Powolne światło. Prędkość światła w ośrodku

Doktor nauk technicznych A. GOLUBEV.

W połowie ubiegłego roku w magazynach pojawił się sensacyjny wpis. Grupa amerykańskich badaczy odkryła, że ​​bardzo krótki impuls laserowy porusza się w specjalnie dobranym ośrodku setki razy szybciej niż w próżni. Zjawisko to wydawało się zupełnie niewiarygodne (prędkość światła w ośrodku jest zawsze mniejsza niż w próżni), a nawet budziło wątpliwości co do słuszności szczególnej teorii względności. Tymczasem nadświetlny obiekt fizyczny – impuls laserowy w ośrodku wzmacniającym – odkryto po raz pierwszy nie w 2000 r., ale 35 lat wcześniej, w 1965 r., a możliwość ruchu nadświetlnego była szeroko dyskutowana aż do początku lat 70. XX wieku. Dziś dyskusja na temat tego dziwnego zjawiska nabrała nowej energii.

Przykłady ruchu „nadświetlnego”.

Na początku lat 60. zaczęto uzyskiwać krótkie impulsy świetlne o dużej mocy poprzez przepuszczanie błysku lasera przez wzmacniacz kwantowy (ośrodek o odwróconej obsadzie).

W ośrodku wzmacniającym początkowy obszar impulsu świetlnego powoduje wymuszoną emisję atomów w ośrodku wzmacniającym, a jego końcowy obszar powoduje ich absorpcję energii. W rezultacie obserwatorowi będzie się wydawać, że impuls porusza się szybciej niż światło.

Eksperyment Lijuna Wonga.

Promień światła przechodzący przez pryzmat wykonany z przezroczystego materiału (na przykład szkła) ulega załamaniu, czyli ulega rozproszeniu.

Impuls świetlny to zbiór oscylacji o różnych częstotliwościach.

Chyba każdy – nawet ludzie dalecy od fizyki – wie, że maksymalna możliwa prędkość ruchu obiektów materialnych czy rozchodzenia się jakichkolwiek sygnałów to prędkość światła w próżni. Jest to oznaczone literą Z i wynosi prawie 300 tysięcy kilometrów na sekundę; Dokładna wartość Z= 299 792 458 m/s. Prędkość światła w próżni jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Niemożność osiągnięcia prędkości przekraczających Z, wynika ze szczególnej teorii względności Einsteina (STR). Gdyby można było udowodnić, że transmisja sygnałów z prędkością ponadświetlną jest możliwa, teoria względności upadłaby. Jak dotąd tak się nie stało, pomimo licznych prób obalenia zakazu istnienia prędkości większych niż Z. Jednak ostatnie badania eksperymentalne ujawniły kilka bardzo interesujących zjawisk, wskazujących, że w specjalnie stworzonych warunkach można obserwować prędkości nadświetlne bez naruszania zasad teorii względności.

Na początek przypomnijmy główne aspekty związane z problemem prędkości światła. Po pierwsze: dlaczego nie da się (w normalnych warunkach) przekroczyć limitu światła? Bo wtedy zostaje naruszone podstawowe prawo naszego świata – prawo przyczynowości, zgodnie z którym skutek nie może poprzedzać przyczyny. Nikt nigdy nie zaobserwował, żeby np. najpierw padł martwy niedźwiedź, a potem myśliwy strzelił. Przy prędkościach przekraczających Z, sekwencja wydarzeń zostaje odwrócona, taśma czasu cofa się. Łatwo to sprawdzić na podstawie następującego prostego rozumowania.

Załóżmy, że jesteśmy na jakimś kosmicznym cudownym statku, poruszającym się szybciej niż światło. Wtedy stopniowo doganialibyśmy światło emitowane przez źródło w coraz wcześniejszych momentach. Najpierw dogoniliśmy fotony wyemitowane powiedzmy wczoraj, potem te wyemitowane przedwczoraj, potem tydzień, miesiąc, rok temu i tak dalej. Gdyby źródłem światła było lustro odbijające życie, najpierw widzielibyśmy wydarzenia z wczoraj, potem przedwczoraj i tak dalej. Moglibyśmy zobaczyć, powiedzmy, starego człowieka, który stopniowo przemienia się w mężczyznę w średnim wieku, potem w młodzieńca, w młodzieńca, w dziecko... Czyli czas by się cofnął, przeszlibyśmy od teraźniejszości do przeszłość. Przyczyny i skutki zamieniłyby się wówczas miejscami.

Chociaż dyskusja ta całkowicie ignoruje szczegóły techniczne procesu obserwacji światła, z podstawowego punktu widzenia wyraźnie pokazuje, że ruch z prędkościami ponadświetlnymi prowadzi do sytuacji, która jest niemożliwa w naszym świecie. Jednak natura postawiła jeszcze bardziej rygorystyczne warunki: ruch nie tylko z prędkością nadświetlną jest nieosiągalny, ale także z prędkością równą prędkości światła - można się do niej jedynie zbliżyć. Z teorii względności wynika, że ​​wraz ze wzrostem prędkości ruchu zachodzą trzy okoliczności: wzrasta masa poruszającego się obiektu, maleje jego wielkość w kierunku ruchu oraz zwalnia się upływ czasu na tym obiekcie (od punktu z punktu widzenia zewnętrznego „odpoczywającego” obserwatora). Przy zwykłych prędkościach zmiany te są znikome, jednak w miarę zbliżania się do prędkości światła stają się coraz bardziej zauważalne, a w granicy - przy prędkości równej Z, - masa staje się nieskończenie duża, obiekt całkowicie traci rozmiar w kierunku ruchu i czas się na nim zatrzymuje. Dlatego żadne ciało materialne nie może osiągnąć prędkości światła. Tylko samo światło ma taką prędkość! (A także cząstka „wszechprzenikająca” - neutrino, które podobnie jak foton nie może poruszać się z prędkością mniejszą niż Z.)

Teraz o prędkości transmisji sygnału. Właściwe jest tutaj użycie reprezentacji światła w postaci fal elektromagnetycznych. Co to jest sygnał? To są pewne informacje, które należy przekazać. Idealna fala elektromagnetyczna to nieskończona sinusoida o ściśle jednej częstotliwości i nie może ona przenosić żadnej informacji, ponieważ każdy okres takiej sinusoidy dokładnie powtarza poprzedni. Prędkość przemieszczania się fazy fali sinusoidalnej – tzw. prędkość fazowa - może w ośrodku w pewnych warunkach przekraczać prędkość światła w próżni. Nie ma tutaj żadnych ograniczeń, ponieważ prędkość fazowa nie jest prędkością sygnału - jeszcze nie istnieje. Aby stworzyć sygnał, musisz zrobić jakiś „znak” na fali. Takim znakiem może być np. zmiana dowolnego parametru fali – amplitudy, częstotliwości czy fazy początkowej. Ale gdy tylko znak zostanie wykonany, fala traci swoją sinusoidalność. Zostaje zmodulowany, składający się z zestawu prostych fal sinusoidalnych o różnych amplitudach, częstotliwościach i fazach początkowych - grupy fal. Prędkość, z jaką znacznik porusza się w modulowanej fali, jest prędkością sygnału. Podczas propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje propagację wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz „Science and Life” nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nieprzypadkowo użyto tutaj wyrażenia „w normalnych warunkach”, gdyż w niektórych przypadkach prędkość grupowa może przekroczyć Z lub nawet traci swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. Stacja serwisowa stwierdza, że ​​nie jest możliwe przesyłanie sygnału z prędkością większą niż Z.

