Виведення формули швидкості світла. Значення та поняття. Сповільнене світло. Швидкість світла у середовищі

Ще зі шкільних часів ми знаємо, що швидкість світла, згідно з законами Енштейна, – це непереборний максимум у Всесвіті. Відстань від Сонця до Землі світло проходить за 8 хвилин, а це приблизно 150 000 000 км. До Нептуна доходить лише через 6 годин, але космічним апаратам потрібні десятиліття на подолання таких відстаней. Але далеко не всім відомо, що значення швидкості може значно коливатися в залежності від середовища, в якому проходить світло.

Формула швидкості світла

Знаючи швидкість світла у вакуумі (з ≈ 3*10 8 м\с), можна визначити її в інших середовищах, виходячи з їхнього показника заломлення n. Сама формула швидкості світла нагадує закони механіки з фізики, а точніше визначення відстані за допомогою часу та швидкості об'єкта.

Наприклад, ми візьмемо скло, коефіцієнт заломлення якого становить 1,5. За формулою швидкості світла v = c \ n отримуємо, що швидкість у цьому середовищі приблизно дорівнює 200 000 км с. Якщо брати рідину, таку як вода, швидкість поширення фотонів (частин світла) в ній дорівнює 226 000 км\с при показнику заломлення в 1,33.

Формула швидкості світла у повітрі

Повітря - це також середовище. Отже, вона має так звану Якщо у вакуумі фотони не зустрічають на своєму шляху перешкод, то в середовищі вони витрачають деякий час на збудження частинок атомів. Чим щільніше середовище, тим більше часу йде на це збудження. Показник заломлення (n) у повітрі дорівнює 1,000292. А це не сильно відходить від межі 299 792 458 м/с.

Американським вченим вдалося уповільнити швидкість світла практично до повного нуля. Більше ніж 1/299 792 458 сек. світло швидкість не може подолати. Вся справа в тому, що світло – це така сама електромагнітна хвиля, як і рентген, радіохвилі чи тепло. Відмінність полягає лише в різниці між довжиною хвилі та частоти.

Цікавим фактом вважається відсутність маси фотона, а це говорить про відсутність часу для даної частинки. Простіше кажучи, для фотона, який був народжений кілька мільйонів, а то й мільярдів років тому, не минуло жодної секунди часу.

Швидкість світла — незвичайна величина вимірювання, яка відома на сьогоднішній момент. Першою людиною, яка спробувала пояснити феномен поширення світла, був Альберт Ейнштейн. Саме він вивів усім відому формулу E = mc² , де E- Це повна енергія тіла, m- Маса, а c- Швидкість світла у вакуумі.

Формула була вперше опублікована у журналі Annalen der Physik у 1905 році. Приблизно в той же час Ейнштейн висунув теорію про те, що відбуватиметься з тілом, яке переміщається з абсолютною швидкістю. Виходять з того, що швидкість світла - величина незмінна, він дійшов висновку, що повинні змінюватися простір і час.

Таким чином, при світловій швидкості предмет нескінченно стискатиметься, його маса нескінченно збільшуватиметься, а час практично зупиниться.

У 1977 році вдалося обчислити швидкість світла, було названо цифру 299 792 458 ± 1,2 метрів за секунду. Для грубіших розрахунків завжди приймається значення 300 000 км/с. Саме від цієї величини і відштовхуються всі інші космічні виміри. Так з'явилося поняття « світлового року» та «парсека» (3,26 світлових років).

Ні рухатися зі швидкістю світла, ні тим більше подолати її — неможливо. Принаймні на даному етапі розвитку людства. З іншого боку, письменники-фантасти вже 100 років намагаються вирішити цю проблему на сторінках своїх романів. Можливо, одного разу фантастика стане реальністю, адже ще в ХІХ столітті Жуль Верн передбачив появу гелікоптера, літака та електричного стільця, а тоді це була чиста фантастика!

Лікар технічних наукА. ГОЛУБЄВ.

У середині минулого року у журналах з'явилося сенсаційне повідомлення. Група американських дослідниківвиявила, що дуже короткий лазерний імпульс рухається в особливим чином підібраному середовищі в сотні разів швидше, ніж у вакуумі. Це явище здавалося абсолютно неймовірним (швидкість світла в середовищі завжди менша, ніж у вакуумі) і навіть породило сумніви у справедливості спеціальної теоріївідносності. Тим часом надсвітловий фізичний об'єкт - лазерний імпульс у посилюючому середовищі - був вперше виявлений не 2000 року, а на 35 років раніше, 1965 року, і можливість надсвітлового руху широко обговорювалася до початку 70-х років. Сьогодні дискусія навколо цього дивного явищаспалахнула з новою силою.

Приклади "надсвітлового" руху.

