1 valguskiirus. Kooli entsüklopeedia

19. sajandil tehti mitmeid teaduslikke katseid, mis viisid mitmete uute nähtuste avastamiseni. Nende nähtuste hulgas on Hans Oerstedi avastus magnetilise induktsiooni tekitamise kohta elektrivoolu abil. Hiljem avastas Michael Faraday vastupidise efekti, mida nimetati elektromagnetiliseks induktsiooniks.

James Maxwelli võrrandid – valguse elektromagnetiline olemus

Nende avastuste tulemusel märgiti nn "vahemõju", mille tulemuseks oli Wilhelm Weberi uus elektromagnetismi teooria, mis põhines kaugtegevusel. Hiljem defineeris Maxwell mõiste elektri- ja magnetväljad, mis on võimelised üksteist genereerima, mis on elektromagnetlaine. Seejärel kasutas Maxwell oma võrrandites nn elektromagnetilist konstanti - Koos.

Selleks ajaks olid teadlased juba jõudnud lähedale tõsiasjale, et valgus on oma olemuselt elektromagnetiline. Elektromagnetilise konstandi füüsikaline tähendus on elektromagnetiliste ergastuste levimiskiirus. James Maxwelli enda üllatuseks osutus selle konstandi mõõdetud väärtus ühiklaengute ja vooludega katsetes võrdseks valguse kiirusega vaakumis.

Enne seda avastust eraldas inimkond valguse, elektri ja magnetismi. Maxwelli üldistus võimaldas uue pilgu heita valguse olemusele kui teatud elektri- ja magnetvälja fragmendile, mis levib ruumis iseseisvalt.

Alloleval joonisel on elektromagnetlaine, mis on ühtlasi valgus, levimise diagramm. Siin on H magnetvälja tugevuse vektor, E on elektrivälja tugevuse vektor. Mõlemad vektorid on üksteisega risti, samuti laine levimise suunaga.

Michelsoni eksperiment – ​​valguse kiiruse absoluutsus

Toonane füüsika oli suuresti üles ehitatud Galilei relatiivsusprintsiibile, mille kohaselt näevad mehaanikaseadused igas valitud inertsiaalses tugiraamistikus ühesugused. Samal ajal peaks vastavalt kiiruste liitmisele levikiirus sõltuma allika kiirusest. Kuid sel juhul käituks elektromagnetlaine sõltuvalt võrdluskaadri valikust erinevalt, mis rikub Galileo relatiivsuspõhimõtet. Seega oli Maxwelli näiliselt hästi vormistatud teooria kõikuv.

Katsed on näidanud, et valguse kiirus ei sõltu tegelikult allika kiirusest, mis tähendab, et on vaja teooriat, mis seletaks sellist kummalist fakti. Parimaks teooriaks sel ajal osutus “eetri” teooria - teatud keskkond, milles valgus levib, nii nagu heli levib õhus. Siis määraks valguse kiiruse mitte allika liikumiskiirus, vaid keskkonna enda – eetri – omadused.

Eetri avastamiseks on tehtud palju katseid, millest kuulsaim on Ameerika füüsiku Albert Michelsoni katse. Ühesõnaga on teada, et Maa liigub avakosmoses. Siis on loogiline eeldada, et see liigub ka läbi eetri, kuna eetri täielik kinnitumine Maa külge pole mitte ainult egoismi kõrgeim aste, vaid lihtsalt ei saa olla millestki põhjustatud. Kui Maa liigub läbi teatud keskkonna, milles valgus levib, siis on loogiline eeldada, et siin toimub kiiruste liitmine. See tähendab, et valguse levimine peab sõltuma eetrit läbiva Maa liikumissuunast. Michelson ei avastanud oma katsete tulemusel erinevust valguse levimise kiiruse vahel Maast mõlemas suunas.

Hollandi füüsik Hendrik Lorentz püüdis seda probleemi lahendada. Tema oletuse kohaselt mõjutas "eetertuul" kehasid nii, et need vähendasid oma suurust liikumise suunas. Sellest eeldusest lähtudes koges nii Maa kui Michelsoni seade seda Lorentzi kokkutõmbumist, mille tulemusena sai Albert Michelson valguse mõlemas suunas levimiseks sama kiiruse. Ja kuigi Lorentzil õnnestus eetri teooria surma edasi lükata, leidsid teadlased siiski, et see teooria on "kaugelt võetud". Seega pidi eetris olema mitmeid "muinasjutulisi" omadusi, sealhulgas kaaluta olekut ja liikuvate kehade suhtes vastupidavuse puudumine.

Eetri ajaloo lõpp saabus 1905. aastal tollal vähetuntud Albert Einsteini artikli “Liikuvate kehade elektrodünaamikast” avaldamisega.

Albert Einsteini erirelatiivsusteooria

26-aastane Albert Einstein väljendas ruumi ja aja olemuse kohta täiesti uut, teistsugust vaadet, mis läks vastuollu tolleaegsete ideedega ja rikkus eriti rängalt Galilei relatiivsuspõhimõtet. Einsteini sõnul ei andnud Michelsoni katse positiivseid tulemusi põhjusel, et ruumil ja ajal on sellised omadused, et valguse kiirus on absoluutväärtus. See tähendab, et olenemata sellest, millises võrdlusraamistikus vaatleja on, on valguse kiirus tema suhtes alati sama, 300 000 km/sek. Sellest järgnes valguse suhtes kiiruste liitmise kohaldamise võimatus - ükskõik kui kiiresti valgusallikas liigub, valguse kiirus ei muutu (liita ega lahuta).

