Скорость света в воде меньше чем в вакууме

Скорость света в воде. Почему она меньше чем в атмосфере?

Свет, распространяясь в веществе, взаимодействует с электронными оболочками атомов, вызывая их периодическую поляризацию. У атома возникает дипольный момент, колеблющийся с частотой световой волны вокруг нулевого значения и таким образом атом становится источником электромагнитной волны. Так как электроны имеют массу, их колебания запаздывают по отношению к фазе световой волны и фаза вторичной волны также отстает. В результате интерференции первичной и вторичной волн получается волна, скорость которой меньше, чем скорость света в вакууме.

Разумеется, это упрощенное и к тому же классическое описание. В реальности происходит поглощение фотона электронной оболочкой атома и переизлучение.

Преломление света в физике — формулы и определения с примерами

Почему ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам сломанной на границе воздуха и воды? Что такое оптическая плотность среды? Как ведет себя свет, переходя из одной среды в другую? Обо всем этом вы узнаете из этого параграфа.

Опыты по преломлению света

Проведем такой эксперимент. Направим на поверхность воды в широком сосуде узкий пучок света под некоторым углом к поверхности. Мы заметим, что в точках падения лучи не только отражаются от поверхности воды, но и частично проходят в воду, изменяя при этом свое направление (рис. 3.33).

Изменение направления распространения света в случае его прохождения через границу раздела двух сред называют преломлением света.

Первое упоминание о преломлении света можно найти в работах древнегреческого философа Аристотеля, который задавался вопросом: почему палка в воде кажется сломанной? А в одном из древнегреческих трактатов описан такой опыт: «Нужно встать так, чтобы плоское кольцо, положенное на дно сосуда, спряталось за его краем.

Потом, не изменяя положения глаз, налить в сосуд воду. Луч света преломится на поверхности воды, и кольцо станет видимым». Аналогичный опыт проиллюстрирован на рис. 3.34.

Причина преломления света

Так почему же свет, переходя из одной среды в другую, изменяет свое направление?

Мы уже знаем, что свет в вакууме распространяется хотя и с огромной, но тем не менее конечной скоростью — около 300 000 км/с. В любой другой среде скорость света меньше, чем в вакууме.

Например, в воде скорость све-та в 1,33 раза меньше, чем в вакууме; когда свет переходит из воды в алмаз, его скорость уменьшается еще в 1,8 раза; в воздухе скорость распространения света в 2,4 раза больше, чем в алмазе, и лишь немного ( = 1,0003 раза) меньше скорости света в вакууме. Именно изменение скорости света в случае перехода из одной прозрачной среды в другую является причиной преломления света.

Принято говорить об оптической плотности среды: чем меньше скорость распространения света в среде, тем большей является оптическая плотность среды.

Так, воздух имеет большую оптическую плотность, чем вакуум, поскольку в воздухе скорость света несколько меньше, чем в вакууме. Оптическая плотность воды меньше, чем оптическая плотность алмаза, поскольку скорость света в воде больше, чем в алмазе.

Чем больше отличаются оптические плотности двух сред, тем более преломляется свет на границе их раздела. Другими словами, чем больше изменяется скорость света на границе раздела двух сред, тем сильнее он преломляется.

Закономерности преломления света

Рассмотрим явление преломления света подробнее. Для этого снова воспользуемся оптической шайбой. Установив в центре диска стеклянный полуцилиндр, направим на него узкий пучок света (рис. 3.35). Часть пучка отразится от поверхности полуцилиндра, а часть пройдет сквозь него, изменив свое направление (преломится).

На схеме по правую сторону луч SO задает направление падающего пучка света, луч ОК — направление отраженного пучка, луч ОВ — направление

Рис. 3.36. Установление закономерности преломления света — углы падения, — углы преломления).

В случае увеличения угла падения света увеличивается и угол его преломления. Если свет падает из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью (из воздуха в стекло) (а), то угол падения больше угла преломления. Если наоборот (из стекла в воздух) (б), то угол преломления больше угла падения преломленного пучка; MN — перпендикуляр, восставленный в точке падения луча SO. Все указанные лучи лежат в одной плоскости — в плоскости поверхности диска.

Угол, образованный преломленным лучом и перпендикуляром к границе деления двух сред, восставленным в точке падения луча, называется углом преломления.

Если теперь увеличить угол падения, то мы увидим, что увеличится и угол преломления. Уменьшая угол падения, мы заметим уменьшение угла преломления (рис. 3.36).

