Скоростта на светлината е най-необичайното измерено количество, известно до момента. Първият човек, който се опита да обясни явлението разпространение на светлината, беше Алберт Айнщайн. Именно той измисли добре познатата формула д = mc² , Къде д- Това обща енергиятела, м- маса и c— скоростта на светлината във вакуум.

Формулата е публикувана за първи път в списанието Annalen der Physik през 1905 г. Приблизително по същото време Айнщайн представи теория за това какво би се случило с тяло, движещо се с абсолютна скорост. Въз основа на факта, че скоростта на светлината е постоянна величина, той стигна до извода, че пространството и времето трябва да се променят.

Така със скоростта на светлината един обект ще се свива безкрайно, масата му ще нараства безкрайно и времето практически ще спре.

През 1977 г. беше възможно да се изчисли скоростта на светлината; цифрата беше дадена като 299 792 458 ± 1,2 метра в секунда. За по-груби изчисления винаги се приема стойност от 300 000 km/s. От тази стойност се основават всички останали космически измерения. Ето как концепцията „ светлинни години" и "парсек" (3,26 светлинни години).

Невъзможно е да се движите със скоростта на светлината, още по-малко да я преодолеете. Поне на този етап от развитието на човечеството. От друга страна, писателите на научна фантастика се опитват да разрешат този проблем на страниците на своите романи от около 100 години. Може би някой ден научната фантастика ще се превърне в реалност, защото още през 19 век Жул Верн е предсказал появата на хеликоптер, самолет и електрически стол, а тогава това си е било чиста научна фантастика!

лекар технически наукиА. ГОЛУБЕВ.

В средата на миналата година в списанията се появи сензационно съобщение. Група американски изследователи откриха, че много къс лазерен импулс се движи в специално подбрана среда стотици пъти по-бързо, отколкото във вакуум. Това явление изглеждаше напълно невероятно (скоростта на светлината в среда винаги е по-малка от тази във вакуум) и дори породи съмнения относно валидността на специална теорияотносителност. Междувременно свръхсветлинен физически обект - лазерен импулс в усилваща среда - беше открит за първи път не през 2000 г., а 35 години по-рано, през 1965 г., и възможността за свръхсветлинно движение беше широко обсъждана до началото на 70-те години. Днес дискусията около това странно явление се разгоря с нова сила.

Примери за "свръхсветлинно" движение.

В началото на 60-те години започнаха да се получават къси светлинни импулси с висока мощност чрез преминаване на лазерна светкавица през квантов усилвател (среда с обърната населеност).

В усилващата среда началната област на светлинния импулс предизвиква стимулирано излъчване на атоми в усилващата среда, а крайната му област причинява тяхното поглъщане на енергия. В резултат на това на наблюдателя ще изглежда, че пулсът се движи по-бързо от светлината.

Експериментът на Lijun Wong.

Лъч светлина, преминаващ през призма, изработена от прозрачен материал (например стъкло), се пречупва, т.е. изпитва дисперсия.

Светлинният импулс е набор от трептения с различни честоти.

Вероятно всеки - дори хора, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Означава се с буквата си е почти 300 хиляди километра в секунда; точна стойност с= 299,792,458 m/s. Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физични константи. Невъзможност за постигане на превишени скорости с, следва от специалната теория на относителността (СТО) на Айнщайн. Ако можеше да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинни скорости е възможно, теорията на относителността би паднала. Досега това не се е случило, въпреки многобройните опити да се опровергае забраната за съществуване на скорости, по-големи от с. Въпреки това, в експериментални изследванияНаскоро бяха открити много интересни явления, които показват, че при специално създадени условия е възможно да се наблюдават свръхсветлинни скорости и при това да не се нарушават принципите на теорията на относителността.

Като начало нека си припомним основните аспекти, свързани с проблема за скоростта на светлината. Първо: защо е невъзможно (при нормални условия) да се превиши границата на светлината? Защото тогава се нарушава основният закон на нашия свят – законът за причинно-следствената връзка, според който следствието не може да предхожда причината. Никой не е забелязал, че например мечка първо е паднала мъртва, а след това ловецът е стрелял. При скорости над с, последователността от събития се обръща, лентата на времето се превърта назад. Това е лесно да се провери от следните прости разсъждения.

Да предположим, че сме на някакъв космически кораб-чудо, който се движи по-бързо от светлината. Тогава постепенно щяхме да наваксаме светлината, излъчвана от източника във все по-ранни и по-ранни моменти. Първо, ще наваксаме фотони, излъчени, да речем, вчера, след това тези, излъчени завчера, след това седмица, месец, година и т.н. Ако източникът на светлина беше огледало, отразяващо живота, тогава първо щяхме да видим събитията от вчера, след това от завчера и т.н. Можем да видим, да речем, старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, след това в млад мъж, в младеж, в дете... Тоест времето ще се върне назад, ще преминем от настоящето към миналото. Тогава причините и следствията ще сменят местата си.

