что здесь играют роль необычные дисперсионные свойства среды: пары цезия, состоящие из возбужденных лазерным светом атомов, представляют собой среду с аномальной дисперсией. Напомним кратко, что это такое.

Дисперсией вещества называется зависимость фазового (обычного) показателя преломления n от длины волны света l. При нормальной дисперсии показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны, и это имеет место в стекле, воде, воздухе и всех других прозрачных для света веществах. В веществах же, сильно поглощающих свет, ход показателя преломления с изменением длины волны меняется на обратный и становится гораздо круче: при уменьшении l (увеличении частоты w) показатель преломления резко уменьшается и в некоторой области длин волн становится меньше единицы (фазовая скорость V ф > с ). Это и есть аномальная дисперсия, при которой картина распространения света в веществе меняется радикальным образом. Групповая скорость V гр становится больше фазовой скорости волн и может превысить скорость света в вакууме (а также стать отрицательной). Л. Вонг указывает на это обстоятельство как на причину, лежащую в основе возможности объяснения результатов его эксперимента. Следует, однако, заметить, что условие V гр > с является чисто формальным, так как понятие групповой скорости введено для случая малой (нормальной) дисперсии, для прозрачных сред, когда группа волн при распространении почти не меняет своей формы. В областях же аномальной дисперсии световой импульс быстро деформируется и понятие групповой скорости теряет смысл; в этом случае вводятся понятия скорости сигнала и скорости распространения энергии, которые в прозрачных средах совпадают с групповой скоростью, а в средах с поглощением остаются меньше скорости света в вакууме. Но вот что интересно в эксперименте Вонга: световой импульс, пройдя через среду с аномальной дисперсией, не деформируется - он в точности сохраняет свою форму! А это соответствует допущению о распространении импульса с групповой скоростью. Но если так, то получается, что в среде отсутствует поглощение, хотя аномальная дисперсия среды обусловлена именно поглощением! Сам Вонг, признавая, что многое еще остается неясным, полагает, что происходящее в его экспериментальной установке можно в первом приближении наглядно объяснить следующим образом.

Световой импульс состоит из множества составляющих с различными длинами волн (частотами). На рисунке показаны три из этих составляющих (волны 1-3). В некоторой точке все три волны находятся в фазе (их максимумы совпадают); здесь они, складываясь, усиливают друг друга и образуют импульс. По мере дальнейшего распространения в пространстве волны расфазируются и тем самым "гасят" друг друга.

В области аномальной дисперсии (внутри цезиевой ячейки) волна, которая была короче (волна 1), становится длиннее. И наоборот, волна, бывшая самой длинной из трех (волна 3), становится самой короткой.

Следовательно, соответственно меняются и фазы волн. Когда волны прошли через цезиевую ячейку, их волновые фронты восстанавливаются. Претерпев необычную фазовую модуляцию в веществе с аномальной дисперсией, три рассматриваемые волны вновь оказываются в фазе в некоторой точке. Здесь они снова складываются и образуют импульс точно такой же формы, как и входящий в цезиевую среду.

Обычно в воздухе и фактически в любой прозрачной среде с нормальной дисперсией световой импульс не может точно сохранять свою форму при распространении на удаленное расстояние, то есть все его составляющие не могут быть сфазированы в какой-либо удаленной точке вдоль пути распространения. И в обычных условиях световой импульс в такой удаленной точке появляется спустя некоторое время. Однако вследствие аномальных свойств использованной в эксперименте среды импульс в удаленной точке оказался сфазирован так же, как и при входе в эту среду. Таким образом, световой импульс ведет себя так, как если бы он имел отрицательную временную задержку на пути до удаленной точки, то есть пришел бы в нее не позже, а раньше, чем прошел среду!

