Постоянна ли скорость света?
Этот вопрос можно понимать по-разному, соответственно, по-разному придется и отвечать:
Изменяется ли скорость света при его попадании в воздух или воду?
Да. Свет замедляет свое движение в таких прозрачных средах, как воздух, вода или стекло. Отношение, в котором происходит такое замедление, называется показателем преломления среды и оно всегда больше единицы*. Это открыл Жан Фокол в 1850 г.
Чаще всего, когда люди в общем говорят "скорость света", то имеют в виду "скорость света в вакууме". Именно эта величина обозначается буквой c.
Постоянно ли c, то есть, скорость света в вакууме?
В 1983 г. на Генеральной конференции мер и весов было принято следующее определение метра в системе единиц СИ (Система Интернациональная):
Метр есть расстояние, проходимое светом в вакууме за время в 1/299 792 458 секунды.
Это привело к тому, что скорость света стала равна в точности 299 792 458 метров в секунду. И, таким образом, ответ на вопрос, постоянно ли c, становится простым до чрезвычайности: да, c постоянно по определению!
Однако, это еще не все. Система СИ построена на очень практических соображениях. Ее определения принимаются в соответствие с наиболее точными известными методиками измерения и они постоянно пересматриваются. Сегодня существуют способы измерения макроскопического расстояния путем испускания лазерного импульса и измерения времени, которое он затрачивает, чтобы пройти это расстояние. Время измеряется при помощи очень точных атомных часов (точность лучших атомных часов достигает одну 10^13 ную долю!). Именно поэтому разумно определить единицу метра именно таким способом, чтобы свести к минимуму возможные ошибки.
При построении СИ было сделано несколько предположений о том, каковы есть законы физики. Например, предполагалось, что у частицы света — у фотона — нет массы. Если бы у фотона была масса покоя, то определение метра в СИ потеряло бы смысл, так как скорость света стала бы зависеть от длины его волны. Тогда нельзя было бы постановить, что она постоянна. Тогда в определении метра надо было бы еще указать, свет какого цвета надо использовать. Опыт показывает, что если у фотона и есть какая-нибудь масса покоя, то она очень маленькая. См. вопрос есть ли масса у света. Во всяком случае, она настолько мала, что в обозримом будущем не сыграет заметной роли в определения метра, но все-таки, несмотря на то, что в настоящее время господствуют теории, исходящие из того, что масса фотона равна нулю, прямо доказать этого мы не можем. Если бы масса фотона не была бы равна нулю, то скорость не была бы постоянна, но с теоретической точки зрения могло бы существовать число c, которое бы было максимальной возможной скоростью света и все равно можно было бы спрашивать, постоянно ли c.
Раньше было, что метр и секунда были определены несколькими разными способами, отличными от нынешнего, в соответствии с методами измерений, существовавшими в то время. В будущем методы могут снова поменяться. Обратившись к 1939 г, мы увидим, что секунда определялась, как 1/84 600 ная часть средней продолжиетльности солнечного дня, а метр определялся как длина между двумя рисками на платиново-иридиевом стержне, хранящемся во Франции. Сейчас мы знаем, что средняя длина солнечного дня изменяется, так как измерили ее при помощи точных атомных часов. Стандартное время иногда подводится на секунду вперед или назад, чтобы отразить этот факт. Кроме того, вращение Земли постепенно замедляется, примерно на 1/100 000 ную долю секунды в год, из-за тормозящего действия сил притяжения между Землей, Луной и Солнцем. А в длинне металлического стержня возможны еще большие изменения из-за расширения материала. Все это приводило к тому, что скорость света, измеренная в м/с со временем медленно изменялась. Ясно, что такое изменение скорости более естественно считать проявлением изменения единиц измерения, чем самой скорости света, но точно также глупо утверждать, что сейчас скорость света неизменна потому, что система СИ так определила единицы, что она стала постоянной.
Определения СИ просто показывают нам, насколько важно сначала четко понимать, что мы подразумеваем под постоянством скорости света, прежде чем будет можно ответить на этот вопрос. Сначала надо договориться, когда мы измеряем скорость света, что используется в качестве стандартной линейки и стандартных часов. В принципе, мы можем столкнуться со значительными расхождениями между результатами измерений сделанных в лаборатории, с результатами астрономических наблюдений (одно из первых измерений скорости света было сделано Оле Кристенсеном Рёмером в 1676 г. при наблюдении видимой разницы в продолжительности затмений спутников Юпитера).
