سرعة الضوء هي أكثر القياسات غرابة المعروفة حتى الآن. أول من حاول شرح ظاهرة انتشار الضوء كان ألبرت أينشتاين. كان هو الذي استنتج الصيغة المعروفة ه = مولودية² ، أين ههي الطاقة الكلية للجسم ، مهي الكتلة و جهي سرعة الضوء في الفراغ.

نُشرت الصيغة لأول مرة في Annalen der Physik عام 1905. في نفس الوقت تقريبًا ، طرح أينشتاين نظرية حول ما يمكن أن يحدث لجسم يتحرك بسرعة مطلقة. بناءً على حقيقة أن سرعة الضوء قيمة ثابتة ، توصل إلى استنتاج مفاده أن المكان والزمان يجب أن يتغيروا.

وهكذا ، عند سرعة الضوء ، يتقلص الجسم إلى أجل غير مسمى ، وستزداد كتلته إلى أجل غير مسمى ، وسيتوقف الزمن عمليًا.

في عام 1977 ، كان من الممكن حساب سرعة الضوء ، وتم تسمية رقم 299.792.458 ± 1.2 مترًا في الثانية. لمزيد من الحسابات التقريبية ، يتم دائمًا أخذ قيمة 300000 كم / ثانية. من هذه القيمة يتم صد جميع القياسات الكونية الأخرى. هذه هي الطريقة التي يستخدمها المفهوم " سنة ضوئية"و" الفرسخ "(3.26 سنة ضوئية).

ليس من المستحيل التحرك بسرعة الضوء ، ولا التغلب عليه. على الأقل في هذه المرحلة من التطور البشري. من ناحية أخرى ، يحاول كتاب الخيال العلمي حل هذه المشكلة في صفحات رواياتهم منذ حوالي 100 عام. ربما سيصبح الخيال يومًا ما حقيقة ، لأنه في القرن التاسع عشر ، تنبأ Jules Verne بظهور طائرة هليكوبتر وطائرة وكرسي كهربائي ، ثم أصبح الأمر مجرد خيال!

طبيب العلوم التقنيةأ. جولوبيف.

في منتصف العام الماضي ، ظهر تقرير مثير في المجلات. اكتشفت مجموعة من الباحثين الأمريكيين أن نبضة ليزر قصيرة جدًا تنتقل أسرع بمئات المرات في وسط مختار خصيصًا مقارنة بالفراغ. بدت هذه الظاهرة غير قابلة للتصديق تمامًا (سرعة الضوء في الوسط دائمًا أقل مما في الفراغ) بل إنها أثارت شكوكًا حول صحتها. نظرية خاصةالنسبية. وفي الوقت نفسه ، تم اكتشاف جسم مادي فائق اللمعان - نبضة ليزر في وسط مضخم - لأول مرة ليس في عام 2000 ، ولكن قبل 35 عامًا ، في عام 1965 ، ونوقشت إمكانية الحركة الفائقة اللمعان على نطاق واسع حتى أوائل السبعينيات. اليوم ، اندلع النقاش حول هذه الظاهرة الغريبة بقوة متجددة.

أمثلة على الحركة "فائقة اللمعان".

في أوائل الستينيات من القرن الماضي ، بدأ الحصول على نبضات ضوئية قصيرة عالية الطاقة عن طريق تمرير وميض ليزر عبر مضخم كمي (وسط مع تعداد عكسي).

في وسط مضخم ، تتسبب المنطقة الأولية لنبضة الضوء في انبعاث محفز للذرات في وسط مكبر الصوت ، وتتسبب منطقتها النهائية في امتصاص الطاقة بواسطتها. نتيجة لذلك ، سيظهر للمراقب أن الزخم يتحرك أسرع من الضوء.

تجربة ليجون وونغ.

ينكسر شعاع الضوء الذي يمر عبر منشور من مادة شفافة (مثل الزجاج) ، أي أنه يتعرض للتشتت.

نبضة الضوء هي مجموعة من التذبذبات ذات الترددات المختلفة.

ربما يعلم الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن أقصى سرعة ممكنة لحركة الأشياء المادية أو انتشار أي إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. تم تمييزه بالحرف منوتقترب من 300 ألف كيلومتر في الثانية ؛ القيمة الدقيقة من= 299792458 م / ث. سرعة الضوء في الفراغ من الثوابت الفيزيائية الأساسية. استحالة تحقيق سرعات تتجاوز من، يتبع من نظرية النسبية الخاصة (SRT) لأينشتاين. إذا كان من الممكن إثبات أن إرسال الإشارات بسرعة فائقة اللمعان ممكن ، فإن نظرية النسبية ستنهار. حتى الآن لم يحدث هذا رغم المحاولات العديدة لدحض الحظر على وجود سرعات أكبر من من. ومع ذلك، في دراسات تجريبيةفي الآونة الأخيرة ، تم اكتشاف بعض الظواهر المثيرة للاهتمام للغاية ، مما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا من الممكن مراقبة السرعات الفائقة اللمعان دون انتهاك مبادئ نظرية النسبية.

بادئ ذي بدء ، لنتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء. بادئ ذي بدء: لماذا يستحيل (في ظل الظروف العادية) تجاوز حد الضوء؟ لأنه بعد ذلك يتم انتهاك القانون الأساسي لعالمنا - قانون السببية ، والذي وفقًا له لا يمكن للتأثير أن يتجاوز السبب. لم يلاحظ أحد ، على سبيل المثال ، أن دبًا قد مات أولاً ، ثم طلقة صياد. بسرعات تتجاوز من، يتم عكس تسلسل الأحداث ، يتم إرجاع شريط الوقت. يمكن ملاحظة ذلك بسهولة من خلال التفكير البسيط التالي.

لنفترض أننا على متن سفينة معجزة كونية تتحرك أسرع من الضوء. ثم نلحق تدريجياً بالضوء المنبعث من المصدر في نقاط زمنية سابقة وأولى. أولاً ، سنلحق بالفوتونات المنبعثة ، على سبيل المثال ، بالأمس ، ثم - المنبعثة أول من أمس ، ثم - منذ أسبوع ، وشهر ، وعام ، وما إلى ذلك. إذا كان مصدر الضوء مرآة تعكس الحياة ، فسنرى أولاً أحداث الأمس ، ثم أول أمس ، وهكذا. يمكننا أن نرى ، على سبيل المثال ، رجلاً عجوزًا يتحول تدريجياً إلى رجل في منتصف العمر ، ثم إلى شاب ، إلى شاب ، إلى طفل ... أي ، سيعود الوقت إلى الوراء ، وسننتقل من الحاضر إلى الماضي. ثم يتم عكس السبب والنتيجة.

