Скорость излучаемого солнцем света

• Принцип относительности
• Теория относительности
• Двойная специальная теория относительности
• инвариант де Ситтера специальная теория относительности
• Общая теория относительности

Скорость света в вакууме , обычно обозначаемых с , является универсальной физической константой важна во многих областях физики . Его точное значение определяется как 299 792 458 метров в секунду (примерно 300 000 км / с или 186 000 миль / с). Это точно, потому что по международному соглашению метр определяется как длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени 1 ⁄ 299 792 458 секунд. Согласноспециальной теории относительности, c — это верхний предел скорости, с которой обычноевещество, энергия или любойсигнал,несущий информацию, могут перемещаться впространстве.

Хотя эта скорость чаще всего ассоциируется со светом, это также скорость, с которой все безмассовые частицы и возмущения поля перемещаются в вакууме, включая электромагнитное излучение (свет которого составляет небольшой диапазон частотного спектра) и гравитационные волны . Такие частицы и волны движутся в точке c независимо от движения источника или инерциальной системы отсчета наблюдателя. Частицы с ненулевой массой покоя могут приближаться к c , но никогда не могут достичь его, независимо от системы отсчета, в которой измеряется их скорость. В специальной и общей теории относительности , гр взаимосвязан пространства и времени , а также появляется в известном уравнении эквивалентности массы и энергии , Е = тс 2 . В некоторых случаях кажется, что объекты или волны движутся быстрее света (например, фазовые скорости волн, появление некоторых высокоскоростных астрономических объектов и определенные квантовые эффекты ). Считается, что расширение Вселенной превышает скорость света за определенной границей .

Скорость, с которой свет распространяется через прозрачные материалы , такие как стекло или воздух, меньше c ; аналогично, скорость электромагнитных волн в проводных кабелях меньше, чем c . Соотношение между С и скорости V , при котором свет распространяется в материале, называется показателем преломления п материала ( п = с / v ). Например, для видимого света показатель преломления стекла обычно составляет около 1,5, что означает, что свет в стекле распространяется со скоростью c / 1,5 ≈ 200 000 км / с ( 124 000 миль / с) ; показатель преломления воздуха для видимого света составляет около 1.0003, так что скорость света в воздухе составляет около 90 км / с (56 миль / с) медленнее , чем с .

Для многих практических целей кажется, что свет и другие электромагнитные волны распространяются мгновенно, но для больших расстояний и очень чувствительных измерений их конечная скорость оказывает заметное влияние. При обмене данными с удаленными космическими зондами передача сообщения с Земли на космический корабль может занять от нескольких минут до нескольких часов, или наоборот. Свет, видимый от звезд, покинул их много лет назад, что позволило изучать историю Вселенной, глядя на далекие объекты. Конечная скорость света также в конечном итоге ограничивает передачу данных между процессором и микросхемами памяти в компьютерах . Скорость света можно использовать с измерениями времени пролета для измерения больших расстояний с высокой точностью.

Рёмер первым продемонстрировал в 1676 , что свет движется с конечной скоростью (не мгновенно), изучая видимое движение Юпитера «с луны Ио . В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну, и поэтому движется со скоростью c, указанной в его теории электромагнетизма. В 1905 году Альберт Эйнштейн постулировал, что скорость света c относительно любой инерциальной системы отсчета постоянна и не зависит от движения источника света. Он исследовал последствия этого постулата, выводя теорию относительности, и тем самым показал, что параметр c имеет значение вне контекста света и электромагнетизма.

После столетий все более точных измерений в 1975 году стало известно, что скорость света составляла 299 792 458 м / с ( 983 571 056 футов / с; 186 282,397 миль / с) с погрешностью измерения 4 части на миллиард. В 1983 году метр был переопределен в Международной системе единиц (СИ) как расстояние, проходимое светом в вакууме в 1 /. 299 792 458 из второй .

СОДЕРЖАНИЕ

Числовое значение, обозначения и единицы измерения

Скорость света в вакууме обычно обозначается строчной буквой c , что означает « постоянная» или латинское celeritas (что означает «быстрота, быстрота»). В 1856 году Вильгельм Эдуард Вебер и Рудольф Кольрауш использовали c для другой постоянной, которая, как позже было показано, равна √ 2 скорости света в вакууме. Исторически символ V использовался как альтернативный символ скорости света, введенный Джеймсом Клерком Максвеллом в 1865 году. В 1894 году Пол Друде пересмотрел определение c в его современном значении. Эйнштейн использовал V в своих оригинальных немецкоязычных статьях по специальной теории относительности в 1905 году, но в 1907 году он переключился на c , которая к тому времени стала стандартным символом скорости света.

Иногда c используется для обозначения скорости волн в любой материальной среде, а c _{0 —} для скорости света в вакууме. Это индексируемое обозначение, которое одобрено в официальной литературе СИ, имеет ту же форму, что и другие связанные константы: а именно, μ ₀ для проницаемости вакуума или магнитной постоянной, ε ₀ для диэлектрической проницаемости или электрической постоянной вакуума и Z ₀ для импеданса свободное место . В этой статье c используется исключительно для обозначения скорости света в вакууме.

С 1983 года метр был определен в Международной системе единиц (СИ) как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1 / 299 792 458 секунды. Это определение фиксирует скорость света в вакууме точно на 299 792 458 м / с . Как размерная физическая константа , численное значение c различно для разных систем единиц. В разделах физики, в которых часто встречается c , например, в теории относительности, обычно используются системы естественных единиц измерения или геометризованная система единиц, где c = 1 . При использовании этих единиц c не отображается явно, потому что умножение или деление на 1 не влияет на результат.