Dlaczego tak jest? Ponieważ istnieje przeszkoda w przesyłaniu jakiegokolwiek sygnału z prędkością większą niż Z Służy temu samo prawo przyczynowości. Wyobraźmy sobie taką sytuację. W pewnym momencie A błysk światła (zdarzenie 1) włącza urządzenie wysyłające określony sygnał radiowy, a w odległym punkcie B pod wpływem tego sygnału radiowego następuje eksplozja (zdarzenie 2). Jest oczywiste, że zdarzenie 1 (rozbłysk) jest przyczyną, a zdarzenie 2 (eksplozja) jest konsekwencją występującą później niż przyczyna. Gdyby jednak sygnał radiowy rozchodził się z prędkością ponadświetlną, obserwator w pobliżu punktu B najpierw zobaczyłby eksplozję, a dopiero potem dotarłby do niego z prędkością Z błysk światła, przyczyna eksplozji. Innymi słowy, dla tego obserwatora zdarzenie 2 miałoby miejsce wcześniej niż zdarzenie 1, to znaczy skutek poprzedzałby przyczynę.

Należy podkreślić, że „nadświetlny zakaz” teorii względności nałożony jest jedynie na ruch ciał materialnych i przekazywanie sygnałów. W wielu sytuacjach możliwy jest ruch z dowolną prędkością, ale nie będzie to ruch obiektów materialnych ani sygnałów. Wyobraźmy sobie na przykład dwie dość długie linijki leżące w tej samej płaszczyźnie, z których jedna jest umieszczona poziomo, a druga przecina ją pod niewielkim kątem. Jeśli pierwszą linijkę przesuniemy w dół (w kierunku wskazanym przez strzałkę) z dużą prędkością, punkt przecięcia linijek może biec tak szybko, jak to konieczne, ale ten punkt nie jest ciałem materialnym. Inny przykład: jeśli weźmiemy latarkę (lub powiedzmy laser dający wąską wiązkę) i szybko opiszemy nią łuk w powietrzu, to prędkość liniowa plamki świetlnej będzie rosła wraz z odległością i przy dostatecznie dużej odległości będzie przekroczyć Z. Plamka świetlna będzie przemieszczać się pomiędzy punktami A i B z prędkością nadświetlną, ale nie będzie to transmisja sygnału z A do B, gdyż taka plamka świetlna nie niesie żadnej informacji o punkcie A.

Wydawać by się mogło, że problem prędkości nadświetlnych został rozwiązany. Jednak w latach 60. XX wieku fizycy teoretyczni wysunęli hipotezę o istnieniu cząstek nadświetlnych zwanych tachionami. To bardzo dziwne cząstki: teoretycznie są możliwe, ale aby uniknąć sprzeczności z teorią względności, trzeba było im przypisać wyimaginowaną masę spoczynkową. Fizycznie wyimaginowana masa nie istnieje, jest to czysto matematyczna abstrakcja. Nie wywołało to jednak większego niepokoju, gdyż tachiony nie mogą znajdować się w spoczynku – istnieją (jeśli istnieją!) tylko z prędkościami przekraczającymi prędkość światła w próżni i w tym przypadku masa tachionu okazuje się rzeczywista. Istnieje tu pewna analogia z fotonami: foton ma zerową masę spoczynkową, ale oznacza to po prostu, że foton nie może znajdować się w spoczynku – światła nie można zatrzymać.

Najtrudniejszą rzeczą okazało się, jak można było się spodziewać, pogodzenie hipotezy tachionowej z prawem przyczynowości. Próby podejmowane w tym kierunku, choć dość pomysłowe, nie doprowadziły do ​​​​oczywistego sukcesu. Nikomu też nie udało się eksperymentalnie zarejestrować tachionów. W rezultacie zainteresowanie tachionami jako nadświetlnymi cząstkami elementarnymi stopniowo zanikało.

Jednak w latach 60. eksperymentalnie odkryto zjawisko, które początkowo zdezorientowało fizyków. Zostało to szczegółowo opisane w artykule A. N. Oraevsky’ego „Fale superluminalne w mediach wzmacniających” (UFN nr 12, 1998). Tutaj krótko streścimy istotę sprawy, odsyłając czytelnika zainteresowanego szczegółami do wskazanego artykułu.

Wkrótce po odkryciu laserów – na początku lat 60-tych – pojawił się problem uzyskania krótkich (czas trwania około 1 ns = 10 -9 s) impulsów świetlnych o dużej mocy. W tym celu krótki impuls laserowy przepuszczono przez optyczny wzmacniacz kwantowy. Impuls został podzielony na dwie części za pomocą lustra rozdzielającego wiązkę. Jeden z nich, mocniejszy, był wysyłany do wzmacniacza, drugi zaś rozchodził się w powietrzu i służył jako impuls odniesienia, z którym można było porównać impuls przechodzący przez wzmacniacz. Obydwa impulsy podawano do fotodetektorów, a ich sygnały wyjściowe można było wizualnie obserwować na ekranie oscyloskopu. Oczekiwano, że impuls świetlny przechodzący przez wzmacniacz będzie charakteryzował się pewnym opóźnieniem w stosunku do impulsu odniesienia, to znaczy prędkość propagacji światła we wzmacniaczu będzie mniejsza niż w powietrzu. Wyobraźcie sobie zdumienie badaczy, gdy odkryli, że impuls rozchodzi się przez wzmacniacz z prędkością nie tylko większą niż w powietrzu, ale także kilkukrotnie większą niż prędkość światła w próżni!

Po otrząsnięciu się z pierwszego szoku fizycy zaczęli szukać przyczyny tak nieoczekiwanego wyniku. Nikt nie miał najmniejszych wątpliwości co do zasad szczególnej teorii względności i właśnie to pomogło znaleźć właściwe wyjaśnienie: jeśli zachowane zostaną zasady SRT, to odpowiedzi należy szukać we właściwościach ośrodka wzmacniającego.

Nie wchodząc w szczegóły, zaznaczymy jedynie, że szczegółowa analiza mechanizmu działania ośrodka wzmacniającego całkowicie wyjaśniła sytuację. Chodziło o zmianę koncentracji fotonów w trakcie propagacji impulsu – zmianę spowodowaną zmianą wzmocnienia ośrodka do wartości ujemnej podczas przejścia tylnej części impulsu, gdy ośrodek już pochłonął energię, gdyż jej rezerwa własna została już wyczerpana w związku z jej przejściem na impuls świetlny. Absorpcja powoduje nie wzrost, ale osłabienie impulsu, w związku z czym impuls zostaje wzmocniony w przedniej części i osłabiony w tylnej części. Wyobraźmy sobie, że obserwujemy impuls za pomocą urządzenia poruszającego się z prędkością światła w ośrodku wzmacniacza. Gdyby medium było przezroczyste, widzielibyśmy impuls zastygły w bezruchu. W środowisku, w którym zachodzi powyższy proces, wzmocnienie zbocza narastającego i osłabienie zbocza tylnego impulsu będzie dla obserwatora widoczne w taki sposób, że będzie się wydawało, że ośrodek przesunął impuls do przodu. Ale ponieważ urządzenie (obserwator) porusza się z prędkością światła, a impuls go wyprzedza, to prędkość impulsu przekracza prędkość światła! To właśnie ten efekt zarejestrowali eksperymentatorzy. I tutaj naprawdę nie ma sprzeczności z teorią względności: proces wzmacniania jest po prostu taki, że koncentracja fotonów, które wyszły wcześniej, okazuje się większa niż tych, które wyszły później. To nie fotony poruszają się z prędkościami nadświetlnymi, ale obwiednia impulsu, w szczególności jego maksimum, które obserwuje się na oscyloskopie.