На початку 60-х років короткі світлові імпульси великої потужності стали одержувати, пропускаючи через квантовий підсилювач (середовище з інверсною заселеністю) лазерний спалах.

У посилюючому середовищі початкова область світлового імпульсу викликає вимушене випромінювання атомів середовища підсилювача, а кінцева область - поглинання ними енергії. В результаті спостерігачеві здаватиметься, що імпульс рухається швидше за світло.

Експеримент Ліджуна Вонґа.

Промінь світла, що проходить крізь призму з прозорого матеріалу(наприклад, скла), заломлюється, тобто відчуває дисперсію.

Світловий імпульс є набір коливань різної частоти.

Напевно, всім – навіть людям, далеким від фізики, – відомо, що гранично можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів чи поширення будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається буквою зі становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з= 299792458 м/с. Швидкість світла у вакуумі – одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують з, Випливає зі спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів із надсвітловою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не трапилося, незважаючи на численні спроби спростувати заборону на існування великих, великих з. Однак у експериментальних дослідженняхостаннього часу виявилися деякі дуже цікаві явища, що свідчать про те, що за спеціально створених умов можна спостерігати надсвітлову швидкість і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла. Насамперед: чому не можна (при звичайних умовах) перевищити світлову межу? Тому що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу – закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не спостерігав, щоб, наприклад, спочатку замертве впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях, що перевищують з, Послідовність подій стає зворотною, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатись з наступного простого міркування.

Припустимо, що ми знаходимося на якомусь космічному диво-кораблі, що рухається швидше за світло. Тоді ми поступово наздоганяли б світло, випущене джерелом у дедалі більш ранні моменти часу. Спочатку ми наздогнали б фотони, випущені, скажімо, вчора, потім - випущені позавчора, потім - тиждень, місяць, рік тому і таке інше. Якби джерелом світла було дзеркало, що відображає життя, то ми спочатку побачили б події вчорашнього дня, потім позавчорашнього і таке інше. Ми могли б побачити, скажімо, старого, який поступово перетворюється на людину середніх років, потім на молоду, на юнака, на дитину... Тобто час повернув би назад, ми рухалися б із сьогодення в минуле. Причини і наслідки у своїй змінилися б місцями.

Хоча в цій міркуванні повністю ігноруються технічні деталіпроцесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух із надсвітловою швидкістю призводить до неможливої ​​у світі ситуації. Проте природа поставила ще жорсткіші умови: недосяжний рух як із надсвітловою швидкістю, а й зі швидкістю, рівної швидкості світла, - до неї можна лише наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса об'єкта, що рухається, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється плин часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "спочиваючого" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни мізерно малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутнішими, а в межі - при швидкості, що дорівнює з, - Маса стає нескінченно великий, об'єкт повністю втрачає розмір у напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Таку швидкість має тільки саме світло! (А також "всепроникаюча" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно скористатися уявленням світла як електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це якась інформація, яка підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля - це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести жодної інформації, бо кожен період такої синусоїди точно повторює попередній. Швидкість переміщення фази синусоїдальної хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі за певних умов перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, оскільки фазова швидкість перестав бути швидкістю сигналу - його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь відмітку на хвилі. Такою відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого параметра хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки відмітка зроблена, хвиля втрачає синусоїдальність. Вона стає модульованою, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами та початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки у модульованій хвилі і є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль як цілого (див. "Наука і життя" № 2, 2000). За звичайних умов групова швидкість, отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вираз "за звичайних умов", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати забо взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю більшою з.

Чому це так? Тому що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше зслужить той самий закон причинності. Уявімо таку ситуацію. У деякій точці А світловий спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає якийсь радіосигнал, а у віддаленій точці під дією цього радіосигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) – причина, а подія 2 (вибух) – наслідок, що настає пізніше причини. Але якби радіосигнал поширювався із надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - швидку, що дійшла до нього. зсвітловий спалах, причина вибуху. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 відбулася б раніше, ніж подія 1, тобто слідство випередило причину.

Доречно підкреслити, що "надсвітла заборона" теорії відносності накладається тільки на рух матеріальних тіл і передачу сигналів. У багатьох ситуаціях можливий рух із будь-якою швидкістю, але це буде рух не матеріальних об'єктів і не сигналів. Наприклад, уявимо дві лежачі в одній площині досить довгі лінійки, одна з яких розташована горизонтально, а інша перетинає її під малим кутом. Якщо першу лінійку рухати вниз (в напрямку, вказаному стрілкою) з великою швидкістю, точку перетину лінійок можна змусити бігти як завгодно швидко, але ця точка - не матеріальне тіло. Інший приклад: якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм у повітрі дугу, то лінійна швидкістьсвітлового зайчика збільшуватиметься з відстанню і на досить великому видаленні перевищить с.Світлова пляма переміститься між точками А і В з надсвітловою швидкістю, але це не буде передачею сигналу А в В, так як такий світловий зайчик не несе ніякої інформації про точку А.