على الرغم من أن هذه الحجة تتجاهل تمامًا التفاصيل الفنية لعملية مراقبة الضوء ، إلا أنها توضح بوضوح من وجهة نظر أساسية أن الحركة بسرعة فائقة تؤدي إلى موقف مستحيل في عالمنا. ومع ذلك ، فقد وضعت الطبيعة شروطًا أكثر صرامة: من المستحيل الوصول إلى التحرك ليس فقط بسرعة فائقة ، ولكن أيضًا بسرعة سرعة متساويةالضوء ، - يمكنك الاقتراب منه فقط. ويترتب على نظرية النسبية أنه مع زيادة سرعة الحركة ، تنشأ ثلاثة ظروف: تزداد كتلة الجسم المتحرك ، ويقل حجمه في اتجاه الحركة ، ويبطئ مرور الوقت على هذا الجسم (من وجهة نظر مراقب "يستريح" خارجي). في السرعات العادية ، تكون هذه التغييرات ضئيلة ، ولكن مع اقترابنا من سرعة الضوء ، تصبح ملحوظة أكثر فأكثر ، وفي الحد الأقصى - بسرعة تساوي من، - تصبح الكتلة كبيرة بشكل لا نهائي ، يفقد الجسم حجمه تمامًا في اتجاه الحركة ويتوقف الوقت عليه. لذلك ، لا يمكن لأي جسم مادي الوصول إلى سرعة الضوء. فقط الضوء نفسه له مثل هذه السرعة! (وكذلك الجسيم "المخترق بالكامل" - النيوترينو ، الذي ، مثل الفوتون ، لا يمكنه التحرك بسرعة أقل من من.)

الآن حول سرعة نقل الإشارة. من المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء في النموذج موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات ليتم نقلها. الموجة الكهرومغناطيسية المثالية عبارة عن موجة جيبية لا نهائية لها تردد واحد فقط ، ولا يمكنها حمل أي معلومات ، لأن كل فترة من مثل هذا الجيوب الأنفية تكرر تمامًا المرحلة السابقة. السرعة التي تتحرك بها مرحلة الموجة الجيبية - ما يسمى سرعة الطور - يمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ تحت ظروف معينة. لا توجد قيود هنا ، لأن سرعة المرحلة ليست سرعة الإشارة - فهي غير موجودة بعد. لإنشاء إشارة ، تحتاج إلى عمل نوع من "العلامة" على الموجة. يمكن أن تكون هذه العلامة ، على سبيل المثال ، تغييرًا في أي من معلمات الموجة - السعة أو التردد أو المرحلة الأولية. ولكن بمجرد أن يتم وضع العلامة ، تفقد الموجة صفتها الجيبية. يصبح معدلًا ، ويتألف من مجموعة من الموجات الجيبية البسيطة ذات السعات والترددات المختلفة المراحل الأولية- مجموعات موجات. سرعة حركة العلامة في الموجة المعدلة هي سرعة الإشارة. عند الانتشار في وسط ، تتزامن هذه السرعة عادةً مع سرعة المجموعة التي تميز انتشار مجموعة الموجات المذكورة أعلاه ككل (انظر "العلم والحياة" رقم 2 ، 2000). في الظروف العادية ، تكون سرعة المجموعة ، وبالتالي سرعة الإشارة ، أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ليس من قبيل المصادفة استخدام عبارة "في ظل الظروف العادية" هنا ، لأنه في بعض الحالات يمكن أن تتجاوز سرعة المجموعة أيضًا منأو حتى تفقد المعنى ، لكنها لا تنطبق بعد ذلك على انتشار الإشارات. ثبت في SRT أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من من.

لماذا هو كذلك؟ لأن عائق إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من منينطبق نفس قانون السببية. دعونا نتخيل مثل هذا الموقف. في نقطة ما A ، يقوم وميض ضوئي (الحدث 1) بتشغيل جهاز يرسل إشارة راديو معينة ، وفي نقطة بعيدة B ، تحت تأثير هذه الإشارة اللاسلكية ، يحدث انفجار (الحدث 2). من الواضح أن الحدث 1 (وميض) هو السبب ، والحدث 2 (انفجار) هو التأثير الذي يحدث بعد السبب. ولكن إذا تم نشر إشارة الراديو بسرعة فائقة ، فإن المراقب القريب من النقطة B سيرى أولاً انفجارًا ، وعندها فقط - وصل إليه بسرعة منوميض الضوء سبب الانفجار. بمعنى آخر ، بالنسبة لهذا المراقب ، كان من الممكن أن يحدث الحدث 2 قبل الحدث 1 ، أي أن التأثير كان سيسبق السبب.

من المناسب التأكيد على أن "الحظر الفائق اللمعان" لنظرية النسبية يُفرض فقط على الحركة الهيئات الماديةونقل الإشارات. في كثير من المواقف من الممكن أن تتحرك بأي سرعة ، لكنها ستكون حركة أشياء وإشارات غير مادية. على سبيل المثال ، تخيل مسطرتين طويلتين مستلقيتين في نفس المستوى ، أحدهما يقع أفقيًا والآخر يتقاطع معه بزاوية صغيرة. إذا تم تحريك السطر الأول لأسفل (في الاتجاه الذي يشير إليه السهم) بسرعة عالية ، فيمكن جعل نقطة تقاطع الخطوط تعمل بسرعة عشوائية ، ولكن هذه النقطة ليست جسماً مادياً. مثال آخر: إذا أخذت مصباحًا يدويًا (أو ، على سبيل المثال ، ليزر يعطي شعاعًا ضيقًا) ووصفت بسرعة قوسًا في الهواء ، إذن سرعة الخطستزداد بقعة الضوء مع المسافة وستتجاوز مسافة كبيرة بما فيه الكفاية من.ستتحرك بقعة الضوء بين النقطتين A و B بسرعة فائقة ، لكن هذا لن يكون إرسال إشارة من A إلى B ، لأن بقعة الضوء هذه لا تحمل أي معلومات حول النقطة A.

يبدو أنه تم حل مسألة السرعات الفائقة اللمعان. لكن في الستينيات من القرن العشرين ، طرح الفيزيائيون النظريون فرضية وجود جسيمات فائقة اللمعان ، تسمى التاكيون. هذه جسيمات غريبة جدًا: فهي ممكنة نظريًا ، ولكن من أجل تجنب التناقضات مع نظرية النسبية ، كان لا بد من تخصيص كتلة راحة خيالية لها. لا توجد كتلة خيالية فيزيائية ، إنها تجريد رياضي بحت. ومع ذلك ، فإن هذا لم يسبب الكثير من القلق ، لأن التاكيونات لا يمكن أن تكون في حالة راحة - فهي موجودة (إن وجدت!) فقط بسرعات تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ ، وفي هذه الحالة تبين أن كتلة التاكيون حقيقية. هناك بعض التشابه مع الفوتونات هنا: الفوتون ليس له كتلة سكونية صفرية ، لكن هذا يعني ببساطة أن الفوتون لا يمكن أن يكون في حالة سكون - لا يمكن إيقاف الضوء.