Tak więc, o ile w zwykłych ośrodkach zawsze następuje osłabienie światła i zmniejszenie jego prędkości, określone przez współczynnik załamania światła, o tyle w aktywnych ośrodkach laserowych dochodzi nie tylko do wzmocnienia światła, ale także do propagacji impulsu z prędkością ponadświetlną.

Niektórzy fizycy próbowali eksperymentalnie wykazać obecność ruchu nadświetlnego podczas efektu tunelowego – jednego z najbardziej niesamowitych zjawisk w mechanice kwantowej. Efekt ten polega na tym, że mikrocząstka (a dokładniej mikroobiekt, który w różnych warunkach wykazuje zarówno właściwości cząstki, jak i właściwości fali) jest w stanie przedostać się przez tzw. barierę potencjału – zjawisko całkowicie niemożliwe w mechanice klasycznej (w której taka sytuacja byłaby analogiczna: kula rzucona w ścianę wylądowałaby po drugiej stronie ściany lub ruch falowy nadawany przywiązanej do ściany linie zostałby przeniesiony na lina przywiązana do ściany po drugiej stronie). Istota efektu tunelowego w mechanice kwantowej jest następująca. Jeżeli mikroobiekt o określonej energii napotka na swojej drodze obszar o energii potencjalnej przekraczającej energię mikroobiektu, obszar ten stanowi dla niego barierę, której wysokość wyznaczana jest przez różnicę energii. Ale mikroobiekt „przecieka” przez barierę! Możliwość taką daje mu dobrze znana zależność niepewności Heisenberga, zapisana dla energii i czasu oddziaływania. Jeżeli oddziaływanie mikroobiektu z barierą zachodzi przez dość pewien czas, to energia mikroobiektu, przeciwnie, będzie charakteryzowała się niepewnością, a jeśli ta niepewność będzie rzędu wysokości bariery, to ten ostatni przestaje być dla mikroobiektu przeszkodą nie do pokonania. Prędkość penetracji bariery potencjału stała się przedmiotem badań wielu fizyków, którzy uważają, że może ona przekroczyć Z.

W czerwcu 1998 roku odbyło się w Kolonii międzynarodowe sympozjum poświęcone problematyce ruchu nadświetlnego, na którym omówiono wyniki uzyskane w czterech laboratoriach - w Berkeley, Wiedniu, Kolonii i Florencji.

I wreszcie w 2000 roku pojawiły się doniesienia o dwóch nowych eksperymentach, w których pojawiły się efekty propagacji nadświetlnej. Jedno z nich wykonał Lijun Wong i jego współpracownicy z Princeton Research Institute (USA). W rezultacie impuls świetlny wchodzący do komory wypełnionej oparami cezu zwiększa swoją prędkość 300-krotnie. Okazało się, że główna część impulsu opuściła odległą ścianę komory jeszcze wcześniej niż impuls wszedł do komory przez przednią ścianę. Sytuacja ta jest sprzeczna nie tylko ze zdrowym rozsądkiem, ale w istocie z teorią względności.

Przesłanie L. Wonga wywołało ożywioną dyskusję wśród fizyków, z których większość nie była skłonna widzieć w uzyskanych wynikach naruszenia zasad względności. Uważają, że wyzwaniem jest prawidłowe wyjaśnienie tego eksperymentu.

W doświadczeniu L. Wonga impuls świetlny wchodzący do komory z parami cezu trwał około 3 μs. Atomy cezu mogą istnieć w szesnastu możliwych stanach mechaniki kwantowej, zwanych „nadsubtelnymi podpoziomami magnetycznymi stanu podstawowego”. Za pomocą optycznego pompowania laserowego prawie wszystkie atomy zostały doprowadzone tylko do jednego z tych szesnastu stanów, odpowiadających temperaturze prawie zera absolutnego w skali Kelvina (-273,15 o C). Długość komory cezowej wynosiła 6 centymetrów. W próżni światło pokonuje odległość 6 centymetrów w ciągu 0,2 ns. Jak wykazały pomiary, impuls świetlny przeszedł przez komorę z cezem w czasie o 62 ns krótszym niż w próżni. Innymi słowy, czas potrzebny impulsowi na przejście przez ośrodek cezowy ma znak minus! Rzeczywiście, jeśli odejmiemy 62 ns od 0,2 ns, otrzymamy czas „ujemny”. To „ujemne opóźnienie” w ośrodku – niezrozumiały skok czasu – jest równe czasowi, w którym impuls spowodowałby 310 przejść przez komorę w próżni. Konsekwencją tego „czasowego odwrócenia” było to, że impuls opuszczający komorę zdołał odsunąć się od niej o 19 metrów, zanim nadchodzący impuls dotarł do najbliższej ściany komory. Jak można wytłumaczyć tak niewiarygodną sytuację (chyba że oczywiście wątpimy w czystość eksperymentu)?

Sądząc po toczącej się dyskusji, nie znaleziono jeszcze dokładnego wyjaśnienia, ale nie ma wątpliwości, że odgrywają tu rolę niezwykłe właściwości dyspersyjne ośrodka: pary cezu, składające się z atomów wzbudzonych światłem lasera, są ośrodkiem o anomalnej dyspersji . Przypomnijmy pokrótce o co chodzi.

Dyspersja substancji to zależność fazowego (zwykłego) współczynnika załamania światła N na długości fali l. Przy normalnej dyspersji współczynnik załamania światła wzrasta wraz ze zmniejszaniem się długości fali i ma to miejsce w przypadku szkła, wody, powietrza i wszystkich innych substancji przezroczystych dla światła. W substancjach silnie pochłaniających światło przebieg współczynnika załamania światła wraz ze zmianą długości fali ulega odwróceniu i staje się znacznie bardziej stromy: wraz ze spadkiem l (rosnąca częstotliwość w) współczynnik załamania światła gwałtownie maleje i w pewnym obszarze długości fali staje się mniejszy niż jedność (prędkość fazowa V f > Z). Jest to anomalna dyspersja, w której wzór rozchodzenia się światła w substancji zmienia się radykalnie. Szybkość grupy V gr staje się większa niż prędkość fazowa fal i może przekroczyć prędkość światła w próżni (a także stać się ujemna). L. Wong wskazuje na tę okoliczność jako na przyczynę leżącą u podstaw możliwości wyjaśnienia wyników jego eksperymentu. Warto jednak zaznaczyć, że warunek V gr > Z ma charakter czysto formalny, gdyż pojęcie prędkości grupowej wprowadzono dla przypadku małej (normalnej) dyspersji, dla ośrodków przezroczystych, gdy grupa fal podczas propagacji prawie nie zmienia swojego kształtu. W obszarach o anomalnym rozproszeniu impuls świetlny ulega szybkiemu odkształceniu i pojęcie prędkości grupowej traci swoje znaczenie; w tym przypadku wprowadza się pojęcia prędkości sygnału i prędkości propagacji energii, które w ośrodkach przezroczystych pokrywają się z prędkością grupową, a w ośrodkach z absorpcją pozostają mniejsze niż prędkość światła w próżni. Ale oto, co jest interesujące w eksperymencie Wonga: impuls świetlny przechodzący przez ośrodek o anomalnej dyspersji nie ulega deformacji - dokładnie zachowuje swój kształt! Odpowiada to założeniu, że impuls rozchodzi się z prędkością grupową. Ale jeśli tak, to okazuje się, że w ośrodku nie ma absorpcji, chociaż anomalne rozproszenie ośrodka wynika właśnie z absorpcji! Sam Wong, choć przyznaje, że wiele pozostaje niejasnych, uważa, że ​​to, co dzieje się w jego układzie eksperymentalnym, można w pierwszym przybliżeniu jasno wyjaśnić w następujący sposób.