Въпреки че тази дискусия напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка тя ясно демонстрира, че движението със свръхсветлинни скорости води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: недостижимо е движение не само със свръхсветлинна скорост, но и със скорост еднаква скоростсветлина - можете да се приближите само до нея. От теорията на относителността следва, че когато скоростта на движение се увеличава, възникват три обстоятелства: масата на движещ се обект се увеличава, размерът му в посоката на движение намалява и протичането на времето върху този обект се забавя (от точката от гледна точка на външен „почиващ” наблюдател). При обикновени скорости тези промени са незначителни, но с приближаването на скоростта на светлината те стават все по-осезаеми и в границата - при скорост, равна на с, - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размери в посоката на движение и времето спира върху него. Следователно нито едно материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само самата светлина има такава скорост! (А също и „всепроникваща“ частица - неутрино, която подобно на фотон не може да се движи със скорост по-малка от с.)

Сега за скоростта на предаване на сигнала. Тук е подходящо да се използва представянето на светлина във формата електромагнитни вълни. Какво е сигнал? Това е информация, която трябва да бъде предадена. Идеалната електромагнитна вълна е безкрайна синусоида със строго една честота и не може да носи никаква информация, тъй като всеки период на такава синусоида точно повтаря предишния. Скоростта на движение на фазата на синусоида - така наречената фазова скорост - може в среда при определени условия да надвишава скоростта на светлината във вакуум. Тук няма ограничения, тъй като фазовата скорост не е скоростта на сигнала - тя все още не съществува. За да създадете сигнал, трябва да направите някакъв вид „маркировка“ върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна на някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но веднага щом се постави марката, вълната губи своята синусоидалност. Той става модулиран, състоящ се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази- групи от вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. При разпространение в среда тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на горепосочената група вълни като цяло (виж "Наука и живот" No 2, 2000 г.). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Тук неслучайно е използван изразът „при нормални условия“, тъй като в някои случаи груповата скорост може да надвишава сили дори губи значението си, но тогава не е свързано с разпространението на сигнала. Сервизът установява, че е невъзможно да се предава сигнал със скорост, по-голяма от с.

защо е така Тъй като има пречка за предаване на всеки сигнал със скорост, по-голяма от сСъщият закон за причинно-следствената връзка служи. Нека си представим такава ситуация. В дадена точка А светлинен проблясък (събитие 1) включва устройство, изпращащо определен радиосигнал, а в отдалечена точка Б, под въздействието на този радиосигнал, възниква експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (пламване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, настъпващо по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател близо до точка B първо би видял експлозия и едва след това тя щеше да го достигне със скоростта спроблясък на светлина, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило по-рано от събитие 1, тоест ефектът щеше да предхожда причината.

Уместно е да се подчертае, че „свръхсветлинната забрана” на теорията на относителността се налага само върху движението. материални телаи предаване на сигнал. В много ситуации е възможно движение с всякаква скорост, но това няма да е движение на материални обекти или сигнали. Например, представете си две доста дълги владетели, лежащи в една и съща равнина, едната от които е разположена хоризонтално, а другата я пресича под малък ъгъл. Ако първата линия се премести надолу (в посоката, посочена от стрелката) с висока скорост, точката на пресичане на линийките може да се накара да се движи толкова бързо, колкото желаете, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, който произвежда тесен лъч) и бързо опишете дъга във въздуха, тогава линейна скоростсветлинният лъч ще се увеличава с разстоянието и при достатъчно голямо разстояние ще надвишава с.Светлинното петно ​​ще се движи между точки A и B със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от A към B, тъй като такова светлинно петно ​​не носи никаква информация за точка A.

Изглежда, че проблемът със свръхсветлинните скорости е решен. Но през 60-те години на ХХ век теоретичните физици излагат хипотезата за съществуването на свръхсветлинни частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично те са възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически въображаемата маса не съществува; тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика много тревога, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) Само при скорости, превишаващи скоростта на светлината във вакуум, и в този случай масата на тахиона се оказва реална. Тук има известна аналогия с фотоните: фотонът има нулева маса на покой, но това просто означава, че фотонът не може да бъде в покой - светлината не може да бъде спряна.

Най-трудното нещо се оказа, както можеше да се очаква, да се съгласува тахионната хипотеза със закона за причинно-следствената връзка. Направените опити в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял експериментално да регистрира тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частиципостепенно избледня.

Въпреки това, през 60-те години експериментално е открит феномен, който първоначално обърка физиците. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски „Свръхсветлинни вълни в усилващи среди“ (UFN № 12, 1998 г.). Тук ще резюмираме накратко същността на въпроса, като препращаме интересуващия се от подробности читател към посочената статия.