Фундаментальная роль в физике

Скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит ни от движения источника волн, ни от инерциальной системы отсчета наблюдателя. Эта неизменность скорости света была постулирована Эйнштейном в 1905 году после того, как она была мотивирована теорией электромагнетизма Максвелла и отсутствием доказательств существования светоносного эфира ; с тех пор это постоянно подтверждается многими экспериментами. Можно только экспериментально проверить, что двусторонняя скорость света (например, от источника к зеркалу и обратно) не зависит от кадра, потому что невозможно измерить одностороннюю скорость света (например, , от источника к удаленному детектору) без каких-либо соглашений о том, как часы на источнике и на детекторе должны быть синхронизированы. Однако, приняв синхронизацию Эйнштейна для часов, односторонняя скорость света по определению становится равной двусторонней скорости света. Специальная теория относительности исследует последствия этой инвариантности с с предположением о том , что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Одним из следствий этого является то, что c — это скорость, с которой все безмассовые частицы и волны, включая свет, должны перемещаться в вакууме.

Специальная теория относительности имеет много противоречивых и экспериментально проверенных следствий. К ним относятся эквивалентность массы и энергии ( E = mc 2 ) , сокращение длины (движущиеся объекты укорачиваются) и замедление времени (движущиеся часы идут медленнее). Коэффициент γ, на который длина сокращается, а время увеличивается, известен как фактор Лоренца и определяется выражением γ = (1 — v 2 / c 2 ) −1/2 , где v — скорость объекта. Разница γ от 1 незначительна для скоростей, намного меньших, чем c , таких как большинство обычных скоростей — и в этом случае специальная теория относительности близко аппроксимируется теорией относительности Галилея — но она увеличивается при релятивистских скоростях и расходится до бесконечности, когда v приближается к c . Например, коэффициент замедления времени γ = 2 возникает при относительной скорости 86,6% скорости света ( v = 0,866 c ). Точно так же коэффициент замедления времени γ = 10 возникает при v = 99,5% c .

Результаты специальной теории относительности можно суммировать, рассматривая пространство и время как единую структуру, известную как пространство-время (где c связывает единицы пространства и времени), и требуя, чтобы физические теории удовлетворяли специальной симметрии, называемой лоренц-инвариантностью , математическая формулировка которой содержит параметр c . Лоренц — инвариантность является почти универсальным допущением для современных физических теорий, таких как квантовая электродинамика , квантовая хромодинамика , в Стандартной модели в физике элементарных частиц и общей теории относительности . Таким образом, параметр c широко используется в современной физике, появляясь во многих контекстах, не связанных со светом. Например, общая теория относительности предсказывает, что c — это также скорость гравитации и гравитационных волн . В неинерциальных системах отсчета (гравитационно искривленное пространство-время или ускоренные системы отсчета ) местная скорость света постоянна и равна c , но скорость света по траектории конечной длины может отличаться от c , в зависимости от того, как расстояния и времена определены.

Обычно предполагается, что фундаментальные константы, такие как c, имеют одинаковое значение в пространстве-времени, что означает, что они не зависят от местоположения и не меняются со временем. Однако в различных теориях предполагалось, что скорость света могла со временем измениться . Не было найдено убедительных доказательств таких изменений, но они остаются предметом текущих исследований.

Также обычно предполагается, что скорость света изотропна , что означает, что она имеет одно и то же значение независимо от направления, в котором она измеряется. Наблюдения за излучением ядерных энергетических уровней в зависимости от ориентации излучающих ядер в магнитном поле (см. Эксперимент Хьюза-Древера ) и вращающихся оптических резонаторов (см. Эксперименты с резонаторами ) наложили строгие ограничения на возможные двусторонние анизотропия .

Верхний предел скорости

Согласно специальной теории относительности, энергия объекта с массой покоя m и скоростью v определяется выражением γmc 2 , где γ — коэффициент Лоренца, определенный выше. Когда v равно нулю, γ равно единице, что дает начало знаменитой формуле E = mc 2 для эквивалентности массы и энергии . Коэффициент γ приближается к бесконечности, когда v приближается к c , и потребуется бесконечное количество энергии, чтобы разогнать объект с массой до скорости света. Скорость света — это верхний предел скорости объектов с положительной массой покоя, и отдельные фотоны не могут двигаться быстрее скорости света. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса .

В более общем смысле, сигналы или энергия не могут двигаться быстрее, чем c . Один из аргументов в пользу этого следует из нелогичного вывода специальной теории относительности, известной как относительность одновременности . Если пространственное расстояние между двумя событиями A и B больше, чем временной интервал между ними, умноженный на c, тогда есть системы отсчета, в которых A предшествует B, другие, в которых B предшествует A, и другие, в которых они одновременны. В результате, если бы что-то двигалось быстрее, чем c, относительно инерциальной системы отсчета, оно двигалось бы назад во времени относительно другой системы отсчета, и причинность была бы нарушена. В такой системе координат «следствие» можно было наблюдать до его «причины». Такое нарушение причинности никогда не регистрировалось и привело бы к таким парадоксам , как тахионный антителефон .

Наблюдения и эксперименты со сверхсветовой скоростью

Бывают ситуации, в которых может показаться, что материя, энергия или несущий информацию сигнал движутся со скоростью больше c , но это не так. Например, как обсуждается ниже при распространении света в сечении среды , многие скорости волны могут превышать c . Так , например, фазовая скорость от рентгеновских лучей через большинство стекол может обычно превышать C , но фазовая скорость не определяет скорость , с которой волны передают информацию.