Impuls świetlny składa się z wielu składowych o różnych długościach fal (częstotliwościach). Rysunek przedstawia trzy z tych komponentów (fale 1-3). W pewnym momencie wszystkie trzy fale są w fazie (ich maksima pokrywają się); tutaj sumując się, wzmacniają się i tworzą impuls. W miarę dalszej propagacji w przestrzeni fale ulegają defazie i w ten sposób „znoszą się” wzajemnie.

W obszarze anomalnej dyspersji (wewnątrz ogniwa cezowego) fala, która była krótsza (fala 1), staje się dłuższa. I odwrotnie, fala, która była najdłuższa z trzech (fala 3), staje się najkrótsza.

W związku z tym fazy fal odpowiednio się zmieniają. Gdy fale przejdą przez komórkę cezową, ich czoło falowe zostaje przywrócone. Po przejściu niezwykłej modulacji fazowej w substancji o anomalnej dyspersji, trzy fale, o których mowa, ponownie w pewnym momencie znajdują się w fazie. Tutaj sumują się ponownie i tworzą impuls o dokładnie tym samym kształcie, co impuls wchodzący do ośrodka cezowego.

Zwykle w powietrzu, a właściwie w każdym przezroczystym ośrodku o normalnym rozproszeniu, impuls świetlny nie może dokładnie zachować swojego kształtu podczas propagacji na odległą odległość, to znaczy, że wszystkie jego składniki nie mogą być fazowane w żadnym odległym punkcie ścieżki propagacji. A w normalnych warunkach po pewnym czasie w tak odległym punkcie pojawia się impuls świetlny. Jednakże, ze względu na anomalne właściwości ośrodka użytego w eksperymencie, impuls w odległym punkcie okazał się być fazowany w taki sam sposób, jak przy wejściu do tego ośrodka. Impuls świetlny zachowuje się zatem tak, jakby miał ujemne opóźnienie w drodze do odległego punktu, to znaczy miał do niego dotrzeć nie później, ale wcześniej niż przeszedł przez ośrodek!

Większość fizyków jest skłonna kojarzyć ten wynik z pojawieniem się prekursora o niskim natężeniu w ośrodku dyspersyjnym komory. Faktem jest, że podczas rozkładu widmowego impulsu widmo zawiera składowe o dowolnie wysokich częstotliwościach o pomijalnie małej amplitudzie, tzw. prekursor, wyprzedzający „główną część” impulsu. Charakter osadzania i kształt prekursora zależą od prawa dyspersji w ośrodku. Mając to na uwadze, proponuje się interpretować sekwencję zdarzeń w eksperymencie Wonga w następujący sposób. Nadchodząca fala, „wyciągając” przed siebie zwiastuna, zbliża się do kamery. Zanim szczyt nadchodzącej fali uderzy w bliższą ścianę komory, prekursor inicjuje pojawienie się w komorze impulsu, który dociera do dalszej ściany i odbija się od niej, tworząc „falę odwrotną”. Ta fala rozprzestrzenia się 300 razy szybciej Z, dociera do pobliskiej ściany i spotyka nadchodzącą falę. Szczyty jednej fali spotykają się z dolinami drugiej, tak że niszczą się nawzajem i w rezultacie nic nie zostaje. Okazuje się, że nadchodząca fala „spłaca dług” wobec atomów cezu, które „użyczyły” jej energii na drugim końcu komory. Każdy, kto widziałby tylko początek i koniec eksperymentu, zobaczyłby jedynie impuls światła, który „przeskoczył” w czasie do przodu, poruszając się szybciej Z.

L. Wong uważa, że ​​jego eksperyment nie jest zgodny z teorią względności. Jego zdaniem stwierdzenie o nieosiągalności prędkości nadświetlnej odnosi się jedynie do obiektów o masie spoczynkowej. Światło można przedstawić albo w postaci fal, do których pojęcie masy na ogół nie ma zastosowania, albo w postaci fotonów o masie spoczynkowej, jak wiadomo, równej zeru. Dlatego według Wonga prędkość światła w próżni nie jest granicą. Jednak Wong przyznaje, że odkryty przez niego efekt nie pozwala na przesyłanie informacji z prędkością większą niż Z.

„Informacje zawarte są już w przedniej krawędzi impulsu” – mówi P. Milonni, fizyk z Los Alamos National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. „I może sprawiać wrażenie, że informacje przesyłane są szybciej niż światło, nawet jeśli nie wysyłają”.

Większość fizyków uważa, że ​​nowa praca nie zadaje miażdżącego ciosu podstawowym zasadom. Jednak nie wszyscy fizycy wierzą, że problem został rozwiązany. Profesor A. Ranfagni z włoskiej grupy badawczej, która w 2000 r. przeprowadziła kolejny ciekawy eksperyment, uważa, że ​​kwestia ta jest nadal otwarta. Eksperyment przeprowadzony przez Daniela Mugnai, Anedio Ranfagniego i Rocco Ruggeri odkrył, że fale radiowe o długości fali centymetrowej podczas normalnego lotu powietrznego z prędkościami przekraczającymi Z o 25%.

Podsumowując, możemy powiedzieć, co następuje. Prace przeprowadzone w ostatnich latach pokazują, że w pewnych warunkach faktycznie może wystąpić prędkość nadświetlna. Ale co dokładnie porusza się z prędkością ponadświetlną? Teoria względności, jak już wspomniano, zabrania takiej prędkości w przypadku ciał materialnych i sygnałów przenoszących informację. Niemniej jednak niektórzy badacze bardzo uporczywie próbują wykazać pokonanie bariery świetlnej specjalnie dla sygnałów. Powodem tego jest fakt, że w szczególnej teorii względności nie ma ścisłego uzasadnienia matematycznego (na przykład w oparciu o równania Maxwella dla pola elektromagnetycznego) niemożności przesyłania sygnałów z prędkościami większymi niż Z. Taka niemożność w STW została ustalona, ​​można by rzec, czysto arytmetycznie, na podstawie wzoru Einsteina na dodawanie prędkości, ale zasadniczo potwierdza to zasada przyczynowości. Sam Einstein rozpatrując kwestię nadświetlnej transmisji sygnału napisał, że w tym przypadku „...zmuszeni jesteśmy rozważyć możliwy mechanizm transmisji sygnału, w którym osiągnięte działanie poprzedza przyczynę. Jednak choć wynika to z punktu czysto logicznego poglądu nie zawiera się w sobie, moim zdaniem, nie ma w nim sprzeczności, niemniej jednak tak bardzo zaprzecza naturze całego naszego doświadczenia, że ​​niemożność założenia V > s wydaje się być wystarczająco udowodnione.” Zasada przyczynowości jest kamieniem węgielnym leżącym u podstaw niemożności transmisji sygnału nadświetlnego. I najwyraźniej wszystkie poszukiwania sygnałów nadświetlnych bez wyjątku potkną się o ten kamień, niezależnie od tego, jak bardzo eksperymentatorzy chcieliby je wykryć sygnały, bo taka jest natura naszego świata.