Если, к примеру, принять определение единиц такими, какие они были между 1967 и 1983 гг. Тогда метр был определен как 1 650 763,73 длин волны красно-оранжевого света, испускаемого атомом криптона-86, а секунда была определена, как и в настоящее время, как 9 192 631 770 колебаний излучения, соответсвущего переходу между двумя свехтонкими уровнями а атоме цезия-133. В отличие от ранее упомянутых определений, эти построены на абсолютных физических величинах, имеющих смысл всегда и везде. Можем ли мы сказать, постоянна ли скорость света в этих единицах?
Из квантовой теории мы знаем, что эти частоты и длины волн в основном зависят от значений постоянной Планка, масс электронов и нуклонов, а значит, эти параметры влияют и на скорость света. Исключая из параметров размерные единицы, мы можем придти к нескольким безразмерным величинам, навроде постоянной тонкой структуры или отношения массы протона к массе электрона. Они не зависят от единиц измерения и потому намного разумнее спрашивать, изменяются ли они. Если бы они изменились, то изменилась бы не только скорость света. Вся химия зависит от значений этих постоянных и потому значительные изменения произошли бы в химических и механических свойствах всех веществ. Вдобавок, скорость света изменилась бы по-разному в зависимоти от того, какие определения единиц мы бы выбрали! В этом случае также разумно считать, что причиной изменений является не изменение самой скорости света, а изменение заряда электрона или масс частиц.
В любом случае, опыт достаточно хорошо убеждает нас, что эти величины не изменялись на протяжении большей части жизни Вселенной.
[Кстати, постоянная тонкой структуры изменяется в зависимости от масштабов энергий, но здесь шла речь о ее низкоэнергетичном пределе]
Что считает специальная теория относительности?
Другое предположение, взятое за основу в системе СИ — это то, что специальная теория относительности верна. Основным постулатом теории относительности является то, что скорость света постоянна. Данное утверждение распадается на две части:
- Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
- Скорость света не меняется в зависимости от места или времени.
Мысль о том, что скорость света не зависит от скорости наблюдателя очень противоречит нашим интуитивным представлениям. Некоторые люди вообще отказываются принимать, что это возможно с точки зрения логики, но в 1905 г. Эйнштейну удалось показать, что все совершенно логично, если быть готовым отказаться от предубеждений об абсолютном характере пространства и времени.
В 1879 г. думали, что свет должен распространяться по особой среде, точно так же, как звук распространяется по воздуху и другим веществам. Эту среду называли эфиром. Двое ученых, Майкельсон и Морли, поставили опыт в котором попытались обнаружить эфир, измеряя разницу в скорости света по мере того, как Земля меняет направление своего движения в течение года. К их удивлению, обнаружить различие в скорости света не удалось.
Тогда Фитцджеральд предположил, что причиной тому является сокращение экспериментальной установки при движении сквозь эфир, в точности компенсирующее изменение скорости света. Лоренц далее развил это предположение, добавив к нему замедление хода часов так, чтобы движение эфира оказывалось совершенно ненаблюдаемым. Затем Эйнштейн доказал, что эти искажения можно объяснить искажением самих пространства и времени, а не физических объектов и что, таким образом, абсолютность пространства и времени, введенная Ньютоном, должна быть отвергнута. Сразу после этого математик Минковский показал, что теория относительности Эйнштейна может быть понята как неевклидова геометрия в 4-мерном пространстве-времени.
Окончателная теория не только математически и логически самосогласована, но подтверждается и большим количеством прямых опытов. Опыт Майкельсона и Морли много раз повторяли, со все большей точностью. В 1925 г. Дэйтон Миллер объявил, что он обнаружил-таки изменение скорости светы и он даже был удостоен нескольких наград за это открытие, но проведенная в 1950 г. экспертиза его работы показала, что наиболее вероятно, что причиной обнаруженных им явлений были суточные и годичные изменения температуры установки, то есть, его результаты были признаны ошибочными.