Скоро след откриването на лазерите - в началото на 60-те години - възниква проблемът за получаване на кратки (с продължителност около 1 ns = 10 -9 s) мощни светлинни импулси. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен на две части от огледало за разделяне на лъча. Единият от тях, по-мощен, се изпращаше към усилвателя, а другият се разпространяваше във въздуха и служеше като референтен импулс, с който можеше да се сравни импулсът, преминаващ през усилвателя. И двата импулса бяха подавани към фотодетектори и техните изходни сигнали можеха да се наблюдават визуално на екрана на осцилоскопа. Очакваше се, че светлинният импулс, преминаващ през усилвателя, ще има известно забавяне в сравнение с референтния импулс, тоест скоростта на разпространение на светлината в усилвателя ще бъде по-малка, отколкото във въздуха. Представете си удивлението на изследователите, когато откриха, че импулсът се разпространява през усилвателя със скорост не само по-голяма от тази във въздуха, но и няколко пъти по-висока от скоростта на светлината във вакуум!

След като се възстановиха от първия шок, физиците започнаха да търсят причината за такъв неочакван резултат. Никой не е имал дори най-малкото съмнение относно принципите на специалната теория на относителността и това е, което помогна да се намери правилното обяснение: ако принципите на SRT са запазени, тогава отговорът трябва да се търси в свойствата на усилващата среда.

Без да навлизаме в подробности тук, само ще посочим това подробен анализмеханизмът на действие на усилващата среда напълно изясни ситуацията. Въпросът беше промяна в концентрацията на фотони по време на разпространение на импулса - промяна, причинена от промяна в усилването на средата до отрицателна стойностпо време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече поглъща енергия, тъй като собственият й резерв вече е изразходван поради прехвърлянето й към светлинния импулс. Абсорбцията предизвиква не повишаване, а отслабване на импулса, като по този начин импулсът се засилва в предната част и отслабва в задната част. Нека си представим, че наблюдаваме импулс с помощта на устройство, движещо се със скоростта на светлината в усилвателната среда. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулса, застинал в неподвижност. В средата, в която протича горепосоченият процес, усилването на предния ръб и отслабването на задния ръб на импулса ще изглеждат на наблюдателя по такъв начин, че средата изглежда е преместила импулса напред. Но тъй като устройството (наблюдателят) се движи със скоростта на светлината, а импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: процесът на усилване е просто такъв, че концентрацията на фотони, които са излезли по-рано, се оказва по-голяма от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със свръхсветлинни скорости, а обвивката на импулса, по-специално неговият максимум, който се наблюдава на осцилоскоп.

По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на скоростта й, определяща се от индекса на пречупване, в активните лазерни среди има не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.

Някои физици се опитаха експериментално да докажат наличието на свръхсветлинно движение по време на тунелния ефект - един от най- удивителни явления V квантова механика. Този ефект се състои в това, че една микрочастица (по-точно микрообект, който при различни условия проявява както свойствата на частица, така и свойствата на вълна) е в състояние да проникне през така наречената потенциална бариера - явление, което е напълно невъзможно в класическата механика (в която подобна ситуация би била аналог: топка, хвърлена срещу стена, ще се окаже от другата страна на стената или вълнообразното движение, придадено на въже, завързано за стената, ще бъде прехвърлено на въже, завързано за стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микрообект с определена енергия срещне област с потенциална енергия, превишаваща енергията на микрообекта, тази област е бариера за него, чиято височина се определя от енергийната разлика. Но микрообектът "изтича" през бариерата! Тази възможност му се дава от добре познатата зависимост на неопределеността на Хайзенберг, написана за енергията и времето на взаимодействие. Ако взаимодействието на микрообект с бариера се случи за доста определено време, тогава енергията на микрообекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, тогава последното престава да бъде непреодолима пречка за микрообекта. Скоростта на проникване през потенциална бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надхвърли с.

През юни 1998 г. в Кьолн се проведе международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинното движение, където бяха обсъдени резултатите, получени в четири лаборатории - в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.

И накрая, през 2000 г. се появиха съобщения за два нови експеримента, в които се появи ефектът от свръхсветлинното разпространение. Една от тях е извършена от Lijun Wong и колегите му от Принстънския изследователски институт (САЩ). Резултатът е, че светлинен импулс, влизащ в камера, пълна с цезиеви пари, увеличава скоростта си 300 пъти. Оказа се, че основната част от импулса напусна далечната стена на камерата дори по-рано, отколкото импулсът влезе в камерата през предната стена. Тази ситуация противоречи не само здрав разум, а по същество теорията на относителността.

Съобщението на Л. Вонг предизвика бурна дискусия сред физиците, повечето от които не бяха склонни да видят нарушение на принципите на относителността в получените резултати. Те смятат, че предизвикателството е да се обясни правилно този експеримент.