Podsumowując, należy podkreślić, że wszystko powyższe dotyczy konkretnie naszego świata, naszego Wszechświata. Zastrzeżenie to zostało poczynione, ponieważ w ostatnim czasie w astrofizyce i kosmologii pojawiły się nowe hipotezy, dopuszczające istnienie wielu ukrytych przed nami Wszechświatów, połączonych topologicznymi tunelami – zworami. Ten punkt widzenia podziela na przykład słynny astrofizyk N.S. Kardashev. Dla zewnętrznego obserwatora wejścia do tych tuneli są oznaczone przez anomalne pola grawitacyjne, takie jak czarne dziury. Ruchy w takich tunelach, jak sugerują autorzy hipotez, pozwolą ominąć ograniczenia prędkości ruchu narzucone w zwykłej przestrzeni przez prędkość światła, a co za tym idzie, zrealizować ideę stworzenia wehikuł czasu... Możliwe, że w takich Wszechświatach faktycznie może wydarzyć się coś niezwykłego dla nas. I choć na razie takie hipotezy za bardzo przypominają opowieści z science fiction, trudno kategorycznie odrzucać fundamentalną możliwość wieloelementowego modelu struktury świata materialnego. Inna sprawa, że ​​wszystkie te inne Wszechświaty najprawdopodobniej pozostaną czysto matematycznymi konstrukcjami fizyków teoretycznych żyjących w naszym Wszechświecie i siłą swoich myśli próbujących znaleźć światy dla nas zamknięte...

Zobacz problem na ten sam temat

Naprawdę jak? Jak zmierzyć najwyższą prędkość w Wszechświat w naszych skromnych, ziemskich warunkach? Nie musimy już zaprzątać sobie tym głowy – w końcu na przestrzeni kilku stuleci tak wiele osób pracowało nad tym zagadnieniem, opracowując metody pomiaru prędkości światła. Zacznijmy historię po kolei.

Prędkość światła– prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni. Jest to oznaczone literą łacińską C. Prędkość światła wynosi około 300 000 000 m/s.

Początkowo nikt nie myślał o zagadnieniu pomiaru prędkości światła. Jest światło – to świetnie. Następnie, w epoce starożytności, wśród filozofów nauki dominowała opinia, że ​​prędkość światła jest nieskończona, czyli chwilowa. Potem to się stało Średniowiecze z Inkwizycją, kiedy głównym pytaniem myślących i postępowych ludzi było: „Jak uniknąć wpadnięcia w ogień?” I tylko w epokach renesans I Oświecenie Opinie naukowców mnożyły się i oczywiście były podzielone.

Więc, Kartezjusz, Keplera I Gospodarstwo rolne byli tego samego zdania, co naukowcy starożytni. Uważał jednak, że prędkość światła jest skończona, chociaż bardzo duża. W rzeczywistości dokonał pierwszego pomiaru prędkości światła. Dokładniej, podjął pierwszą próbę zmierzenia tego.

Eksperyment Galileusza

Doświadczenie Galileo Galilei był genialny w swojej prostocie. Naukowiec przeprowadził eksperyment mający na celu zmierzenie prędkości światła, uzbrojony w proste improwizowane środki. W dużej i dobrze znanej odległości od siebie, na różnych wzgórzach, Galileusz i jego asystent stali z zapalonymi latarniami. Jeden z nich otworzył okiennicę na latarni, a drugi musiał zrobić to samo, gdy zobaczył światło pierwszej latarni. Znając odległość i czas (opóźnienie, zanim asystent otworzy latarnię), Galileusz spodziewał się obliczyć prędkość światła. Niestety, aby eksperyment się powiódł, Galileusz i jego asystent musieli wybrać wzgórza oddalone od siebie o kilka milionów kilometrów. Przypominam, że można to zrobić wypełniając wniosek na stronie internetowej.

Eksperymenty Roemera i Bradleya

Pierwszym udanym i zaskakująco dokładnym eksperymentem w określeniu prędkości światła był eksperyment duńskiego astronoma Olafa Roemera. Roemer zastosował astronomiczną metodę pomiaru prędkości światła. W 1676 roku obserwował przez teleskop satelitę Jowisza Io i odkrył, że czas zaćmienia satelity zmienia się w miarę oddalania się Ziemi od Jowisza. Maksymalny czas opóźnienia wyniósł 22 minuty. Obliczając, że Ziemia oddala się od Jowisza na odległość równą średnicy orbity Ziemi, Roemer podzielił przybliżoną wartość średnicy przez czas opóźnienia i otrzymał wartość 214 000 kilometrów na sekundę. Oczywiście takie obliczenia były bardzo przybliżone, odległości między planetami były znane tylko w przybliżeniu, ale wynik okazał się stosunkowo bliski prawdy.

Doświadczenie Bradleya. W 1728 r Jamesa Bradleya oszacował prędkość światła, obserwując aberrację gwiazd. Aberracja jest zmianą pozornego położenia gwiazdy spowodowaną ruchem Ziemi po jej orbicie. Znając prędkość Ziemi i mierząc kąt aberracji, Bradley uzyskał wartość 301 000 kilometrów na sekundę.

Doświadczenie Fizeau

Ówczesny świat naukowy zareagował z nieufnością na wynik eksperymentu Roemera i Bradleya. Jednak wynik Bradleya był najdokładniejszy od ponad stu lat, aż do 1849 roku. W tym samym roku francuski naukowiec Armanda Fizeau zmierzył prędkość światła metodą obrotowej migawki, bez obserwacji ciał niebieskich, ale tutaj, na Ziemi. W rzeczywistości była to pierwsza laboratoryjna metoda pomiaru prędkości światła od czasów Galileusza. Poniżej znajduje się schemat jego konfiguracji laboratoryjnej.

Światło odbite od lustra przeszło przez zęby koła i odbiło się od innego lustra, oddalonego o 8,6 km. Zwiększano prędkość koła, aż w następnej szczelinie pojawiło się światło. Obliczenia Fizeau dały wynik 313 000 kilometrów na sekundę. Rok później podobny eksperyment z wirującym zwierciadłem przeprowadził Leon Foucault, uzyskując wynik 298 000 kilometrów na sekundę.

Wraz z pojawieniem się maserów i laserów ludzie zyskali nowe możliwości i sposoby pomiaru prędkości światła, a rozwój teorii umożliwił także obliczanie prędkości światła w sposób pośredni, bez dokonywania bezpośrednich pomiarów.

Najdokładniejsza wartość prędkości światła

Ludzkość zgromadziła ogromne doświadczenie w mierzeniu prędkości światła. Obecnie za najdokładniejszą wartość prędkości światła uważa się 299 792 458 metrów na sekundę, otrzymany w 1983 r. Co ciekawe, dalszy, dokładniejszy pomiar prędkości światła okazał się niemożliwy ze względu na błędy w pomiarze metrów. Obecnie wartość metra jest powiązana z prędkością światła i jest równa odległości, jaką światło pokonuje w ciągu 1/299 792 458 sekundy.

Na koniec, jak zawsze, sugerujemy obejrzenie filmu edukacyjnego. Przyjaciele, nawet jeśli stoisz przed takim zadaniem, jak samodzielne zmierzenie prędkości światła za pomocą improwizowanych środków, możesz bezpiecznie zwrócić się o pomoc do naszych autorów. Wniosek można wypełnić na stronie Korespondencji Studenta. Życzymy przyjemnej i łatwej nauki!