Если лазерный луч быстро проходит через удаленный объект, пятно света может двигаться быстрее, чем c , хотя первоначальное движение пятна задерживается из-за времени, которое требуется свету, чтобы добраться до удаленного объекта со скоростью c . Однако единственные движущиеся физические объекты — это лазер и излучаемый им свет, который движется со скоростью c от лазера к различным положениям пятна. Точно так же тень, проецируемая на удаленный объект, может двигаться быстрее, чем c , после задержки во времени. Ни в том, ни в другом случае материя, энергия или информация не движутся быстрее света.

Скорость изменения расстояния между двумя объектами в системе отсчета, относительно которой оба движутся (их скорость приближения ), может иметь значение, превышающее c . Однако это не отражает скорость какого-либо отдельного объекта, измеренную в одном инерциальном кадре.

Некоторые квантовые эффекты передаются мгновенно и, следовательно, быстрее, чем c , как в парадоксе ЭПР . Пример включает квантовые состояния двух частиц, которые могут быть запутаны . Пока одна из частиц не будет обнаружена, они существуют в суперпозиции двух квантовых состояний. Если частицы разделены и квантовое состояние одной частицы наблюдается, квантовое состояние другой частицы определяется мгновенно. Однако невозможно контролировать, какое квантовое состояние примет первая частица при ее наблюдении, поэтому информация не может быть передана таким образом.

Другой квантовый эффект, который предсказывает возникновение скоростей, превышающих скорость света, называется эффектом Хартмана : при определенных условиях время, необходимое виртуальной частице для туннелирования через барьер, постоянно, независимо от толщины барьера. Это может привести к тому, что виртуальная частица пересечет большой промежуток быстрее света. Однако с помощью этого эффекта нельзя отправлять информацию.

Так называемое сверхсветовой движение наблюдается в некоторых астрономических объектов, таких как релятивистские струи из радиогалактиках и квазаров . Однако эти струи не движутся со скоростью, превышающей скорость света: кажущееся сверхсветовое движение — это эффект проекции, вызванный объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, и приближающимися к Земле под небольшим углом к ​​лучу зрения: поскольку свет который был испущен, когда струя находилась дальше, потребовалось больше времени, чтобы достичь Земли, время между двумя последовательными наблюдениями соответствует большему времени между моментами испускания световых лучей.

В моделях расширяющейся Вселенной чем дальше галактики находятся друг от друга, тем быстрее они расходятся. Это отступление происходит не из-за движения в пространстве, а скорее из-за расширения самого пространства . Например, галактики, далекие от Земли, кажутся удаляющимися от Земли со скоростью, пропорциональной их расстоянию. За пределами границы, называемой сферой Хаббла , скорость увеличения их расстояния от Земли становится больше, чем скорость света.

Распространение света

В классической физике свет описывается как разновидность электромагнитной волны . Классическое поведение электромагнитного поля описывается уравнениями Максвелла , которые предсказывают, что скорость c, с которой электромагнитные волны (например, свет) распространяются в вакууме, связана с распределенной емкостью и индуктивностью вакуума, иначе известными как электрическая постоянная ε ₀ и магнитной постоянной μ ₀ уравнением

c знак равно 1 ε 0 μ 0 . <\ displaystyle c = <\ frac <1> <\ sqrt <\ varepsilon _ <0>\ mu _ <0>>>> \.>

В современной квантовой физике электромагнитное поле описывается теорией квантовой электродинамики (КЭД). В этой теории свет описывается фундаментальными возбуждениями (или квантами) электромагнитного поля, называемыми фотонами . В КЭД фотоны являются безмассовыми частицами и, следовательно, согласно специальной теории относительности, они движутся со скоростью света в вакууме.

Были рассмотрены расширения КЭД, в которых фотон имеет массу. В такой теории его скорость будет зависеть от его частоты, а инвариантная скорость c специальной теории относительности будет тогда верхним пределом скорости света в вакууме. Никаких изменений скорости света в зависимости от частоты при тщательном тестировании не наблюдалось, что накладывает жесткие ограничения на массу фотона. Полученный предел зависит от используемой модели: если массивный фотон описывается теорией Прока , экспериментальная верхняя граница его массы составляет примерно 10 -57 граммов ; если масса фотона генерируется механизмом Хиггса , экспериментальный верхний предел менее точен, m ≤ 10 -14 эВ / c 2 (примерно 2 × 10 -47 г).

Другой причиной того, что скорость света зависит от его частоты, может быть неприменимость специальной теории относительности к сколь угодно малым масштабам, как предсказывают некоторые предложенные теории квантовой гравитации . В 2009 году при наблюдении гамма-всплеска GRB 090510 не было обнаружено никаких доказательств зависимости скорости фотона от энергии, что подтверждает жесткие ограничения в конкретных моделях квантования пространства-времени на то, как на эту скорость влияет энергия фотона для энергий, приближающихся к планковскому масштабу .

В среде

В среде свет обычно не распространяется со скоростью, равной c ; более того, разные типы световых волн будут распространяться с разной скоростью. Скорость, с которой распространяются отдельные гребни и впадины плоской волны (волны, заполняющей все пространство, только с одной частотой ), называется фазовой скоростью v _p . Физический сигнал с конечной протяженностью (импульс света) распространяется с другой скоростью. Большая часть импульса проходит с групповой скоростью v _g , а его самая ранняя часть проходит со скоростью фронта v _f .