Соотношение значений угла падения и угла преломления в случае перехода пучка света из одной среды в другую зависит от оптической плотности каждой из сред. Если, например, свет падает из воздуха в стекло (рис. 3.36, а), то угол преломления всегда будет меньшим, чем угол падения (). Если же луч света направить из стекла в воздух (рис. 3.36, б),

то угол преломления всегда будет большим, чем угол падения ().

Напомним, что оптическая плотность стекла больше оптической плотности воздуха, и сформулируем закономерности преломления света.

1. Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Существуют такие соотношения между углом падения и углом преломления

• а) в случае увеличения угла падения увеличивается и угол преломления
• б) если луч света переходит из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, то угол преломления будет меньше, чем угол падения
• в) если луч света переходит из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей оптической плотностью, то угол преломления будет большим, чем угол падения.

(Следует отметить, что в старших классах, после изучения курса тригонометрии, вы глубже познакомитесь с преломлением света и узнаете о нем на уровне законов.)

Объясняем преломлением света некоторые оптические явления

Когда мы, стоя на берегу водоема, стараемся на глаз определить его глубину, она всегда кажется меньшей, чем есть на самом деле. Это явление объясняется преломлением света (рис. 3.37).

Следствием преломления света в атмосфере Земли является тот факт, что мы видим Солнце и звезды немного выше их реального положения (рис. 3.38). Преломлением света можно объяснить еще много природных явлений: возникновение миражей, радуги и др.

Явление преломления света является основой работы многочисленных оптических устройств (рис. 3.39). С некоторыми из них мы познакомимся в следующих параграфах, с некоторыми — в ходе дальнейшего изучения физики.

Итоги:

Световой пучок, падая на границу раздела двух сред, имеющих разную оптическую плотность, делится на два пучка. Один из них — отраженный — отражается от поверхности, подчиняясь законам отражения света. Второй — преломленный — проходит через границу раздела в другую среду, изменяя свое направление.

Причина преломления света — изменение скорости света в случае перехода из одной среды в другую. Если во время перехода света из одной среды в другую скорость света уменьшилась, то говорят, что свет перешел из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, и наоборот.

Преломление света происходит по определенным законам.

Преломление света

Почему ноги человека, зашедшего в воду, кажутся короче (рис. 250)? Дно бассейна мы видим ближе к поверхности, чем есть в действительности. Ложка в стакане на уровне поверхности воды (рис. 251) кажется переломленной. Как объяснить эти явления?

Когда пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, часть его отражается, а часть переходит в другую среду, изменяя свое направление (рис. 252).

Изменение направления распространения света при переходе его через границу раздела двух сред называется преломлением.

Каким законам подчиняется преломление света?

Рассмотрим опыт. В центре оптического диска закрепим стеклянный полудиск (рис. 253), направим на него узкий пучок света (луч 1). Луч 3 — преломленный луч.

Угол между перпендикуляром, проведенным в точку падения к границе раздела двух сред, и преломленным лучом называется углом преломления.

Сравнив углы (см. рис. 253), мы видим, что угол преломления меньше угла падения

Увеличим угол падения (рис. 254). Угол преломления тоже увеличивается, но он по-прежнему меньше угла падения.

Если стекло заменить водой и пустить световой луч и под тем же углом (рис. 255, а), что и на стеклянный полудиск, то угол преломления в воде будет несколько больше, чем в стекле, но меньше угла падения: Сравним скорости света в воздухе, воде и стекле: т. е. стекло оптически более плотная среда, чем вода, а вода — чем воздух. Следовательно, при переходе луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду угол преломления меньше угла падения.

А если луч переходит из воды в воздух?

Из опыта (рис. 255, б) видно, что угол больше угла Значит, если свет переходит из среды оптически более плотной в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. Этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отраженного лучей, но и для падающего и преломленного лучей.

Из результатов проведенных опытов следует.

1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точку падения луча к границе раздела двух сред.
2. Угол преломления меньше утла падения при переходе луча из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду. Угол преломления больше угла падения, если луч переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную.

Эти два главных положения выражают суть явления преломления света. Однако, когда луч надает перпендикулярно на границу раздела двух сред он не испытывает преломления, что можно подтвердить опытом (рис. 256).

Главные выводы:

1. При переходе из одной среды в другую световой луч на границе раздела сред в большинстве случаев испытывает преломление (изменяет направление).
2. Луч, падающий перпендикулярно к границе раздела двух сред, не испытывает преломления.
3. Если луч переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, угол преломления меньше угла падения При переходе луча из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления больше угла падения

Преломление света на границе разделения двух сред. Закон преломления света

Еще в древние времена люди утверждали, что палка, опущенная в воду, на границе воздух-вода будто сломана. Вынув из воды, она оказывается целой. Так человек впервые столкнулся с явлением преломления света.