Einstein kasutas Lorentzi kontraktsiooni, et kirjeldada valguse kiirusele lähedase kiirusega liikuvate kehade parameetrite muutusi. Nii näiteks väheneb selliste kehade pikkus ja nende enda aeg aeglustub. Selliste muutuste koefitsienti nimetatakse Lorentzi teguriks. Einsteini kuulus valem E=mc 2 sisaldab tegelikult ka Lorentzi faktorit ( E= ymc 2), mis on üldiselt võrdne ühtsusega juhul, kui keha kiirus v võrdne nulliga. Kui keha kiirus läheneb v valguse kiirusele c Lorentzi tegur y tormab lõpmatuse poole. Sellest järeldub, et keha kiirendamiseks valguse kiirusele on vaja lõpmatult palju energiat ja seetõttu on seda kiiruspiirangut võimatu ületada.

Selle väite kasuks on ka argument, mida nimetatakse "samaaegsuse suhtelisuseks".

SRT samaaegsuse suhtelisuse paradoks

Lühidalt öeldes seisneb samaaegsuse relatiivsuse fenomen selles, et erinevates ruumipunktides asuvad kellad saavad "samal ajal" töötada ainult siis, kui nad on samas inertsiaalses tugiraamistikus. See tähendab, et kellaaeg sõltub võrdlussüsteemi valikust.

Sellest tuleneb paradoks, et sündmus B, mis on sündmuse A tagajärg, võib toimuda sellega samaaegselt. Lisaks on võimalik valida referentssüsteeme nii, et sündmus B saabub varem kui selle põhjustanud sündmus A. Selline nähtus rikub kausaalsuse põhimõtet, mis on teaduses üsna kindlalt juurdunud ja mida pole kunagi kahtluse alla seatud. Seda hüpoteetilist olukorda täheldatakse aga ainult juhul, kui sündmuste A ja B vaheline kaugus on suurem kui nendevaheline ajavahemik, mis on korrutatud "elektromagnetilise konstandiga" - Koos. Seega konstant c, mis võrdub valguse kiirusega, on teabe edastamise maksimaalne kiirus. Vastasel juhul rikutakse põhjuslikkuse põhimõtet.

Kuidas mõõdetakse valguse kiirust?

Olaf Roemeri tähelepanekud

Antiikaja teadlased uskusid enamasti, et valgus liigub lõpmatu kiirusega ja esimene hinnang valguse kiirusele saadi juba 1676. aastal. Taani astronoom Olaf Roemer jälgis Jupiterit ja selle kuud. Hetkel, mil Maa ja Jupiter asusid Päikese vastaskülgedel, hilines Jupiteri kuu Io varjutus arvestusliku ajaga võrreldes 22 minutit. Ainus lahendus, mille Olaf Roemer leidis, on see, et valguse kiirus on piirav. Sel põhjusel hilineb teave vaadeldud sündmuse kohta 22 minutit, kuna Io satelliidilt astronoomi teleskoobini kulub veidi aega. Roemeri arvutuste järgi oli valguse kiirus 220 000 km/s.

James Bradley tähelepanekud

1727. aastal avastas inglise astronoom James Bradley valguse aberratsiooni nähtuse. Selle nähtuse olemus seisneb selles, et kui Maa liigub ümber Päikese ja ka Maa enda pöörlemise ajal, täheldatakse tähtede nihkumist öötaevas. Kuna maapealne vaatleja ja Maa ise muudavad pidevalt oma liikumissuunda vaadeldava tähe suhtes, siis läbib tähe kiiratav valgus aja jooksul erinevaid vahemaid ja langeb vaatleja poole erineva nurga all. Valguse piiratud kiirus toob kaasa asjaolu, et taevatähed kirjeldavad aastaringselt ellipsi. See katse võimaldas James Bradleyl hinnata valguse kiirust – 308 000 km/s.

Louis Fizeau kogemus

1849. aastal viis prantsuse füüsik Louis Fizeau läbi laboratoorse eksperimendi valguse kiiruse mõõtmiseks. Füüsik paigaldas peegli Pariisis allikast 8633 meetri kaugusele, kuid Roemeri arvutuste kohaselt läbib valgus selle vahemaa sajatuhandiksekunditega. Selline kella täpsus oli siis kättesaamatu. Seejärel kasutas Fizeau hammasratast, mis pöörles teel allikast peeglini ja peeglist vaatlejani, mille hambad perioodiliselt valgust blokeerisid. Juhul, kui valguskiir allikast peeglisse läks hammaste vahelt ja tagasiteel tabas hammast, kahekordistas füüsik ratta pöörlemiskiirust. Ratta pöörlemiskiiruse kasvades lakkas valgus peaaegu kadumast, kuni pöörlemiskiirus jõudis 12,67 pööret sekundis. Sel hetkel kadus valgus jälle.

Selline tähelepanek tähendas, et valgus "põrkus" pidevalt hammastesse ja tal ei olnud aega nende vahele "libiseda". Teades ratta pöörlemiskiirust, hammaste arvu ja kahekordset kaugust allikast peeglini, arvutas Fizeau välja valguse kiiruse, mis osutus võrdseks 315 000 km/sek.

Aasta hiljem viis teine ​​prantsuse füüsik Leon Foucault läbi sarnase katse, milles ta kasutas hammasratta asemel pöörlevat peeglit. Ta sai valguse kiiruseks õhus 298 000 km/s.

Sajand hiljem täiustati Fizeau meetodit nii palju, et 1950. aastal E. Bergstrandi poolt läbi viidud sarnane katse andis kiiruse väärtuseks 299 793,1 km/s. See arv erineb valguse kiiruse praegusest väärtusest vaid 1 km/s.