Большая часть физиков склонна связывать этот результат с возникновением низкоинтенсивного предвестника в диспергирующей среде камеры. Дело в том, что при спектральном разложении импульса в спектре присутствуют составляющие сколь угодно высоких частот с ничтожно малой амплитудой, так называемый предвестник, идущий впереди "главной части" импульса. Характер установления и форма предвестника зависят от закона дисперсии в среде. Имея это в виду, последовательность событий в эксперименте Вонга предлагается интерпретировать следующим образом. Приходящая волна, "простирая" предвестник впереди себя, приближается к камере. Прежде чем пик приходящей волны попадет на ближнюю стенку камеры, предвестник инициирует возникновение импульса в камере, который доходит до дальней стенки и отражается от нее, образуя "обратную волну". Эта волна, распространяясь в 300 раз быстрее с , достигает ближней стенки и встречается с приходящей волной. Пики одной волны встречаются со впадинами другой, так что они уничтожают друг друга и в результате ничего не остается. Получается, что приходящая волна "возвращает долг" атомам цезия, которые "одалживали" ей энергию на другом конце камеры. Тот, кто наблюдал бы только начало и конец эксперимента, увидел бы лишь импульс света, который "прыгнул" вперед во времени, двигаясь быстрее с.

Л. Вонг считает, что его эксперимент не согласуется с теорией относительности. Утверждение о недостижимости сверхсветовой скорости, полагает он, применимо только к объектам, обладающим массой покоя. Свет может быть представлен либо в виде волн, к которым вообще неприменимо понятие массы, либо в виде фотонов с массой покоя, как известно, равной нулю. Поэтому скорость света в вакууме, считает Вонг, не предел. Тем не менее Вонг признает, что обнаруженный им эффект не дает возможности передавать информацию со скоростью больше с .

"Информация здесь уже заключена в переднем крае импульса, - говорит П. Милонни, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории США. - И может создаться впечатление о сверхсветовой посылке информации, даже когда вы ее не посылаете".

Большинство физиков считают, что новая работа не наносит сокрушительного удара по фундаментальным принципам. Но не все физики полагают, что проблема улажена. Профессор А. Ранфагни из итальянской исследовательской группы, осуществившей еще один интересный эксперимент 2000 года, считает, что вопрос еще остается открытым. Этот эксперимент, проведенный Даниэлом Мугнаи, Анедио Ранфагни и Рокко Руггери, обнаружил, что радиоволны сантиметрового диапазона в обычном воздухе распространяются со скоростью, превышающей с на 25%.

Резюмируя, можно сказать следующее. Работы последних лет показывают, что при определенных условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью? Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. Тем не менее некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстри ровать преодоление светового барьера именно для сигналов. Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого математического обоснования (базирующегося, скажем, на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля) невозможности передачи сигналов со скоростью больше с . Такая невозможность в СТО устанавливается, можно сказать, чисто арифметически, исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности. Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае "...мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Но, хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит в себе, по-моему, никаких противоречий, он все же настолько противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения V > с представляется в достаточной степени доказанной". Принцип причинности - вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой передачи сигналов. И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов, как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить, ибо такова природа нашего мира.

В заключение следует подчеркнуть, что все вышеизложенное относится именно к нашему миру, к нашей Вселенной. Такая оговорка сделана потому, что в последнее время в астрофизике и космологии появляются новые гипотезы, допускающие существование множества скрытых от нас Вселенных, соединенных топологическими туннелями -перемычками. Такой точки зрения придерживается, например, известный астрофизик Н. С. Кардашев. Для внешнего наблюдателя входы в эти туннели обозначаются аномальными полями тяготения, подобно черным дырам. Перемещения в таких туннелях, как предполагают авторы гипотез, позволят обойти ограничение скорости движения, накладыва емое в обычном пространстве скоростью света, и, следовательно, реализовать идею о создании машины времени... Не исключено, что в подобных Вселенных действительно могут происходить необычные для нас вещи. И хотя пока что такие гипотезы слишком уж напоминают сюжеты из научной фантастики, вряд ли следует категорически отвергать принципиальную возможность многоэлементной модели устройства материального мира. Другое дело, что все эти другие Вселенные, скорее всего, останутся чисто математическими построениями физиков-теоретиков, живущих в нашей Вселенной и силой своей мысли пытающихся нащупать закрытые для нас миры...

