Просто о сложном: почему скорость света максимальна?
Мы частенько говорим о том, что скорость света максимальна в нашей Вселенной, и что нет ничего, что могло бы двигаться быстрее скорости света в вакууме. И уж тем более — мы. Приближаясь к околосветовой скорости, объект приобретает массу и энергию, которая либо его разрушает, либо противоречит общей теории относительности Эйнштейна. Допустим, мы поверим в это и будем искать обходные пути (вроде создания варп-двигателя или будем разбираться в парадоксах квантовой механики), чтобы лететь к ближайшей звезде не 75 000 лет, а пару недель. Но поскольку мало кто из нас обладает высшим физическим образованием, непонятно: почему на улицах говорят, что скорость света максимальна, постоянна и равна 300 000 км/с?
Есть много простых и интуитивных объяснений, почему все так, но их можно начинать ненавидеть. Поиск в Интернете выведет вас на понятие «релятивистской массы» и на то, что она требует больше сил для ускорения объекта, который и так движется с высокой скоростью. Это привычный способ интерпретации математического аппарата специальной теории относительности, но он вводит многих в заблуждение, и особенно вас, наши дорогие читатели. Поскольку многие из вас (да и нас тоже) пробуют высокую физику на вкус, словно погружая один палец в ее соленую воду, прежде чем войти искупаться. В результате, Вселенная становится куда более сложной и менее красивой, чем является на самом деле.
Давайте обсудим этот вопрос с точки зрения геометрической интерпретации, которая согласуется с общей теорией относительности. Она менее очевидна, но немногим сложнее, чем рисование стрелочек на бумаге, поэтому многие из вас с полуслова поймут теорию, которая скрывается за абстракциями вроде «силы» и откровенного вранья вроде «релятивистской массы».
Во-первых, давайте определим, что такое направление, чтобы четко обозначить свое место. «Вниз» — это направление. Оно определяется как направление, в котором падают вещи, когда вы их отпускаете. «Вверх» — это направление, противоположное направлению «вниз». Возьмите в руки компас и определите дополнительные направления: север, юг, запад и восток. Все эти направления определяются серьезными дядями как «ортонормированный (или ортогональный) базис», но об этом сейчас лучше не думать. Давайте предположим, что эти шесть направлений являются абсолютными, поскольку они будут существовать там, где мы будем разбирать наш сложный вопрос.
А теперь давайте добавим еще два направления: в будущее и в прошлое. Вы не можете с легкостью двигаться в этих направлениях по собственному желанию, но представить их для вас должно быть достаточно просто. Будущее — это направление, где наступает завтра; прошлое — направление, где находится вчера.
Эти восемь основных направлений — вверх, вниз, север, юг, запад, восток, прошлое и будущее — описывают фундаментальную геометрию Вселенной. Каждую пару этих направлений мы можем назвать «измерением», поэтому мы живем в четырехмерной Вселенной. Другой термин для определения этого четырехмерного понимания будет «пространство-время», но мы постараемся избежать использования этого термина. Просто запомните, что в нашем контексте «пространство-время» будет равнозначно понятию «Вселенная».
Пожалуйте на сцену. Давайте посмотрим на актеров.
Сидя сейчас перед компьютером, вы находитесь в движении. Вы его не чувствуете. Вам кажется, что вы в состоянии покоя. Но это только потому, что все вокруг относительно вас тоже движется. Нет, не подумайте, что мы говорим о том, что Земля кружится вокруг Солнца или Солнце движется по галактике и тянет нас за собой. Это, конечно, так, но мы сейчас не об этом. Под движением мы имеем в виду движение в направлении «будущее».
Представьте, что вы находитесь в вагоне поезда с закрытыми окнами. Вы не можете видеть улицу и, допустим, рельсы настолько безупречны, что вы не чувствуете, едет поезд или нет. Поэтому, просто сидя внутри поезда, вы не можете утверждать, едете вы или нет на самом деле. Выгляните на улицу — и поймете, что пейзаж проносится мимо. Но окна закрыты.