Täiendavad mõõtmised

Laserite tulekuga ja mõõteriistade täpsuse suurenemisega oli võimalik mõõtmisviga vähendada kuni 1 m/s. Nii kasutasid Ameerika teadlased 1972. aastal oma katseteks laserit. Mõõtes laserkiire sagedust ja lainepikkust, suutsid nad saada väärtuseks 299 792 458 m/s. Tähelepanuväärne on, et valguse kiiruse mõõtmise täpsuse edasine suurendamine vaakumis oli võimatu mitte instrumentide tehniliste puuduste, vaid arvesti standardi enda vea tõttu. Sel põhjusel määratles XVII kaalude ja mõõtude üldkonverents 1983. aastal arvesti kui vahemaa, mille valgus läbib vaakumis aja jooksul, mis on võrdne 1/299 792 458 sekundiga.

Võtame selle kokku

Niisiis, kõigest ülaltoodust järeldub, et valguse kiirus vaakumis on põhiline füüsikaline konstant, mis esineb paljudes fundamentaalsetes teooriates. See kiirus on absoluutne, see tähendab, et see ei sõltu võrdlussüsteemi valikust ja võrdub ka teabe edastamise maksimaalse kiirusega. Selle kiirusega ei liigu mitte ainult elektromagnetlained (valgus), vaid ka kõik massita osakesed. Sealhulgas arvatavasti graviton, gravitatsioonilainete osake. Muuhulgas seisab valguse enda aeg relativistlike efektide tõttu sõna otseses mõttes paigal.

Sellised valguse omadused, eriti sellele kiiruste liitmise põhimõtte rakendamatus, ei mahu pähe. Paljud katsed kinnitavad aga ülalloetletud omadusi ja mitmed fundamentaalsed teooriad on üles ehitatud just sellele valguse olemusele.

(kaasa arvatud valgus); üks fondidest füüsiline püsiv; tähistab mis tahes füüsika maksimaalset levimiskiirust. mõjutused (vt Relatiivsusteooria) ja on ühest võrdlussüsteemist teise üleminekul muutumatu.

S. s. keskkonnas koos" sõltub keskkonna murdumisnäitajast n, mis on erinevatel sagedustel erinev v ( kerge dispersioon):. See sõltuvus toob kaasa erinevuse rühma kiirus alates faasi kiirus valgus keskkonnas, kui me ei räägi ühevärvilisest. valgus (vaakumis oleva päikesekiirguse puhul langevad need kaks suurust kokku). Katseliselt määrates koos", mõõta alati rühma S. s. või nö signaali kiirus või energia ülekandekiirus ainult teatud erijuhtudel. juhtumid ei võrdu rühmaga.

Esimest korda S. s. määras 1676. aastal O. Ch. Roemer Jupiteri satelliitide varjutuste vaheliste ajavahemike muutumise põhjal. 1728. aastal asutas selle J. Bradley, tuginedes tema tähelepanekutele tähevalguse aberratsiooni kohta. 1849. aastal mõõtis A.I.L. Fizeau esimesena S. s. ajaks, mil valgusel kulub täpselt teadaoleva vahemaa läbimiseks (baas); Kuna õhu murdumisnäitaja erineb 1-st väga vähe, annavad maapealsed mõõtmised c-le väga lähedase väärtuse. Fizeau katses valguskiir allikast S(joonis 1), peegeldub poolläbipaistvast peeglist N, mida perioodiliselt katkestab pöörlev hammasketas W, läbis baasi MN(ca 8 km) n, peegeldub peeglist M, naasis kettale. Kui valgus hammast tabas, ei jõudnud see vaatlejani ning hammaste vahele langenud valgust oli võimalik jälgida läbi okulaari E. Ketta teadaolevate pöörlemiskiiruste põhjal määrati aeg, mis kulus valgusel läbi aluse liikumiseks. Fizeau sai väärtuse c = 313300 km/s 1862. aastal viis J. B. L. Foucault ellu D. Arago 1838. aastal väljendatud idee, kasutades hammasketta asemel kiiresti pöörlevat (512 p/min. c) peeglit. Peeglist peegeldudes oli valguskiir suunatud alusele ja tagasi tulles langes uuesti samale peeglile, millel oli aega teatud väikese nurga all pöörata (joonis 2). Vaid 20 m põhjaga leidis Foucault, et S. s. võrdne 298000 500 km/s. Skeemid ja põhitõed Fizeau ja Foucault' katsete ideid kasutati korduvalt S. s. definitsiooni käsitlevates töödes. Saanud A. Michelson (vt. Michelsoni kogemus) 1926. aastal oli km/s väärtus siis kõige täpsem ja arvati rahvusvahelisse. füüsilised tabelid kogused

Riis. 1. Valguse kiiruse määramine Fizeau meetodil.

Riis. 2. Valguse kiiruse määramine pöörleva peegli meetodil (Foucault meetod): S - valgusallikas; R - kiiresti pöörlev peegel; C on fikseeritud nõguspeegel, mille keskpunkt ühtib pöörlemisteljega R (seetõttu langeb C-lt peegeldunud valgus alati R-le tagasi); M-läbipaistev peegel; L - objektiiv; E - okulaar; RC - täpselt mõõdetud kaugus (alus). Punktiirjoon näitab positsiooni R, mis on muutunud ajal, mil valgus liigub mööda teed RC ja tagasi, ning kiirte kiiret vastupidist teed läbi läätse L, mis kogub peegeldunud kiire punktis S", ja mitte uuesti. punktis S, nagu see oleks statsionaarse peegli L puhul. Kiirustuled seadistatakse nihke SS mõõtmise teel".