Здавалося б, питання надсвітлових швидкостей вирішене. Але в 60-х роках ХХ століття фізиками-теоретиками була висунута гіпотеза існування надсвітлових частинок, названих тахіонами. Це дуже дивні частки: теоретично вони можливі, але, щоб уникнути протиріч із теорією відносності, їм довелося приписати уявну масу спокою. Фізично уявна маса немає, це суто математична абстракція. Однак це не викликало особливої ​​тривоги, оскільки тахіони не можуть перебувати у спокої - вони існують (якщо існують!) тільки при швидкостях, що перевищують швидкість світла у вакуумі, а в цьому випадку маса тахіону виявляється речовою. Тут є деяка аналогія з фотонами: у фотона маса спокою дорівнює нулю, але це просто означає, що фотон не може бути спокій - світло не можна зупинити.

Найбільш складним виявилося, як і слід очікувати, примирити тахіонну гіпотезу із законом причинності. Спроби, що робилися в цьому напрямку, хоч і були дотепними, не призвели до явного успіху. Експериментально зареєструвати тахіони також нікому не вдалося. У результаті інтерес до тахіонів як до надсвітлових елементарних частинок поступово зійшов нанівець.

Проте в 60-х роках було експериментально виявлено явище, що спочатку привело фізиків у замішання. Про це докладно розказано у статті А. Н. Ораєвського "Надсвітлові хвилі в посилювальних середовищах" (УФН № 12, 1998). Тут ми коротко наведемо суть справи, надсилаючи читача, який цікавиться подробицями, до цієї статті.

Незабаром після відкриття лазерів – на початку 60-х років – виникла проблема отримання коротких (тривалістю порядку 1 нс = 10 -9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через квантовий оптичний підсилювач. Імпульс розщеплювався світлоробним дзеркалом на дві частини. Одна з них, сильніша, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс через підсилювач. Обидва імпульси подавалися на фотоприймачі, які вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деякої затримки порівняно з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде меншою, ніж у повітрі. Яке ж було здивування дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж у повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі у кілька разів!

Оговтавшись від першого шоку, фізики стали шукати причину такого несподіваного результату. Ні в кого не виникло навіть найменшого сумніву в принципах спеціальної теорії відносності, і саме це допомогло знайти правильне пояснення: якщо принципи СТО зберігаються, відповідь слід шукати у властивостях посилюючого середовища.

Не вдаючись тут до деталей, зазначимо лише, що докладний аналізмеханізму дії посилюючого середовища повністю прояснив ситуацію. Справа полягала у зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленій зміною коефіцієнта посилення середовища аж до негативного значенняпри проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі світловому імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим у передній та ослабленим у задній його частині. Уявімо, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла серед підсилювача. Якби середовище було прозорим, ми бачили б застиглий у нерухомості імпульс. У середовищі ж, у якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього та ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що середовище як би посунуло імпульс уперед. Але якщо прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект був зареєстрований експериментаторами. І тут справді немає протиріччя з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, що вийшли раніше, виявляється більшою, ніж пізніше. З надсвітловою швидкістю переміщуються не фотони, а загальна імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

Таким чином, у той час як у звичайних середовищах завжди відбувається ослаблення світла та зменшення його швидкості, що визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, але й поширення імпульсу з надсвітловою швидкістю.

Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність надсвітлового руху при тунельному ефекті - одному з найбільш дивовижних явищв квантової механіки. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, різних умовахвиявляє як властивості частинки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичній механіці (в якій аналогом була б така ситуація: кинутий у стіну м'яч виявився б по інший бік стіни або хвилеподібний рух, наданий прив'язаної до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаної до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефектуу квантовій механіці полягає в наступному. Якщо мікрооб'єкт, що має певну енергію, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єкта, ця область є для нього бар'єром, висота якого визначається різницею енергій. Але мікрооб'єкт "просочується" через бар'єр! Таку можливість дає йому відоме співвідношення невизначеностей Гейзенберга, записане для енергії та часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єкта з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкта, навпаки, характеризуватиметься невизначеністю, і якщо ця невизначеність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єкта непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень низки фізиків, які вважають, що вона може перевищувати з.

У червні 1998 року у Кельні відбувся міжнародний симпозіум з проблем надсвітлових рухів, де обговорювалися результати, отримані у чотирьох лабораторіях - у Берклі, Відні, Кельні та Флоренції.

