Лампочка горить, ліхтарик на айфоні випадково вмикається, а сонце світить. Ці звичні нам явища мають фізичні характеристики, головна з яких — швидкість світла.
|
Точні значення швидкості світла |
|
|
метрів за секунду |
299 792 458 |
|
Приблизні значення швидкості світла |
|
|
кілометрів на секунду |
300 000 |
|
кілометрів за годину |
1,08 млрд |
|
миль на секунду |
186 000 |
|
миль на годину |
671 млн |
Швидкість світла: чому вона дорівнює і як її вимірювати
Швидкість світла — це величина , Що характеризує швидкість переміщення світла
До другої половини XVII століття швидкість світла вважалася нескінченною, доки її не виміряв датський астроном Олаф Ремер. Він спостерігав затемнення супутника Юпітера Іо і помітив, що вони не співпадають за часом з розрахунковими, а залежить ця розбіжність від відстані між подією та спостерігачем. Зважаючи на положення Землі на своїй орбіті щодо Юпітера, Ремер підрахував, що швидкість світла дорівнює 220 000 км/с.
На початку ХІХ століття французький вчений Фізо розробив для вимірювання швидкості світла так званий метод переривань. Фізик спрямував промінь світла на дзеркало. Відбиваючись від нього, світло проходило через зубці колеса. Потім потрапляв на ще одну поверхню, що відображає, яка була розташована на відстані в 8,6 км. Колесо обертали, збільшуючи швидкість, доки промінь не буде видно у наступному зазорі. Після підрахунків Фізо отримав результат — 313 000 км/с.
Винахід лазера в XX столітті дозволило дійти до межі точності та зафіксувати швидкість світла на позначці 299792458 м/с з похибкою 1,2 м/c. Подальше уточнення стало неможливим через відсутність точного визначення метра. Тоді за зразок брали металеву палицю, що у палаті вимірів і терезів.
У вісімдесятих роках минулого століття Генеральна конференція з мір і ваг (так, така дійсно існує) прийняла за метр відстань, яка долає світло за 1/299 792 458 секунди. Відповідно, швидкість світла стала офіційно рівною 299792458 метрів в секунду. Для зручності її значення прийнято округлювати до 300 000 км/с.
Невдалий досвід Галілея
Щоб виміряти швидкість світла, в 1600 Галілей і його помічник піднялися на сусідні пагорби, попередньо розрахувавши відстань між ними. Вони взяли запалені ліхтарі та обладнали їх заслінками, які відкривають та закривають вогні. По черзі відкриваючи та закриваючи вогонь, вони намагалися розрахувати швидкість світла. Галілей та помічник заздалегідь знали, з якою затримкою відкриватимуть та закриватимуть вогонь. Коли один із них відкривав заслінку, то ж повинен був зробити й інший.
Однак експеримент був провальним, і не дивно: щоб усе вийшло, ученим довелося б стояти на відстані мільйонів кілометрів один від одного.
Швидкість світла в різних середовищах
Світло поширюється у різних середовищах по-різному. У вакуумі і повітря швидкість світла майже різниться, тоді як у інших середовищах вона менше. Це залежить від оптичної щільності середовища — чим вона більша, тим менша швидкість поширення світла.
Основною характеристикою в даному випадку є показник заломлення середовища. Він дорівнює відношенню швидкості світла у вакуумі до швидкості розповсюдження світла в середовищі.
| Абсолютний показник переломлення середовища n = c/v n — показник заломлення середовища [—] з — швидкість світла [м /с] v — швидкість світла у заданому середовищі [м/с] |
Нижче представлена таблиця швидкостей світла в різних середовищах та показників заломлення в них.
Абсолютний показник заломлення середовища
| Середовище | Швидкість світла, км/с | Абсолютний показник заломлення середовища |
|---|---|---|
| Вакуум | 300 000 | 1 |
| Повітря | 299 704 | 1,003 |
| Лед | 228 782 | 1,31 |
| Вода | 225 341 | 1,33 |
| Скло | 200 000 | 1,5 |
| Цукор | 192 300 | 1,56 |
| Сірковуглець | 184 000 | 1,63 |
| Рубін | 170 386 | 1,76 |
| Діамант | 123 845 | 2,42 |
Параметри, пов’язані зі швидкістю світла
Найважливіші параметри – це довжина хвилі та період.
| Формула швидкості світла c = λ/T с — швидкість світла [м/с] λ — довжина хвилі [м] T – період [с] |
Завдання для практики
Визначте колір освітлення, що проходить відстань у 1000 разів більший за його довжину хвилі за 2 пікосекунди.
Рішення
Для початку переведемо 2 пікосекунди в секунди – це 2 * 10-12 с.
Тепер візьмемо формулу швидкості: v = S/t
По умовою S = 1000λ, тобто v = 1000λ/t.
Висловлюємо довжину хвилі:
λ = vt/1000
Підставляємо значення швидкості світла та відомого нам часу:
λ = (3 * 108* 2 * 10-12)/1000 = 600
І співвідносимо зі шкалою видимого світла:
На шкалі видно, що довжині хвилі в 600 нм відповідає помаранчевий колір випромінювання.
Відповідь: колір освітлення за заданих умов буде помаранчевим.