Первым это явление начал изучать древнегреческий естествоиспытатель Клеомед (I в. н. э.). Он установил, что луч света, распространяющийся под углом с менее плотной оптической среды в более плотную, например из воздуха в воду, изменяет свое направление, то есть преломляется. Клеомед говорил, что под определенным углом мы не будем видеть предмет, лежащий на дне сосуда (рис. 135), но если налить в сосуд воды, предмет будет видно.

Таким образом, по мнению Клеомеда, благодаря преломлению лучей можно видеть Солнце, зашедшее за горизонт.

Другой древнегреческий ученый Клавдий Птоломей (II в. н. э.) опытным путем определил величину, характеризующую преломление лучей света при переходе их из воздуха в воду, из воздуха в стекло и из воды в стекло.

Опыт 1. Направим луч света на тонкостенный сосуд с подкрашенной водой, который имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Мы видим, что на границе двух сред луч света изменяет свое направление: отражается и преломляется (рис. 136, а).

Изменение направления распространения света при его переходе через границы разделения двух оптически прозрачных сред называют преломлением света.

Выполним чертеж (рис. 136, б). Опыт показывает, что угол отражения света равен углу падения света а, а при переходе луча из воздуха в воду угол преломления света (гамма) меньше угла падения света а. Кроме того, видим, что падающий и преломленный лучи света лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к поверхности разделения двух сред в точку падения света. При переходе луча света из воды в воздух угол преломления света больше угла падения света .

Этот опыт показывает, что при переходе светового луча с одной среды в другую: падающий и преломленный лучи света лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к плоскости разделения двух сред в точку падения луча света; в зависимости от того, с какой среды в какую переходит луч света, угол преломления луча света может быть больше или меньше угла падения света.

Разные среды по-разному преломляют световые лучи. Например, алмаз преломляет лучи света больше, чем вода или стекло.

Среда, преломляющая свет, должна быть прозрачной, то есть такой, чтобы сквозь нее проходили лучи света.

Световые лучи преломляются, поскольку они распространяются в разных средах (телах) с неодинаковой скоростью. В воздухе скорость распространения света больше, чем в воде, в воде больше, чем в стекле.

Опыт 2. Поместим в сосуд с водой специальный источник света, от которого в разные стороны распространяются лучи света (рис. 137). Луч света, падающий перпендикулярно к границе вода-воздух, не преломляется.

Лучи света, падающие под разными углами к поверхности воды, преломляются по-разному. Но есть лучи света, которые вообще не переходят из воды в воздух, а полностью отражаются от ее поверхности. Явление, когда лучи света не выходят из среды и полностью отражаются внутрь, называют полным внутренним отражением света.

Явление полного внутреннего отражения света используют в специальных приборах — световодах. Световоды (рис. 138) широко применяют для передачи изображений предметов с любого места на любые расстояния.

Пример №1

1. Какой из углов больше — угол падения или угол преломления, если свет переходит: а) из воды в воздух; б) из воздуха в стекло; в) из воды в стекло?

Ответ: а) угол падения; б) угол падения; в) угол преломления.

Пример №2

2. В стакан с водой вставили трубку для сока. Как объяснить явление, изображенное на рисунке 145?

Ответ: если смотреть на рисунок, то видим, что трубка для сока кажется сломанной. Это объясняется законами преломления света.

Закон преломления света и показатель преломления

• Углом падения называется угол между падающим лучом света и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения.
• Углом отражения называется угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным в точке падения.
• Углом преломления называется угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, проведенным через точку падения.

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в которой изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей.

Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны. Условимся изображать оптические лучи графически с помощью геометрических лучей со стрелками. В геометрической оптике волновая природа света не учитывается.

Уже в начальные периоды оптических исследований были экспериментально установлены четыре основных закона геометрической оптики:

• закон прямолинейного распространения света;
• закон независимости световых лучей;
• закон отражения световых лучей;
• закон преломления световых лучей.

В этих законах использовались понятия световой пучок и световой луч, т. е. предполагалось, что пучок и луч бесконечно тонкие.

Световые пучки получают при пропускании светового излучения, идущего от удаленного источника, через отверстие (диафрагму) в экране I (рис. 52). Эксперименты показывают, что если диаметр D гораздо больше длины световой волны и расстояние l от отверстия до экрана велико по сравнению с размером диафрагмы (l D), то выходящий из диафрагмы пучок является параллельным. Для него на не слишком больших расстояниях l от экрана выполняется неравенство

Если же диаметр диафрагмы или размеры предмета оказываются сравнимы с длиной световой волны, то выходящий световой пучок становится расходящимся, свет проникает в область геометрической тени, происходит дифракция света, т. е. проявляется волновой характер светового излучения. Следует отметить, что дифракция будет наблюдаться на очень больших расстояниях от экрана () даже при диаметре светового отверстия .