І, нарешті, у 2000 році з'явилися повідомлення про два нові експерименти, в яких проявилися ефекти надсвітлового поширення. Один із них виконав Ліджун Вонг із співробітниками в дослідному інституті в Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить до камери, наповненої парами цезію, збільшує свою швидкість у 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить із дальньої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить у камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не тільки здоровому глузду, але, по суті, і теорії відносності.

Повідомлення Л. Вонга викликало інтенсивне обговорення у колі фізиків, більшість яких не схильні бачити в отриманих результатах порушення принципів відносності. Завдання полягає в тому, чи вважають вони, щоб правильно пояснити цей експеримент.

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить до камери з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть бути в шістнадцяти можливих квантовомеханічних станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичного лазерного накачування майже всі атоми наводилися тільки в один із цих шістнадцяти станів, що відповідає майже абсолютному нулю температури за шкалою Кельвіна (-273,15 о C). Довжина цезієвої камери складала 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 см за 0,2 нс. Через камеру з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієве середовище має знак мінус! Справді, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасовий стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру у вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що імпульс, що виходить з камери, встиг піти від неї на 19 метрів, перш ніж імпульс, що приходить, досяг ближньої стінки камери. Як можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

Судячи з дискусії, що розгорнулася, точне пояснення ще не знайдено, але безсумнівно, що тут грають роль незвичайні дисперсійні властивості середовища: пари цезію, що складаються з збуджених лазерним світлом атомів, є середовище з аномальною дисперсією. Нагадаємо коротко, що це таке.

Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення nвід довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується із зменшенням довжини хвилі, і це має місце у склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах, що сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутішим: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість Vф > з). Це і є аномальна дисперсія, коли картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більше фазової швидкості хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг свідчить про цю обставину як у причину, лежачу основу можливості пояснення результатів його експерименту. Слід, однак, зауважити, що умова Vгр > зє суто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже змінює своєї форми. У областях аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття груповий швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу та швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується – він точно зберігає свою форму! І це відповідає припущенню поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі немає поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища зумовлена ​​саме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що багато що залишається незрозумілим, вважає, що у його експериментальної установці можна у першому наближенні наочно пояснити так.

Світловий імпульс складається з безлічі складових із різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показано три з цих складових (хвилі 1-3). У певній точці всі три хвилі знаходяться у фазі (їх максимуми збігаються); тут вони, складаючись, посилюють один одного і утворюють імпульс. У міру подальшого поширення у просторі хвилі розфазуються і тим самим "гасять" один одного.

В області аномальної дисперсії (всередині цезієвої комірки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшою. І навпаки, хвиля, що була найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою.

Отже, відповідно змінюються і фази хвиль. Коли хвилі пройшли через цезієвий осередок, їх хвильові фронти відновлюються. Зазнавши незвичайну фазову модуляцію в речовині з аномальною дисперсією, три хвилі, що розглядаються, знову опиняються у фазі в деякій точці. Тут вони знову складаються і утворюють імпульс такої ж форми, як і входить в цезієве середовище.

Зазвичай у повітрі і фактично у будь-якому прозорому середовищі з нормальною дисперсієюсвітловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалену відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазовані в будь-якій віддаленій точці вздовж шляху розповсюдження. І в звичайних умовах світловий імпульс у такій віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаного в експерименті середовища імпульс у віддаленій точці виявився сфазований так само, як і при вході до цього середовища. Таким чином, світловий імпульс веде себе так, ніби він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше ніж пройшов середу!

Більшість фізиків схильна пов'язувати цей результат із виникненням низькоінтенсивного провісника в диспергуючому середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові скільки завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення та форма провісника залежить від закону дисперсії серед. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати так. Приходить хвиля, "простираючи" передвісник перед собою, наближається до камери. Перш ніж пік хвилі потрапить на ближню стінку камери, провісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до дальньої стінки і відбивається від неї, утворюючи "зворотну хвилю". Ця хвиля, поширюючись у 300 разів швидше з, досягає ближньої стінки і зустрічається з хвилею, що приходить. Піки однієї хвилі зустрічаються з западинами іншої, тому вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що хвиля, що приходить, "повертає борг" атомам цезію, які "позичали" їй енергію на іншому кінці камери. Той, хто спостерігав би тільки початок і кінець експерименту, побачив би лише імпульс світла, що "стрибнув" уперед у часі, рухаючись швидше с.

Л. Вонг вважає, що його експеримент не узгоджується з теорією відносності. Твердження про недосяжність надсвітлової швидкості, вважає він, застосовується тільки до об'єктів, що мають масу спокою. Світло може бути представлене або у вигляді хвиль, до яких взагалі не застосовується поняття маси, або у вигляді фотонів з масою спокою, як відомо, що дорівнює нулю. Тому швидкість світла у вакуумі, вважає Вонг, не межа. Тим не менш, Вонг визнає, що виявлений ним ефект не дає можливості передавати інформацію зі швидкістю більше. з.