كان أصعب شيء ، كما هو متوقع ، هو التوفيق بين فرضية تاكيون وقانون السببية. المحاولات التي بذلت في هذا الاتجاه ، على الرغم من أنها كانت بارعة للغاية ، لم تؤد إلى نجاح واضح. لم يكن أحد قادرًا على تسجيل التاكيونات بشكل تجريبي أيضًا. نتيجة لذلك ، فإن الاهتمام بالتاكيون هو فائق اللمعان الجسيمات الأوليةتلاشى تدريجيا.

ومع ذلك ، في الستينيات ، تم اكتشاف ظاهرة تجريبية ، أدت في البداية إلى ارتباك علماء الفيزياء. هذا موصوف بالتفصيل في مقال A.N. Oraevsky "الموجات الفائقة في تضخيم الوسائط" (UFN No. 12 ، 1998). هنا نلخص باختصار جوهر الموضوع ، ونحيل القارئ المهتم بالتفاصيل إلى المقال المذكور.

بعد وقت قصير من اكتشاف الليزر ، في أوائل الستينيات ، نشأت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية قصيرة عالية الطاقة (بمدة 1 نانوثانية = 10-9 ثوانٍ). للقيام بذلك ، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة عبر مكبر كمومي بصري. تم تقسيم النبض بواسطة مرآة مقسمة إلى جزأين. تم إرسال أحدهما ، الأكثر قوة ، إلى مكبر الصوت ، والآخر ينتشر في الهواء ويعمل كنبض مرجعي ، حيث كان من الممكن مقارنة النبض الذي يمر عبر مكبر الصوت. تم تغذية كلا النبضتين إلى أجهزة الكشف الضوئية ، ويمكن ملاحظة إشارات الخرج الخاصة بهم بصريًا على شاشة راسم الذبذبات. كان من المتوقع أن تتعرض نبضة الضوء التي تمر عبر مكبر الصوت لبعض التأخير مقارنة بالنبضة المرجعية ، أي أن سرعة انتشار الضوء في مكبر الصوت ستكون أقل من سرعة الهواء. ما أثار دهشة الباحثين عندما اكتشفوا أن النبضة تنتشر عبر مكبر الصوت بسرعة لا تزيد عن سرعة الهواء فحسب ، بل تزيد عدة مرات عن سرعة الضوء في الفراغ!

بعد التعافي من الصدمة الأولى ، بدأ الفيزيائيون في البحث عن سبب هذه النتيجة غير المتوقعة. لم يكن لدى أي شخص أدنى شك حول مبادئ النظرية النسبية الخاصة ، وهذا بالضبط ما ساعد في إيجاد التفسير الصحيح: إذا تم الحفاظ على مبادئ SRT ، فيجب البحث عن الإجابة في خصائص الوسط المضخم. .

دون الخوض في التفاصيل هنا ، نشير فقط إلى أن التحليل التفصيلي لآلية عمل وسيط التضخيم قد أوضح الموقف تمامًا. كانت النقطة في التغيير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - تغيير بسبب تغيير في عامل التضخيم للوسط حتى قيمة سالبةأثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة ، عندما يمتص الوسيط الطاقة بالفعل ، لأن احتياطيه قد استُهلك بالفعل بسبب انتقاله إلى نبضة الضوء. لا يتسبب الامتصاص في زيادة الدافع ، بل انخفاضه ، وبالتالي فإن الدافع يقوى في المقدمة ويضعف في الجزء الخلفي منه. دعونا نتخيل أننا نلاحظ النبض بمساعدة أداة تتحرك بسرعة الضوء في وسط مكبر للصوت. إذا كان الوسيط شفافًا ، فسنرى دفعة مجمدة في الجمود. في الوسط الذي تحدث فيه العملية المذكورة أعلاه ، سيظهر تقوية الحافة الأمامية وضعف الحافة الخلفية للنبضة للمراقب بطريقة تجعل الوسيط ، كما كان ، يحرك النبض إلى الأمام . ولكن بما أن الجهاز (المراقب) يتحرك بسرعة الضوء ، وتتجاوزه النبضة ، فإن سرعة النبضة تتجاوز سرعة الضوء! هذا هو التأثير الذي سجله المجربون. وهنا لا يوجد تناقض حقًا مع نظرية النسبية: الأمر يتعلق فقط بعملية التضخيم بحيث يتضح أن تركيز الفوتونات التي ظهرت سابقًا أكبر من تلك التي ظهرت لاحقًا. ليست الفوتونات هي التي تتحرك بسرعة فائقة ، ولكن غلاف النبضة ، ولا سيما الحد الأقصى لها ، الذي يتم ملاحظته على مرسمة الذبذبات.

وهكذا ، بينما يوجد دائمًا في الوسائط العادية ضعف في الضوء وانخفاض في سرعته ، يحدده مؤشر الانكسار ، في وسط الليزر النشط ، لا يُلاحظ تضخيم الضوء فحسب ، بل يُلاحظ أيضًا انتشار نبضة بسرعة فائقة.

حاول بعض الفيزيائيين تجريبياً إثبات وجود حركة فائقة اللمعان في تأثير النفق - وهي إحدى أكثر الظواهر المدهشة في العالم. ميكانيكا الكم. يتكون هذا التأثير من حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بشكل أكثر دقة ، كائن دقيق يعرض خصائص الجسيم وخصائص الموجة في ظل ظروف مختلفة) قادر على اختراق ما يسمى بالحاجز المحتمل - وهي ظاهرة مستحيلة تمامًا في الميكانيكا الكلاسيكية (حيث يكون مثل هذا الموقف مشابهًا: ستنتهي الكرة التي يتم إلقاؤها على الحائط على الجانب الآخر من الجدار ، أو تنتقل الحركة المتموجة الناتجة عن حبل مربوط بالجدار إلى حبل مربوط بـ الجدار على الجانب الآخر). فيما يلي جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم. إذا واجه جسم دقيق مع طاقة معينة في طريقه منطقة ذات طاقة كامنة تتجاوز طاقة الجسم الصغير ، فإن هذه المنطقة تشكل حاجزًا له ، يتم تحديد ارتفاعه من خلال فرق الطاقة. لكن الكائن الدقيق "يتسرب" عبر الحاجز! يتم منحه هذا الاحتمال من خلال علاقة عدم اليقين المعروفة باسم Heisenberg ، والمكتوبة من أجل الطاقة ووقت التفاعل. إذا حدث تفاعل الكائن الدقيق مع الحاجز لفترة زمنية محددة بشكل كافٍ ، فإن طاقة الكائن الدقيق ، على العكس من ذلك ، ستتميز بعدم اليقين ، وإذا كان عدم اليقين هذا بترتيب ارتفاع الحاجز ، فإن الأخير يتوقف لتكون عقبة لا يمكن التغلب عليها للكائن الدقيق. هو معدل الاختراق عبر الحاجز المحتمل الذي أصبح موضوع بحث من قبل عدد من الفيزيائيين الذين يعتقدون أنه يمكن أن يتجاوز من.