При помощи современного оборудования легко можно было бы обнаружить движение эфира, если бы он существовал. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, поэтому, если справедливо векторное сложение скоростей, как этого требует механика Ньютона, то в определении метра в системе СИ последние 5 цифр скорости света были бы бессмысленными. Сегодня в физике высоких энергий в ЦЕРНе и лаборатории Ферми ежедневно ускоряют частицы до скоростей на волосок отличающихся от скорости света. Если бы скорость света зависела бы от скорости системы отсчета, это было бы давно обнаружено, если конечно эта зависимость на самом деле не является ничтожной.
Что считает общая теория относительности?
В дальнейшем Эйнштейн развил теорию относительности более общего назначения, которая объяснила гравитацию как проявление искривления пространства-времени и показал, что скорость света в этой новой теории изменяется. В 1920 г. в своей книге "Относительность: частная и общая теории" он писал: …согласно общей теории относительности, закон постоянства скорости света в вакууме, представляющий собой один из двух главнейших предположений частной теории относительности, … не может быть безусловным. Кривизна лучей света может наблюдаться только если скорость его распространения изменяется с местоположением. В оригинале речь идет о векторе скорости, то есть, о направленном объекте, поэтому сразу не очевидно, утверждал ли Эйнштейн, что меняется и длина вектора, а не только направление. Однако ссылка на специальную теорию относительности показывает, что утверждал. Хотя это и верно, но современная интерпретация такова, что скорость света постоянна и в общей теории относительности.
Проблема тут в том, что скорость — это величина, которая зависит от координат, то есть, она в некотором смысле неоднозначна. Чтобы определить скорость (расстояние делить на время) сначала надо выбрать какие-то стандарты измерения расстояний и времен. Разные стандарты приведут к разным результатам. Это уже так в специальной теории: если измерить скорость света в ускоренной системе отсчета, то получится значение, отличное от c.
В специальной теории постоянство скорости света утверждается лишь с точки зрения инерциальных систем отсчета. В общей теории это утверждения расширяется до утверждения о постоянстве скорости света в любой свободно падающей системе отсчета (в области, достаточно малой, чтобы можно было пренебречь приливными силами). В вышеупомянутом отрывке Эйнштейн говорит не о свободно падающей системе, а о системе, неподвижной относительно источника гравитации. В такой системе скорость света может отличаться от c в основном из-за влияния гравитации (кривизны пространства-времени) на часы и линейки.
Если общая теория относительности верна, то постоянство скорости света в инерциальных системах отсчета становится синонимом геометрических свойств пространства-времени. Причинная структура Вселенной определяется геометрией нулевых векторов. Движение со скоростью c означает движение по мировым линиям, касательным нулевым векторам. Применение c для преобразования между метрами и секундами, как в определении метра в системе СИ, совершенно оправдано как с практической, так и с теоретической точки зрения, ведь c это не столько скорость движения света, сколько фундаментальная особенность геометрии пространства-времени.
Как и для частной теории, предсказания общей теории относительности были подтверждены во множестве различных опытах.
В итоге можно сказать, что скорость света не просто постоянна. Более того, в свете хорошо проверенных теорий оказывается, что предположение о том, что она может измениться — просто бессмысленны!
*Строго говоря, показатель преломления не всегда больше единицы. Например, для рентгеновских лучей он почти всегда меньше единицы. Происходит это потому, что так называемая фазовая скорость рентгеновских лучей в среде больше скорости света, а показатель преломления это отношение именно фазовой скорости. Скорость же самих фотонов — это так называемая групповая скорость, которая всегда меньше c (конечно, кроме тех случаев, когда это не так :-). Для простоты в этом ответе мы эту тонкость не рассматриваем. См.