"Інформація тут вже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілоні, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може створитися враження про надсвітлову посилку інформації, навіть коли ви її не посилаєте".

Більшість фізиків вважають, що Нова роботане завдає нищівного удару за фундаментальними принципами. Але не всі фізики вважають, що проблему вирішено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, яка здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаї, Анедіо Ранфагні та Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону у звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує зна 25%.

Резюмуючи, можна сказати таке. Роботи останніх роківпоказують, що за певних умов надсвітлова швидкість може мати місце. Але що саме рухається із надсвітловою швидкістю? Теорія відносності, як згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл й у сигналів, несуть інформацію. Проте деякі дослідники дуже наполегливо намагаються продемонструвати подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього полягає в тому, що в спеціальній теорії відносності немає суворого математичного обґрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше з. Така неможливість у СТО встановлюється, можна сказати, суто арифметично, виходячи з ейнштейнівської формули складання швидкостей, але фундаментально це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітлову передачу сигналів, писав, що в цьому випадку "...ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягнута дія передує причині. Але, хоча цей результат з суто логічної точки зору і не містить собі, на мою думку, ніяких протиріч, він все ж настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > зпредставляється в достатній мірі доведеною". Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який лежить в основі неможливості надсвітлової передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, спотикатимуться всі без винятку пошуки надсвітлових сигналів, як би експериментаторам не хотілося виявити такі сигнали. Бо така природа нашого світу.

На закінчення слід підкреслити, що все вищевикладене стосується саме нашого світу, нашого Всесвіту. Таке застереження зроблено тому, що в Останнім часомв астрофізиці та космології з'являються нові гіпотези, що допускають існування безлічі прихованих від нас Всесвітів, з'єднаних топологічними тунелями-перемичками. Такий погляд дотримується, наприклад, відомий астрофізик М. З. Кардашев. Для зовнішнього спостерігача входи в ці тунелі позначаються аномальними полями тяжіння, подібно до чорних дірок. Переміщення в таких тунелях, як припускають автори гіпотез, дозволять обійти обмеження швидкості руху, що накладається у звичайному просторі швидкістю світла, і, отже, реалізувати ідею про створення машини часу... Не виключено, що в подібних Всесвітах справді можуть відбуватися незвичайні для нас речі. І хоча поки що такі гіпотези надто вже нагадують сюжети з наукової фантастики, навряд чи слід категорично відкидати принципову можливість багатоелементної моделі устрою матеріального світу. Інша річ, що всі ці інші Всесвіти, швидше за все, залишаться чисто математичними побудовамифізиків-теоретиків, які живуть у нашому Всесвіті і силою своєї думки намагаються намацати закриті для нас світи...

Див. у номері на ту саму тему

Світло - одне з ключових понять оптичної фізики. Світло є електромагнітним випромінюванням, доступним людському оку.

Довгі десятиліття найкращі уми билися над проблемою визначення, з якою швидкістю рухається світло і чому вона дорівнює, а також усіх супутніх розрахунків. У 1676 у колі фізиків відбулася революція. Данський астроном, на ім'я Оле Ремер, спростував твердження, що світло поширюється всесвітом з необмеженою швидкістю.

В 1676 Оле Ремер визначив, що швидкість світла у вакуумі становить 299792458 м/с.

Для зручності цю цифру почали округлювати. Номіналом, що дорівнює 300000 м/c, користуються досі.

Це правило в звичайних для нас умовах стосується всіх об'єктів без винятку, у тому числі рентгенівських променів, світлових і гравітаційних хвиль відчутного для наших очей спектру.

Сучасні фізики, що вивчають оптику, довели, що значення швидкості світла має декілька характеристик:

• сталість;
• недосяжність;
• кінцівка.

Швидкість світла у різних середовищах

Слід пам'ятати, що фізична константа безпосередньо залежить від навколишнього середовища, особливо від показника заломлення. У зв'язку з цим точна величина здатна змінюватись, адже вона обумовлена ​​частотами.

Формула обчислення швидкості світла записується як з = 3 * 10^8 м/с.

Вас зацікавить

Швидкість світла у воді відрізняється з тим самим показником у вакуумі. Щоб дізнатися її величину, необхідно число 299792458 поділити на 1.33. У результаті вийде цифра 225407 км/с- Це і є швидкість поширення світла у воді.

Швидкість поширення світла у повітрі в км становить 1079252 848,8 (або 299700 км/сек). Для її знаходження необхідно швидкість світла у вакуумі поділити на коефіцієнт заломлення повітря. Відповідь може бути виведена як у кілометрах на годину, так і метрах за секунду.