Фазовая скорость важна для определения того, как световая волна распространяется через материал или от одного материала к другому. Его часто представляют в виде показателя преломления . Показатель преломления материала определяется как отношение c к фазовой скорости v _p в материале: большие показатели преломления указывают на более низкие скорости. Показатель преломления материала может зависеть от частоты света, интенсивности, поляризации или направления распространения; однако во многих случаях его можно рассматривать как константу, зависящую от материала. Показатель преломления воздуха составляет около 1,0003. Более плотные среды, такие как вода , стекло и алмаз , имеют показатели преломления около 1,3, 1,5 и 2,4 соответственно для видимого света. В экзотических материалах, таких как конденсаты Бозе – Эйнштейна, близкие к абсолютному нулю, эффективная скорость света может составлять всего несколько метров в секунду. Однако это представляет собой задержку поглощения и повторного излучения между атомами, как и все скорости более медленных, чем с в материальных веществах. В качестве крайнего примера «замедления» света в веществе две независимые группы физиков заявили, что они «полностью остановили» свет, пропуская его через конденсат Бозе-Эйнштейна элемента рубидия . Однако популярное описание «остановки» света в этих экспериментах относится только к свету, который накапливается в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольно более позднее время, стимулированный вторым лазерным импульсом. За то время, когда он «остановился», он перестал светиться. Этот тип поведения обычно микроскопически верен для всех прозрачных сред, которые «замедляют» скорость света.

В прозрачных материалах показатель преломления обычно больше 1, что означает, что фазовая скорость меньше c . В других материалах показатель преломления может стать меньше 1 для некоторых частот; в некоторых экзотических материалах показатель преломления может даже стать отрицательным. Требование о том , причинности не нарушаются означает , что действительные и мнимые части по диэлектрической проницаемости из любого материала, соответствующие соответственно показатель преломления и к коэффициенту ослабления , связаны с отношениями крамерсов-Кронига . На практике это означает, что в материале с показателем преломления менее 1 поглощение волны настолько быстрое, что никакой сигнал не может быть отправлен быстрее, чем c .

Импульс с разными групповыми и фазовыми скоростями (который возникает, если фазовая скорость не одинакова для всех частот импульса) со временем размазывается — процесс, известный как дисперсия . Некоторые материалы имеют исключительно низкую (или даже нулевую) групповую скорость для световых волн — явление, называемое медленным светом , которое было подтверждено в различных экспериментах. Противоположное, групповые скорости, превышающие c , также было показано в эксперименте. Должна быть даже возможность, чтобы групповая скорость стала бесконечной или отрицательной, с импульсами, перемещающимися мгновенно или назад во времени.

Однако ни одна из этих опций не позволяет передавать информацию быстрее, чем c . Невозможно передать информацию световым импульсом быстрее, чем скорость самой ранней части импульса ( скорость фронта ). Можно показать, что это (при определенных предположениях) всегда равно c .

Частица может перемещаться через среду быстрее, чем фазовая скорость света в этой среде (но все же медленнее, чем c ). Когда заряженная частица делает это в диэлектрическом материале, излучается электромагнитный эквивалент ударной волны , известный как черенковское излучение .

Практические эффекты конечности

Скорость света имеет значение для связи : время задержки в одном направлении и в оба конца больше нуля. Это применимо от малых до астрономических масштабов. С другой стороны, некоторые методы зависят от конечной скорости света, например, при измерении расстояний.

Мелкие весы

В суперкомпьютерах скорость света накладывает ограничение на скорость передачи данных между процессорами . Если процессор работает на частоте 1 гигагерц , сигнал может пройти не более 30 сантиметров (1 фут) за один цикл. Поэтому процессоры необходимо размещать близко друг к другу, чтобы минимизировать задержки связи; это может вызвать проблемы с охлаждением. Если тактовые частоты будут продолжать расти, скорость света в конечном итоге станет ограничивающим фактором для внутренней конструкции отдельных микросхем .

Большие расстояния на Земле

Учитывая, что экваториальная окружность Земли составляет около 40 075 км , а с о 300 000 км / с , теоретическое самое короткое время, за которое информация может пройти половину земного шара по поверхности, составляет около 67 миллисекунд. Когда свет перемещается по земному шару в оптическом волокне , фактическое время прохождения больше, отчасти потому, что скорость света в оптическом волокне примерно на 35% ниже, в зависимости от его показателя преломления n . Кроме того, прямые линии редко встречаются в ситуациях глобальной связи, а задержки возникают, когда сигнал проходит через электронный переключатель или регенератор сигнала.

Космические полеты и астрономия

Точно так же связь между Землей и космическим кораблем не является мгновенной. От источника до приемника происходит небольшая задержка, которая становится более заметной по мере увеличения расстояния. Эта задержка была значительной для связи между наземным управлением и Аполлоном-8, когда он стал первым пилотируемым космическим кораблем, вышедшим на орбиту Луны: на каждый вопрос наземная станция управления должна была ждать ответа не менее трех секунд. Задержка связи между Землей и Марсом может варьироваться от пяти до двадцати минут в зависимости от относительного положения двух планет. Как следствие этого, если робот на поверхности Марса столкнется с проблемой, его люди-контролеры не узнают об этом, по крайней мере, через пять минут, а, возможно, и через двадцать минут; тогда потребуется еще пять-двадцать минут, чтобы получить инструкции по путешествию с Земли на Марс.

Получение света и других сигналов от далеких астрономических источников может занять гораздо больше времени. Например, свету потребовалось 13 миллиардов (13 × 10 9 ) лет, чтобы добраться до Земли от далеких галактик, наблюдаемых на изображениях Hubble Ultra Deep Field . На этих фотографиях, сделанных сегодня, запечатлены изображения галактик в том виде, в каком они появились 13 миллиардов лет назад, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. Тот факт, что более далекие объекты кажутся моложе из-за конечной скорости света, позволяет астрономам делать выводы об эволюции звезд , галактик и самой Вселенной .