في يونيو 1998 ، عقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركات الفائقة في كولونيا ، حيث تمت مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها في أربعة مختبرات - في بيركلي وفيينا وكولونيا وفلورنسا.

وأخيرًا ، في عام 2000 ، تم الإبلاغ عن تجربتين جديدتين ظهرت فيهما تأثيرات التكاثر الفائق اللمعان. تم تنفيذ إحداها بواسطة Lijun Wong وزملاؤه في معهد أبحاث في Princeton (الولايات المتحدة الأمريكية). وكانت نتيجته أن نبضة ضوئية تدخل حجرة مليئة ببخار السيزيوم تزيد سرعتها بمعامل 300. اتضح أن الجزء الرئيسي من النبضة يترك الجدار البعيد للغرفة حتى قبل أن يدخل النبض الغرفة من خلال الجدار الأمامي. هذا الوضع مخالف ليس فقط الفطرة السليمة، ولكن في جوهرها أيضًا نظرية النسبية.

أثار تقرير L. Wong نقاشًا مكثفًا بين علماء الفيزياء ، ومعظمهم لا يميلون إلى رؤية النتائج التي تم الحصول عليها انتهاكًا لمبادئ النسبية. ويعتقدون أن التحدي يكمن في شرح هذه التجربة بشكل صحيح.

في تجربة L. Wong ، كانت مدة نبضة الضوء التي تدخل الغرفة ببخار السيزيوم حوالي 3 ميكروثانية. يمكن أن تكون ذرات السيزيوم في ستة عشر حالة ميكانيكية كمومية محتملة ، تسمى "مستويات فرعية مغنطيسية فائقة الدقة للحالة الأرضية". باستخدام ضخ الليزر البصري ، تم إحضار جميع الذرات تقريبًا إلى حالة واحدة فقط من هذه الحالات الست عشرة ، والتي تقابل درجة حرارة الصفر المطلق تقريبًا على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). كان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ ، يسافر الضوء 6 سم في 0.2 نانوثانية. كما أظهرت القياسات ، مرت نبضات الضوء عبر الحجرة مع السيزيوم في وقت أقصر بـ 62 نانوثانية من الفراغ. بعبارة أخرى ، فإن وقت عبور النبضة عبر وسط السيزيوم له علامة "ناقص"! في الواقع ، إذا طرحنا 62 نانوثانية من 0.2 نانوثانية ، فسنحصل على وقت "سالب". هذا "التأخير السلبي" في الوسط - قفزة زمنية غير مفهومة - يساوي الوقت الذي ستجعل فيه النبضة 310 تمريرات عبر الحجرة في فراغ. كانت نتيجة هذا "الانعكاس الزمني" أن الدافع الذي يغادر الغرفة تمكن من الابتعاد عنها بمقدار 19 مترًا قبل أن يصل الدافع القادم إلى الجدار القريب للغرفة. كيف يمكن تفسير مثل هذا الموقف المذهل (ما لم يكن هناك شك بالطبع في نقاء التجربة)؟

إذا حكمنا من خلال المناقشة التي تم الكشف عنها ، لم يتم العثور على تفسير دقيق حتى الآن ، ولكن ليس هناك شك في أن خصائص التشتت غير العادية للوسط تلعب دورًا هنا: بخار السيزيوم ، الذي يتكون من ذرات يثيرها ضوء الليزر ، هو وسيط به تشتت شاذ. دعونا نتذكر بإيجاز ما هو عليه.

تشتت المادة هو الاعتماد على معامل الانكسار (العادي) نعلى الطول الموجي للضوء ل. مع التشتت الطبيعي ، يزداد معامل الانكسار مع تناقص الطول الموجي ، وهذا هو الحال في الزجاج والماء والهواء وجميع المواد الأخرى الشفافة للضوء. في المواد التي تمتص الضوء بقوة ، ينعكس مسار معامل الانكسار مع تغير طول الموجة ويصبح أكثر حدة: مع انخفاض في l (زيادة التردد w) ، ينخفض ​​معامل الانكسار بشكل حاد ويصبح أقل في نطاق معين من الأطوال الموجية من الوحدة (سرعة الطور الخامسو> من). هذا هو التشتت الشاذ ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في مادة ما بشكل جذري. سرعة المجموعة الخامستصبح cp أكبر من سرعة طور الموجات ويمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ (وتصبح أيضًا سالبة). يشير L. Wong إلى هذا الظرف باعتباره السبب الكامن وراء إمكانية شرح نتائج تجربته. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الشرط الخامسغرام> منهو رسمي بحت ، حيث تم تقديم مفهوم سرعة المجموعة في حالة التشتت الصغير (العادي) ، للوسائط الشفافة ، عندما لا تغير مجموعة من الموجات تقريبًا شكلها أثناء الانتشار. ومع ذلك ، في مناطق التشتت غير الطبيعي ، يتشوه نبض الضوء بسرعة ويفقد مفهوم سرعة المجموعة معناه ؛ في هذه الحالة ، يتم تقديم مفاهيم سرعة الإشارة وسرعة انتشار الطاقة ، والتي تتطابق في الوسائط الشفافة مع سرعة المجموعة ، بينما تظل في الوسائط ذات الامتصاص أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ولكن إليك ما هو مثير للاهتمام في تجربة وونغ: نبضة ضوئية ، تمر عبر وسط به تشتت غير طبيعي ، لا تتشوه - إنها تحافظ على شكلها تمامًا! وهذا يتوافق مع افتراض أن الدافع ينتشر بسرعة المجموعة. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فقد اتضح أنه لا يوجد امتصاص في الوسط ، على الرغم من أن التشتت الشاذ للوسط يرجع تحديدًا إلى الامتصاص! أدرك وونغ نفسه أن الكثير لا يزال غير واضح ، ويعتقد أن ما يحدث في إعداده التجريبي يمكن تفسيره بوضوح على أنه تقدير تقريبي أول على النحو التالي.

تتكون نبضة الضوء من عدة مكونات ذات أطوال موجية مختلفة (ترددات). يوضح الشكل ثلاثة من هذه المكونات (الموجات 1-3). في مرحلة ما ، تكون جميع الموجات الثلاث في طور (تتطابق الحد الأقصى لها) ؛ هنا هم ، يضيفون ، يعززون بعضهم البعض ويشكلون دفعة. مع انتشار الموجات أكثر في الفضاء ، فإنها تكون خارج الطور وبالتالي "تنطفئ" بعضها البعض.

في منطقة التشتت الشاذ (داخل خلية السيزيوم) ، تصبح الموجة الأقصر (الموجة 1) أطول. على العكس من ذلك ، فإن الموجة التي كانت الأطول من الموجة الثلاثة (الموجة 3) تصبح الأقصر.