Mõõtmised S. s. 19. sajandil mängis suurt rolli, kinnitades veelgi valguse laineteooriat. Foucault 1850. aastal tehtud S. s.-i võrdlus. sama sagedus v õhus ja vees näitas, et kiirus vees on kooskõlas laineteooria ennustusega. Samuti tekkis seos optika ja elektromagnetismi teooria vahel: mõõdeti S. s. langes kokku el-magni kiirusega. el-magnetsuhtest arvutatud lained. ja el-staatiline. ühikut elektrit laeng [W. Weberi ja F. Kohlrauschi katsed 1856. aastal ning järgnevad J. C. Maxwelli täpsemad mõõtmised]. See kokkusattumus oli üks lähtepunkte Maxwelli elektrimagneti loomisel aastatel 1864-73. valguse teooriad.

Kaasaegses mõõtmised S. s. kasutatakse moderniseeritud. Fizeau meetod (modulatsioonimeetod) hammasratta asendamisega el-optilise, ., interferentsi või muuga. teine ​​valgusmodulaator, mis katkestab või nõrgestab täielikult valgusvihu (vt Valguse modulatsioon Kiirgusvastuvõtja on fotosilm või fotokordisti toru.Rakendus laser valgusallikana, stabilisaatoriga ultrahelimodulaator. sagedus ja baaspikkuse mõõtmise täpsuse suurendamine võimaldasid vähendada mõõtmisvigu ja saada väärtuse km/s. Lisaks otsestele mõõtmistele S. s. teadaoleva baasi läbimise aja põhjal kasutatakse laialdaselt kaudseid meetodeid, mis annavad suurema täpsuse. Niisiis, kasutades mikrolaineahju tolmuimejaid. [TO. Froome (K. Froome), 1958] kiirguse lainepikkusel = 4 cm, saadi väärtus km/s. S. s. määratakse veelgi väiksema veaga. iseseisvalt leitud ja v aatomi või molekuli jagunemise jagatisena spektrijooned. K. Evenson ja tema kaaslased 1972. aastal tseesiumi sagedusstandardi kohta (vt Kvantsageduse standardid) leidis CH 4 laseri kiirgussageduse täpsusega kuni 11. numbrini ning krüptoni sagedusstandardit kasutades - selle lainepikkuse (ca 3,39 μm) ja sai ± 0,8 m/s. Rahvusvahelise teaduse ja tehnoloogia arvandmete komitee peaassamblee otsusega - KODATA (1973), mis analüüsis kõiki olemasolevaid andmeid, nende usaldusväärsust ja viga, S. p. vaakumis loetakse võrdseks 299792458 ±1,2 m/s.

C kõige täpsem mõõtmine on äärmiselt oluline mitte ainult üldistes teoreetilistes küsimustes. planeerida ja määrata väärtus muude füüsiliste. koguses, aga ka praktilistel eesmärkidel. eesmärgid. Nende hulka kuuluvad eelkõige kauguste määramine raadio- või valgussignaalide sissesõiduaja põhjal radar, optiline kaugus, valguskaugus, satelliitjälgimissüsteemides jne.

Lit.: Vafiadi V. G., Popov Yu. V., Valguse kiirus ja selle tähtsus teaduses ja tehnoloogias, Minsk, 1970; Taylor W., Parker W., Langenberg D., Fundamental Constants and Quantum, tlk. inglise keelest, M., 1972. A. M. Bonch-Bruevitš.

Tõesti kuidas? Kuidas mõõta suurimat kiirust Universum meie tagasihoidlikes maistes tingimustes? Me ei pea enam selle üle oma ajusid rabelema – lõppude lõpuks on nii paljud inimesed selle teemaga tegelenud mitme sajandi jooksul, töötades välja meetodeid valguse kiiruse mõõtmiseks. Alustame lugu järjekorras.

Valguse kiirus– elektromagnetlainete levimise kiirus vaakumis. Seda tähistatakse ladina tähega c. Valguse kiirus on ligikaudu 300 000 000 m/s.

Valguse kiiruse mõõtmise küsimusele ei mõelnud alguses keegi. Valgust on - see on suurepärane. Siis, antiikaja ajastul, oli teadusfilosoofide seas valdav arvamus, et valguse kiirus on lõpmatu, see tähendab hetkeline. Siis see juhtus keskaeg inkvisitsiooniga, kui mõtlevate ja edumeelsete inimeste põhiküsimus oli "Kuidas vältida tulle sattumist?" Ja ainult epohhide kaupa Renessanss Ja Valgustus Teadlaste arvamused mitmekordistusid ja loomulikult jagunesid.

Niisiis, Descartes, Kepler Ja Talu olid antiikaja teadlastega samal arvamusel. Kuid ta uskus, et valguse kiirus on piiratud, kuigi väga suur. Tegelikult tegi ta esimese valguse kiiruse mõõtmise. Täpsemalt tegi ta esimese katse seda mõõta.

Galileo eksperiment

Kogemused Galileo Galilei oli oma lihtsuses geniaalne. Teadlane viis läbi katse valguse kiiruse mõõtmiseks, relvastatud lihtsate improviseeritud vahenditega. Üksteisest suurel ja tuntud kaugusel, erinevatel küngastel, seisid Galileo ja tema assistent põlenud laternatega. Üks neist avas laternal luugi ja teine ​​pidi sama tegema, kui nägi esimese laterna valgust. Teades vahemaad ja aega (viivitus, enne kui assistent laterna avab), eeldas Galileo valguse kiiruse arvutamist. Kahjuks pidid Galileo ja tema assistent selle katse õnnestumiseks valima künkad, mis asusid üksteisest mitme miljoni kilomeetri kaugusel. Tuletan teile meelde, et saate veebisaidil avalduse täites.