Иногда астрономические расстояния выражаются в световых годах , особенно в научно-популярных публикациях и СМИ. Световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год, около 9461 миллиарда километров, 5879 миллиардов миль или 0,3066 парсека . В круглых цифрах световой год составляет почти 10 триллионов километров или почти 6 триллионов миль. Проксима Центавра , ближайшая к Земле звезда после Солнца, находится на расстоянии около 4,2 световых лет от нас.

Измерение расстояния

Радиолокационные системы измерение расстояния до цели по времени, которое принимает радиоволновой импульс для возврата к радиолокационной антенне после отражения от цели: расстояние до цели составляет половину туда-обратно время прохождения , умноженное на скорости света . Глобальная система позиционирования (GPS) приемник измеряет его расстояние до спутников GPS на основе того, сколько времени требуется для радиосигнала , чтобы прибыть от каждого спутника, и из этих расстояний вычисляет позицию приемника. Потому что свет путешествует 300 000 километров ( 186 000 миль ) за одну секунду, эти измерения с малыми долями секунды должны быть очень точными. Лазерная локация Луны , радиолокационная астрономия и Deep Space Network определить расстояние до Луны, планет и космических аппаратов, соответственно, путем измерения туда-обратно раз транзита.

Высокочастотная торговля

Скорость света стала важной в высокочастотной торговле , где трейдеры стремятся получить незначительные преимущества, отправляя свои сделки на биржи на доли секунды впереди других трейдеров. Например, трейдеры переходят на микроволновую связь между торговыми центрами из-за преимущества, которое микроволны, распространяющиеся со скоростью, близкой к скорости света в воздухе, имеют по сравнению с оптоволоконными сигналами, которые распространяются на 30-40% медленнее.

Измерение

Есть разные способы определить значение c . Один из способов — измерить фактическую скорость распространения световых волн, что можно сделать в различных астрономических и наземных установках. Однако также возможно определить c из других физических законов, где оно появляется, например, путем определения значений электромагнитных констант ε ₀ и μ ₀ и использования их отношения к c . Исторически наиболее точные результаты были получены при раздельном определении частоты и длины волны светового луча с их произведением, равным c .

В 1983 году метр был определен как «длина пути, пройденного светом в вакууме за промежуток времени 1 ⁄ 299 792 458 секунды «, зафиксировав значение скорости света на 299 792 458 м / с по определению, как описано ниже . Следовательно, точные измерения скорости света дают точную реализацию измерителя, а не точное значение c .

Астрономические измерения

Космическое пространство — удобная установка для измерения скорости света из-за его большого масштаба и почти идеального вакуума . Обычно измеряется время, необходимое свету для прохождения некоторого эталонного расстояния в солнечной системе , например, радиуса орбиты Земли. Исторически такие измерения могли быть выполнены довольно точно по сравнению с тем, насколько точно длина опорного расстояния известна в наземных единицах измерения. Принято выражать результаты в астрономических единицах (а.е.) в сутки.

Оле Кристенсен Рёмер использовал астрономические измерения, чтобы сделать первую количественную оценку скорости света в 1676 году. При измерении с Земли периоды лун, вращающихся вокруг далекой планеты, короче, когда Земля приближается к планете, чем когда Земля приближается к ней. удаляясь от него. Расстояние, проходимое светом от планеты (или ее луны) до Земли, меньше, когда Земля находится в точке своей орбиты, наиболее близкой к ее планете, чем когда Земля находится в самой дальней точке своей орбиты, разница в расстоянии будучи диаметр орбиты Земли вокруг Солнца Наблюдаемое изменение орбитального периода Луны вызвано разницей во времени, необходимом свету для прохождения более короткого или большего расстояния. Рёмер наблюдал этот эффект для Юпитера сокровенной Луны с Ио и сделал вывод , что свет занимает 22 минут , чтобы пересечь диаметр орбиты Земли.

Другой метод — использовать аберрацию света , открытую и объясненную Джеймсом Брэдли в 18 веке. Этот эффект является результатом векторного сложения скорости света, приходящего от удаленного источника (например, звезды), и скорости его наблюдателя (см. Диаграмму справа). Таким образом, движущийся наблюдатель видит свет, исходящий с немного другого направления, и, следовательно, видит источник в положении, смещенном от его исходного положения. Поскольку направление скорости Земли непрерывно изменяется по мере того, как Земля вращается вокруг Солнца, этот эффект заставляет видимое положение звезд перемещаться. Из угловой разницы в положении звезд (максимум 20,5 угловых секунд ) можно выразить скорость света через скорость Земли вокруг Солнца, которая при известной длине года может быть преобразована во время, необходимое для путешествия. от Солнца до Земли. В 1729 году Брэдли использовал этот метод, чтобы получить, что свет путешествует 10 210 раз быстрее Земли по своей орбите (современная цифра В 10 066 раз быстрее) или, что то же самое, что свету потребуется 8 минут 12 секунд, чтобы добраться от Солнца до Земли.

Астрономическая единица

Астрономическая единица (АЕ) — это примерно среднее расстояние между Землей и Солнцем. В 2012 году он был переопределен как 149 597 870 700 м . Ранее АС основывалась не на Международной системе единиц, а на основе гравитационной силы, действующей на Солнце, в рамках классической механики. Текущее определение использует рекомендуемое значение в метрах для предыдущего определения астрономической единицы, которое было определено путем измерения. Это переопределение аналогично метру и аналогичным образом фиксирует скорость света на точном значении в астрономических единицах в секунду (через точную скорость света в метрах в секунду).