Ещё раз о постоянстве скорости света
Специальная теория относительности (СТО), несомненно, самая знаменитая из физических теорий. Популярность СТО связана с простотой её основных принципов, поражающей воображение парадоксальностью выводов и её ключевым положением в физике ХХ века. СТО принесла небывалую славу Эйнштейну, и эта слава стала одной из причин неустанных попыток ревизии теории. В среде профессионалов споры вокруг СТО прекратились уже более полувека назад. Но и по сей день редакции физических журналов постоянно осаждают любители, предлагающие варианты пересмотра СТО. И, в частности, второго постулата, утверждающего постоянство скорости света для всех инерциальных систем отсчёта и её независимость от скорости источника (проще говоря, в какую бы сторону от наблюдателя и с какой бы скоростью ни двигался наблюдаемый объект, посланный с него световой луч имел бы всё ту же скорость, приблизительно равную 300 тысячам километров в секунду, не больше и не меньше).
Критики СТО, например, утверждают, что скорость света вовсе не постоянна, а меняется для наблюдателя в зависимости от скорости источника (баллистическая гипотеза) и лишь несовершенство измерительной техники не позволяет доказать это экспериментально. Баллистическая гипотеза восходит к Ньютону, рассматривавшему свет в виде потока частиц, скорость которых снижается в преломляющей среде. Этот взгляд возродился с появлением фотонной концепции Планка—Эйнштейна, что придавало убедительную наглядность идее сложения скорости света со скоростью источника по аналогии со скоростью снаряда, вылетающего из движущейся пушки.
В наше время подобные наивные попытки пересмотра СТО в серьёзные научные издания попасть конечно же не могут, зато переполняют СМИ и интернет, что весьма печально сказывается на состоянии умов массового читателя, включая школьников и студентов.
Нападки на теорию Эйнштейна — как в начале прошедшего столетия, так и теперь — мотивируются разночтениями в оценке и трактовке результатов экспериментов по измерению скорости света, первый из которых, к слову, был проведён ещё в 1851 году выдающимся французским учёным Арманом Ипполитом Луи Физо. В середине прошедшего столетия это побудило тогдашнего президента Академии наук СССР С. И. Вавилова озаботиться разработкой проекта демонстрации независимости скорости света от скорости источника.
К тому времени постулат о независимости скорости света прямо подтверждался только астрономическими наблюдениями двойных звёзд. По идее голландского астронома Виллема де Ситтера, если скорость света зависит от скорости источника, траектории движения двойных звёзд должны были бы качественно отличаться от наблюдаемых (согласующихся с небесной механикой). Однако этот аргумент встретил возражение, связанное с учётом роли межзвёздного газа, который в качестве преломляющей среды рассматривался как вторичный источник света. Критики утверждали, что свет, испущенный вторичным источником, «теряет память» о скорости первичного источника по мере распространения в межзвёздной среде, потому что фотоны источника поглощаются, а затем переизлучаются средой вновь. Поскольку данные об этой среде известны лишь с очень большими допущениями (как и абсолютные значения расстояний до звёзд), такая позиция позволяла подвергнуть сомнению большинство астрономических доказательств постоянства скорости света.
С. И. Вавилов предложил своему докторанту А. М. Бонч-Бруевичу спроектировать установку, в которой источником света стал бы пучок быстрых возбуждённых атомов. В процессе детальной проработки плана эксперимента оказалось, что шансов на надёжный результат нет, поскольку техника того времени не позволяла получить пучки нужной скорости и плотности. Эксперимент не был осуществлён.
С тех пор различные попытки экспериментального доказательства второго постулата СТО предпринимались неоднократно. Авторы соответствующих работ приходили к выводу о справедливости постулата, что, однако, не прекращало потока критических выступлений, в которых либо выдвигались возражения против идей экспериментов, либо ставилась под сомнение их точность. Последнее было связано, как правило, с незначительностью достижимой скорости источника излучения по сравнению со скоростью света.
Однако сегодня физика обладает инструментом, позволяющим вернуться к предложению С. И. Вавилова. Это синхротронный излучатель, где очень ярким источником света служит сгусток электронов, двигающийся по искривлённой траектории со скоростью, практически неотличимой от скорости света с. В таких условиях легко померить скорость испущенного света в безукоризненном лабораторном вакууме. По логике сторонников баллистической гипотезы эта скорость должна быть равна удвоенной скорости света от неподвижного источника! Обнаружить такой эффект (в случае его существования) не составило бы труда: достаточно просто измерить время прохождения световым импульсом мерного отрезка в вакуумированном пространстве.