Таким образом, луч — это направление, перпендикулярное фронту волны, в котором она переносит энергию.

Лучи, выходящие из одной точки, называют расходящимися, а собирающиеся в одной точке, — сходящимися. Примером расходящихся лучей может служить наблюдаемый свет далеких звезд, а примером сходящихся — совокупность лучей, попадающих в зрачок нашего глаза от различных предметов.

Для изучения свойств световых волн необходимо знать как закономерности их распространения в однородной среде, так и закономерности отражения и преломления на границе раздела двух сред.

Рассмотрим процессы, происходящие при падении плоской световой волны на плоскую поверхность раздела однородных изотропных и прозрачных сред при условии, что размеры поверхности раздела намного больше длины волны падающего излучения.

Пусть на плоскую поверхность раздела LM двух сред падает плоская световая волна, фронт которой АВ (рис. 53). Если угол падения а отличен от нуля, то различные точки фронта АВ волны достигнут границы раздела LM не одновременно.

Согласно принципу Гюйгенса точка которой фронт волны достигнет раньше всего (см. рис. 53), станет источником вторичных волн. Вторичные волны будут распространяться со скоростью v и за промежуток времени за который точка фронта , достигнет границы раздела двух сред (точки ), вторичные волны из точки пройдут расстояние Падающая и возникающие вторичные волны распространяются в одной и той же среде, поэтому их скорости одинаковы, и они пройдут одинаковые расстояния

Касательная, проведенная из точки к полуокружности радиусом является огибающей вторичных волн и дает положение фронта волны через промежуток времени . Затем он перемещается в направлении .

Из построения следует, что С учетом определений угла падения и угла отражения находим, что как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Следовательно, угол отражения равен углу падения ( = ). Таким образом, исходя из волновой теории света на основании принципа Гюйгенса получен закон отражения света.

Рассмотрим, что будет происходить во второй среде (рис. 54), считая, что скорость распространения света в ней меньше, чем в первой (

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Инфофиз. Репетитор по физике и информатике

БУДЕМ ЗНАКОМЫ
Меня зовут Елена Викторовна.
Я преподаватель и репетитор со стажем 26 лет.

Помогаю школьникам разобраться со школьной программой. Готовлю к ЕГЭ.

Если вы хотите:
подготовиться к ЕГЭ по физике
понять физику
подтянуть оценки по физике
избавиться от страха перед уроками
изучить физику углубленно
— обращайтесь.

Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно. Основа успешной учебы это вера ребенка в то, что он может учиться. Подробнее.

Знаменательные даты в науке

Урок 48-2 (дополнительный материал). Измерение скорости света

• Печать
• E-mail

Измерение скорости света.

Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом. Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен. Делались многочисленные попытки определить скорость света. Для этого пытались измерить по точным часам время распространения светового сигнала на большие расстояния (несколько километров). Но эти попытки не дали результатов. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно. Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была в конце концов измерена.

Астрономический метод измерения скорости света

Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому О. Рёмеру в 1676 г. Рёмер был астрономом, и его успех объясняется именно тем, что проходимые светом расстояния, которые он использовал для измерений, были очень велики. Это расстояния между планетами Солнечной системы.

Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер в отличие от Земли имеет четырнадцать спутников. Ближайший его спутник — Ио — стал предметом наблюдений Рёмера. Он видел, как спутник проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин. Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.

Вначале измерения производились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру. Такие же измерения, проведенные несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера, неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио.

Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время, наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше. Запаздывание в этом случае происходит от того, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения». Зная запаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 300.000 км/с. Поэтому-то крайне трудно уловить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле. Ведь за одну секунду свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Лабораторные методы измерения скорости света

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 г.

В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1(рис.2). После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 км и для скорости света было получено значение 313.000 км/с.

Было разработано еще много других, более точных лабораторных ме­тодов измерения скорости света. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал.

Была измерена скорость в различных прозрачных веществах. Скорость света в воде была измерена в 1856 г. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме. Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме.

Но современным данным, скорость света в вакууме равна 299.792.458 м/с с точностью ± 1,2 м/с. Приближенно скорость света можно считать равной 3·10 8 м/с. Это значение скорости света нужно обязательно запомнить.

Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Оно в значительной степени способствовало выяснению природы света. Особое значение скорость света имеет потому, что ни одно тело в мире не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

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.