Швидкість світла – максимально можлива величина?

Багато школярів та студентів задаються питанням: яка швидкість більша за швидкість світла? Чи є така взагалі? Відповідь однозначна: ні!

Швидкість поширення світла у вакуумі вважається недосяжною величиною. Вчені не дійшли єдиної думки, що може відбуватися з атомами, досягають цієї межі.

Крім іншого, дослідники виявили, що частка, що має масу, може наблизитися до швидкості світлового променя. Але вона не може наздогнати її і, тим більше, перевищити. Максимальна швидкість світла поки що залишається незмінною.

Найбільш наближений числовий показник було досягнуто для дослідження космічних променів. Їх розганяли у спеціально обладнаних прискорювачах частинок, беручи до уваги довжину хвилі.

Чому ж ця цифра така важлива? Справа в тому, що вакуум огортає все космічний простір. Знаючи, як світло поводиться у вакуумі, ми можемо уявити, яка гранична швидкість пересування у нашому Всесвіті.

Чому неможливо рухатися швидше за світло?

Тож через що константа СРС не може бути подолана у звичайних умовах? Виходячи з теорії можна сміливо стверджувати, що в ситуації перевищення буде порушено фундаментальний закон побудови світу, якщо говорити конкретно — закон причинності. Відповідно до цього закону, слідство не може випередити свою причину.

Розглянемо цей парадокс на конкретному прикладі: не може статися так, що олень спочатку впаде мертво, а вже після відбудеться постріл мисливця, який застрелив його. Так ось і при підвищенні СРС дії, що розгортаються, повинні починатися в зворотній послідовності. У результаті час має піти назад, а це суперечить усім усталеним законам фізики.

Ейнштейн та вакуум: кінцеві результати розрахунку

В даний час більшість людей на планеті знають, що максимально допустимою величиною пересування матеріальних об'єктів та різних сигналів є швидкість світла у вакуумі. А хто першим додумався до цього?

Думка про неможливість перевищити значення швидкості світла висловив великий фізик Альберт Ейнштейн. Він оформив свої спостереження та назвав їх теорією відносності.

Найбільша теорія Ейнштейна досі непорушна. Вона залишиться такою до того моменту, поки не будуть пред'явлені реальні доказитого, що передати сигнал можливо на швидкості, що перевищує СРС у вакуумі. Цей момент може ніколи не настати.

Проте вже було проведено кілька досліджень, що передвіщають розлад з деякими пунктами найвідомішої теорії Ейнштейна. Вимірювання надсвітлових швидкостей вже можливе за заданих умов. Примітно, що теорія відносності не порушується повністю.

Так до речі. Швидкість світла у вакуумі та швидкість світла в іншому середовищі можуть відрізнятися кардинально. Наприклад, в Америці (на жаль не пам'ятаю в якій лабораторії) змогли уповільнити світло практично до повної його зупинки.

А ось більше ніж 1/299792458 секунд світло швидкість розвинути не може, т.к. світло це звичайна електромагнітна хвиля (така ж як рентген або тепло і радіохвилі), відрізняється тільки довжина хвилі, частота, то в сучасному поданніце хвиля в розшарованому просторі-часі, і при квантуванні цієї хвилі ми отримуємо фотон (квант світла). Це безмасова частка, відповідно для фотона немає часу. Це означає, для фотона, який народився мільярди років тому (щодо сьогоднішнього спостерігача) взагалі не минуло жодного часу. За формулою Е = МС2 (маса еквівалентна енергії) швидкість світла можна розглянути як постулат, виходить що якщо розігнати частинку з ненульовою масою (наприклад Електрон) до швидкості світла, то в неї треба вкачати нескінченну кількість енергії, що фізично неможливо. з цього випливає, що швидкість безмасового фатону 1/299792458 секунди (швидкість світла) це максимальна швидкість нашого видимого всесвіту.

Швидкість світла за визначеннямдорівнює 299792458 м/с.

Сучасна тенденція – визначення еталонів фізичних одиниць на основі фундаментальних фізичних констант та високостабільних природних процесів. Саме тому основна фізична величина - час (визначається через частоту), тому що технічно максимальна стабільність (отже, і точність) досягається саме в еталоні частоти. Тому й інші одиниці виміру намагаються призвести до частоти та фундументальних постійних. І тому ж метр, як одиницю діни, визначили через частоту як найбільш точно фіксовану величину і фундаментальну постійну - швидкість світла.

Дрібне зауваження: визначення метра та еталон метра – це різні речі. Визначенняметра – це відстань, яка світло проходить за 1/299792458 секунди. А еталонметра - це деякий технічний пристрій, конструкція якого може бути заснована і на інших речах.