Światło zawsze zajmowało ważne miejsce w przetrwaniu ludzi i tworzeniu przez nich rozwiniętej cywilizacji, którą widzimy dzisiaj. W całej historii rozwoju człowieka prędkość światła ekscytowała umysły najpierw filozofów i przyrodników, a następnie naukowców i fizyków. Jest to podstawowa stała istnienia naszego Wszechświata.

Wielu naukowców w różnych okresach próbowało dowiedzieć się, jak wygląda propagacja światła w różnych ośrodkach. Największe znaczenie dla nauki miało obliczenie wartości, jaką ma prędkość światła w próżni. Ten artykuł pomoże Ci zrozumieć to zagadnienie i dowiedzieć się wielu ciekawych rzeczy na temat zachowania światła w próżni.

Światło i kwestia prędkości

Światło odgrywa kluczową rolę we współczesnej fizyce, ponieważ, jak się okazało, na tym etapie rozwoju naszej cywilizacji nie da się pokonać wartości jego prędkości. Pomiar prędkości światła trwał wiele lat. Wcześniej naukowcy przeprowadzili wiele badań, próbując odpowiedzieć na najważniejsze pytanie: „Jaka jest prędkość propagacji światła w próżni?”
Na chwilę obecną naukowcy udowodnili, że prędkość propagacji światła (SLP) charakteryzuje się następującymi cechami:

• jest stałe;
• jest niezmienne;
• ona jest nieosiągalna;
• to jest skończone.

Notatka! Prędkość światła w obecnym momencie rozwoju nauki jest wartością absolutnie nieosiągalną. Fizycy mają tylko pewne założenia na temat tego, co dzieje się z obiektem, który hipotetycznie osiąga prędkość propagacji strumienia światła w próżni.

Prędkość światła

Dlaczego tak ważne jest, jak szybko światło przemieszcza się w próżni? Odpowiedź jest prosta. W końcu próżnia jest w kosmosie. Dlatego dowiadując się, jaki cyfrowy wskaźnik ma prędkość światła w próżni, będziemy w stanie zrozumieć, z jaką maksymalną możliwą prędkością możemy poruszać się po przestrzeniach Układu Słonecznego i poza nim.
Cząstkami elementarnymi przenoszącymi światło w naszym Wszechświecie są fotony. A prędkość, z jaką światło porusza się w próżni, jest uważana za wartość bezwzględną.

Notatka! SRS odnosi się do prędkości ruchu fal elektromagnetycznych. Co ciekawe, światło objawia się jednocześnie jako cząstki elementarne (fotony) i fala. Wynika to z teorii fal cząsteczkowych. Według niej w pewnych sytuacjach światło zachowuje się jak cząstka, a w innych jak fala.

W tym momencie propagacja światła w przestrzeni (próżnia) jest uważana za stałą podstawową, niezależną od wyboru zastosowanego inercjalnego układu odniesienia. Wartość ta odnosi się do podstawowych stałych fizycznych. W tym przypadku wartość SRS ogólnie charakteryzuje podstawowe właściwości geometrii czasoprzestrzeni.
Współczesne koncepcje charakteryzują SPC jako stałą, która jest maksymalną dopuszczalną wartością ruchu cząstek, a także propagacji ich interakcji. W fizyce wielkość ta jest oznaczona łacińską literą „c”.

Historia badań zagadnienia

Co zaskakujące, w czasach starożytnych nawet starożytni myśliciele zastanawiali się nad rozmieszczeniem światła w naszym wszechświecie. Uważano wówczas, że jest to wartość nieskończona. Pierwsze oszacowanie zjawiska fizycznego prędkości światła podał Olaf Roemer dopiero w 1676 roku. Według jego obliczeń prędkość rozchodzenia się światła wynosiła około 220 tys. km/s.

Notatka! Olaf Roemer podał wartość przybliżoną, ale jak się później okazało, niezbyt odległą od rzeczywistej.

Prawidłową wartość prędkości światła w próżni ustalono dopiero pół wieku po Olafie Roemerze. Udało się to francuskiemu fizykowi A.I.L. Fizeau, przeprowadzający specjalny eksperyment.

Eksperyment Fizeau

Był w stanie zmierzyć to zjawisko fizyczne, mierząc czas potrzebny wiązce na przebycie określonego i precyzyjnie zmierzonego obszaru.
Eksperyment wyglądał następująco:

• źródło S wyemitowało strumień świetlny;
• odbiło się od lustra (3);
• następnie przerwano przepływ światła za pomocą tarczy zębatej (2);
• następnie minął bazę, której odległość wynosiła 8 km;
• następnie strumień światła został odbity przez lustro (1) i wrócił na dysk.

W trakcie doświadczenia strumień światła wpadał w przestrzenie pomiędzy zębami tarczy i można go było obserwować przez okular (4). Fizeau określił czas przejścia wiązki na podstawie prędkości obrotowej dysku. W wyniku tego doświadczenia uzyskał wartość c = 313300 km/s.
Ale to nie koniec badań poświęconych temu zagadnieniu. Ostateczny wzór na obliczenie stałej fizycznej pojawił się dzięki wielu naukowcom, w tym Albertowi Einsteinowi.

Einstein i próżnia: końcowe wyniki obliczeń

Dziś każdy człowiek na Ziemi wie, że za maksymalną dopuszczalną wartość ruchu obiektów materialnych, a także wszelkich sygnałów, uważa się prędkość światła w próżni. Dokładna wartość tego wskaźnika wynosi prawie 300 tys. km/s. Mówiąc dokładniej, prędkość światła w próżni wynosi 299 792 458 m/s.
Teorię, że nie da się przekroczyć tej wartości, wysunął słynny fizyk przeszłości Albert Einstein w swojej szczególnej teorii względności, czyli SRT.

Notatka! Teorii względności Einsteina uważa się za niepodważalną, dopóki nie pojawią się prawdziwe dowody na to, że transmisja sygnału jest możliwa przy prędkościach przekraczających SPC w próżni.

Teoria względności Einsteina

Ale dzisiaj niektórzy badacze odkryli zjawiska, które mogą stanowić warunek wstępny zmiany SRT Einsteina. W określonych, specjalnie określonych warunkach możliwe jest monitorowanie występowania prędkości nadświetlnych. Co ciekawe, w tym przypadku nie zostaje naruszona teoria względności.

Dlaczego nie możesz poruszać się szybciej niż światło

Dziś w tej kwestii są pewne pułapki. Na przykład, dlaczego w normalnych warunkach nie można pokonać stałej CPC? Zgodnie z przyjętą teorią, w tej sytuacji naruszona zostanie podstawowa zasada konstrukcji naszego świata, czyli prawo przyczynowości. Twierdzi, że skutek z definicji nie jest w stanie wyprzedzić przyczyny. Mówiąc obrazowo, nie może być tak, że najpierw niedźwiedź padnie martwy, a dopiero potem będzie słychać strzał myśliwego, który go zastrzelił. Ale jeśli SRS zostanie przekroczony, zdarzenia powinny zacząć zachodzić w odwrotnej kolejności. W rezultacie czas zacznie biec do tyłu.

Jaka jest zatem prędkość propagacji wiązki światła?

Po licznych badaniach, które przeprowadzono w celu ustalenia dokładnej wartości tego, czym jest CPC, uzyskano konkretne liczby. Dzisiaj c = 1 079 252 848,8 kilometrów na godzinę lub 299 792 458 m/s. a w jednostkach Plancka parametr ten definiuje się jako jedność. Oznacza to, że energia świetlna pokonuje 1 jednostkę długości Plancka w 1 jednostce czasu Plancka.

