Солнце и лес

Скорость света: постоянная, которая определяет Вселенную

Когда говорят о фундаментальных понятиях Вселенной, одним из главных оказывается скорость света. Это не просто число из школьного курса физики, а предельная величина, которая определяет структуру времени и пространства и лежит в основе теории относительности Эйнштейна.
Авторы и эксперты
Автор Наука Mail
Кандидат физико-математических наук и младший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО
Главное о скорости света
Что такое скорость света
Как определили скорость света: история измерения
Как изменяется скорость света в различных средах: показатель преломления
Есть ли скорость выше скорости света
Главное о скорости света
Что такое скорость света
Как определили скорость света: история измерения
Как изменяется скорость света в различных средах: показатель преломления
Есть ли скорость выше скорости света
Еще
Солнечные лучи, двигаясь со скоростью света, достигают Землю примерно за 8 минут
Чтобы достичь Земли, солнечному лучу нужно чуть больше 8 минутИсточник: Unsplash

В статье расскажем, чему равна скорость света в вакууме и различных средах, каким образом ее измеряли, как на нее влияет показатель преломления, и можно ли двигаться быстрее светового луча.

Главное о скорости света

Основные тезисы, которые важно запомнить:

  • Скорость света ― это константа, равная 299 792 458 м/с. Однако иногда она измеряется в км/с.
  • В веществах (вода, стекло, алмаз) световой луч распространяется медленнее, что описывается через показатель преломления. Чем выше этот показатель, тем ниже скорость.
  • От попытки Галилея до лазерной метрологии XX века — измерения совершенствовались, пока в 1983 году скорость света не стала фиксированной международной константой.
  • Согласно специальной теории относительности, преодолеть скорость света нельзя. При этом существуют гипотетические частицы (тахионы), которые могут ее превышать — но пока это теория.
  • Возможны эффекты, которые кажутся сверхсветовыми. Например, фазовая скорость или тень могут перемещаться быстрее света — но это не нарушает физических законов, так как не несет энергию.

Что такое скорость света

Свет — это вид электромагнитного излучения наряду с радиоволнами, ультрафиолетом, инфракрасным, рентгеновским и гамма-излучением. Все эти виды излучения движутся с одинаковой скоростью в вакууме, но ведут себя по-разному в различных средах.

Скорость света (обозначается c) — ключевая физическая величина, определяющая, с какой скоростью электромагнитные волны, включая видимый свет, распространяются во времени и в пространстве.

Важно отметить, что скорость света в вакууме считается универсальным пределом скорости в природе. Фотоны — частицы света — не имеют массы покоя и, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, всегда движутся с максимально возможной скоростью.

Именно значение в вакууме играет важную роль в уравнениях Максвелла, описывающих поведение электромагнитного поля, и остается неизменной в квантовой электродинамике. Оно также входит в уравнения Альберта Эйнштейна и Хендрика Лоренца, связывающих пространство и время. Без этого понятия невозможно представить современную физику, включая оптику, астрофизику, космологию и теорию гравитации.

Луч как демонстрация скорости света
Скорость света — это краеугольный камень современной метрологии, физики и космологииИсточник: Unsplash

По современным законам физики, изменение этой константы невозможно. Кандидат физико-математических наук и младший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Алексей Проскурин объясняет, почему так:

― Постоянство скорости света в вакууме — это экспериментально проверенный факт, на основании которого физики сформулировали современные представления о природе. Что будет, если скорость света изменится, предсказать сложно, так как скорость света явно или неявно входит во множество эффектов, от спектров излучения атомов до теории гравитации. Тем не менее некоторые физические теории рассматривают сценарии, при которых скорость света в ранней Вселенной была отличной от сегодняшнего значения. Это предположение приводит к множеству новых вопросов, ответов на значительную часть которых мы еще не знаем.

Чему равна скорость света в вакууме

Скорость света в вакууме остается постоянной и составляет примерно 299 792 458 метров в секунду. Ниже представлены эквивалентные значения в различных системах измерения, помимо классической константы:

Единица измеренияЗначение скорости света
м/с299 792 458
км/с299 792,458
км/ч1 079 252 848,8 
миль/с186 282,397
миль/ч670 616 629,4

Как определили скорость света: история измерения

Одним из первых, кто попытался экспериментально измерить показатель, был Галилео Галилей. В начале XVII века он вместе с помощником поднялся на два соседних холма, держа в руках фонари с заслонками.

Схема была простой: один открывает фонарь, другой — следом за ним. Галилей планировал зафиксировать задержку сигнала и вычислить скорость луча света. Однако эксперимент оказался неудачным: расстояние было слишком маленьким, а время прохождения света — слишком коротким для доступной тогда точности измерения. Чтобы наблюдать эффект, потребовались бы расстояния в миллионы километров.