Есть только один способ узнать, двигаетесь вы или нет. Просто сидеть и ждать. Если поезд будет стоять на станции, ничего не произойдет. Но если поезд движется, рано или поздно вы приедете на новую станцию.
В этой метафоре вагон представляет собой все, что мы можем увидеть в окружающем нас мире — дом, кота Ваську, звезды на небе и т.п. «Следующая станция — Завтра».
Если вы будете сидеть неподвижно, а кот Васька безмятежно спать свои положенные в сутки часы, вы не почувствуете движения. Но завтра обязательно придет.
Вот что значит двигаться в направлении будущего. Только время покажет, что правда: движение или стоянка.
Пока вам должно было довольно просто все это представлять. Возможно, сложно думать о времени как о направлении и уж тем более о себе — как о проходящем сквозь время объекте. Но вы поймете. Теперь включите воображение.
Представьте, что когда вы едете в своем автомобиле, случается что-то страшное: отказывают тормоза. По странному совпадению в тот же момент заклинивает газ и коробку передач. Вы не можете ни ускориться, ни остановиться. Единственное, что у вас есть — рулевое колесо. Вы можете изменить направление движения, но не его скорость.
Конечно, первое, что вы сделаете, это попытаетесь въехать в мягкий куст и как-нибудь аккуратно остановить автомобиль. Но давайте пока не будем пользоваться таким приемом. Просто сосредоточимся на особенностях вашего неисправного автомобиля: вы можете изменить направление, но не скорость.
Вот так мы движемся сквозь Вселенную. У вас есть руль, но нет педали. Сидя и читая эту статью, вы катитесь в светлое будущее на максимальной скорости. И когда вы встаете, чтобы сделать себе чайку, вы изменяете направление движения в пространстве-времени, но не его скорость. Если вы будете очень быстро двигаться по пространству, время будет течь немного медленнее.
Это легко представить, нарисовав пару осей на бумаге. Ось, которая будет идти вверх и вниз — это ось времени, вверх — значит в будущее. Горизонтальная ось представляет пространство. Мы можем нарисовать только одно измерение пространства, поскольку лист бумаги двухмерен, но давайте просто представим, что это понятие относится ко всем трем измерениям пространства.
Нарисуйте стрелку с начала оси координат, где они сходятся, и направьте ее вверх вдоль вертикальной оси. Неважно, насколько длинной она будет, просто имейте в виду, что у нее будет только одна длина. Эта стрелка, которая сейчас направлена в будущее, представляет собой величину, которую физики называют «четыре-скоростью». Это скорость вашего передвижения по пространству-времени. Прямо сейчас вы находитесь в неподвижном состоянии, поэтому стрелка направлена только в будущее.
Если вы хотите двигаться сквозь пространство — направо по оси координат — вам нужно изменить вашу четыре-скорость и включить горизонтальный компонент. Получается, вам нужно повернуть стрелку. Но как только вы это сделаете, вы заметите, что стрелка уже не так уверенно указывает наверх, в будущее, как до этого. Теперь вы движетесь сквозь пространство, но вам пришлось пожертвовать движением в будущем, поскольку стрелка четыре-скорости может только вращаться, но никогда не растягиваться или сжиматься.
Отсюда начинается знаменитый эффект «замедления времени», о котором говорят все, хоть немного посвященные в специальную теорию относительности. Если вы движетесь в пространстве, вы не движетесь во времени так быстро, как могли бы, если бы сидели на месте. Ваши часы будут отсчитывать время медленнее, нежели часы человека, который не движется.