См. в номере на ту же тему

Получив множество благодарностей от изголодавшегося по науке населения этой страны, мы решили продолжить ликбез для тех, кто в детстве мечтал стать ученым, но как-то не сложилось. Назло всем специалистам и кандидатам, нарушая все до единой методологии и правила хорошего научного текста, мы пишем доступным языком об открытиях современной (и не очень) науки и прилагаем к этому случайные картинки из интернета.
Сегодня мы поговорим о скорости света, почему она постоянная, почему все "бегают" с этой скоростью и удивляются оной, и что вообще, черт побери, происходит.

Собственно говоря, скорость света начали пытаться измерить еще очень давно. Всякие там Кеплеры и прочие считали, что скорость света бесконечна, а Галилей, например, полагал, что скорость определить можно, но трудно, так как она очень большая.
Прав оказался Галилей и иже с ним. В 17 веке некто Рёмер неточно рассчитал скорость света, когда наблюдал затмения спутников Юпитера. Ну а в дальнейшем научно-технический прогресс окончательно все расставил по местам, и выяснилось, что скорость света равна приблизительно 300 000 километров в секунду.

Но что же такого в этом значении? Почему эта скорость так важна? Скорость моего лисапеда тоже можно подсчитать, но никто ж над ней не размышляет о вечности и структуре мироздания.

А подвох в том, что скорость света ВСЕГДА равна 300 000 километров в секунду.
Исходя из собственного опыта путешествия на лисапедах , представим ситуацию: вы с другом едете на велосипедах: ваш друг чуть быстрее, а вы чуть медленнее. Допустим со скоростями 20 и 15 км/час соответственно. И если вы, двигаясь со своей скоростью, решите измерить (как-нибудь) скорость друга, то вы вычислите, что ваш друг двигается относительно вас со скоростью 5 км/час.

Ну, это простые правила сложения скоростей. Тут то, надеемся, все понятно. Если вы увеличите скорость до 20 км/час и нагоните друга, то относительно вас ваш друг будет иметь скорость равную нулю.

Это логично и следует из жизненного опыта. Скорость моторной лодки которая, движется по течению также складывается из собственной скорости лодки и скорости течения реки.

А теперь попробуем проделать тот же фокус со светом. Ваш друг внезапно аннигилировал и превратился в луч света. Вы решили погнаться за ним и сильно для этого постарались. Вы разогнались до скорости довольно близкой к скорости света. И чисто ради прикола, из научного, так сказать, любопытства, решили тоже замерить скорость вашего бывшего друга. Разумеется, вы уверены, что получите решение равное скорости света за минусом вашей собственной скорости.

И вот тут вас ждет сюрприз. Расчетно-опытном путем вы выясните, что относительная скорость вашего лучевого приятеля по-прежнему 300 000 м/сек. С какой бы скоростью не двигались лично вы, независимо от направления: параллельно движению света, навстречу свету, перпендикулярно и т.д. - скорость света всегда будет равна 300 000 м/сек.

Впервые вот эту нестыковочку заметили в начале XX века пара ученых Майкельсон и Морли.

Множество опытов впоследствии подтвердили: как не измеряй скорость света, она при любых условиях относительного движения равна своему постоянному значению. Многие люди до сих пор отказываются в это верить и шарлатаны от науки задвигают теории опровержения постоянства скорости света. До 1905 года никто не мог объяснить, почему скорость света не хочет быть относительной, пока не пришел Эйнштейн и не догадался, что происходит.

Скорость света, как оказалась, порадовала нас еще несколькими внезапными чудесами. Эйнштейн, ничтоже сумняшеся, поведал миру о других странностях высокоскоростных режимов.

Дело в том, что чем больше наша скорость, тем медленнее идут наши часы. Время замедляется при увеличении скорости. Если вы думаете, что это теоретические и математические шутки, не имеющие реального подтверждения, то вы застряли в Средневековье.