Швидкість вища, ніж швидкість світла
Тут ми підходимо до найцікавішого. По суті, подолати швидкість світла – це те саме, що винайти машину часу. Адже ми не можемо побачити світло від запаленого на вулиці ліхтаря раніше, ніж він спалахнув. Здавалося б, питання закрите, машина часу неможлива, і взагалі всі мрії дитинства зруйновані. Але насправді це не зовсім так.
Фізично машину часу ніщо не забороняє. Тобто з погляду фізики вона цілком можлива, ми маємо лише технічні обмеження.
Згідно з загальною теорією відносності, чим швидше ми розганяємо частинку, яка має якусь масу, тим більше енергії нам потрібно. У міру наближення до швидкості світла ця енергія прагнутиме нескінченності. Але це не означає, що світло на порядки найшвидше у Всесвіті. Наприклад, вчені ЦЕРНу розігнали протони у Великому адронному колайдері до швидкості 299 792 455 м/c, що всього на 3 м/с поступається невагомим фотонам світла.
Описані вище обмеження, які накладає на швидкості у Всесвіті сучасна фізика, не стосуються частинок, які не мають маси, не взаємодіють зі звичайними частинками та можуть переміщатися швидше за швидкість світла. Такі частки прийнято називати тахіонами і на даний момент їх існування є лише припущенням (складно вигадати ефективний інструмент для їх виявлення, адже вони ні з чим не взаємодіють).
У спеціальній теорії відносності є навіть таке поняття, як релятивістське уповільнення часу. Його сенс полягає в тому, що в тілі, що рухається, всі фізичні процеси проходять повільніше.
Класичним прикладом цього явища є сценарій близнюків. Уявімо, що один близнюк летить на космічному кораблі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, а інший залишається на Землі. Коли близнюк-космонавт повернеться на Землю старшим на рік або на два, він виявить, що його брат став старшим на кілька десятиліть.
У реальному житті експеримент із близнюками ніхто не проводив, але проводили аналогічний — із годинником. Вчені запустили атомний годинник на орбіту і залишили ідентичний годинник на Землі. Коли годинник повернувся, він ішов з деяким відставанням від свого земного близнюка.
Ще один популярний приклад надсвітлової швидкості – це явища квантової механіки. У той самий момент, коли ви одягли на праву ногу одну шкарпетку, друга моментально і автоматично стала лівою, незважаючи на відстань між ними.
Або експеримент із котом Шредінгера, про який ви напевно щось чули.
Ліричний відступ про кота Шредінгера
Фізик, якому не дуже подобаються кішки, поміщає кота в коробку разом з бомбою, яка вибухає з ймовірністю 50% після того, як закрили кришку. До того, як ми відкриємо коробку, немає способу дізнатися, чи вибухнула бомба. Тому ми не знаємо, чи живий кіт чи мертвий.
Оперуючи поняттями квантової фізики, ми можемо сказати, що до нашого спостереження кіт перебував у стані суперпозиції — стані, що поєднує в собі обидві можливості з шансом 50% для кожної.
Щось подібне трапляється з фізичними системами квантових розмірів, як електрон, що обертається навколо атома водню. Електрон не зовсім обертається – він ніби знаходиться у всьому просторі одночасно, а в деяких місцях з більшою ймовірністю. Тільки після того, як ми визначили його місцезнаходження, ми можемо точно вказати, де він знаходиться в цей момент. Так само, як ми не знали, був кіт живий або мертвий до того, як ми відкрили коробку.
Це підводить нас до дивного і красивого феномену квантової заплутаності. Уявімо, що замість одного кота в одній коробці у нас було б два коти у двох різних коробках. Якщо ми повторимо експеримент із котом Шредінгера з парою цих котів, в результаті експерименту можуть бути чотири можливості:
- обидва коти будуть живі,
- обидва мертві,
- перший буде живий, другий мертвий,
- перший мертвий, другий живий.
Ситуації, коли обидва коти мертві або обидва коти живі, не відповідають стану суперпозиції. Іншими словами, можлива така система з двох котів, у якій у результаті завжди один із котів буде мертвий, а інший живий. Користуючись технічними термінами, можна сказати, що стан цих двох котів заплутаний.
Назріває питання: що станеться, якщо цих котів помістити у різних куточках Всесвіту. Не повірите, але те саме! Один з котів у будь-якому разі буде живий, а інший — мертвий, хоча який кіт буде живий, а який мертвий, абсолютно непередбачувано.
Квантова заплутаність була підтверджена в справжніх лабораторних експериментах. Дві субатомні частинки заплутані у стані суперпозиції так, що якщо одна обертається в один бік, то інша у протилежний.
Заплутаність знаходиться в центрі квантової інформатики — галузі науки, що розвивається, яка шукає застосування законів дивного квантового світу. Так, квантова криптографія дозволяє шпигунам надійно надсилати один одному інформацію, а квантове програмування — зламувати секретні коди.
Щодня фізика з часом може стати більш схожою на дивний світ квантової механіки. Квантова телепортація зможе досягти такого прогресу, що одного разу ваш кіт зможе втекти в безпечніший всесвіт, де немає фізиків і коробок. Загалом надсвітова швидкість існує, хоч у неї і дуже слабка доказова база. Якщо вчені досягнуть того, щоб швидкості вище за швидкість світла стали нашою реальністю, то і до машини часу недалеко.