А теперь мы подходим к разрешению вопроса, почему фраза «быстрее света» не имеет смысла в нашей вселенной. Смотрите, что происходит, если вы хотите двигаться по пространству как можно быстрее. Вы поворачиваете стрелку четыре-скорости до упора, пока она не будет указывать вдоль горизонтальной оси. Мы помним, что стрелка не может растягиваться. Она может только вращаться. Итак, вы увеличили скорость в пространстве насколько это возможно. Но стало невозможным двигаться еще быстрее. Стрелку некуда повернуть, иначе она станет «прямее прямого» или «горизонтальнее горизонтального». Вот к этому понятию и приравнивайте «быстрее света». Это просто невозможно, как накормить тремя рыбками и семью хлебами огромный народ.
Вот почему в нашей вселенной ничто не может двигаться быстрее света. Потому что фраза «быстрее света» в нашей вселенной эквивалентна фразе «прямее прямого» или «горизонтальнее горизонтального».
Да, у вас осталось несколько вопросов. Почему векторы четыре-скорости могут лишь вращаться, но не растягиваться? На этот вопрос есть ответ, но он связан с инвариантностью скорости света, и мы оставим его на потом. И если вы просто поверите в это, то будете чуть менее информированы по этому вопросу, чем самые блестящие физики, когда-либо существовавшие на нашей планете.
Скептики могут усомниться, почему мы используем упрощенную модель геометрии пространства, говоря об эвклидовых вращениях и кругах. В реальном мире геометрия пространства-времени подчиняется геометрии Минковского, а повороты являются гиперболическими. Но простой вариант объяснения имеет право на жизнь.
Скорость света – как измерить, чему равна в вакууме, воздухе, воде
Ничто во Вселенной не может быть быстрее скорости света. Узнайте в этой статье, что представляет собой эта особая величина и как на самом деле можно измерить скорость света.
Скорость света c – это одна из самых важных фундаментальных констант в физике. Значение скорости света – 299 792 458 м / (с точностью до ±1,2 м/с) [1] (что примерно равно 300 000 километров в секунду). Это означает, что за одну секунду свет преодолевает расстояние в 300 000 километров. Например, если вы стоите на Луне и светите сильным источником света в сторону Земли, свет проходит 1,25 секунды, прежде чем его можно будет увидеть здесь.
На самом деле, это значение скорости является точным, поскольку, по международному соглашению, определение метра гласит, что один метр – это длина, которую свет проходит в вакууме за 1 / 299792458 секунд.
Заметим, однако, что это действительно только скорость света в вакууме. Если свет проходит через среду, даже если это всего лишь воздух, эта скорость уменьшается.
Помните! Скорость света c точно определена как 299 792 458 метров в секунду. Ничто не движется быстрее света.
Насколько велика скорость света?
Трудно представить, насколько велика скорость света. Лучше всего представить себе это в сравнении со скоростями, которые вам более знакомы. В следующей таблице рассмотрим, как быстро движутся другие вещи в нашей повседневной жизни по сравнению со скоростью света.
| Объект | Скорость в м/с (с округлением) |
| Человек | 1,5 |
| Гоночный автомобиль | 100 |
| Звуковые волны | 343 |
| Сверхзвуковой самолет | 400 |
| Скорость света | 300 000 000 |
Однако это скорость света в вакууме (например, в космическом пространстве). Если свет движется в среде, такой как воздух, его скорость иногда значительно уменьшается.
Скорость света – это максимальная скорость всей материи и информации. На обычных путях ничто не движется быстрее, чем скорость света в вакууме c. Это означает, что не только свет, но и все остальное подчиняется этому ограничению скорости. К ним относятся, например, электромагнитное излучение и гравитационные волны. Такие волны и частицы движутся со скоростью света, независимо от скорости и направления их источника. Это относится и к движущемуся объекту. Например, если поезд едет с включенными фарами, свет все равно будет двигаться со скоростью света, независимо от того, насколько быстро движется поезд. Частицы и материя, чья масса не равна нулю, могут приближаться к скорости света, но никогда не достигают ее.