Roemeri ja Bradley katsed

Esimene edukas ja üllatavalt täpne katse valguse kiiruse määramisel oli Taani astronoomi katse Olaf Roemer. Roemer kasutas valguse kiiruse mõõtmiseks astronoomilist meetodit. 1676. aastal jälgis ta Jupiteri satelliiti Io läbi teleskoobi ja avastas, et satelliidi varjutuse aeg muutub Maa eemaldudes Jupiterist. Maksimaalne viivitusaeg oli 22 minutit. Arvutades, et Maa eemaldub Jupiterist Maa orbiidi läbimõõdu kaugusel, jagas Römer läbimõõdu ligikaudse väärtuse viivitusajaga ja sai väärtuseks 214 000 kilomeetrit sekundis. Muidugi oli selline arvutus väga konarlik, planeetide vahelised kaugused olid teada vaid ligikaudselt, kuid tulemus osutus tõele suhteliselt lähedaseks.

Bradley kogemus. Aastal 1728 James Bradley hindas valguse kiirust tähtede aberratsiooni jälgides. Lühend on tähe näiva asendi muutus, mis on põhjustatud Maa liikumisest tema orbiidil. Teades Maa kiirust ja mõõtes aberratsiooninurka, sai Bradley väärtuseks 301 000 kilomeetrit sekundis.

Fizeau kogemus

Tolleaegne teadusmaailm reageeris Roemeri ja Bradley katse tulemusele umbusaldamisega. Bradley tulemus oli aga kõige täpsem üle saja aasta, kuni 1849. aastani. Sel aastal prantsuse teadlane Armand Fizeau mõõtis valguse kiirust pöörleva katiku meetodil, ilma taevakehasid vaatlemata, vaid siin Maal. Tegelikult oli see esimene laborimeetod valguse kiiruse mõõtmiseks alates Galileost. Allpool on diagramm selle labori seadistustest.

Peeglist peegeldunud valgus läbis ratta hammaste ja peegeldus teisest peeglist, mis oli 8,6 kilomeetri kaugusel. Ratta kiirust suurendati, kuni järgmises vahes tuli nähtavaks. Fizeau arvutused andsid tulemuseks 313 000 kilomeetrit sekundis. Aasta hiljem tegi sarnase katse pöörleva peegliga Leon Foucault, kes sai tulemuseks 298 000 kilomeetrit sekundis.

Maserite ja laserite tulekuga on inimestel tekkinud uued võimalused ja viisid valguse kiiruse mõõtmiseks ning teooria areng võimaldas arvutada valguse kiirust ka kaudselt, ilma otseseid mõõtmisi tegemata.

Valguse kiiruse kõige täpsem väärtus

Inimkond on kogunud tohutuid kogemusi valguse kiiruse mõõtmisel. Tänapäeval peetakse valguse kiiruse kõige täpsemaks väärtuseks 299 792 458 meetrit sekundis, saadud 1983. aastal. Huvitav on see, et edasine valguse kiiruse täpsem mõõtmine osutus mõõtmisvigade tõttu võimatuks meetrit. Praegu on meetri väärtus seotud valguse kiirusega ja võrdub vahemaaga, mille valgus läbib 1/299 792 458 sekundiga.

Lõpuks, nagu alati, soovitame vaadata õppevideot. Sõbrad, isegi kui seisate silmitsi sellise ülesandega nagu valguse kiiruse iseseisev mõõtmine improviseeritud vahenditega, võite abi saamiseks julgelt pöörduda meie autorite poole. Avalduse saate täita korrespondentüliõpilase veebisaidil. Soovime teile meeldivat ja kerget õppimist!

epigraaf
Õpetaja küsib: Lapsed, mis on maailma kiireim asi?
Tanechka ütleb: Kiireim sõna. Ma lihtsalt ütlesin, et sa ei tule tagasi.
Vanechka ütleb: Ei, valgus on kõige kiirem.
Nii kui lülitit vajutasin, läks tuba kohe heledaks.
Ja Vovochka vaidleb vastu: Maailma kiireim asi on kõhulahtisus.
Olin kord nii kannatamatu, et ei öelnud sõnagi
Mul ei olnud aega midagi öelda ega valgust sisse lülitada.

Kas olete kunagi mõelnud, miks on valguse kiirus meie universumis maksimaalne, piiratud ja konstantne? See on väga huvitav küsimus ja kohe, spoilerina, avaldan sellele vastuse kohutava saladuse - keegi ei tea täpselt, miks. Võetakse valguse kiirus, s.o. vaimselt aktsepteeritud konstanti jaoks ja sellele postulaadile, aga ka ideele, et kõik inertsiaalsed võrdlusraamid on võrdsed, ehitas Albert Einstein oma erirelatiivsusteooria, mis on teadlasi sada aastat vihastanud, võimaldades Einsteinil oma keelt kinni hoida. karistamatult maailma ees ja irvitama oma hauas sea mõõtmete üle, mille ta kogu inimkonnale külvas.

Aga miks tegelikult on see nii konstantne, nii maksimaalne ja nii lõplik, sellele vastust pole, see on lihtsalt aksioom, s.t. usust võetud väide, mida kinnitavad vaatlused ja terve mõistus, kuid pole loogiliselt ega matemaatiliselt kusagilt tuletatav. Ja üsna tõenäoline, et see pole nii tõsi, kuid keegi pole seda veel ühegi kogemusega ümber lükata suutnud.

Mul on selles küsimuses omad mõtted, neist hiljem lähemalt, kuid praegu jääme lihtsaks, teie sõrmedel™ Püüan vastata vähemalt ühele osale - mida tähendab valguse kiirus "konstantne".