В експеримента на L. Wong светлинният импулс, влизащ в камерата с цезиеви пари, е с продължителност около 3 μs. Атомите на цезия могат да съществуват в шестнадесет възможни квантово-механични състояния, наречени „хиперфини магнитни поднива на основното състояние“. Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха приведени само в едно от тези шестнадесет състояния, съответстващо на почти абсолютна нулева температура по скалата на Келвин (-273,15 o C). Дължината на цезиевата камера беше 6 сантиметра. Във вакуум светлината изминава 6 сантиметра за 0,2 ns. Както показаха измерванията, светлинният импулс премина през камерата с цезий за време, което беше с 62 ns по-малко, отколкото във вакуум. С други думи, времето, необходимо на импулса да премине през цезиева среда, има знак минус! Наистина, ако извадим 62 ns от 0,2 ns, получаваме „отрицателно“ време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем времеви скок - е равно на времето, през което импулсът би направил 310 преминавания през камерата във вакуум. Последствието от това „времево обръщане“ беше, че импулсът, напускащ камерата, успя да се отдалечи на 19 метра от нея, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (освен, разбира се, ако не се съмняваме в чистотата на експеримента)?

Съдейки по продължаващата дискусия, все още не е намерено точно обяснение, но няма съмнение, че необичайните дисперсионни свойства на средата играят роля тук: цезиевите пари, състоящи се от атоми, възбудени от лазерна светлина, са среда с аномална дисперсия . Нека си припомним накратко какво представлява.

Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (обикновен) индекс на пречупване пвърху дължината на светлинната вълна l. При нормална дисперсия коефициентът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това е случаят със стъкло, вода, въздух и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно абсорбират светлина, ходът на индекса на пречупване с промяна на дължината на вълната се обръща и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличаване на честотата w), индексът на пречупване рязко намалява и в определена област на дължина на вълната става по-малък от единица (фазова скорост V f > с). Това е аномална дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в дадено вещество се променя радикално. Групова скорост V gr става по-голяма от фазовата скорост на вълните и може да надвиши скоростта на светлината във вакуум (и също да стане отрицателна). Л. Вонг посочва това обстоятелство като причина, залегнала в основата на възможността за обяснение на резултатите от неговия експеримент. Трябва да се отбележи обаче, че условието V gr > се чисто формално, тъй като понятието групова скорост е въведено за случай на малка (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група от вълни почти не променя формата си по време на разпространение. В области с аномална дисперсия светлинният импулс бързо се деформира и концепцията за групова скорост губи своето значение; в този случай се въвеждат понятията скорост на сигнала и скорост на разпространение на енергията, които в прозрачни среди съвпадат с груповата скорост, а в среди с абсорбция остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересно в експеримента на Вонг: светлинният импулс, преминавайки през среда с аномална дисперсия, не се деформира - той точно запазва формата си! И това съответства на предположението, че импулсът се разпространява с групова скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че в средата няма абсорбция, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Уонг, въпреки че признава, че много остава неясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална настройка, може, в първо приближение, да бъде ясно обяснено по следния начин.

Светлинният импулс се състои от много компоненти с различни дължини на вълните (честоти). Фигурата показва три от тези компоненти (вълни 1-3). В даден момент и трите вълни са във фаза (максимумите им съвпадат); тук те, събирайки се, се подсилват взаимно и образуват импулс. Докато вълните продължават да се разпространяват в пространството, те стават дефазирани и по този начин се „отменят“ една друга.

В областта на аномална дисперсия (вътре в цезиевата клетка) вълната, която е била по-къса (вълна 1), става по-дълга. Обратно, вълната, която е била най-дългата от трите (вълна 3), става най-късата.

Следователно фазите на вълните се променят съответно. След като вълните преминат през цезиевата клетка, техните вълнови фронтове се възстановяват. След като са претърпели необичайна фазова модулация в вещество с аномална дисперсия, въпросните три вълни отново се оказват във фаза в даден момент. Тук те се събират отново и образуват импулс с точно същата форма като този, който влиза в цезиевата среда.

Обикновено във въздуха и всъщност във всяка прозрачна среда с нормална дисперсия светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на отдалечено разстояние, тоест всички негови компоненти не могат да бъдат фазирани в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия светлинен импулс се появява в толкова отдалечена точка след известно време. Въпреки това, поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечена точка се оказа фазиран по същия начин, както при влизане в тази среда. Така светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно времезакъснение по пътя си към далечна точка, тоест ще стигне до нея не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал през средата!

Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с ниска интензивност в диспергиращата среда на камерата. Факт е, че по време на спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти на произволно високи честоти с пренебрежимо малка амплитуда, така нареченият прекурсор, който върви пред „главната част“ на импулса. Естеството на установяване и формата на прекурсора зависят от закона за дисперсия в средата. Като се има предвид това, последователността от събития в експеримента на Вонг се предлага да се тълкува по следния начин. Входящата вълна, „разтягайки“ предвестника пред себе си, се приближава към камерата. Преди пикът на входящата вълна да удари близката стена на камерата, прекурсорът инициира появата на импулс в камерата, който достига далечната стена и се отразява от нея, образувайки „обратна вълна“. Тази вълна се разпространява 300 пъти по-бързо с, достига близката стена и среща настъпващата вълна. Върховете на една вълна срещат падините на друга, така че те се унищожават един друг и в резултат на това не остава нищо. Оказва се, че прииждащата вълна „връща дълга“ към цезиевите атоми, които са й „отдали“ енергия в другия край на камерата. Всеки, който наблюдаваше само началото и края на експеримента, би видял само импулс от светлина, който „скача“ напред във времето, движейки се по-бързо с.

Л. Вонг смята, че неговият експеримент не е в съответствие с теорията на относителността. Твърдението за недостижимостта на свръхсветлинна скорост, според него, се отнася само за обекти с маса на покой. Светлината може да бъде представена или под формата на вълни, към които понятието маса по принцип е неприложимо, или под формата на фотони с маса на покой, както е известно, равна на нула. Следователно скоростта на светлината във вакуум, според Вонг, не е границата. Уонг обаче признава, че ефектът, който е открил, не прави възможно предаването на информация със скорост, по-висока от с.

„Информацията тук вече се съдържа в предния ръб на импулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в Съединените щати, „и може да създаде впечатлението, че изпраща информация по-бързо от светлината, дори когато вие не го изпращат."

Повечето физици вярват в това нова работане нанася съкрушителен удар на фундаменталните принципи. Но не всички физици смятат, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианската изследователска група, която проведе друг интересен експеримент през 2000 г., смята, че въпросът все още е открит. Този експеримент, проведен от Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni и Rocco Ruggeri, открива, че радиовълните от сантиметрови вълни при нормално пътуване по въздуха при скорости надвишават сс 25%.

За да обобщим, можем да кажем следното. Работата през последните години показва, че при определени условия действително може да възникне свръхсветлинна скорост. Но какво точно се движи със свръхсветлинни скорости? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи много упорито се опитват да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигналите. Причината за това се крие във факта, че специалната теория на относителността няма строга математическа обосновка (въз основа, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитно поле) невъзможност за предаване на сигнали със скорост по-голяма от с. Такава невъзможност в STR е установена, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но това се потвърждава фундаментално от принципа на причинността. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за свръхсветлинното предаване на сигнала, пише, че в този случай „... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнала, при който постигнатото действие предшества причината Но, въпреки че това е резултат от чисто логическа гледна точка гледната точка не съдържа себе си, по мое мнение, няма противоречия; въпреки това тя противоречи на природата на целия ни опит, че е невъзможно да се предположи V > sизглежда достатъчно доказано." Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на свръхсветлинни сигнали. И очевидно всички търсения на свръхсветлинни сигнали без изключение ще се спънат в този камък, независимо колко много експериментаторите искат да открият такива сигнали, защото такава е природата на нашия свят.

В заключение трябва да се подчертае, че всичко казано по-горе се отнася конкретно за нашия свят, за нашата Вселена. Тази клауза е направена, защото напоследъкВ астрофизиката и космологията се появяват нови хипотези, които допускат съществуването на множество скрити от нас Вселени, свързани с топологични тунели – джъмпери. Тази гледна точка се споделя например от известния астрофизик Н. С. Кардашев. За външен наблюдател входовете на тези тунели са обозначени с аномални гравитационни полета, като черни дупки. Движенията в такива тунели, както предполагат авторите на хипотезите, ще позволят да се заобиколи ограничението на скоростта, наложено в обикновеното пространство от скоростта на светлината, и следователно да се реализира идеята за създаване на машина на времето. .. Възможно е в такива Вселени наистина да се случват нещо необичайно за нас. И въпреки че засега подобни хипотези твърде много напомнят на истории от научната фантастика, едва ли трябва категорично да се отхвърля принципната възможност за многоелементен модел на устройството на материалния свят. Друго нещо е, че всички тези други вселени най-вероятно ще останат чисти математически конструкциитеоретични физици, живеещи в нашата Вселена и със силата на своите мисли се опитват да намерят светове, затворени за нас...

Вижте изданието по същата тема

Човекът винаги се е интересувал от природата на светлината, за което свидетелстват достигналите до нас митове, легенди, философски спорове и научни наблюдения. Светлината винаги е била повод за дискусия сред древните философи, а опити за нейното изучаване са правени още по времето на възникването на евклидовата геометрия – 300 години пр.н.е. Още тогава се е знаело за праволинейността на разпространение на светлината, равенството на ъглите на падане и отражение, явлението пречупване на светлината и са били обсъждани причините за появата на дъгата. Аристотел смята, че скоростта на светлината е безкрайно голяма, което означава, че логично погледнато, светлината не подлежи на обсъждане. Типичен случай, когато дълбочината на проблема изпреварва ерата на разбиране на отговора.

