Скорость света

Пример

Такое поведение отличается от наших общих представлений о движении, как показано в этом примере:

Джордж стоит на земле рядом с железнодорожными путями. Со скоростью 30 миль в час (48 км/ч) проезжает поезд. Джордж бросает бейсбольный мяч со скоростью 90 миль / ч (140 км / ч) в направлении движения поезда. Пассажир поезда Том имеет устройство (например, радарное орудие) для измерения скорости метания. Поскольку он находится в поезде, Том уже движется со скоростью 30 миль / ч (48 км / ч) в направлении броска, поэтому Том измеряет скорость мяча всего лишь 60 миль / ч (97 км / ч).

Другими словами, скорость бейсбола, измеренная Томом в поезде, зависит от скорости поезда.

В приведенном выше примере поезд двигался со скоростью 1/3 скорости мяча, а скорость мяча, измеренная в поезде, составляла 2/3 скорости броска, измеренной на земле.

Теперь повторите эксперимент со светом вместо бейсбола, то есть у Джорджа есть фонарик вместо того, чтобы бросать бейсбол. Джордж и Том оба имеют одинаковые устройства для измерения скорости света (вместо радара в примере бейсбола).

Джордж стоит на земле рядом с железнодорожными путями. Там проезжает поезд со скоростью 1/3 скорости света. Джордж мигает светофором в направлении движения поезда. Джордж измеряет скорость света 186 282 мили в секунду (299 792 километров в секунду). Пассажир поезда Том измеряет скорость света. Какую скорость измеряет Том?

Интуитивно можно подумать, что скорость света от фонаря, измеренная в поезде, должна быть 2/3 скорости, измеренной на земле, так же, как и скорость бейсбола была 2/3. Но на самом деле, измеренная в поезде скорость - это полная величина, 186 282 мили в секунду (299 792 километра в секунду), а не 124 188 миль в секунду (199 861 километр в секунду).

Это кажется невозможным, но это то, что можно измерить. Частично это объясняется тем, что свет - это энергия, которая действует и движется совсем не так, как материя или твердые объекты, например, бейсбол.

Уравнения Максвелла предсказали скорость света и подтвердили идею Майкла Фарадея о том, что свет - это электромагнитная волна (способ перемещения энергии). Из этих уравнений мы находим, что скорость света связана с обратной стороной квадратного корня разрешительной способности свободного пространства, _ε0, и проницаемостью свободного пространства, μ0:

c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}} . }

Следствием этого факта является то, что ничто не может идти быстрее скорости света. Другим следствием является то, что для объектов, имеющих массу, независимо от того, сколько энергии затрачивается на увеличение скорости объекта, он будет становиться все ближе и ближе, но никогда не достигнет скорости света. Эти идеи были открыты в начале 1900-х годов Альбертом Эйнштейном, работа которого полностью изменила наше понимание света.

Индекс преломления прозрачного материала - это соотношение между скоростью света в вакууме и скоростью света в этом материале.

Измерение

Rømer

Оле Кристенсен Рёмер использовал астрономические измерения для первой количественной оценки скорости света. При измерении с Земли периоды лун, вращающихся вокруг далекой планеты, короче, когда Земля приближается к планете, чем когда Земля отступает от нее. Расстояние, пройденное светом от планеты (или ее луны) до Земли, короче, когда Земля находится в точке своей орбиты, наиболее близкой к ее планете, чем когда Земля находится в самой удаленной точке своей орбиты, разница в расстоянии - это диаметр орбиты Земли вокруг Солнца. Наблюдаемое изменение орбитального периода Луны на самом деле является разницей во времени, которое требуется свету для прохождения более короткого или более длительного расстояния. Рёмер наблюдал этот эффект для самой внутренней луны Юпитера - Ио, и он пришел к выводу, что для пересечения диаметра орбиты Земли свет проходит через 22 минуты.

Брэдли

Другой метод - использование аберрации света, обнаруженной и объясненной Джеймсом Брэдли в 18 веке. Этот эффект является результатом векторного сложения скорости света, поступающего от далекого источника (например, звезды), и скорости его наблюдателя (см. диаграмму справа). Таким образом, движущийся наблюдатель видит свет, идущий в несколько ином направлении, и, следовательно, видит источник в положении, смещенном от его первоначального положения. Поскольку направление скорости Земли постоянно меняется по мере того, как Земля движется по орбите Солнца, этот эффект приводит к тому, что звезды начинают двигаться в видимом положении. Из угловой разницы в положении звезд можно выразить скорость света с точки зрения скорости Земли вокруг Солнца. Эта скорость, известная в течение года, может быть легко преобразована в время, необходимое для перемещения звезд от Солнца к Земле. В 1729 году Брэдли использовал этот метод, чтобы вывести, что свет перемещался в 10 210 раз быстрее, чем Земля на своей орбите (современная цифра в 10 066 раз быстрее), или, что эквивалентно, что для перемещения света от Солнца к Земле потребуется 8 минут 12 секунд.

Современный

В настоящее время "световое время для единичного расстояния" - обратная величина c (1/c), выраженная в секундах на астрономическую единицу - измеряется путем сравнения времени, в течение которого радиосигналы достигают разных космических аппаратов в Солнечной системе. Положение космических аппаратов вычисляется на основе гравитационных эффектов Солнца и различных планет. Объединяя множество таких измерений, можно получить оптимальное значение светового времени на единицу расстояния. По состоянию на 2009 г. ^{[обновленная информация]} наилучшей оценкой, одобренной Международным астрономическим союзом (МАС), является:

световое время для расстояния до единицы измерения: 499.004783836(10) s

c = 0.00200398880410(4) AU/s

c = 173.144632674(3) AU/day.

Относительная неопределенность этих измерений составляет 0,02 части на миллиард (2×10-11), что эквивалентно неопределенности земных измерений длины с помощью интерферометрии. Поскольку метр определяется как длина, пройденная светом за определенный интервал времени, измерение светового времени для единичного расстояния также может быть интерпретировано как измерение длины АС в метрах. Считается, что метр является единицей соответствующей длины, в то время как AU часто используется как единица наблюдаемой длины в данной системе отсчета.

Аберрация света: свет от удаленного источника кажется из другого места для движущегося телескопа из-за конечной скорости света.

Практическое воздействие

Ограниченная скорость света является основным ограничением для дальних космических путешествий. Если предположить, что путешествие на другую сторону Млечного Пути, то общее время на получение сообщения и ответа на него составит около 200 000 лет. Еще более серьезно, ни один космический корабль не сможет путешествовать быстрее, чем свет, поэтому весь транспорт галактического масштаба будет, по сути, односторонним, и займет гораздо больше времени, чем любая современная цивилизация.

Скорость света может также вызывать беспокойство на очень коротких расстояниях. В суперкомпьютерах скорость света ограничивает скорость передачи данных между процессорами. Если процессор работает на частоте 1 гигагерц, то за один цикл сигнал может проехать максимум около 30 сантиметров (1 фута). Поэтому процессоры должны располагаться близко друг к другу, чтобы свести к минимуму задержки при передаче данных; это может вызвать трудности с охлаждением. Если тактовые частоты будут продолжать увеличиваться, скорость света в конечном итоге станет ограничивающим фактором для внутренней конструкции отдельных микросхем.

Связанные страницы

• эксперимент Микельсона-Морли