وبالتالي ، تتغير أيضًا مراحل الموجات وفقًا لذلك. عندما تمر الأمواج عبر خلية السيزيوم ، يتم استعادة واجهات موجاتها. بعد أن خضعت لتعديل طور غير عادي في مادة ذات تشتت شاذ ، تجد الموجات الثلاث المدروسة نفسها مرة أخرى في مرحلة في مرحلة ما. هنا يضيفون مرة أخرى ويشكلون نبضًا من نفس الشكل تمامًا مثل ذلك الذي يدخل وسط السيزيوم.

عادةً في الهواء ، وفي أي وسط شفاف متشتت عادةً ، لا يمكن لنبضة ضوئية أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار على مسافة بعيدة ، أي أن جميع مكوناتها لا يمكن أن تكون في الطور عند أي نقطة بعيدة على طول مسار الانتشار. وفي ظل الظروف العادية ، يظهر نبضة ضوئية في مثل هذه النقطة البعيدة بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك ، نظرًا للخصائص الشاذة للوسيط المستخدم في التجربة ، فقد تبين أن النبض عند النقطة البعيدة يتم تنفيذه على مراحل بنفس الطريقة عند دخول هذا الوسيط. وهكذا فإن نبضة الضوء تتصرف كما لو كان لها تأخير زمني سلبي في طريقها إلى نقطة بعيدة ، أي أنها كانت ستصل إليها ليس في وقت لاحق ، ولكن قبل مرورها بالمتوسط!

يميل معظم الفيزيائيين إلى ربط هذه النتيجة بظهور سلائف منخفضة الكثافة في وسط التشتت للغرفة. الحقيقة هي أنه في التحلل الطيفي للنبضة ، يحتوي الطيف على مكونات ذات ترددات عالية عشوائية ذات سعة ضئيلة ، ما يسمى بالسلائف ، والتي تتقدم على "الجزء الرئيسي" من النبضة. تعتمد طبيعة المنشأة وشكل السلائف على قانون التشتت في الوسط. مع وضع هذا في الاعتبار ، يُقترح تفسير تسلسل الأحداث في تجربة Wong على النحو التالي. الموجة القادمة ، "التي تمد" النذير أمام نفسها ، تقترب من الكاميرا. قبل أن تصطدم ذروة الموجة القادمة بالجدار القريب من الغرفة ، تبدأ المادة الأولية في ظهور نبضة في الحجرة تصل إلى الجدار البعيد وتنعكس منه ، وتشكل "موجة عكسية". هذه الموجة تنتشر أسرع 300 مرة منيصل إلى الجدار القريب ويلتقي بالموجة القادمة. تلتقي قمم إحدى الموجات بقيعان أخرى بحيث تلغي بعضها البعض ولا يبقى شيء. اتضح أن الموجة القادمة "تعيد الدين" إلى ذرات السيزيوم ، التي "استعارت" الطاقة لها في الطرف الآخر من الغرفة. الشخص الذي شاهد فقط بداية التجربة ونهايتها لن يرى سوى نبضة من الضوء "قفزت" للأمام في الوقت المناسب ، وتتحرك بشكل أسرع من.

يعتقد L. Wong أن تجربته لا تتفق مع نظرية النسبية. وهو يعتقد أن العبارة المتعلقة بعدم إمكانية الوصول إلى السرعة الفائقة تنطبق فقط على الأشياء ذات الكتلة الساكنة. يمكن تمثيل الضوء إما في شكل موجات ، والتي يكون مفهوم الكتلة غير قابل للتطبيق بشكل عام ، أو في شكل فوتونات ذات كتلة سكون ، كما هو معروف ، تساوي الصفر. لذلك ، فإن سرعة الضوء في الفراغ ، حسب وونغ ، ليست هي الحد الأقصى. ومع ذلك ، يعترف Wong بأن التأثير الذي اكتشفه لا يجعل من الممكن نقل المعلومات بسرعة أكبر من من.

يقول ب.

يعتقد معظم الفيزيائيين ذلك عمل جديدلا يوجه ضربة ساحقة للمبادئ الأساسية. لكن لا يعتقد جميع الفيزيائيين أن المشكلة قد حُلّت. يقول البروفيسور A. Ranfagni ، من فريق البحث الإيطالي الذي أجرى تجربة أخرى مثيرة للاهتمام في عام 2000 ، إن السؤال لا يزال مفتوحًا. وجدت هذه التجربة ، التي أجراها دانيال موغناي وأنيديو رانفاجني وروكو روجيري ، أن موجات الراديو ذات الموجة السنتيمترية تنتشر في الهواء العادي بسرعة تتجاوز منبنسبة 25٪.

بإيجاز ، يمكننا أن نقول ما يلي. تظهر أعمال السنوات الأخيرة أنه في ظل ظروف معينة ، يمكن أن تحدث السرعة الفائقة بالفعل. ولكن ما الذي يتحرك بالضبط بسرعة فائقة؟ إن نظرية النسبية ، كما ذكرنا سابقًا ، تمنع مثل هذه السرعة للأجسام المادية وللإشارات التي تحمل المعلومات. ومع ذلك ، فإن بعض الباحثين مثابرون للغاية في محاولاتهم لإثبات التغلب على حاجز الضوء على وجه التحديد للإشارات. يكمن السبب في ذلك في حقيقة أنه في نظرية النسبية الخاصة لا يوجد تبرير رياضي صارم (على سبيل المثال ، على أساس معادلات ماكسويل لـ حقل كهرومغناطيسي) استحالة إرسال الإشارات بسرعة أكبر من من. إن مثل هذا الاستحالة في SRT قد تم تأسيسه ، كما يمكن للمرء ، من الناحية الحسابية البحتة ، استنادًا إلى صيغة أينشتاين لإضافة السرعات ، ولكن بطريقة أساسية يتم تأكيد ذلك من خلال مبدأ السببية. آينشتاين نفسه ، مع الأخذ في الاعتبار مسألة إرسال الإشارات الفائقة اللمعان ، كتب أنه في هذه الحالة "... نحن مجبرون على اعتبار آلية إرسال إشارة ممكنة ، عند استخدام الإجراء الذي تم تحقيقه يسبق السبب. ولكن ، على الرغم من أن هذا ناتج عن منطق بحت وجهة النظر لا تحتوي على نفسها ، في رأيي ، لا تناقضات ، ومع ذلك فهي تتعارض مع طبيعة كل تجربتنا لدرجة أن استحالة الافتراض الخامس> جيبدو أنه تم إثباته بشكل كافٍ. "مبدأ السببية هو حجر الزاوية الذي يكمن وراء استحالة نقل الإشارات الفائقة اللمعان. وهذا الحجر ، على ما يبدو ، سوف يعثر جميع عمليات البحث عن الإشارات الفائقة ، دون استثناء ، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات. إشارات لأن هذه هي طبيعة عالمنا.