Ранее величина, обратная c, выраженная в секундах на астрономическую единицу, была измерена путем сравнения времени, в течение которого радиосигналы достигают различных космических аппаратов в Солнечной системе, с их положением, рассчитанным на основе гравитационного воздействия Солнца и различных планет. Комбинируя множество таких измерений, можно получить наиболее подходящее значение светового времени на единицу расстояния. Например, в 2009 году наилучшая оценка, одобренная Международным астрономическим союзом (МАС), была:

световое время на единицу расстояния: t _au = 499.004 783 836 (10) с c = 0,002 003 988 804 10 (4) AU / s = 173,144 632 674 (3) AU / день.

Относительная погрешность этих измерений составляет 0,02 частей на миллиард ( 2 × 10 −11 ), что эквивалентно неопределенности наземных измерений длины интерферометрией. Поскольку метр определяется как длина, проходимая светом за определенный интервал времени, измерение светового времени в терминах предыдущего определения астрономической единицы также можно интерпретировать как измерение длины а.е. (старое определение) в метров.

Время лётной техники

Метод измерения скорости света состоит в том, чтобы измерить время, необходимое свету, чтобы добраться до зеркала на известное расстояние и обратно. Это принцип работы, лежащий в основе аппарата Физо – Фуко, разработанного Ипполитом Физо и Леоном Фуко .

Установка, которую использовал Физо, состоит из луча света, направленного на зеркало в 8 километрах (5 миль) от него. На пути от источника к зеркалу луч проходит через вращающееся зубчатое колесо. При определенной скорости вращения луч проходит через один зазор на выходе и другой на обратном пути, но при немного большей или меньшей скорости луч ударяется о зуб и не проходит через колесо. Зная расстояние между колесом и зеркалом, количество зубьев на колесе и скорость вращения, можно вычислить скорость света.

Метод Фуко заменяет зубчатое колесо вращающимся зеркалом. Поскольку зеркало продолжает вращаться, пока свет идет к дальнему зеркалу и обратно, свет отражается от вращающегося зеркала под другим углом на выходе, чем на обратном пути. По этой разнице в углах, известной скорости вращения и расстоянию до дальнего зеркала может быть рассчитана скорость света.

В настоящее время, используя осциллографы с временным разрешением менее одной наносекунды, скорость света можно напрямую измерить, рассчитав задержку светового импульса от лазера или светодиода, отраженного от зеркала. Этот метод менее точен (с ошибками порядка 1%), чем другие современные методы, но иногда его используют в качестве лабораторного эксперимента на уроках физики в колледже.

Электромагнитные константы

Вариант вывода c , который не зависит напрямую от измерения распространения электромагнитных волн, заключается в использовании соотношения между c и диэлектрической проницаемостью вакуума ε ₀ и проницаемостью вакуума μ _0, установленным теорией Максвелла: c 2 = 1 / ( ε ₀ μ ₀ ). Диэлектрическая проницаемость вакуума может быть определена путем измерения емкости и размеров конденсатора , тогда как значение проницаемости вакуума зафиксировано на точном уровне. 4π × 10 −7 H⋅m −1 через определение ампера . Роза и Дорси использовали этот метод в 1907 году, чтобы найти значение 299 710 ± 22 км / с .

Резонанс полости

Другой способ измерения скорости света — независимое измерение частоты f и длины волны λ электромагнитной волны в вакууме. Тогда значение c можно найти, используя соотношение c = fλ . Один из вариантов — измерить резонансную частоту объемного резонатора . Если размеры резонансной полости также известны, их можно использовать для определения длины волны. В 1946 году Луи Эссен и А.К. Гордон-Смит установили частоту для множества нормальных режимов микроволн в микроволновом резонаторе точно известных размеров. Размеры устанавливались с точностью около ± 0,8 мкм с помощью калиброванных интерферометрией датчиков. Поскольку длина волны мод была известна из геометрии резонатора и из электромагнитной теории , знание соответствующих частот позволило вычислить скорость света.

Результат Эссена – Гордона-Смита, 299 792 ± 9 км / с , было существенно точнее, чем те, которые были обнаружены оптическими методами. К 1950 году повторные измерения Эссена установили результат: 299 792 0,5 ± 3,0 км / с .

Возможна домашняя демонстрация этой техники с использованием микроволновой печи и продуктов, таких как зефир или маргарин: если поворотный столик убрать, чтобы еда не двигалась, она будет готовиться быстрее всего в пучностях (точках, в которых амплитуда волны самый большой), где он начнет таять. Расстояние между двумя такими пятнами составляет половину длины волны микроволн; Измеряя это расстояние и умножая длину волны на частоту микроволн (обычно отображается на задней панели духовки, обычно 2450 МГц), можно вычислить значение c , «часто с ошибкой менее 5%».

Интерферометрия

Интерферометрия — еще один метод определения длины волны электромагнитного излучения для определения скорости света. Когерентный пучок света (например , от лазера ), с известной частотой ( ф ), расщепляется , чтобы следовать два пути , а затем рекомбинируют. Регулируя длину пути, наблюдая за интерференционной картиной и тщательно измеряя изменение длины пути, можно определить длину волны света ( λ ). Затем скорость света вычисляется с использованием уравнения c = λf .

До появления лазерных технологий когерентные радиоисточники использовались для интерферометрических измерений скорости света. Однако интерферометрическое определение длины волны становится менее точным с увеличением длины волны, и поэтому точность экспериментов была ограничена большой длиной волны (

4 мм (0,16 дюйма)) радиоволн. Точность можно улучшить, используя свет с более короткой длиной волны, но тогда становится трудно напрямую измерить частоту света. Один из способов решения этой проблемы — начать с низкочастотного сигнала, частота которого может быть точно измерена, и из этого сигнала постепенно синтезировать более высокочастотные сигналы, частота которых затем может быть связана с исходным сигналом. Затем лазер может быть привязан к частоте, а его длина волны может быть определена с помощью интерферометрии. Этот метод был разработан группой в Национальном бюро стандартов (NBS) (позже преобразовавшейся в NIST ). Они использовали его в 1972 году , чтобы измерить скорость света в вакууме с дробной неопределенностью в 3,5 × 10 −9 .