Скорость света в различных средах
В прозрачных средах, таких как воздух или стекло, свет распространяется медленнее, чем скорость света в вакууме. То же самое относится и к электромагнитным волнам в проводниках. Они также движутся медленнее скорости света. Это отношение скорости света c к скорости в среде v называется показателем преломления n= c / v.
Скорость света в воздухе.
В воздухе этот показатель преломления для видимого света составляет 1,0003. Поэтому в воздухе свет проходит на около 90 километров в секунду медленнее, чем в вакууме, то есть c / 1,0003 ≈ 299910 км / с .
Скорость света в воде.
В воде коэффициент преломления составляет около 1,3 , поэтому скорость света снижается до 230 769 километров в секунду, то есть c / 1,3 ≈ 230 769 км / с .
Скорость света в стекле.
В стекле коэффициент преломления равен 1,5. Если вы рассчитаете это, как и раньше, то получите скорость около 200 000 километров в секунду, то есть c / 1,5 ≈ 200 000 км / с .
Измерение скорости света
Когда вы включаете дома свет, кажется, что свет сразу же заполняет комнату. Но если смотреть на него на очень больших расстояниях и с помощью более совершенных измерительных приборов, чем ваш невооруженный глаз, конечная скорость света становится очевидной.
Существует множество подобных экспериментов. Однако в одном интересном варианте в качестве мишени используется наша Луна.
Представьте, что вы поместили зеркало на поверхность Луны. Теперь вы используете лазер, чтобы направить свет с Земли на это зеркало, и ждете, сколько времени пройдет, пока вы увидите отраженный свет. Только примерно через 2,5 секунды вы увидите вспышку зеркала.
Так с какой скоростью v движется свет вашего лазера?
Вы можете рассчитать её. Луна находится на расстоянии 384 400 километров от Земли. Ваш лазерный свет должен преодолеть это расстояние дважды. Один раз, чтобы добраться от вашего местонахождения до Луны, а затем еще раз, чтобы вернуться от Луны обратно к вам. Лазеру требуется 2,5 секунды, чтобы преодолеть это расстояние.
v = расстояние / время = 2 * 384 400 км / 2,5 с = 307 520 км / с .
Это не совсем соответствует реальному значению около 300 000 километров в секунду, но очень близко. С помощью более точных измерительных приборов можно более точно определить скорость света.
Кстати, свету требуется еще больше времени, чтобы пройти путь от Солнца до Земли. Свету, излучаемому Солнцем, требуется в среднем 8 минут и 17 секунд, чтобы достичь нас на Земле.
Солнечному свету требуется в среднем 8 минут 17 секунд, чтобы достигнуть Земли [1]
Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Была не только выяснена природа света, но и установлено, что никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это стало ясно после создания теории относительности.
[2]
Единицы измерения
Теперь вы увидели, что скорость указывается в метрах в секунду, а также в километрах в секунду или километрах в час. С помощью простых вычислений вы можете самостоятельно перевести значения в соответствующие единицы измерения.
Чтобы было легче вычислить, мы округлим и скажем, что скорость света составляет 300 000 000 метров в секунду (300 000 000 м/с).
Скорость света в км / с .
Пересчет в километры в секунду относительно прост. В одном километре 1000 метров. Вы знаете, что свет распространяется со скоростью 300 000 000 метров в секунду, тогда 300 000 000 м / 1000 = 300 000 км.
Это означает, что за одну секунду ваш свет распространяется на 300 000 километров.
Скорость света в км / ч .
Теперь вы знаете, какое расстояние проходит свет за одну секунду. Теперь вам просто нужно экстраполировать это на часы. В часе 60 минут. В одной минуте 60 секунд, тогда 60 * 60 с = 3600 с. Таким образом, в одном часе 3600 секунд.
В итоге получаем: ( 300 000 км * 3600 ) / ( 1 c * 3600 ) = 1 080 000 000 км / 3600 с = 1 080 000 000 км / ч.
Поэтому свет распространяется в вакууме со скоростью примерно 1 080 000 000 000 км/ч (километров в час).