До второй половины XVII века свет считался мгновенным явлением. Однако в 1676 году датский астроном Олаф Ремер наблюдал затмения спутника Юпитера Ио и обнаружил, что они происходят не одновременно и зависят от положения Земли на орбите. Из этих наблюдений Ремер сделал вывод, что свет имеет конечную скорость, и оценил ее примерно в 220 000 км/с.

Олаф Рёмер первым измерил скорость света
Олаф Ремер ― датский астроном, который первым измерил скорость света в 1676 годуИсточник: Wikimedia

В 1728 году Джеймс Брэдли подтвердил конечность скорости света, открыв эффект аберрации — смещение звезд на небе, связанное с движением Земли и светом.

Неизменность скорости света для всех наблюдателей независимо от направления или движения источника луча подтверждена множеством экспериментов. Особенно важен знаменитый опыт Альберта Майкельсона и Эдварда Морли. Они стремились доказать существование эфира — гипотетического вещества, через которое, как считалось, распространяется свет, подобно звуку в воздухе.

Майкельсон и Морли использовали интерферометр. Прибор разделял световой луч на два перпендикулярных пучка, которые проходили разные пути, отражались от зеркал и снова соединялись. Если бы эфир существовал, один из лучей (движущийся относительно него) должен был бы замедлиться. На экране появились бы интерференционные полосы, сдвигающиеся при повороте устройства.

С помощью интерферометра Майкельсон измерил скорость света
Так выглядел интерферометр, изобретенный Альбертом Майкельсоном для опыта Источник: usa-history.ru

Однако опыт Майкельсона и Морли не доказал, что свет является волной. Он показал, что свет не нуждается в среде для распространения и его скорость не зависит от движения источника или наблюдателя. Этот эксперимент стал важным поворотным моментом в науке. Он подготовил почву для специальной теории относительности Альберта Эйнштейна (1905), где эфир оказался ненужным.

В 1849 году Ипполит Физо провел первый лабораторный эксперимент: он направил световой луч на вращающееся зубчатое колесо, отразил его от зеркала на расстоянии 8,6 км и зарегистрировал, при какой скорости вращения луч исчезал. В результате он получил значение около 313 000 км/с.

В 1862 году Жан Фуко усовершенствовал метод, использовав вращающиеся зеркала, и получил более точную оценку — около 298 000 км/с.

В XX веке после изобретения лазера ученые достигли высокой точности измерений. Однако значение скорости света установить не удавалось из-за неопределенности длины метра — тогда эталоном служил металлический стержень. Погрешность составляла примерно ±1,2 м/с.

В 1983 году Генеральная конференция по мерам и весам утвердила новое определение метра: 1 метр — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. С этого момента скорость света считается фиксированной и равной 299 792 458 м/с. Для практических расчетов ее принято округлять до 300 000 км/с.

Интересный факт: скорость солнечного света также равна 300 000 км/с. Это значит, что луч от Солнца до Земли идет около 8 минут 20 секунд. Это расстояние (примерно 149,6 миллионов километров) называют астрономической единицей (а.е.).

Как изменяется скорость света в различных средах: показатель преломления

На практике показатель преломления измеряется с использованием закона Снеллиуса, который связывает углы падения и преломления света при переходе между двумя средами. Также применяются методы интерферометрии и спектроскопии, позволяющие получить точные данные о скорости света в конкретной среде и ее оптических свойствах.

Когда свет переходит, например, из воздуха в воду или из вакуума в стекло, он замедляется. Это вызывает изменение направления луча и называется преломлением. При этом фотоны не имеют массы и не сталкиваются с атомами напрямую, однако свет все же теряет скорость в веществе. Почему так происходит, объясняет Алексей Проскурин, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО:

― Свет в веществе не просто «сталкивается» с атомами и замедляется, как это бывает в привычном нам макромире. В квантовой теории фотоны — частицы энергии — могут поглощаться и испускаться ионами, атомами и молекулами, из которых состоят вещества. При поглощении фотона электроны переходят в возбужденное состояние, при испускании рождается фотон с энергией, равной разности энергий возбужденной системы и системы в основном состоянии. Так как электрон может просуществовать в возбужденном состоянии какое-то время, то испускание фотона происходит не сразу. Поэтому для внешнего наблюдателя фотон «замедляется», и это приводит к меньшей, чем в вакууме, скорости света.

Показатель преломления влияет на скорость света
Так выглядит преломление света, или рефракцияИсточник: Unsplash

Скорость преломления света (обозначается n) — это скорость света в веществе, которая изменяется в зависимости от оптической плотности среды. Термин часто используют, чтобы описать изменение величины при переходе из одной среды в другую. Рассчитать данный показатель можно с помощью такой формулы:

n = c\v

Где:

  • c — скорость света в вакууме (≈ 299 792 458 м/с),
  • v — скорость света в среде.

Приведем пример расчетов. Нам нужно найти скорость света в воде, если известно, что показатель преломления воды n = 1,33.