في الختام ، يجب التأكيد على أن كل ما سبق ينطبق تحديدًا على عالمنا ، على كوننا. تم وضع هذا الشرط لأن مؤخرافي الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات ، تظهر فرضيات جديدة تسمح بوجود العديد من الأكوان المخفية عنا ، والمتصلة بأنفاق طوبولوجية - عابرات. يتم مشاركة وجهة النظر هذه ، على سبيل المثال ، من قبل عالم الفيزياء الفلكية المعروف ن.س.كارداشيف. بالنسبة لمراقب خارجي ، فإن مداخل هذه الأنفاق تتميز بحقول جاذبية شاذة ، على غرار الثقوب السوداء. ستجعل الحركات في مثل هذه الأنفاق ، كما اقترح مؤلفو الفرضيات ، من الممكن التحايل على قيود سرعة الحركة المفروضة في الفضاء العادي بواسطة سرعة الضوء ، وبالتالي تحقيق فكرة إنشاء آلة الزمن ... الأشياء. وعلى الرغم من أن مثل هذه الفرضيات تذكرنا حتى الآن بمؤامرات الخيال العلمي ، فلا ينبغي للمرء أن يرفض بشكل قاطع الاحتمال الأساسي لنموذج متعدد العناصر لبنية العالم المادي. شيء آخر هو أن كل هذه الأكوان الأخرى من المحتمل أن تظل نقية الانشاءات الرياضيةعلماء الفيزياء النظرية الذين يعيشون في كوننا ويحاولون العثور على عوالم مغلقة أمامنا بقوة أفكارهم ...

انظر في غرفة حول نفس الموضوع

كان الإنسان دائمًا مهتمًا بطبيعة الضوء ، كما يتضح من الأساطير والأساطير والخلافات الفلسفية والملاحظات العلمية التي وصلت إلينا. لطالما كان الضوء مناسبة لمناقشات الفلاسفة القدماء ، وقد جرت محاولات لدراسته حتى في وقت ظهور الهندسة الإقليدية - 300 سنة قبل الميلاد. حتى ذلك الحين كان معروفًا عن الانتشار المستقيم للضوء ، والمساواة بين زوايا الوقوع والانعكاس ، وظاهرة انكسار الضوء ، ونوقشت أسباب قوس قزح. اعتقد أرسطو أن سرعة الضوء كبيرة بشكل لا نهائي ، وبالتالي ، فإن المنطق المنطقي ، الضوء لا يخضع للنقاش. حالة نموذجية عندما تكون المشكلة سابقة لعصر فهم الإجابة بعمقها.

منذ حوالي 900 عام ، اقترح ابن سينا ​​أنه مهما كانت سرعة الضوء كبيرة ، فلا يزال لها قيمة محدودة. لم يكن هذا الرأي هو فقط ، لكن لم يتمكن أحد من إثباته تجريبياً. اقترح جاليليو جاليلي العبقري تجربة الفهم الآلي للمشكلة: شخصان يقفان على مسافة عدة كيلومترات من بعضهما البعض ، يعطيان إشارات عن طريق فتح مصراع الفانوس. بمجرد أن يرى المشارك الثاني الضوء من المصباح الأول ، يفتح المصراع الخاص به ويصلح المشارك الأول وقت تلقي إشارة ضوء الاستجابة. ثم تزداد المسافة ويتكرر كل شيء. كان من المتوقع إصلاح الزيادة في التأخير وعلى هذا الأساس لأداء حساب سرعة الضوء. انتهت التجربة بلا شيء ، لأن "كل شيء لم يكن مفاجئًا ، بل سريعًا للغاية".

أول من قام بقياس سرعة الضوء في فراغ عام 1676 كان عالم الفلك Ole Remer - استفاد من اكتشاف Galileo: اكتشف أربعة في 1609 حيث كان الفارق الزمني بين خسوفين للقمر الصناعي 1320 ثانية لمدة نصف عام. باستخدام المعلومات الفلكية في عصره ، حصل رومر على قيمة سرعة الضوء التي تساوي 222 ألف كيلومتر في الثانية. اتضح أنه من المدهش أن طريقة القياس نفسها دقيقة بشكل لا يصدق - باستخدام البيانات المعروفة الآن حول قطر كوكب المشتري ووقت التأخير لحجب القمر الصناعي يعطي سرعة الضوء في الفراغ ، على المستوى المعاني المعاصرةتم الحصول عليها بطرق أخرى.

في البداية ، كان هناك ادعاء واحد فقط لتجارب رويمر - كان من الضروري إجراء القياسات بالوسائل الأرضية. مر ما يقرب من 200 عام ، وبنى لويس فيزو تركيبًا بارعًا ينعكس فيه شعاع من الضوء من مرآة على مسافة تزيد عن 8 كيلومترات ويعود. كانت الدقة هي أنها مرت على طول الطريق ذهابًا وإيابًا عبر تجاويف العجلة المسننة ، وإذا زادت سرعة دوران العجلة ، فستأتي اللحظة التي لن يكون فيها الضوء مرئيًا. الباقي هو مسألة تقنية. نتيجة القياس هي 312000 كم في الثانية. نرى الآن أن Fizeau كان أقرب إلى الحقيقة.

الخطوة التالية في قياس سرعة الضوء تم إجراؤها بواسطة فوكو الذي استبدل عجلة التروس ، مما جعل من الممكن تقليل أبعاد التركيب وزيادة دقة القياس إلى 288 ألف كيلومتر في الثانية. لم تكن تجربة فوكو أقل أهمية ، حيث حدد سرعة الضوء في الوسط. للقيام بذلك ، تم وضع أنبوب بالماء بين مرايا الإعداد. في هذه التجربة ، تم تحديد انخفاض في سرعة الضوء أثناء انتشاره في وسط ، اعتمادًا على معامل الانكسار.

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر جاء زمن ميكلسون ، الذي كرس 40 عامًا من حياته للقياسات في مجال الضوء. كانت ذروة عمله هو التركيب الذي قاس فيه سرعة الضوء في الفراغ باستخدام أنبوب معدني مفرغ يبلغ طوله أكثر من كيلومتر ونصف. كان الإنجاز الأساسي الآخر لميشيلسون هو إثبات أن سرعة الضوء في الفراغ لأي طول موجي هي نفسها ، وكمعيار حديث ، هي 299792458 +/- 1.2 م / ث. تم إجراء هذه القياسات على أساس القيم المحدثة للمقياس المرجعي ، والذي تمت الموافقة على تعريفه منذ عام 1983 كمعيار دولي.

كان أرسطو الحكيم مخطئًا ، لكن الأمر استغرق ما يقرب من 2000 عام لإثبات ذلك.

حقا كيف؟ كيفية قياس أعلى سرعة في كونفي تواضعنا ظروف الأرض؟ لم نعد بحاجة إلى حل اللغز بشأن هذا - بعد كل شيء ، لعدة قرون ، عمل الكثير من الناس على هذه المشكلة ، لتطوير طرق لقياس سرعة الضوء. لنبدأ القصة بالترتيب.