Преди около 900 години Авицена предположи, че колкото и висока да е скоростта на светлината, тя все още има крайна стойност. Не само той имаше това мнение, но никой не успя да го докаже експериментално. Гениалният Галилео Галилей предложи експеримент, за да разбере проблема механично: двама души, стоящи на няколко километра един от друг, подават сигнали, като отварят капака на фенера. Веднага след като вторият участник види светлината от първия фенер, той отваря своя затвор и първият участник записва времето на получаване на отговорния светлинен сигнал. След това разстоянието се увеличава и всичко се повтаря. Очакваше се да регистрира увеличението на забавянето и на тази база да изчисли скоростта на светлината. Експериментът завърши с нищо, защото „всичко не беше внезапно, а изключително бързо“.

Първият, който измерва скоростта на светлината във вакуум, е астрономът Оле Ромер през 1676 г. - той се възползва от откритието на Галилей: открива през 1609 г. четири, в които в рамките на шест месеца разликата във времето между две сателитни затъмнения е 1320 секунди. Използвайки астрономическата информация от своето време, Рьомер получава стойност за скоростта на светлината, равна на 222 000 км в секунда. Това, което беше удивително, беше, че самият метод на измерване е невероятно точен - използвайки сега известните данни за диаметъра на Юпитер и времето на забавяне на потъмняването на спътника дава скоростта на светлината във вакуум, на ниво съвременни значенияполучени по други методи.

Първоначално имаше само едно оплакване за експериментите на Ромер - беше необходимо да се извършат измервания с помощта на земни средства. Изминаха почти 200 години и Луи Физо построи гениална инсталация, в която лъч светлина се отразява от огледало на разстояние повече от 8 км и се връща обратно. Тънкостта беше, че тя минаваше напред-назад по пътя през кухините на зъбното колело и ако се увеличи скоростта на въртене на колелото, щеше да дойде момент, когато светлината вече нямаше да се вижда. Останалото е въпрос на техника. Резултатът от измерването е 312 000 км в секунда. Сега виждаме, че Физо е бил още по-близо до истината.

Следващата стъпка в измерването на скоростта на светлината е направена от Фуко, който заменя зъбното колело. Това позволява намаляване на размерите на инсталацията и увеличаване на точността на измерване до 288 000 км в секунда. Не по-малко важен е експериментът, извършен от Фуко, в който той определя скоростта на светлината в среда. За целта между огледалата на инсталацията е поставена тръба с вода. В този експеримент беше установено, че скоростта на светлината намалява, докато се разпространява в среда в зависимост от индекса на пречупване.

През втората половина на 19 век идва времето на Майкелсон, който посвещава 40 години от живота си на измервания в областта на светлината. Кулминацията на работата му беше инсталацията, в която той измерва скоростта на светлината във вакуум, използвайки вакуумна метална тръба, дълга повече от километър и половина. Друго фундаментално постижение на Майкелсън е доказателството, че за всяка дължина на вълната скоростта на светлината във вакуум е една и съща и като съвременен стандарт е 299792458+/- 1,2 m/s. Такива измервания са извършени въз основа на актуализирани стойности на референтния измервателен уред, чиято дефиниция е одобрена от 1983 г. като международен стандарт.

Мъдрият Аристотел греши, но отне почти 2000 години, за да го докаже.

Наистина, как? Как да измерим най висока скороств Вселенав нашия скромен Земни условия? Вече няма нужда да си блъскаме мозъка за това - в края на краищата, в продължение на няколко века толкова много хора са работили по този въпрос, разработвайки методи за измерване на скоростта на светлината. Да започнем разказа по ред.

Скоростта на светлината– скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вакуум. Обозначава се латиница c. Скоростта на светлината е приблизително 300 000 000 m/s.

Отначало никой не се замисля за въпроса за измерването на скоростта на светлината. Има светлина - това е страхотно. Тогава, в епохата на античността, сред учените философи преобладава мнението, че скоростта на светлината е безкрайна, тоест мигновена. Тогава се случи Средновековиес Инквизицията, когато основният въпрос на мислещите и прогресивните хора беше „Как да не попаднем в огъня?“ И то само в епохи Възражданеи ПросветлениеМненията на учените се умножиха и, разбира се, бяха разделени.

така че Декарт, Кеплери Фермабили на същото мнение като учените от древността. Но той вярваше, че скоростта на светлината е крайна, макар и много висока. Всъщност той прави първото измерване на скоростта на светлината. По-точно той направи първия опит да го измери.