Ei, ma ei tüüta teid mõttekatsetustega, mis juhtuks, kui valguskiirusel lendaval raketil esituled põlema paneks vms, see on nüüd veidi teemast mööda.

Kui vaatate teatmeteost või Vikipeediat, on valguse kiirus vaakumis defineeritud kui põhiline füüsikaline konstant, mis täpselt võrdne 299 792 458 m/s. Noh, see on jämedalt öeldes umbes 300 000 km/s, aga kui täpselt õige- 299 792 458 meetrit sekundis.

Näib, kust selline täpsus tuleb? Mis tahes matemaatiline või füüsikaline konstant, mis tahes, isegi Pi, isegi naturaallogaritmi alus e, isegi gravitatsioonikonstant G ehk Plancki konstant h, sisaldavad alati mõnda numbrid pärast koma. Pi-s on neist kümnendkohtadest praegu teada umbes 5 triljonit (kuigi ainult esimesel 39 numbril on füüsiline tähendus), gravitatsioonikonstant on tänapäeval määratletud kui G ~ 6,67384(80)x10 -11 ja konstant Plank h~ 6,62606957(29)x10 -34 .

Valguse kiirus vaakumis on sile 299 792 458 m/s, ei sentimeetritki rohkem ega nanosekundit vähem. Kas soovite teada, kust see täpsus pärineb?

Kõik algas nagu tavaliselt vanade kreeklastega. Teadust kui sellist selle sõna tänapäevases tähenduses nende hulgas ei eksisteerinud. Vana-Kreeka filosoofe nimetati filosoofideks, sest nad leiutasid esmalt mingi jama oma peas ja siis loogilisi järeldusi (ja mõnikord ka reaalseid füüsilisi eksperimente) kasutades üritasid nad seda tõestada või ümber lükata. Reaalse elu füüsikaliste mõõtmiste ja nähtuste kasutamist pidasid nad aga “teise klassi” tõenditeks, mida ei saa võrrelda otse peast saadud esmaklassiliste loogiliste järeldustega.

Esimeseks inimeseks, kes mõtleb valguse enda kiiruse olemasolule, peetakse filosoofi Empidoclest, kes väitis, et valgus on liikumine ja liikumisel peab olema kiirus. Aristoteles vaidles talle vastu, kes väitis, et valgus on lihtsalt millegi olemasolu looduses ja see on kõik. Ja miski ei liigu kuskil. Aga see on midagi muud! Eukleides ja Ptolemaios uskusid üldiselt, et valgus kiirgub meie silmadest ja langeb seejärel objektidele ja seetõttu me näeme neid. Ühesõnaga, vanad kreeklased olid nii rumalad kui suutsid, kuni need samad vanad roomlased neid vallutasid.

Keskajal uskus enamik teadlasi, et valguse levimiskiirus on lõpmatu, nende hulgas olid näiteks Descartes, Kepler ja Fermat.

Kuid mõned, nagu Galileo, uskusid, et valgusel on kiirus ja seetõttu saab seda mõõta. Laialt on tuntud Galileo eksperiment, kes süütas lambi ja andis valgust Galileost mitme kilomeetri kaugusel asuvale assistendile. Olles valgust näinud, süütas assistent oma lambi ja Galileo püüdis nende hetkede vahelist viivitust mõõta. See tal loomulikult ei õnnestunud ja lõpuks oli ta sunnitud oma kirjutistesse kirjutama, et kui valgusel on kiirus, siis on see ülisuur ja inimjõul mõõdetav ning seetõttu võib seda pidada lõpmatuks.

Esimene dokumenteeritud valguse kiiruse mõõtmine omistatakse Taani astronoomile Olaf Roemerile 1676. aastal. Selleks aastaks jälgisid selle sama Galileo teleskoopidega relvastatud astronoomid aktiivselt Jupiteri satelliite ja arvutasid isegi nende pöörlemisperioode. Teadlased on kindlaks teinud, et Jupiterile lähima kuu Io pöörlemisperiood on ligikaudu 42 tundi. Küll aga märkas Roemer, et vahel ilmub Io Jupiteri tagant välja oodatust 11 minutit varem, vahel aga 11 minutit hiljem. Nagu selgus, ilmub Io varem nendel perioodidel, mil ümber Päikese pöörlev Maa läheneb Jupiterile minimaalsel kaugusel ja jääb 11 minuti võrra maha, kui Maa on orbiidi vastaskohas ja on seetõttu kaugemal Jupiter.

Rumalalt jagades maakera orbiidi läbimõõdu (ja see oli neil päevil juba enam-vähem teada) 22 minutiga, sai Roemer valguse kiiruseks 220 000 km/s, jäädes tegelikust väärtusest puudu umbes kolmandiku võrra.

1729. aastal jälgis inglise astronoom James Bradley parallaks(väikese asukoha kõrvalekaldega) avastas selle efekti täht Etamin (Gamma Draconis) valguse aberratsioonid, st. meile lähimate tähtede asukoha muutus taevas Maa liikumise tõttu ümber Päikese.

Bradley avastatud valguse aberratsiooni mõju põhjal võib ka järeldada, et valgusel on piiratud levimiskiirus, millest Bradley ka kinni sai, arvutades selleks ligikaudu 301 000 km/s, mis on juba 1% täpsusega. täna tuntud väärtus.

Sellele järgnesid kõik selgitavad mõõtmised teiste teadlaste poolt, kuid kuna arvati, et valgus on laine ja laine ei saa iseenesest levida, tuleb midagi "erutada", idee "olemasolu" olemasolust. luminiferous eeter”, mille avastamine ebaõnnestus ameeriklasel füüsikul Albert Michelsonil. Mingit helendavat eetrit ta ei avastanud, kuid 1879. aastal selgitas valguse kiiruse 299 910±50 km/s.