История

До начала Нового времени не было известно, распространяется ли свет мгновенно или с очень высокой конечной скоростью. Первое дошедшее до нас записанное исследование этого предмета было в Древней Греции . Древние греки, мусульманские ученые и классические европейские ученые долго спорили об этом, пока Ремер не предоставил первый расчет скорости света. Специальная теория относительности Эйнштейна пришла к выводу, что скорость света постоянна независимо от системы координат. С тех пор ученые обеспечивают все более точные измерения.

Ранняя история

Эмпедокл (ок. 490–430 до н. Э.) Был первым, кто предложил теорию света и заявил, что свет имеет конечную скорость. Он утверждал, что свет — это нечто движущееся, и поэтому ему нужно время, чтобы путешествовать. Аристотель , напротив, утверждал, что «свет возникает из-за присутствия чего-то, но это не движение». Евклид и Птолемей разработали эмиссионную теорию зрения Эмпедокла, согласно которой свет исходит из глаза, что делает возможным зрение. Основываясь на этой теории, Герон Александрийский утверждал, что скорость света должна быть бесконечной, потому что далекие объекты, такие как звезды, появляются сразу после открытия глаз. Ранние исламские философы изначально соглашались с аристотелевской точкой зрения , согласно которой у света нет скорости движения. В 1021 году Альхазен (Ибн аль-Хайтам) опубликовал « Книгу оптики» , в которой он представил ряд аргументов, отвергающих эмиссионную теорию зрения в пользу принятой сейчас теории внутреннего деления, согласно которой свет движется от объекта в глаз. Это привело Альхазена к предположению, что свет должен иметь конечную скорость и что скорость света переменная, уменьшаясь в более плотных телах. Он утверждал, что свет — это материальная материя, для распространения которой требуется время, даже если это скрыто от наших чувств. Также в 11 веке Абу Райхан аль-Бируни согласился с тем, что свет имеет конечную скорость, и заметил, что скорость света намного выше скорости звука.

В 13 веке Роджер Бэкон утверждал, что скорость света в воздухе не бесконечна, используя философские аргументы, подкрепленные трудами Альхазена и Аристотеля. В 1270-х годах Витело рассматривал возможность перемещения света с бесконечной скоростью в вакууме, но замедления в более плотных телах.

В начале 17 века Иоганн Кеплер считал, что скорость света бесконечна, поскольку пустое пространство не представляет для нее препятствий. Рене Декарт утверждал, что, если бы скорость света была конечной, Солнце, Земля и Луна заметно не выровнялись бы во время лунного затмения . Поскольку такое рассогласование не наблюдалось, Декарт пришел к выводу, что скорость света бесконечна. Декарт предположил, что, если скорость света окажется конечной, вся его философская система может быть разрушена. При выводе закона Снеллиуса Декартом он предполагал, что, хотя скорость света мгновенная, чем плотнее среда, тем выше скорость света. Пьер де Ферма вывел закон Снеллиуса, используя противоположное предположение: чем плотнее среда, тем медленнее распространяется свет. Ферма также выступал за конечную скорость света.

Первые попытки измерения

В 1629 году Исаак Бекман предложил эксперимент, в котором человек наблюдает за вспышкой пушки, отражающейся от зеркала на расстоянии около 1,6 км. В 1638 году Галилео Галилей предложил эксперимент, явно заявляя, что провел его несколькими годами ранее, по измерению скорости света, наблюдая за задержкой между открытием фонаря и его восприятием на некотором расстоянии. Он был не в состоянии различить, было ли путешествие светом мгновенным или нет, но пришел к выводу, что в противном случае он, тем не менее, должен быть чрезвычайно быстрым. В 1667 году Академия дель Чименто Флоренции сообщила, что она выполнила эксперимент Галилея с фонарями, разделенными примерно одной милей, но никакой задержки не наблюдалось. Фактическая задержка в этом эксперименте составила бы около 11 микросекунд .

Первая количественная оценка скорости света была сделана в 1676 году Ремером. Из наблюдения, что периоды внутренней луны Юпитера Ио оказались короче, когда Земля приближалась к Юпитеру, чем когда удалялась от него, он пришел к выводу, что свет движется с конечной скоростью, и подсчитал, что свету требуется 22 минуты, чтобы пересечь диаметр Орбита Земли. Христиан Гюйгенс объединил эту оценку с оценкой диаметра орбиты Земли, чтобы получить оценку скорости света 220 000 км / с , что на 26% ниже фактического значения.

В своей книге « Оптика» 1704 года Исаак Ньютон сообщил о расчетах Ремера конечной скорости света и дал значение «семь или восемь минут» для времени, необходимого свету, чтобы пройти от Солнца до Земли (современное значение — 8 минут 19. секунд). Ньютон спросил, окрашены ли тени затмения Ремера; услышав, что это не так, он пришел к выводу, что разные цвета летят с одинаковой скоростью. В 1729 году Джеймс Брэдли открыл звездную аберрацию . Исходя из этого эффекта, он решил, что свет должен путешествовать 10 210 раз быстрее Земли по своей орбите (современная цифра В 10 066 раз быстрее) или, что то же самое, что свету потребуется 8 минут 12 секунд, чтобы добраться от Солнца до Земли.