Разумеется, для профессиональных физиков нет никаких сомнений в ожидаемом результате. В этом смысле опыт бесполезен. Однако прямая демонстрация постоянства скорости света имеет большую дидактическую ценность, ограничивая почву для дальнейших спекуляций о недоказанности основ теории относительности. Физика в своём развитии постоянно возвращалась к воспроизведению и уточнению основополагающих экспериментов, осуществляемых с новыми техническими возможностями. В данном случае не ставится цель уточнить скорость света. Речь идёт о восполнении исторической недоработки в экспериментальном обосновании истоков СТО, что должно облегчить восприятие этой достаточно парадоксальной теории. Можно сказать, что речь идёт о демонстрационном опыте для будущих учебников физики.
Такой опыт недавно осуществлён группой российских учёных в Курчатовском центре синхротронного излучения НИЦ КИ. В экспериментах в качестве импульсного источника света использовался источник синхротронного излучения (СИ) — накопитель электронов «Сибирь-1». СИ электронов, разогнанных до релятивистских скоростей (близких к скорости света), имеет широкий спектр от инфракрасного и видимого до рентгеновского диапазона. Излучение распространяется в узком конусе по касательной к траектории электронов по каналу отведения и выводится через сапфировое окно в атмосферу. Там свет собирается линзой на фотокатод быстрого фотоприёмника. Пучок света на пути в вакууме мог перекрываться стеклянной пластиной, вводимой с помощью магнитного привода. При этом по логике баллистической гипотезы свет, до того предположительно имевший удвоенную скорость 2с, после окна должен был обрести обычную скорость с.
Электронный сгусток имел длину около 30 см. Проходя мимо окна отведения, он порождал в канале импульс СИ длительностью около 1 нс. Частота обращения сгустка по кольцу синхротрона составляла
34,5 МГц, так что на выходе фотоприёмника наблюдалась периодическая последовательность коротких импульсов, которую регистрировали с помощью скоростного осциллографа. Импульсы синхронизировались сигналом высокочастотного электрического поля той же частоты 34,5 МГц, компенсирующим потери энергии электронов на СИ. Сравнивая две осциллограммы, полученные при наличии в пучке СИ стеклянного окна и при его отсутствии, можно было измерить отставание одной последовательности импульсов от другой, вызванное гипотетическим снижением скорости. При длине 540 см участка канала отведения СИ от вводимого в пучок окна до выхода в атмосферу снижение скорости света от 2с до с должно было привести к временнoму сдвигу 9 нс. На опыте никакого сдвига не наблюдалось с точностью порядка 0,05 нс.
В дополнение к опыту провели и прямое измерение скорости света в канале отведения путём деления длины канала на время распространения импульса, что привело к значению всего на 0,5% ниже табличной скорости света.
Итак, результаты эксперимента оказались, разумеется, ожидаемыми: скорость света не зависит от скорости источника в полном соответствии со вторым постулатом Эйнштейна. Новым стало то, что впервые его подтвердили прямым измерением скорости света от релятивистского источника. Едва ли этот эксперимент прекратит наскоки на СТО со стороны ревнивцев славы Эйнштейна, однако он существенно ограничит поле новых претензий.
Детали эксперимента описаны в статье, которая будет опубликована в одном из ближайших номеров журнала «Успехи физических наук».
См. также:
Е. Б. Александров. Теория относительности: прямой эксперимент с кривым пучком, «Химия и жизнь», №3, 2012 (более подробно об этом эксперименте).
Что можно сказать о скорости движения таких зарядов она постоянна
Уважаемы Владимир! Хотя я с вами не согласен, но вы копнули некоторые вопросы, которые я разбираю и прихожу к другим выводам!
Я опубликовал эту тему в посте:
если будет интерес почитайте всю статью в целом. Может быть и будет тогда интерес к разговору.
С уважением,
Анатолий
Владимир, раз уж у наш пошла дискуссия, продолжим, я сам хочу понять немного больше о СТО и решить для себя что там может быть правдой.
1 — пример с ячейками ничего не доказывает, он какой-то странный. Ну допустим есть 1000 ячеек, мы летим с половиной скорости света, а это значит что свет в единицу такта будет проходить 1 ячейку, а мы в 2 единицы такта 1 ячейку и мы так же будем отставать от света на 50%, он же не перескочит сразу в 1000-ю ячейку? Пример ведь такой: максимальная скорость 1 ячейка в такт.