Umbes samal ajal avaldas Maxwell oma elektromagnetismi teooria, mis tähendab, et valguse kiirust sai võimalik mitte ainult otseselt mõõta, vaid ka tuletada elektrilise ja magnetilise läbilaskvuse väärtustest, mida tehti valguse kiiruse selgitamise teel. valguse kiirus 299 788 km/s 1907. aastal.

Lõpuks kuulutas Einstein, et valguse kiirus vaakumis on konstant ja ei sõltu üldse millestki. Vastupidi, kõik muu - kiiruste lisamine ja õigete referentssüsteemide leidmine, aja dilatatsiooni ja kauguste muutumise mõju suurel kiirusel liikudes ja paljud muud relativistlikud efektid sõltuvad valguse kiirusest (sest see sisaldub kõigis valemites nagu konstant). Lühidalt, kõik maailmas on suhteline ja valguse kiirus on suurus, mille suhtes kõik muud asjad meie maailmas on suhtelised. Siin peaksime võib-olla loovutama peopesa Lorentzile, kuid ärgem olgem kauplevad, Einstein on Einstein.

Selle konstandi väärtuse täpne määramine jätkus kogu 20. sajandi jooksul, iga kümnendiga leidsid teadlased üha rohkem numbrid pärast koma valguse kiirusel, kuni nende peas hakkasid tekkima ebamäärased kahtlused.

Määrates üha täpsemalt, mitu meetrit valgus vaakumis sekundis läbib, hakkasid teadlased mõtlema, mida me meetrites mõõdame? Lõppkokkuvõttes on ju meeter just sellise plaatina-iriidiumi pulga pikkus, mille keegi Pariisi lähedal muuseumisse unustas!

Ja alguses tundus standardse arvesti kasutuselevõtu idee suurepärane. Et mitte kannatada jardide, jalgade ja muude kaldus süldade pärast, otsustasid prantslased 1791. aastal võtta standardseks pikkuseks ühe kümnemiljoniku kaugusest põhjapoolusest ekvaatorini mööda Pariisi läbivat meridiaani. Nad mõõtsid selle vahemaa tolleaegse täpsusega, valasid pulga plaatina-iriidiumi (täpsemalt esmalt messingist, siis plaatinast ja siis plaatina-iriidiumi) sulamist ja panid selle just sellesse Pariisi kaalude ja mõõtude kambrisse. näidis. Mida edasi, seda enam selgub, et maakera pind muutub, mandrid deformeeruvad, meridiaanid nihkuvad ja kümnemiljondiku osa võrra on nad unustanud ja hakanud pulga pikkust meetriks lugema. mis asub Pariisi "mausoleumi" kristallkirstus.

Selline ebajumalakummardamine tõelisele teadlasele ei sobi, see pole Punane väljak (!) ja 1960. aastal otsustati arvesti mõistet lihtsustada täiesti ilmse definitsioonini - arvesti on täpselt võrdne 1 650 763,73 lainepikkusega, mida kiirgab üleminek. elektronid elemendi Krypton-86 ergastamata isotoobi energiatasemete 2p10 ja 5d5 vahel vaakumis. No kui palju selgem?

See kestis 23 aastat, samal ajal kui valguse kiirust vaakumis mõõdeti üha suurema täpsusega, kuni 1983. aastal mõistsid lõpuks ka kõige kangekaelsemad retrogaadid, et valguse kiirus on kõige täpsem ja ideaalsem konstant, mitte mingisugune. krüptooni isotoobist. Ja otsustati kõik pea peale keerata (täpsemalt kui järele mõelda, siis otsustati kõik tagurpidi keerata), nüüd valguse kiirus Koos on tõeline konstant ja meeter on vahemaa, mille valgus läbib vaakumis (1/299 792 458) sekundiga.

Valguse kiiruse tegeliku väärtuse selgitamine jätkub ka täna, kuid huvitav on see, et iga uue katsega ei selgita teadlased valguse kiirust, vaid meetri tegelikku pikkust. Ja mida täpsemalt valguse kiirust järgmistel aastakümnetel leitakse, seda täpsema mõõdiku lõpuks saame.

Ja mitte vastupidi.

Noh, lähme nüüd tagasi oma lammaste juurde. Miks on valguse kiirus meie universumi vaakumis maksimaalne, lõplik ja konstantne? Ma saan sellest niimoodi aru.

Kõik teavad, et heli kiirus metallis ja peaaegu igas tahkes kehas on palju suurem kui heli kiirus õhus. Seda on väga lihtne kontrollida; lihtsalt pange kõrv rööpa külge ja kuulete läheneva rongi hääli palju varem kui õhu kaudu. Miks nii? On ilmne, et heli on sisuliselt sama ja selle levimise kiirus sõltub keskkonnast, nende molekulide konfiguratsioonist, millest see keskkond koosneb, selle tihedusest, selle kristallvõre parameetritest - lühidalt helikandja hetkeseisund, mille kaudu heli edastatakse.

Ja kuigi helendav eetri idee on juba ammu hüljatud, pole vaakum, mille kaudu elektromagnetlained levivad, absoluutselt midagi, ükskõik kui tühi see meile ka ei tunduks.

Ma saan aru, et analoogia on mõnevõrra kauge, kuid see on tõsi teie sõrmedel™ sama! Täpselt kättesaadava analoogiana ja mitte mingil juhul otsese üleminekuna ühelt füüsikaseadustelt teistele, palun teil vaid ette kujutada, et elektromagnetiliste (ja üldiselt kõigi, sealhulgas gluoon- ja gravitatsiooniliste) vibratsioonide levimiskiirus, nii nagu heli kiirus terases on rööpasse “õmmeldud”. Siit me tantsime.