سرعة الضوءهي سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ. يشار إليه بالحرف اللاتيني ج. سرعة الضوء حوالي 300.000.000 م / ث.

في البداية ، لم يفكر أحد على الإطلاق في مسألة قياس سرعة الضوء. هناك ضوء - هذا رائع. ثم ، في عصر العصور القديمة ، ساد الرأي القائل بأن سرعة الضوء لا نهائية ، أي لحظية ، بين الفلاسفة العلميين. ثم كان العصور الوسطىمع محاكم التفتيش ، عندما كان السؤال الرئيسي في التفكير والتقدمي للناس هو السؤال "كيف لا ندخل في النار؟" وفقط في العصر عصر النهضةو تنويرلقد ولدت آراء العلماء وانقسمت بالطبع.

وبالتالي، ديكارت, كبلرو مزرعةكانت من نفس رأي علماء العصور القديمة. لكنه اعتقد أن سرعة الضوء محدودة ، وإن كانت عالية جدًا. في الواقع ، قام بأول قياس لسرعة الضوء. بتعبير أدق ، قام بأول محاولة لقياسه.

تجربة جاليليو

خبرة جاليليو جاليلي كان رائعا في بساطته. أجرى العالم تجربة لقياس سرعة الضوء ، مسلحة بوسائل مرتجلة بسيطة. على مسافة كبيرة ومعروفة عن بعضهما البعض ، وعلى تلال مختلفة ، وقف جاليليو ومساعده بفوانيس مضاءة. فتح أحدهم المصراع على الفانوس ، وكان على الثاني أن يفعل الشيء نفسه عندما رأى ضوء الفانوس الأول. بمعرفة المسافة والوقت (التأخير قبل أن يفتح المساعد الفانوس) ، توقع جاليليو أن يحسب سرعة الضوء. لسوء الحظ ، لكي تنجح هذه التجربة ، كان على جاليليو ومساعده تحديد التلال التي تفصل بينها عدة ملايين من الكيلومترات. أود أن أذكرك أنه يمكنك ذلك عن طريق ملء طلب على الموقع.

تجارب رومر وبرادلي

كانت أول تجربة ناجحة ودقيقة بشكل مدهش في تحديد سرعة الضوء هي تجربة عالم الفلك الدنماركي أولاف رومر. طبق رومر الطريقة الفلكية لقياس سرعة الضوء. في عام 1676 ، لاحظ قمر المشتري Io من خلال تلسكوب ووجد أن وقت خسوف القمر الصناعي يتغير مع تحرك الأرض بعيدًا عن المشتري. أقصى وقتكان التأخير 22 دقيقة. بافتراض أن الأرض تبتعد عن المشتري على مسافة قطر مدار الأرض ، قسّم رومر القيمة التقريبية للقطر على زمن التأخير ، وحصل على 214000 كيلومتر في الثانية. بالطبع ، كان مثل هذا الحساب تقريبيًا للغاية ، ولم تكن المسافات بين الكواكب معروفة إلا تقريبًا ، لكن تبين أن النتيجة قريبة نسبيًا من الحقيقة.

تجربة برادلي. في عام 1728 جيمس برادليقدر سرعة الضوء بملاحظة انحراف النجوم. انحرافهو تغيير في الموقع الظاهري لنجم ناتج عن حركة الأرض في مداره. بمعرفة سرعة الأرض وقياس زاوية الانحراف ، حصل برادلي على قيمة 301 ألف كيلومتر في الثانية.

تجربة فيزو

إلى نتيجة تجربة رومر وبرادلي ، آنذاك الأكاديميارد فعل الكفر. ومع ذلك ، كانت نتيجة برادلي هي الأكثر دقة لأكثر من مائة عام ، حتى عام 1849. في ذلك العام العالم الفرنسي أرماند فيزوقاس سرعة الضوء باستخدام طريقة الغالق الدوارة ، دون ملاحظة الأجرام السماويةلكن هنا على الأرض. في الواقع ، كانت هذه أول طريقة معملية بعد جاليليو لقياس سرعة الضوء. يوجد أدناه رسم تخطيطي لإعداد المختبر.

الضوء المنعكس من المرآة مر عبر أسنان العجلة وانعكس من مرآة أخرى على بعد 8.6 كيلومترات. تمت زيادة سرعة العجلة حتى يصبح الضوء مرئيًا في الفجوة التالية. أعطت حسابات Fizeau نتيجة 313000 كيلومتر في الثانية. بعد مرور عام ، أجرى ليون فوكو تجربة مماثلة باستخدام مرآة دوارة ، وحصل على نتيجة تبلغ 298 ألف كيلومتر في الثانية.

مع ظهور أجهزة الليزر والليزر ، أصبح لدى الناس فرص وطرق جديدة لقياس سرعة الضوء ، كما أتاح تطور النظرية إمكانية حساب سرعة الضوء بشكل غير مباشر ، دون إجراء قياسات مباشرة.

أدق قيمة لسرعة الضوء

اكتسبت البشرية خبرة واسعة في قياس سرعة الضوء. حتى الآن ، تعتبر القيمة الأكثر دقة لسرعة الضوء هي القيمة 299792458 مترًا في الثانيةاستقبل عام 1983. من المثير للاهتمام أن القياس الأكثر دقة لسرعة الضوء تبين أنه مستحيل بسبب أخطاء في القياس أمتار. الآن قيمة العداد مرتبطة بسرعة الضوء وتساوي المسافة التي يقطعها الضوء في 1 / 299،792،458 ثانية.

أخيرًا ، كما هو الحال دائمًا ، نقترح مشاهدة مقطع فيديو إعلامي. أيها الأصدقاء ، حتى إذا كنت تواجه مهمة مثل قياس سرعة الضوء بشكل مستقل بوسائل مرتجلة ، يمكنك الرجوع إلى مؤلفينا بأمان للحصول على المساعدة. يمكنك ملء طلب على موقع الويب الخاص بالمراسلات. نتمنى لك دراسة ممتعة وسهلة!

سرعة الضوء - قيمه مطلقهسرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ. في الفيزياء ، يُشار إليه تقليديًا بالحرف اللاتيني "c" (يُنطق باسم [tse]). سرعة الضوء في الفراغ هي ثابت أساسي مستقل عن الاختيار نظام بالقصور الذاتيمرجع (ISO). إنه يشير إلى الثوابت الفيزيائية الأساسية التي لا تميز الأجسام الفردية فحسب ، بل خصائص الزمكان ككل. وفقًا للمفاهيم الحديثة ، فإن سرعة الضوء في الفراغ هي السرعة المحددة للجسيمات وانتشار التفاعلات. من المهم أيضًا حقيقة أن هذه القيمة مطلقة. هذا هو أحد افتراضات SRT.