Подставим значения в формулу и выразим v:

Формула расчета скорости света в воде
Скорость света в водеИсточник: Наука Mail

Как видим, свет в воде движется примерно на 25% медленнее, чем в вакууме, — именно это и приводит к преломлению луча.

Чем выше показатель преломления, тем сильнее свет замедляется. В результате возникает не только преломление, но и другие эффекты:

  • Отражение — световой луч меняет направление, сталкиваясь с границей среды и возвращаясь обратно в исходную среду.
  • Дисперсия — разные частоты (или длины волн) света распространяются с разной скоростью в среде.
  • Замедление фазового фронта — термин из волновой физики, который описывает, насколько замедляется продвижение фронта постоянной фазы волны при прохождении через вещество.

В таблице приводим значение скорости света в разных средах

СредаСкорость света (м/с)Показатель преломления (n)
Вакуум299 792 4581,0000
Воздух (сухой, 0°C)≈ 299 702 5471,0003
Вода (20°C)≈ 225 407 8631,33
Стекло (обычное)≈ 199 861 6391,5
Алмаз≈ 124 913 5252,4
Кремний≈ 109 462 671~3,4

Есть ли скорость выше скорости света

Идея о том, чтобы превзойти скорость света, волнует умы не только ученых, но и авторов научной фантастики. Ведь если бы это стало возможным, мы могли бы перемещаться сквозь время — в прошлое или будущее. Однако с точки зрения современной физики, это пока невозможно, и вот почему.

Физические ограничения

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, частица с массой не может достичь или превзойти показатель в вакууме. Причина в том, что по мере ее ускорения требуется больше энергии, а при приближении к скорости света — бесконечное количество. Это делает такие ускорения физически невозможными.

Тем не менее ученые не раз приближались к этому пределу. При этом в экспериментах по ускорению частиц важно учитывать не только скорость света, но и расстояние, которое требуется пройти за определенное время. Например, в Большом адронном коллайдере протоны разогнали до скорости 299 792 455 м/с, что всего на 3 м/с меньше скорости света.

Гипотетические частицы и путешествия во времени

В рамках общей теории относительности и других теоретических моделей физика не исключает существование частиц, которые изначально движутся быстрее света. Их называют тахионами. Они не взаимодействуют с обычной материей и пока ни разу не были обнаружены. Если такие частицы существуют, они могли бы нарушать привычное представление о причинности.

Эксперт Алексей Проскурин поясняет, есть ли у современной науки способы косвенно подтвердить существование частиц, которые могут двигаться быстрее света, вроде тахионов:

― Ученые находятся в постоянном поиске отклонений от общепринятых теорий. В случае со скоростью света обнаружение частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью, позволит обобщить теорию относительности и больше узнать о строении вещества. Более того, периодически возникают сообщения о таких находках: последняя такая новость, ставшая популярной, связана с детектированием сверхсветовых нейтрино проектом OPERA в 2011 году. Как и в других подобных случаях, обнаруженный эффект объяснился технической неполадкой — был плохо закреплен оптический кабель, что приводило к задержкам в обработке светового сигнала. Тем не менее эксперименты по поиску частиц, способных двигаться быстрее света, ведутся, а некоторые ученые уверены, что обнаружение таких частиц — вопрос времени.

Яркая вспышка как художественное представление гипотетических частиц тахионов
Физика не исключает существование частиц ― тахионов, которые движутся быстрее светаИсточник: Unsplash

Здесь вступает в игру и понятие релятивистского замедления времени. Согласно теории относительности, в движущихся объектах физические процессы идут медленнее. Классический мысленный эксперимент — парадокс близнецов: один из них отправляется в космос со скоростью, близкой к скорости света, и возвращается почти не постарев, в то время как второй, оставшийся на Земле, заметно состарился.

Этот эффект был подтвержден в реальных экспериментах с атомными часами, которые после полета на спутнике показали меньшее время, чем те, что оставались на планете.

Оптические иллюзии и сверхсветовые явления

Существует ряд эффектов, которые кажутся нарушающими предел в 299 792 458 м/с, но на самом деле не противоречат физике:

  • Фазовая скорость волн в некоторых материалах может превышать скорость света, измеряемую в м/с, но не переносит энергию.
  • Тени или точки пересечения лазерных лучей способны перемещаться быстрее света — однако это не физические объекты, а геометрические эффекты.
  • Квантовое туннелирование вызывает споры о «мгновенном» переходе частиц через потенциальные барьеры, но оно не сопровождается передачей информации сверхскоростным способом.

Также в лабораториях проводятся эксперименты с метаматериалами и оптоволокнами, где наблюдаются сверхсветовые группы волн. Однако все эти явления не нарушают постулат Эйнштейна о том, что масса и информация не могут двигаться быстрее света. Тем не менее исследователи продолжают экспериментировать с новой технологией Li-Fi, которая использует световой спектр для передачи данных и может стать альтернативой привычному Wi-Fi. Подробнее об этом мы рассказывали здесь.