Для більш простого розуміння швидкість світла можна вважати 300 000 км в секунду. Для порівняння: Довжина екватора землі 40 000 км, тобто за секунду світло може облетіти навколо землі, навіть по лінії екватора, понад 7 разів. Це дуже велика швидкість. Люди досягли максимальної швидкості швидкості всього в 2-3 рази, що перевищує швидкість звуку, тобто близько 3 - 4 тисячі кілометрів на годину, або близько 1 км в секунду. Ось що таке швидкість світла, порівняно з існуючими технологіями людства.

Найточніша швидкість світла у вакуумі дорівнює 299 792 458 м/c або 1 079 252 848,8 кілометрів на годину. На основі еталонного метра було проведено у 1975 році.

По вікіпедії швидкість світла-це

299792458 м/c - це швидкість світла у вакуумі. Для зручності у вирішенні задач використовують цифру 300 000 000 м/c. Швидкість світла у вакуумі визначається за формулою:

Якщо ж говорити про швидкість світла в будь-якому середовищі, то

Швидкість світла у повітрі майже дорівнює швидкості світла у вакуумі.



А ось уже у воді вона приблизно на 25% менша, ніж у повітрі.

Зараз, у наш час, маючи під рукою комп'ютер та інтернет, не проблема дізнатися яка швидкість світла, тому що це відкрита інформаціяі це значення такі:

299 792 458 метрів за секунду.

Дізнавшись такі дані, очевидно можна бути трохи шокованим, адже справді це величезна швидкість, якої поки що немає рівних, та й навряд чи вдасться її перевершити.

Ось тут ще цікава табличка та цікавими даними:





У 1975 році було зроблено найбільше відкриття, А саме виміряна швидкість світла, яка становить:



Для наочного розуміння пропоную поглянути на малюнок.



Сонячному світлу потрібно близько 8 хвилин 19 секунд, щоб досягти Землі.

У нижче представленому відео-ролику постаралися таку величину, як швидкість світла пояснити більш доступною мовою, щоб уявити наскільки це швидко людському розумінніі недосяжно для відтворення.

На даний момент вважається, що швидкість світла дорівнює 299792458 метрів в секунду.

Але якщо ця величина не потрібна вам з науковою точністю, наприклад у шкільних завданнях, прийнято округляти цю величину до 300 000 000 метрів за секунду, або 300 000 кілометрів за секунду, як кажуть частіше.

Якщо раніше поняття "швидкість світла" означало щось позамежне, то зараз уже будують гіперзвукові винищувачі, які мають надійти на озброєння до 2030 року.

Швидкість світла дорівнює 299 792 458 метрів на секунду або якщо перевести 1 079 252 848,8 км на годину, яку вперше визначив у 1676 датчанин О. К. Рмер.

• • Чому дорівнює швидкість світла у вакуумі?

  Вважається що швидкість світла дорівнює(Найточніший вимір) 299792458 м/с = 299 792, 458 км/с. Вважається за одну одиницю планків. Часто ці цифри округляють (наприклад, у шкільних завданнях з фізики) 300 000 000 м/с = 300 000 км/с.

  Дуже цікава стаття(точніше, глава з підручника з фізики за 9-й клас), яка розповідає про те, як датський О. Рмер у 1676 році вперше виміряв зразкову швидкість світла. І ось ще одна стаття.

  • Чому дорівнює швидкість поширення світла в різних прозорих середовищах?

  Швидкість світла в різних прозорих середовищах завжди менша, ніж швидкість світла у вакуумі, тому що щоб отримати швидкість світла в будь-якому прозорому середовищі, ми ділимо швидкість світла у вакуумі на коефіцієнт заломлення даного середовища. Коефіцієнт заломлення вакууму дорівнює одиниці.

  Щоб отримати v (швидкість світла у конкретному середовищі), потрібно розділити c (швидкість світла у вакуумі) на n. Тому поширення світла у будь-якому прозорому середовищі визначається за формулою:

  • Чому дорівнює швидкість світла у повітрі?

  Швидкість поширення світла у повітрі дорівнює, ми вже розібралися, швидкості світла у вакуумі, яку розділили на коефіцієнт (показник) заломлення повітря, Який позначається як n. А вже цей коефіцієнт залежить і від довжини хвилі, і від тиску, і від температури. Тобто при різних n швидкість світла в повітрі буде різною, але безперечно менше швидкості світла у вакуумі.

  • Чому дорівнює швидкість світла у склі?

  Та сама формула, як Ви зрозуміли, а n буде дорівнює від 1,47 до 2,04. Якщо не уточнюється коефіцієнт заломлення скла, як варіант взяти середнє значення (n = 1,75).

  • Чому дорівнює скоротити світла у воді?

  У води коефіцієнт заломлення(n) дорівнює 1,33. Тоді:

  v = c: n = 299 792 458 м/с: 1,33 225 407 863 м/с – швидкість світла у воді.