في الفراغ (الفراغ)

في عام 1977 ، كان من الممكن حساب السرعة التقريبية للضوء ، والتي تساوي 299،792،458 ± 1.2 م / ث ، محسوبة على أساس مقياس مرجعي عام 1960. على ال هذه اللحظةضع في اعتبارك أن سرعة الضوء في الفراغ هي ثابت مادي أساسي ، بحكم التعريف تساوي بالضبط 299،792،458 م / ث ، أو ما يقرب من 1،079،252،848.8 كم / س. ترجع القيمة الدقيقة إلى حقيقة أنه منذ عام 1983 ، كان معيار المقياس هو المسافة التي يقطعها الضوء في الفراغ في فترة زمنية تساوي 1 / 299،792،458 ثانية. يُشار إلى سرعة الضوء بالحرف c.

أظهرت تجربة ميشيلسون الأساسية لـ SRT أن سرعة الضوء في الفراغ لا تعتمد على سرعة مصدر الضوء أو سرعة المراقب. في الطبيعة ، تنتشر سرعة الضوء:

الضوء المرئي الفعلي

أنواع أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي (موجات الراديو ، الأشعة السينية ، إلخ.)

يترتب على النظرية النسبية الخاصة أن تسريع الجسيمات التي لها كتلة سكونية لسرعة الضوء مستحيل ، لأن هذا الحدث ينتهك المبدأ الأساسي للسببية. أي أن الزيادة في سرعة الضوء بواسطة الإشارة ، أو حركة الكتلة بهذه السرعة ، مستبعدة. ومع ذلك ، فإن النظرية لا تستبعد حركة الجسيمات في الزمكان بسرعة فائقة. تسمى الجسيمات الافتراضية التي تتحرك بسرعات فائقة السرعة بالتاكيون. رياضيا ، تتلاءم التاكيونات بسهولة مع تحول لورنتز - هذه جزيئات ذات كتلة خيالية. كلما زادت سرعة هذه الجسيمات ، قلت الطاقة التي تحملها ، والعكس صحيح ، كلما اقتربت سرعتها من سرعة الضوء ، زادت طاقتها - تمامًا مثل طاقة الجسيمات العادية ، تميل طاقة التاكيون إلى اللانهاية عندما تقترب من سرعة الضوء. هذه هي النتيجة الأكثر وضوحًا لتحول لورنتز ، الذي لا يسمح للجسيم بالتسارع إلى سرعة الضوء - من المستحيل ببساطة إعطاء الجسيم كمية غير محدودة من الطاقة. يجب أن نفهم ، أولاً ، أن التاكيونات هي فئة من الجسيمات ، وليست نوعًا واحدًا فقط من الجسيمات ، وثانيًا ، لا يمكن لأي تفاعل فيزيائي أن ينتشر أسرع من سرعة الضوء. ويترتب على ذلك أن التاكيونات لا تنتهك مبدأ السببية - فهي لا تتفاعل مع الجسيمات العادية بأي شكل من الأشكال ، كما أن الفرق بين سرعاتها لا يمكن أن يكون مساويًا لسرعة الضوء.

تسمى الجسيمات العادية التي تتحرك أبطأ من الضوء بالتأخر. لا يمكن للتأخير أن يصل إلى سرعة الضوء ، ولكن يمكنه الاقتراب منه فقط كما يحلو له ، لأنه في هذه الحالة تصبح طاقتهم كبيرة بشكل لا نهائي. جميع التأخيرات لها كتلة سكونية ، على عكس الفوتونات عديمة الكتلة والجرافيتونات ، التي تتحرك دائمًا بسرعة الضوء.

في وحدات بلانك ، سرعة الضوء في الفراغ هي 1 ، أي أن الضوء يسافر 1 وحدة بلانك من الطول لكل وحدة من وقت بلانك.

في بيئة شفافة

سرعة الضوء في وسط شفاف هي السرعة التي ينتقل بها الضوء في وسط غير الفراغ. في وسط به تشتت ، تتميز سرعة الطور والمجموعة.

ترتبط سرعة الطور بالتردد والطول الموجي للضوء أحادي اللون في وسط (λ = c / ν). هذه السرعة عادة (ولكن ليس بالضرورة) أقل من c. نسبة سرعة طور الضوء في الفراغ إلى سرعة الضوء في الوسط تسمى معامل الانكسار للوسط. دائمًا ما تكون سرعة مجموعة الضوء في وسط التوازن أقل من c. ومع ذلك ، في الوسائط غير المتوازنة يمكن أن يتجاوز c. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، لا تزال الحافة الأمامية للنبضة تتحرك بسرعة لا تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ.

أثبت Armand Hippolyte Louis Fizeau من خلال التجربة أن حركة الوسط بالنسبة لشعاع الضوء يمكن أن تؤثر أيضًا على سرعة انتشار الضوء في هذا الوسط.

إنكار فرضية السرعة القصوى للضوء

في السنوات الاخيرةهناك تقارير في كثير من الأحيان أنه في ما يسمى ب النقل الآني الكميينتشر التفاعل أسرع من سرعة الضوء. على سبيل المثال ، 15 أغسطس 2008 مجموعة بحثيُزعم أن الدكتور نيكولاس جيزين من جامعة جنيف ، أثناء فحص حالات الفوتون المقيدة التي تفصل بينها مسافة 18 كيلومترًا في الفضاء ، أظهر أن "التفاعل بين الجسيمات يتم بسرعة تبلغ حوالي مائة ألف ضعف سرعة الضوء". تمت مناقشة ما يسمى بمفارقة هارتمان - السرعة الفائقة في تأثير النفق - في وقت سابق.

يُظهر التحليل العلمي لأهمية هذه النتائج وما شابهها أنه من حيث المبدأ لا يمكن استخدامها للإرسال الفائق اللمعة لأي إشارة أو حركة للمادة.

تاريخ قياسات سرعة الضوء

اعتبر العلماء القدماء ، مع استثناءات نادرة ، أن سرعة الضوء لا نهائية. في العصر الحديث ، أصبحت هذه القضية موضوعًا للنقاش. افترض جاليليو وهوك أنه محدود ، رغم أنه كبير جدًا ، بينما لا يزال كبلر وديكارت وفيرمات يدافعون عن اللانهاية لسرعة الضوء.

أولاف رومر (1676) هو أول تقدير لسرعة الضوء. لقد لاحظ ذلك عندما تكون الأرض والمشتري في جوانب مختلفةمن الشمس ، تأخر خسوف القمر Io للمشتري بمقدار 22 دقيقة مقارنة بالحسابات. من هذا حصل على قيمة لسرعة الضوء تبلغ حوالي 220.000 كم / ثانية - غير دقيقة ، لكنها قريبة من القيمة الحقيقية. بعد نصف قرن ، أتاح اكتشاف الانحراف تأكيد محدودية سرعة الضوء وصقل تقديرها.