Увы, но реальные опыты были проведены еще в прошлом веке. Брали очень точную пару часов, показывающих одинаковое время. Один экземпляр часов брали на борт реактивного самолета, а вторые часы оставались на земле. Первые часы на огромной скорости пару раз прокатили вокруг планеты. А затем сверили время. Часы из самолета отставали.

И чем ближе кто-то двигается к скорости света, тем медленнее идут его часы (сам-то он этого не замечает и считает, что его часы идут правильно, но это уже парадоксы теории относительности, мы сейчас не о них рассказываем).

Таким образом, если бы кто-нибудь с часами разогнался до скорости света, то время для него бы остановилось. Как говорят физики: часы на фотоне не идут .
И если бы была возможность превысить скорость света, то математика нам сообщает, что в таком случае время пойдет в обратную сторону. Это одна из причин невозможности сверхсветовых скоростей - нарушится причинно-следственная связь, знаете ли. Вы разогнались до скорости 400 000 км/с и оказались в прошлом….

Но разогнаться до скорости света нам мешают более серьезные причины, чем замедление времени. Все, что имеет массу, не может лететь со скоростью света, увы. Как только мы начинаем ускоряться, наша масса увеличивается и, чем мы ближе к скорости света, тем наша масса больше. И тем больше требуется энергии, чтобы нас разгонять. При значениях очень близких к скорости света наша масса становится практически бесконечной и соответственно для нашего дальнейшего разгона нам требуется бесконечная энергия. В математике это выглядит как деление на ноль.

А почему же фотон летит со скоростью света? - спросит любознательный и смекалистый читатель. Потому что у него нет собственной массы (знатоки, молчите о разнице между массой покоя, инертной массе и прочих нюансах - мы упрощаем, а не загружаем).

Да-да, когда в этих ваших коллайдерах разгоняют электрон, то даже его малюсенькую массу нельзя пульнуть со скоростью света.

Не можем не процитировать какой-то учебник: "Если скорость частицы всего лишь на 90 км/с меньше скорости света, то ее масса увеличивается в 40 раз. Мощные ускорители для электронов способны разгонять эти частицы до скоростей, которые меньше скорости света лишь на 35—50 м/с. При этом масса электрона возрастает примерно в 2000 раз. Чтобы такой электрон удерживался на круговой орбите, на него со стороны магнитного поля должна действовать сила, в 2000 раз большая, чем можно было бы предполагать, не учитывая зависимости массы от скорости. " Поразмыслите об этом, прежде чем строить планы по созданию машины времени.

Поэтому когда вы в очередной раз читаете, что кто-то открыл что-то, превышающее скорость света, и теперь продает на основе этой технологии торсионные препараты от несварения желудка, вспомните нашу статью.
Скорость света это удивительная физическая величина. Если, например, время умножить на скорость света (получив "метрические" значения), то получится та самая четвертая ось четырехмерного пространства, которым оперирует вся теория относительности: длина, ширина, высота, время. Это крайне зубодробительная теория, но выводы из нее шикарны и до сих пор поражают неокрепшие умы юных физиков.

Отметим, что современная физика не отрицает возможность преодоления скорости света. Но все эти предположения касаются не преодоления скорости "в лоб". Речь идет о перемещении в пространстве за время меньшее, чем его преодолеет свет. А это может быть в результате всякого рода неоткрытых или неразгаданных взаимодействий (типа квантовой телепортации), или за счет искривления пространтства (типа гипотетических кротовых нор), или существования частиц, у которых время идет в обратном направлении (типа теоретических тахионов).

На этом у нас все. Написано по заказу организаций, взламывающих духовные скрепы и пропагандирующих распространение б-гомерзкой науки супротив познавательных передач на этих ваших РЕН-ТВ и ТНТ. Спасибо за внимание. Продолжение следует.

NB: Все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же.
Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете. ..

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.

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.