Експериментът на Галилей

опит Галилео Галилей беше брилянтен в своята простота. Ученият проведе експеримент за измерване на скоростта на светлината, въоръжен с прости импровизирани средства. На голямо и известно разстояние един от друг, на различни хълмове, Галилей и неговият помощник стояха със запалени фенери. Единият от тях отвори капака на фенера, а вторият трябваше да направи същото, когато видя светлината на първия фенер. Познавайки разстоянието и времето (закъснението преди асистентът да отвори фенера), Галилей очаква да изчисли скоростта на светлината. За съжаление, за да успее този експеримент, Галилео и неговият помощник трябваше да изберат хълмове, които са на няколко милиона километра един от друг. Бих искал да ви напомня, че можете, като попълните заявление на уебсайта.

Експерименти на Ромер и Брадли

Първият успешен и изненадващо точен експеримент за определяне на скоростта на светлината е този на датски астроном Олаф Ромер. Рьомер използва астрономическия метод за измерване на скоростта на светлината. През 1676 г. той наблюдава спътника на Юпитер Йо през телескоп и открива, че времето на затъмнението на спътника се променя, когато Земята се отдалечава от Юпитер. Максимално времезакъснението беше 22 минути. Изчислявайки, че Земята се отдалечава от Юпитер на разстояние от диаметъра на земната орбита, Ремер разделя приблизителната стойност на диаметъра на времето на забавяне и получава стойност от 214 000 километра в секунда. Разбира се, такова изчисление беше много грубо, разстоянията между планетите бяха известни само приблизително, но резултатът се оказа относително близък до истината.

Опитът на Брадли. През 1728г Джеймс Брадлиоцени скоростта на светлината чрез наблюдение на аберацията на звездите. Отстъплениее промяна във видимата позиция на звезда, причинена от движението на земята по нейната орбита. Познавайки скоростта на Земята и измервайки ъгъла на аберация, Брадли получава стойност от 301 000 километра в секунда.

Опитът на Физо

В резултат на опита на Рьомър и Брадли тогавашният научен святреагира с недоверие. Резултатът на Брадли обаче е най-точният за повече от сто години, чак до 1849 г. Същата година френски учен Арманд Физоизмерва скоростта на светлината, използвайки метода на въртящия се затвор, без да наблюдава небесни тела, но тук на Земята. Всъщност това е първият лабораторен метод за измерване на скоростта на светлината след Галилей. По-долу е дадена диаграма на неговата лабораторна настройка.

Светлината, отразена от огледалото, премина през зъбците на колелото и се отрази от друго огледало, на 8,6 километра. Скоростта на колелото се увеличава, докато светлината стане видима в следващата празнина. Изчисленията на Физо дават резултат от 313 000 километра в секунда. Година по-късно подобен експеримент с въртящо се огледало е проведен от Леон Фуко, който получава резултат от 298 000 километра в секунда.

С появата на мазерите и лазерите хората имат нови възможности и начини за измерване на скоростта на светлината, а развитието на теорията също така направи възможно косвеното изчисляване на скоростта на светлината, без да се правят директни измервания.

Най-точната стойност на скоростта на светлината

Човечеството е натрупало огромен опит в измерването на скоростта на светлината. Днес за най-точна стойност за скоростта на светлината се смята 299 792 458 метра в секунда, получен през 1983г. Интересно е, че по-нататъшно по-точно измерване на скоростта на светлината се оказа невъзможно поради грешки в измерването метра. В момента стойността на един метър е свързана със скоростта на светлината и е равна на разстоянието, което светлината изминава за 1/299 792 458 от секундата.

Накрая, както винаги, предлагаме да гледате образователен видеоклип. Приятели, дори ако сте изправени пред такава задача като независимо измерване на скоростта на светлината с помощта на импровизирани средства, можете спокойно да се обърнете към нашите автори за помощ. Можете да попълните заявление на уебсайта на задочните студенти. Желаем ви приятно и леко учене!

скоростта на светлината - абсолютна стойностскоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вакуум. Във физиката традиционно се обозначава с латинската буква "c" (произнася се [tse]). Скоростта на светлината във вакуум е фундаментална константа, независима от избор инерционна системасправка (ISO). Отнася се до фундаменталните физически константи, които характеризират не само отделни тела, но и свойствата на пространство-времето като цяло. Според съвременните концепции скоростта на светлината във вакуум е максималната скорост на движение на частиците и разпространение на взаимодействията. Важен е и фактът, че тази стойност е абсолютна. Това е един от постулатите на SRT.

Във вакуум (празнота)

През 1977 г. беше възможно да се изчисли приблизителната скорост на светлината, равна на 299 792 458 ± 1,2 m/s, изчислена въз основа на стандартния метър от 1960 г. включено в моментавярват, че скоростта на светлината във вакуум е фундаментална физическа константа, по дефиниция точно равна на 299 792 458 m/s, или приблизително 1 079 252 848,8 km/h. Точна стойностТова се дължи на факта, че от 1983 г. за стандартен метър се приема разстоянието, което светлината изминава във вакуум за период от време, равен на 1/299 792 458 секунди. Скоростта на светлината се символизира с буквата c.