  До всього вищесказаного хотілося б додати, що якщо Ви хочете наочно зрозуміти, що ж таке швидкість світла, то можна відзначити, що світло від Місяця до Землі проходить відстань за 1,255 с, а сонячне світлопроходить відстань 150 млн км (!) за 8 хв 19 сек.

  Зі швидкістю світла поширюється як світло, а й інші види електромагнітного випромінювання(радіохвилі (від наддовгих), інфрачервоне, ультрафіолетове, терагерцове та рентгенівське випромінювання, також - гамма-випромінювання).

  

Фундаментальна фізична стала - швидкість світла в порожнечі дорівнює 299 792 458 м/с, цей вимір швидкості світла було зроблено в 1975 році. У школі зазвичай цю величину пишуть як 300 000 000 м/с і використовують із розв'язання завдань.

Ще в античні часи намагалися з'ясувати цю величину, але багато вчених вважали, що швидкість світла величина стала. І тільки в 1676 датський астроном Олаф Ремер перший виміряв швидкість світла і за його розрахунками вона дорівнювала 220 тисяч кілометрів на секунду.

Швидкість світла дорівнює нулю!

Ну, почнемо з того, що світло у всіх своїх спектрах невидиме.

Ми не бачимо світло!

Ми бачимо лише предмети, здатні відобразити це світло.

Приклад: Ми дивимося на зірку саме в темному небі (що важливо) і, якщо раптом між нашим оком і напрямком на зірку з'явитися, наприклад, хмарка, вона відобразить це невидиме світло.

Це перше.

Світло є хвиля, що стоїть.

Світло нікуди не летить. Світло несе предмет, що світиться, що відображає це світло, наприклад факельщик з факелом, а ми його бачимо, як відображення від факела, на якому і відбуваються реакції.

Смолоскип не джерело світла!

Смолоскип тільки відбиває світло, яке з'явилося на поверхні факела через хімічної реакції.

Так само і з ниткою розжарювання.

Беремо ліхтарик і знімаємо з нього відбивач і в темній кімнатіодна лише лампочка освітить рівномірно (що важливо), лише досить невеликий простір. І скільки б часу ми не витратили на очікування, то все одно світло нікуди більше не долетить. Світло стоятиме на одному місці вічно, або поки нитка розжарювання, нагріваючись, буде здатна відбивати світло (світитися)! Але, якщо ми поставимо відбивач, то побачимо, що світло локалізувалося в пучок і змогло без усякого збільшення потужності світіння проникнути далі, якщо ми, без усякого збільшення потужності, змінимо фокус, то світло проникне ще далі, але локалізується ще більше в обмеженому промені.

Але, навіть при великому віддаленні і навіть осторонь напрямку променя, ми, перебуваючи в повній темряві, все одно будемо бачити світлову пляму. Ми заплющуємо очі і нічого не бачимо, відкриваємо і відразу бачимо світлу пляму від ліхтарика на темному тлі.

Про яку швидкість світла може йтися?

У світла немає швидкості. Світло є хвиля, що стоїть. У стоячої світлової хвилі є здатність при незмінному своєму об'ємі, обумовленому потужністю хімічної реакції, змінювати свою конфігурацію і стояча хвиля здатна бути видимою лише при освітленні предметів, які і відображають стоячу хвилю, а ми бачимо її, як світла пляма на темному тлі і не більше.

Оскільки Ви не уточнили, в яких середовищах Вас цікавить швидкість світла, доведеться давати розгорнуту відповідь. Про швидкість світла у вакуумі точно розповів Anasteisha Ana. Але швидкість світла в різних середовищах не постійна і обов'язково менша ніж у вакуумі. Більше того, в одному і тому ж середовищі швидкість світла різної довжинихвилі різна. І ця властивість світла дуже широко використовується, точніше сказати, враховується в оптиці. В оптиці запроваджено поняття показника заломлення оптичного середовища. Цей параметр показує у скільки разів швидкість світла деякої довжини хвилі в цьому середовищі менше швидкості світла у вакуумі. Так, наприклад, в оптичному склі ЛК8 швидкість поширення червоного світла з довжиною хвилі 706,52 нанометра в 1,46751 рази менше, ніж у вакуумі. Тобто. швидкість червоного світла у склі ЛК8 дорівнює, приблизно, 299792458/1,46751 = 204286484 м/с., а швидкість синього світла з довжиною хвилі 479,99 нанометра дорівнює 203113916 м/с. Є оптичні середовища, у яких швидкість світла значно менше. У кристалах лазерів для деяких довжин хвиль показник заломлення близький до 2,8. Таким чином, швидкість світла в цих кристалах чи не втричі менша за швидкість світла у вакуумі.