Notatka! Liczby te obowiązują tylko dla warunków występujących w próżni.

Wzór na wartość stałej

Ale w fizyce, dla prostszego sposobu rozwiązywania problemów, stosuje się zaokrągloną wartość - 300 000 000 m/s.
Zasada ta w normalnych warunkach dotyczy wszystkich obiektów, a także promieni rentgenowskich, fal grawitacyjnych i świetlnych w widzialnym dla nas widmie. Ponadto naukowcy udowodnili, że cząstki posiadające masę mogą zbliżać się do prędkości wiązki światła. Nie są jednak w stanie jej osiągnąć ani przekroczyć.

Notatka! Maksymalną prędkość, bliską prędkości światła, uzyskano badając promienie kosmiczne przyspieszane w specjalnych akceleratorach.

Warto zaznaczyć, że ta stała fizyczna zależy od ośrodka, w którym jest mierzona, czyli od współczynnika załamania światła. Dlatego jego rzeczywisty wskaźnik może się różnić w zależności od częstotliwości.

Jak obliczyć wartość stałej podstawowej

Obecnie istnieją różne metody określania CPC. To może być:

• metody astronomiczne;
• udoskonalona metoda Fizeau. Tutaj koło zębate zostało zastąpione nowoczesnym modulatorem.

Notatka! Naukowcy udowodnili, że wskaźniki SRS w powietrzu i w próżni są prawie takie same. A to mniej niż wody o około 25%.

Aby obliczyć wielkość propagacji wiązki światła, skorzystaj z poniższego wzoru.

Wzór na obliczenie prędkości światła

Wzór ten nadaje się do obliczeń w próżni.

Wniosek

Światło w naszym świecie jest bardzo ważne i moment, w którym naukowcy udowodnią możliwość istnienia prędkości nadświetlnych, może całkowicie zmienić nasz znany świat. Trudno nawet oszacować, co to odkrycie będzie oznaczać dla ludzi. Ale z pewnością będzie to niesamowity przełom!

Jak wybrać i zainstalować czujniki głośności do automatycznego sterowania oświetleniem
Domowe regulowane zasilacze tranzystorowe: montaż, zastosowanie praktyczne

Prędkość światła jest wartością bezwzględną prędkości rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w próżni. W fizyce tradycyjnie oznacza się go łacińską literą „c” (wymawiane [tse]). Prędkość światła w próżni jest podstawową stałą niezależną od wyboru inercyjnego układu odniesienia (IFR). Odnosi się do podstawowych stałych fizycznych, które charakteryzują nie tylko poszczególne ciała, ale właściwości czasoprzestrzeni jako całości. Według współczesnych koncepcji prędkość światła w próżni to maksymalna prędkość ruchu cząstek i propagacji oddziaływań. Istotny jest także fakt, że jest to wartość bezwzględna. To jeden z postulatów SRT.

W próżni (pustce)

W 1977 roku udało się obliczyć przybliżoną prędkość światła równą 299 792 458 ± 1,2 m/s, obliczoną na podstawie miernika standardowego z 1960 roku. Obecnie uważa się, że prędkość światła w próżni jest podstawową stałą fizyczną, z definicji dokładnie równą 299 792 458 m/s, czyli w przybliżeniu 1 079 252 848,8 km/h. Dokładna wartość wynika z faktu, że od 1983 roku za metr standardowy przyjmuje się odległość, jaką światło przebywa w próżni w czasie równym 1/299 792 458 sekundy. Prędkość światła jest symbolizowana literą c.

Eksperyment Michelsona, będący podstawą SRT, pokazał, że prędkość światła w próżni nie zależy ani od prędkości źródła światła, ani od prędkości obserwatora. W przyrodzie z prędkością światła rozchodzą się:

rzeczywiste światło widzialne

inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego (fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie itp.)

Ze szczególnej teorii względności wynika, że ​​przyspieszenie cząstek o masie spoczynkowej do prędkości światła jest niemożliwe, gdyż zdarzenie to naruszałoby podstawową zasadę przyczynowości. Oznacza to, że wykluczone jest przekroczenie przez sygnał prędkości światła lub ruchu masy z taką prędkością. Jednak teoria nie wyklucza ruchu cząstek w czasoprzestrzeni z prędkościami nadświetlnymi. Hipotetyczne cząstki poruszające się z prędkością ponadświetlną nazywane są tachionami. Matematycznie tachiony łatwo wpisują się w transformację Lorentza – są to cząstki o wyimaginowanej masie. Im większa prędkość tych cząstek, tym mniej niosą energii i odwrotnie, im prędkość jest bliższa prędkości światła, tym większa jest ich energia - podobnie jak energia zwykłych cząstek, energia tachionów dąży do nieskończoności zbliżają się do prędkości światła. Jest to najbardziej oczywista konsekwencja transformacji Lorentza, która nie pozwala cząstce rozpędzić się do prędkości światła – po prostu nie da się przekazać cząstce nieskończonej ilości energii. Należy rozumieć, że po pierwsze tachiony są klasą cząstek, a nie tylko jednym rodzajem cząstek, a po drugie żadna interakcja fizyczna nie może rozprzestrzeniać się szybciej niż prędkość światła. Wynika z tego, że tachiony nie naruszają zasady przyczynowości - nie oddziałują w żaden sposób ze zwykłymi cząstkami, a różnica ich prędkości między sobą również nie jest równa prędkości światła.

Zwykłe cząstki, które poruszają się wolniej niż światło, nazywane są tardyonami. Tardiony nie mogą osiągnąć prędkości światła, a jedynie zbliżyć się do niej dowolnie blisko, ponieważ w tym przypadku ich energia staje się nieograniczona. Wszystkie tardyony mają masę spoczynkową, w przeciwieństwie do bezmasowych fotonów i grawitonów, które zawsze poruszają się z prędkością światła.

W jednostkach Plancka prędkość światła w próżni wynosi 1, co oznacza, że ​​światło pokonuje 1 jednostkę długości Plancka na jednostkę czasu Plancka.

W przejrzystym środowisku

Prędkość światła w ośrodku przezroczystym to prędkość, z jaką światło przemieszcza się w ośrodku innym niż próżnia. W ośrodku z dyspersją rozróżnia się prędkości fazowe i grupowe.

Prędkość fazowa wiąże częstotliwość i długość fali światła monochromatycznego w ośrodku (λ=c/ν). Prędkość ta jest zwykle (ale niekoniecznie) mniejsza niż c. Stosunek prędkości fazowej światła w próżni do prędkości światła w ośrodku nazywany jest współczynnikiem załamania światła w ośrodku. Prędkość grupowa światła w ośrodku równowagowym jest zawsze mniejsza niż c. Jednak w ośrodkach nierównowagowych może przekroczyć c. W tym przypadku jednak przednia krawędź impulsu nadal porusza się z prędkością nieprzekraczającą prędkości światła w próżni.

Armand Hippolyte Louis Fizeau udowodnił eksperymentalnie, że ruch ośrodka względem wiązki światła może również wpływać na prędkość propagacji światła w tym ośrodku.

Negacja postulatu o maksymalnej prędkości światła

W ostatnich latach często pojawiały się doniesienia, że ​​w tzw. teleportacji kwantowej interakcja rozchodzi się szybciej niż prędkość światła. Przykładowo 15 sierpnia 2008 roku grupa badawcza dr Nicolasa Gisina z Uniwersytetu Genewskiego, badająca związane stany fotonów oddalone od siebie o 18 km, rzekomo wykazała, że ​​„oddziaływania pomiędzy cząstkami zachodzą z prędkością około stu tysięcy razy większa niż prędkość Svety”. Wcześniej omawiano także tzw. paradoks Hartmanna – prędkość nadświetlną z efektem tunelowym.