Експериментът на Майкелсън, основен за SRT, показа, че скоростта на светлината във вакуум не зависи нито от скоростта на светлинния източник, нито от скоростта на наблюдателя. В природата следните се разпространяват със скоростта на светлината:

реална видима светлина

други видове електромагнитно излъчване (радиовълни, рентгенови лъчи и др.)

От специалната теория на относителността следва, че ускорението на частици с маса в покой до скоростта на светлината е невъзможно, тъй като това събитие би нарушило основния принцип на причинно-следствената връзка. Тоест, изключено е сигналът да надвишава скоростта на светлината или движението на маса с такава скорост. Теорията обаче не изключва движението на частиците в пространство-времето със свръхсветлинни скорости. Хипотетичните частици, движещи се със свръхсветлинна скорост, се наричат ​​тахиони. Математически тахионите лесно се вписват в трансформацията на Лоренц – те са частици с въображаема маса. Колкото по-висока е скоростта на тези частици, толкова по-малко енергия носят и обратното, колкото по-близка е скоростта им до скоростта на светлината, толкова по-голяма е тяхната енергия - точно както енергията на обикновените частици, енергията на тахионите клони към безкрайност като доближават скоростта на светлината. Това е най-очевидната последица от трансформацията на Лоренц, която не позволява на една частица да се ускори до скоростта на светлината - просто е невъзможно да се придаде безкрайно количество енергия на една частица. Трябва да се разбере, че, първо, тахионите са клас частици, а не един вид частици, и, второ, никакво физическо взаимодействие не може да се разпространява по-бърза скоростСвета. От това следва, че тахионите не нарушават принципа на причинно-следствената връзка - те не взаимодействат по никакъв начин с обикновените частици и разликата в техните скорости помежду им също не е равна на скоростта на светлината.

Обикновените частици, които се движат по-бавно от светлината, се наричат ​​тардиони. Тардионите не могат да достигнат скоростта на светлината, а само я приближават произволно близо, тъй като в този случай тяхната енергия става неограничено голяма. Всички тардиони имат маса на покой, за разлика от безмасовите фотони и гравитони, които винаги се движат със скоростта на светлината.

В Планкови единици скоростта на светлината във вакуум е 1, т.е. светлината изминава 1 единица Планкова дължина за единица Планково време.

В прозрачна среда

Скоростта на светлината в прозрачна среда е скоростта, с която светлината се движи в среда, различна от вакуум. В среда с дисперсия се разграничават фазови и групови скорости.

Фазовата скорост свързва честотата и дължината на вълната на монохроматичната светлина в среда (λ=c/ν). Тази скорост обикновено (но не непременно) е по-малка от c. Съотношението на фазовата скорост на светлината във вакуум към скоростта на светлината в среда се нарича индекс на пречупване на средата. Груповата скорост на светлината в равновесна среда винаги е по-малка от c. Въпреки това, в неравновесни среди може да надвишава c. В този случай обаче предният фронт на импулса все още се движи със скорост, която не надвишава скоростта на светлината във вакуум.

Armand Hippolyte Louis Fizeau експериментално доказва, че движението на среда спрямо светлинен лъч също може да повлияе на скоростта на разпространение на светлината в тази среда.

Отрицание на постулата за максималната скорост на светлината

IN последните годиниЧесто има съобщения, че в т.нар квантова телепортациявзаимодействието се движи по-бързо от скоростта на светлината. Например 15 август 2008 г изследователска групаД-р Николас Гисин от Женевския университет, изучаващ свързани фотонни състояния, разделени от 18 км в пространството, показва, че „взаимодействието между частиците се извършва със скорост около сто хиляди пъти скоростта на светлината“. Преди това беше обсъден и така нареченият парадокс на Хартман - свръхсветлинна скорост с ефекта на тунела.

Научен анализ на значението на тези и подобни резултати показва, че те принципно не могат да бъдат използвани за свръхсветлинно предаване на какъвто и да е сигнал или движение на материя.

История на измерванията на скоростта на светлината

Древните учени, с редки изключения, смятат скоростта на светлината за безкрайна. В съвремието този въпрос стана предмет на дебат. Галилео и Хук признават, че тя е ограничена, макар и много голяма, докато Кеплер, Декарт и Ферма все още защитават безкрайността на скоростта на светлината.

Първата оценка на скоростта на светлината е дадена от Олаф Ремер (1676 г.). Той забеляза, че когато Земята и Юпитер са в различни страниот Слънцето, затъмненията на спътника на Юпитер Йо се забавят с 22 минути в сравнение с изчисленията. От това той получава стойност за скоростта на светлината от около 220 000 км/сек - неточна, но близка до истинската. Половин век по-късно откриването на аберацията позволи да се потвърди ограничеността на скоростта на светлината и да се прецизира нейната оценка.