Скорость света в электродинамике
Классическая физика описывает свет как тип электромагнитной волны. Кроме того, уравнения Максвелла описывают классическое поведение электромагнитных волн.
Законы Максвелла предскажут волны в пустоте со скоростью: c = 1 / ε0 * μ0 , где ε0 – электрическая постоянная и μ0 – магнитная постоянная.
В современной квантовой физике теория квантовой электродинамики (КЭД) описывает электромагнитное поле. В этом случае свет является фундаментальным возбуждением (также называемым квантом) электромагнитного поля. Это возбуждение принимает форму фотона. В рамках КЭД фотоны являются безмассовыми частицами. Поэтому, согласно специальной теории относительности, они движутся через вакуум со скоростью света.
Почему свет движется со скоростью света?
Всё и везде, просто по факту своего существования, «движется» со скоростью света (которая на самом деле не имеет ничего общего со светом). Да, это касается и вас тоже. Вот прямо сейчас.
Люди в основном воспринимают «вселенную» как «пространство», нечто отдельное от «времени», и честно говоря, они неправы. Пространство и время — не отдельные штуковины. Вселенная сделана из «пространствовремени», прямо так, без пробела. Вы, наверное привыкли к тому, что «год» — это единица времени, а «световой год» — единица расстояния, то есть это разные вещи; но с точки зрения физика это ровным счетом одно и то же (ну, конечно, смотря каким видом физики вы занимаетесь).
В нашей будничной жизни мы исходим из того, что движение — это некое расстояние (пространство), преодоленное за некое время. Однако, если мы решили, что это одно и то же, наше определение движение внезапно становится полной ерундой. «Я прохожу километр за каждый километр, который я прохожу» — кошмар какой-то!
Оказывается, все работает вот как — всё во Вселенной «путешествует» через пространствовремя с постоянной «скоростью», которую я буду далее обозначать как с, для краткости. Не забывайте, «движение» в пространствовремени не имеет смысла, поэтому ничего не может быть «быстрее» или «медленнее», чем что-нибудь другое. Все вокруг проходит километр в течение километра, вот так вот.
Однако, мы же своими глазами видим, что у разных вещей вокруг нас разные скорости. Причина этому — тот обалденный факт, что пространство и время ортогональны (этим красивым словом я пытаюсь сказать «под нужным углом друг к другу»). Например, в этом же смысле ортогональны (перпендикулярны) север и восток — вы можете сколь угодно долго идти ровно на север, и это никак не отразится на вашем движении на восток или запад.
Так же, как вы можете перемещаться на север, при этом не двигаясь на восток, вы можете перемещаться во времени, не перемещаясь в пространстве. Но еще круче то, что вы можете перемещаться в пространстве так, что это никак не отразится на вашем «положении» во времени.
Думаю что вы сейчас (как и я) сидите и смотрите в экран. Это значит, что вы не особо путешествуете в пространстве. А поскольку вы должны путешествовать в пространствовремени с постоянной скоростью с, это значит, что все ваше «движение» расходуется в направлении времени.
Кстати говоря, именно поэтому происходит знаменитое замедление времени. Объект, который движется очень быстро (относительно вас), перемещается в пространстве, но поскольку он так же перемещается в пространствовремени с постоянной скоростью с, ему приходится медленнее перемещаться во времени, для компенсации (опять же с вашей точки зрения).
Что еще более удивительно, свет вообще не перемещается во времени. Это немного сложно объяснить, но вкратце, это связано с тем, что у него нет массы.
Что-то, что не движется в пространстве, но у чего есть масса, может иметь энергию. В этом смысл формулы E = mc^2. У света нет массы, но энергия у него точно есть. Если мы применим массу света к E = mc^2, мы получим 0, что бессмысленно, потому что у света есть энергия. Следовательно, свет никогда не может быть неподвижен.