Связь с электромагнетизмом

В 19 веке Ипполит Физо разработал метод определения скорости света на основе измерений времени пролета на Земле и сообщил о величине 315 000 км / с . Его метод был усовершенствован Леоном Фуко, который получил оценку 298 000 км / с в 1862 году. В 1856 году Вильгельм Эдуард Вебер и Рудольф Кольрауш измерили отношение электромагнитных и электростатических единиц заряда, 1 / √ ε ₀ μ ₀ , разрядив лейденскую банку , и обнаружили, что ее числовое значение значение было очень близко к скорости света, измеренной непосредственно Физо. В следующем году Густав Кирхгоф подсчитал, что электрический сигнал в безопорном проводе распространяется по проводу с такой скоростью. В начале 1860-х Максвелл показал, что в соответствии с теорией электромагнетизма, над которой он работал, электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве со скоростью, равной указанному выше отношению Вебера / Кольрауша, и обратил внимание на численную близость этого значения к соотношению Скорость света, измеренная Физо, он предположил, что свет на самом деле является электромагнитной волной.

«Светоносный эфир»

В то время считалось, что пустое пространство заполнено фоновой средой, называемой светоносным эфиром, в которой существует электромагнитное поле. Некоторые физики думали, что этот эфир выступает в качестве предпочтительной системы отсчета для распространения света, и поэтому должна быть возможность измерить движение Земли относительно этой среды, измеряя изотропию скорости света. Начиная с 1880-х годов было проведено несколько экспериментов, чтобы попытаться обнаружить это движение, самым известным из которых является эксперимент, проведенный Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом В. Морли в 1887 году. Обнаруженное движение всегда было меньше, чем ошибка наблюдения. Современные эксперименты показывают, что двусторонняя скорость света изотропна (одинакова во всех направлениях) с точностью до 6 нанометров в секунду. В связи с этим экспериментом Хендрик Лоренц предположил, что движение устройства в эфире может привести к сокращению устройства по его длине в направлении движения, и далее он предположил, что временная переменная для движущихся систем также должна быть изменена соответствующим образом (» местное время »), что привело к формулировке преобразования Лоренца . Основываясь на теории эфира Лоренца , Анри Пуанкаре (1900) показал, что это местное время (до первого порядка по v / c) указывается часами, движущимися в эфире, которые синхронизированы в предположении постоянной скорости света. В 1904 году он предположил, что скорость света может быть ограничивающей скоростью в динамике, при условии, что все предположения теории Лоренца подтвердятся. В 1905 году Пуанкаре привел теорию эфира Лоренца в полное наблюдательное согласие с принципом относительности .

Специальная теория относительности

В 1905 году Эйнштейн с самого начала постулировал, что скорость света в вакууме, измеренная неускоряющим наблюдателем, не зависит от движения источника или наблюдателя. Используя это и принцип относительности в качестве основы, он вывел специальную теорию относительности , в которой скорость света в вакууме c фигурировала как фундаментальная константа, также появляющаяся в контекстах, не связанных со светом. Это сделало концепцию неподвижного эфира (которой все еще придерживались Лоренц и Пуанкаре) бесполезной и произвело революцию в представлениях о пространстве и времени.

Повышенная точность с и переопределение счетчика и секунды

Во второй половине 20-го века был достигнут большой прогресс в повышении точности измерений скорости света, сначала с помощью методов резонансного резонанса, а затем с помощью методов лазерного интерферометра. Этому способствовали новые, более точные определения метра и секунды. В 1950 году Луи Эссен определил скорость как 299 792 0,5 ± 3,0 км / с , с использованием полости резонанса. Это значение было принято 12-й Генеральной ассамблеей Радионаучного союза в 1957 году. В 1960 году измеритель был переопределен с точки зрения длины волны определенной спектральной линии криптона-86, а в 1967 году второе определение было изменено на Члены частоты сверхтонкого перехода основного состояния цезия-133 .

В 1972 году, используя метод лазерного интерферометра и новые определения, группа из Национального бюро стандартов США в Боулдере, штат Колорадо, определила скорость света в вакууме как c = 299 792 456 0,2 ± 1,1 м / с . Это было в 100 раз менее неопределенным, чем ранее принятое значение. Оставшаяся неопределенность в основном связана с определением счетчика. Поскольку аналогичные эксперименты дали сопоставимые результаты для c , 15-я Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 г. рекомендовала использовать значение 299 792 458 м / с для скорости света.

Определение скорости света как явной константы

В 1983 году 17-е собрание Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) обнаружило, что длины волн из измерений частоты и заданное значение скорости света более воспроизводимы, чем предыдущий стандарт. Они сохранили определение секунды 1967 года , поэтому сверхтонкая частота цезия теперь будет определять и секунду, и метр. Для этого они переопределили измеритель как: «Метр — это длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени 1 /. 299 792 458 секунды «. В результате этого определения значение скорости света в вакууме точно равно 299 792 458 м / с и стала постоянной величиной в системе единиц СИ. Усовершенствованные экспериментальные методы, которые до 1983 года позволяли измерять скорость света, больше не влияют на известное значение скорости света в единицах СИ, а вместо этого позволяют более точно реализовать измеритель путем более точного измерения длины волны криптона. 86 и другие источники света.

В 2011 году CGPM заявила о своем намерении переопределить все семь базовых единиц СИ, используя то, что она называет «формулировкой явной константы», где каждая «единица определяется косвенно путем указания точного значения для общепризнанной фундаментальной константы», поскольку было сделано для скорости света. Он предложил новую, но полностью эквивалентную формулировку определения метра: «Метр, символ m, является единицей длины; его величина устанавливается путем фиксации числового значения скорости света в вакууме, равного точно 299 792 458, когда оно выражено в единицах СИ мс -1 » . Это было одно из изменений, которые были включены в переопределение базовых единиц СИ в 2019 году , также называемое Новой СИ .

Источник