Naukowa analiza znaczenia tych i podobnych wyników pokazuje, że zasadniczo nie można ich wykorzystać do nadświetlnej transmisji jakiegokolwiek sygnału lub ruchu materii.

Historia pomiarów prędkości światła

Starożytni naukowcy, z nielicznymi wyjątkami, uważali prędkość światła za nieskończoną. W czasach nowożytnych kwestia ta stała się przedmiotem dyskusji. Galileusz i Hooke przyznali, że jest ona skończona, chociaż bardzo duża, natomiast Kepler, Kartezjusz i Fermat nadal bronili nieskończoności prędkości światła.

Pierwszego oszacowania prędkości światła dokonał Olaf Roemer (1676). Zauważył, że gdy Ziemia i Jowisz znajdują się po przeciwnych stronach Słońca, zaćmienia satelity Jowisza Io są opóźnione o 22 minuty w porównaniu z obliczeniami. Uzyskał z tego wartość prędkości światła około 220 000 km/s – niedokładną, ale bliską prawdziwej. Pół wieku później odkrycie aberracji pozwoliło potwierdzić skończoność prędkości światła i udoskonalić jej ocenę.

Prędkość światła to odległość, jaką światło pokonuje w jednostce czasu. Wartość ta zależy od substancji, w której rozchodzi się światło.

W próżni prędkość światła wynosi 299 792 458 m/s. Jest to najwyższa prędkość, jaką można osiągnąć. Przy rozwiązywaniu problemów, które nie wymagają szczególnej dokładności, przyjmuje się wartość równą 300 000 000 m/s. Zakłada się, że w próżni rozchodzą się z prędkością światła wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego: fale radiowe, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma. Jest on oznaczony literą Z .

Jak określono prędkość światła?

W starożytności naukowcy wierzyli, że prędkość światła jest nieskończona. Później rozpoczęły się dyskusje na ten temat wśród naukowców. Kepler, Kartezjusz i Fermat zgodzili się z opinią starożytnych naukowców. Galileusz i Hooke wierzyli, że chociaż prędkość światła jest bardzo duża, to jednak ma ona skończoną wartość.

Galileo Galilei

Jednym z pierwszych, który podjął próbę zmierzenia prędkości światła, był włoski naukowiec Galileo Galilei. Podczas eksperymentu on i jego asystent przebywali na różnych wzgórzach. Galileusz otworzył migawkę swojej latarni. W chwili, gdy asystent zobaczył to światło, musiał wykonać te same czynności ze swoją latarnią. Czas podróży światła od Galileusza do asystenta i z powrotem okazał się tak krótki, że Galileusz zdał sobie sprawę, że prędkość światła jest bardzo duża i nie da się jej zmierzyć na tak małej odległości, ponieważ światło przemieszcza się prawie natychmiast. A czas, który zarejestrował, pokazuje jedynie szybkość reakcji człowieka.

Prędkość światła została po raz pierwszy określona w 1676 roku przez duńskiego astronoma Olafa Roemera na podstawie odległości astronomicznych. Używając teleskopu do obserwacji zaćmienia księżyca Jowisza Io, odkrył, że w miarę oddalania się Ziemi od Jowisza każde kolejne zaćmienie następuje później niż obliczono. Maksymalne opóźnienie, gdy Ziemia przemieszcza się na drugą stronę Słońca i oddala się od Jowisza na odległość równą średnicy orbity Ziemi, wynosi 22 godziny. Choć dokładna średnica Ziemi nie była wówczas znana, naukowiec podzielił jej przybliżoną wartość przez 22 godziny i otrzymał wartość około 220 000 km/s.

Olafa Roemera

Wynik uzyskany przez Roemera wywołał nieufność wśród naukowców. Jednak w 1849 roku francuski fizyk Armand Hippolyte Louis Fizeau zmierzył prędkość światła metodą obrotowej migawki. W jego eksperymencie światło ze źródła przechodziło między zębami obracającego się koła i było kierowane na lustro. Odbijając się od niego, wrócił. Zwiększyła się prędkość obrotowa koła. Gdy osiągnęła określoną wartość, wiązka odbita od lustra była opóźniana przez poruszający się ząb i obserwator w tym momencie nic nie widział.

Doświadczenie Fizeau

Fizeau obliczył prędkość światła w następujący sposób. Światło idzie swoją drogą L od koła do lustra w czasie równym t 1 = 2 l/c . Czas potrzebny na obrót koła o ½ szczeliny wynosi t2 = T/2N , Gdzie T - okres obrotu koła, N - Liczba zębów. Częstotliwość rotacji v = 1/T . Moment, w którym obserwator nie widzi światła, następuje, gdy t 1 = t 2 . Stąd otrzymujemy wzór na określenie prędkości światła:

c = 4LNv

Po przeprowadzeniu obliczeń przy użyciu tego wzoru Fizeau to ustalił Z = 313 000 000 m/s. Wynik ten był znacznie dokładniejszy.

Armanda Hipolita Louisa Fizeau

W 1838 roku francuski fizyk i astronom Dominique François Jean Arago zaproponował zastosowanie metody wirującego zwierciadła do obliczenia prędkości światła. Pomysł ten wcielił w życie francuski fizyk, mechanik i astronom Jean Bernard Leon Foucault, który w 1862 roku uzyskał wartość prędkości światła (298 000 000±500 000) m/s.

Dominique Francois Jean Arago

W 1891 roku wynik amerykańskiego astronoma Simona Newcomba okazał się o rząd wielkości dokładniejszy od wyniku Foucaulta. W wyniku jego obliczeń Z = (99 810 000 ± 50 000) m/s.

Badania amerykańskiego fizyka Alberta Abrahama Michelsona, który zastosował układ z obracającym się ośmiokątnym zwierciadłem, pozwoliły jeszcze dokładniej określić prędkość światła. W 1926 roku uczony zmierzył czas, w jakim światło pokonuje odległość między szczytami dwóch gór, równą 35,4 km, i uzyskał Z = (299 796 000 ± 4 000) m/s.

Najdokładniejszego pomiaru dokonano w 1975 r. W tym samym roku Generalna Konferencja Miar i Wag zaleciła przyjąć, że prędkość światła wynosi 299 792 458 ± 1,2 m/s.

Od czego zależy prędkość światła?

Prędkość światła w próżni nie zależy ani od układu odniesienia, ani od położenia obserwatora. Pozostaje stała i wynosi 299 792 458 ± 1,2 m/s. Ale w różnych przezroczystych mediach prędkość ta będzie niższa niż prędkość w próżni. Każde przezroczyste medium ma gęstość optyczną. A im jest ona wyższa, tym wolniej rozchodzi się w niej prędkość światła. Na przykład prędkość światła w powietrzu jest większa niż w wodzie, a w czystym szkle optycznym jest mniejsza niż w wodzie.

Jeśli światło przemieszcza się z ośrodka mniej gęstego do gęstszego, jego prędkość maleje. A jeśli przejście nastąpi z gęstszego ośrodka do mniej gęstego, wówczas prędkość, wręcz przeciwnie, wzrasta. To wyjaśnia, dlaczego wiązka światła jest odchylana na granicy przejścia między dwoma ośrodkami.