Более того! Свет никогда не бывает неподвижен относительно ничего. Поскольку, как и всё во Вселенной, он путешествует через пространствовремя со скоростью с, значит вся это «пространствовременная скорость» должна быть в «направлении» пространства, и ничего не остается на время.
Итак, свет движется со скоростью с. Совсем не случайно эту скорость часто определяют как «скорость света в вакууме». На самом деле, это скорость, с которой движется вообще все и везде. Просто так получилось, что свет с этой скоростью движется именно по пространству, поскольку у него нет массы.
Кстати, тут можно ответить еще на один часто задаваемый вопрос — почему ничто не может двигаться быстрее света, и почему вещи «материальные» (обладающие массой) не могут двигаться со скоростью света. Поскольку всё «движется» по пространствовремени с постоянной скоростью с, ничто не может преодолеть эту скорость в пространстве. И нет, путешествие обратно в прошлое не поможет.
Также, поскольку объекты с массой могут быть «неподвижны» относительно чего-нибудь (например, себя), им всегда приходится двигаться во времени хотя бы немножко. Это значит, что они не могут двигаться в пространстве так быстро, как свет. Тогда бы им пришлось двигаться в пространствовремени быстрее скорости с, что невозможно.
Так, если свет не движется сквозь время, только сквозь пространство, почему же он тогда не перемещается мгновенно? Ведь мы точно знаем, что свету нужно некоторое время, чтобы долететь от Солнца до Земли.
Очень сложно (если вообще возможно) адекватно описать течение пространства и времени с точки зрения фотона. Можно сказать, что фотоны не «чувствуют» времени, хотя это прозвучит странно. Хотя, нам незачем особо переживать об их чувствах.
Перемещение из одного места в другое занимает у света какое-то время, потому что его скорость конечна относительно любого, кто наблюдает за ним. Не пытайтесь представить, «что видит свет вокруг себя», мы можем только представить, «что видит тот, кто видит свет». Мы не можем (по крайней мере, на данном этапе развития) обсуждать, как свет «воспринимает» мир, это вообще скорее всего не имеет смысла.
(Прим. пер. ― не устою перед соблазном представить себя фотоном. Получается, фотон, с точки зрения себя самого, улетает с Солнца и прилетает на Землю в один и тот же момент времени. И вообще все — один момент времени, потому что времени-то и нет совсем).
Немного глупый вопрос, но означает ли все это, что если нечто движется сквозь пространство, оно будет стареть медленнее, потому что его движение сквозь пространствовремя будет медленнее относительно всего вокруг этого нечто?
Да, именно! Поздравляю, теперь вы понимаете, что значит замедление времени. Очень верное замечание про «относительно всего вокруг».
А разве нам не удалось остановить свет в кристаллах и всем таком?
Нам удалось запустить фотон внутрь специального кристалла, который его поглотил. Сделав это, кристалл вибрирует специальным образом, который кодирует информацию о фотоне (цвет и все такое). Спустя некоторое время, кристалл испускает новый фотон, с теми же свойствами, что и ранее поглощенный, потому что вибрации «хранили» эти свойства.
Нигде в это время мы не останавливали фотон. Грубо говоря, мы его убили, а потом клонировали.
Это важное открытие, например, позволяет нам использовать оптику в ИТ. Мы здорово умеем передавать информацию при помощи света, но нельзя хранить такую информацию, если только не потратить время на ее преобразование в электричество.
Вы только что прочитали (или промотали) перевод вот этого поста на reddit, точнее, ответов пользователя corpuscle634. Будучи очень далеким от темы поста (я дизайнер), я, однако, просто не мог не поделиться этим текстом с хабрасообществом. Соответственно, тут я должен соблюсти необходимые формальности, как-то: об ошибках пишите в личку, перевод любительский, мопед не мой, и все такое.
Если у вас, как и у меня, этот пост вызвал «massive lightbulb moment», и хочется продолжения, вот еще из математики — A Visual, Intuitive Guide to Imaginary Numbers