2 — Уважаемый Владимир, я задал вопрос про движение со скоростью близкую к скорости света и большие временные изменения на Земле. Давай разберём его детально.
Допустим кто-то полетел к ближайшим звёздам со скоростью 95% от скорости света и летал он 10 земных лет, допустим для него время замедлилось и я вполне могу допустить, что чем ближе он к скорости света, тем время для него течёт медленнее, но причём тут остальная часть Вселенной? рассуждаем умозрительно логически: сидит наблюдатель на земле, смотрит как летит свет, электрон или космический корабль (да какая для него разница), что фотон, слетал туда-сюда, что электрон, что корабль, на Земле пройдёт всего 10 лет, логично ведь?
Так каким боком по СТО на земле должно пройти 100, 1000 и больше лет, в зависимости от скорости полёта ракеты? это ведь бред получается, если только он не попадёт в некую альтернативную Вселенную 🙂
3 — Ты пишешь о реальных доказательствах этого процесса. Где они, как выглядят эти доказательства? Можно ссылочку на статьи об этом?
Владимир, мы будто на разных языках говорим, я тебе одно, ты мне другое 🙂
Напишу в ВК, познакомимся.
Раз прямого понимания не получается, подкину тебе ещё одну мыслишку (сайт то, Путник сновидений называется), так вот, всем сновидящим известно, что выходя в ОС или Астрал (да и экспериментами это подтверждено) в реальности проходит пару минут, а в ОСе можно сделать дел на пару часов! То есть опять ТО, только время растягивается а не замедляется. и потом, если выйти Астральной проекцией, то ей можно двигаться бесконечно быстро, хотя это уже другой разговор.
Пока моё мнение что СТО — это бред, не подтверждённая никакими реальными экспериментами и здравым смыслом. Я вообще удивляюсь, как мировое учёное сообщество приняло её за основу?!
Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле
Начнём с простейшего случая — движения заряженной частицы вдоль линий индукции магнитного поля. При таком движении частицы угол а между векторами её скорости v и индукции В равен 0 или л. Поэтому по формуле (5.39) магнитная сила равна нулю, т.е. магнитное поле не действует на частицу. Она будет двигаться по инерции — равномерно и прямолинейно.
Пусть теперь частица, имеющая заряд q, движется перпендикулярно к линиям магнитной индукции (а = 7г/2) . Тогда магнитная сила равна
и направлена перпендикулярно векторам v и В (рис. 5.22). Следовательно, частица движется в плоскости, перпендикулярной к вектору магнитной индукции, причём сила F является центростремительной силой Fnc:
где т — масса заряженной частицы, а г — радиус кривизны её траектории.
Приравняв правые части (5.65) и (5.66), найдём радиус кривизны траектории
Так как в однородном поле В = const, а численное значение скорости заряда в магнитном поле не изменяется, то радиус кривизны траектории этого заряда оказывается постоянным. Поэтому заряженная частица будет двигаться по окружности, плоскость которой перпендикулярна к магнитному полю, а радиус прямо пропорционален скорости частицы и обратно пропорционален произведению её удельного заряда — на индукцию В поля.
Направление магнитной силы и направление вызываемого ею отклонения заряженной частицы в магнитном поле зависит от знака заряда q частицы. Если частица движется в плоскости чертежа (рис. 5.23) слева направо, а магнитное поле направлено из-за чертежа перпендикулярно к его плоскости, то при q > 0 частица отклоняется вниз, а при q 2 = const). В этом уравнении — есть нормальное
ускорение а , модуль которого равен —. Модуль силы
в данном случае qvB . Заменив в (5.72) векторы их модулями, получим уравнение
Следовательно, для периода обращения частицы
Т — ^ пГ получается формула v 
Таким образом, в релятивистском случае период обращения по мере увеличения скорости уменьшается. При v «с (5.74) переходит в (5.68).
Из предыдущего следует, что траекторию заряженных частиц можно формировать с помощью магнитного поля. Этот способ широко используется во всех современных ускорителях.