UPD: Muide, kutsun "tärniga lugejaid" ette kujutama, kas valguse kiirus jääb "keerulises vaakumis" konstantseks. Näiteks arvatakse, et temperatuuride suurusjärgus 10–30 K juures vaakum lakkab lihtsalt virtuaalsetest osakestest keemast ja hakkab “ära keema”, s.t. ruumikangas pudeneb tükkideks, Plancki suurused hägustuvad ja kaotavad oma füüsilise tähenduse jne. Kas valguse kiirus sellises vaakumis oleks ikka võrdne c, või tähistab see uue "relativistliku vaakumi" teooria algust, mille parandused nagu Lorentzi koefitsiendid äärmuslikel kiirustel? Ma ei tea, ma ei tea, aeg näitab...

Tehnikateaduste doktor A. GOLUBEV.

Möödunud aasta keskel ilmus ajakirjadesse sensatsiooniline sõnum. Rühm Ameerika teadlasi avastas, et väga lühike laserimpulss liigub spetsiaalselt valitud keskkonnas sadu kordi kiiremini kui vaakumis. See nähtus tundus täiesti uskumatu (valguse kiirus keskkonnas on alati väiksem kui vaakumis) ja tekitas isegi kahtlusi erirelatiivsusteooria paikapidavuses. Vahepeal avastati superluminaalne füüsiline objekt - laserimpulss võimenduskeskkonnas - esmakordselt mitte 2000. aastal, vaid 35 aastat varem, 1965. aastal, ja superluminaalse liikumise võimalust arutati laialdaselt kuni 70ndate alguseni. Tänapäeval on arutelu selle kummalise nähtuse ümber puhkenud uue hooga.

"Superluminaalse" liikumise näited.

60ndate alguses hakati saama lühikesi suure võimsusega valgusimpulsse laservälgu juhtimisel läbi kvantvõimendi (pööratud populatsiooniga keskkond).

Võimendamiskeskkonnas põhjustab valgusimpulsi algpiirkond aatomite stimuleeritud emissiooni võimendi keskkonnas ja selle viimane piirkond põhjustab nende energia neeldumise. Selle tulemusena tundub vaatlejale, et impulss liigub kiiremini kui valgus.

Lijun Wongi eksperiment.

Läbipaistvast materjalist (näiteks klaasist) valmistatud prismat läbiv valguskiir murdub, see tähendab, et see hajub.

Valgusimpulss on erineva sagedusega võnkumiste kogum.

Tõenäoliselt teavad kõik – ka füüsikakauged inimesed, et materiaalsete objektide maksimaalne võimalik liikumiskiirus või igasuguste signaalide levimise kiirus on valguse kiirus vaakumis. Seda tähistatakse tähega Koos ja on peaaegu 300 tuhat kilomeetrit sekundis; täpne väärtus Koos= 299 792 458 m/s. Valguse kiirus vaakumis on üks põhilisi füüsikalisi konstante. Suutmatus saavutada kiiruse ületamist Koos, tuleneb Einsteini erirelatiivsusteooriast (STR). Kui õnnestuks tõestada, et signaalide edastamine ülivalguse kiirusega on võimalik, langeks relatiivsusteooria. Siiani pole seda juhtunud, hoolimata arvukatest katsetest kummutada suuremate kiiruste olemasolu keeld Koos. Hiljutised eksperimentaalsed uuringud on aga paljastanud väga huvitavaid nähtusi, mis näitavad, et spetsiaalselt loodud tingimustes on võimalik jälgida superluminaalseid kiirusi ilma relatiivsusteooria põhimõtteid rikkumata.

Alustuseks meenutagem valguse kiiruse probleemiga seotud peamisi aspekte. Esiteks: miks on võimatu (tavatingimustes) valguse piiri ületada? Sest siis rikutakse meie maailma põhiseadust – põhjuslikkuse seadust, mille järgi tagajärg ei saa eelneda põhjusele. Keegi pole kunagi täheldanud, et näiteks karu kukkus esmalt surnult ja siis tulistas jahimees. Ületavatel kiirustel Koos, sündmuste jada muutub vastupidiseks, ajalint kerib tagasi. Seda on lihtne kontrollida järgmiste lihtsate arutluste põhjal.

Oletame, et oleme mingisugusel kosmose-imelaeval, mis liigub valgusest kiiremini. Siis jõuaksime järk-järgult järele allika poolt varasematel ja varasematel aegadel kiirgavale valgusele. Esiteks jõuaksime järele näiteks eile kiiratud footonitele, siis üleeile, siis nädal, kuu, aasta tagasi ja nii edasi. Kui valgusallikaks oleks elu peegeldav peegel, siis näeksime esmalt eilseid sündmusi, siis üleeile jne. Võiksime näha näiteks vanameest, kes muutub tasapisi keskealiseks meheks, siis noormeheks, noorukiks, lapseks... See tähendab, aeg pöörduks tagasi, liiguksime olevikust minevik. Põhjused ja tagajärjed vahetaksid siis kohti.

Kuigi see arutelu ignoreerib täielikult valguse vaatlemise protsessi tehnilisi üksikasju, näitab see fundamentaalsest vaatepunktist selgelt, et ülivalguse kiirusega liikumine viib olukorrani, mis meie maailmas on võimatu. Loodus on aga seadnud veelgi karmimad tingimused: mitte ainult ülivalguse kiirusega liikumine pole saavutatav, vaid ka valguse kiirusega võrdne kiirus – sellele saab vaid läheneda. Relatiivsusteooriast järeldub, et kui liikumiskiirus suureneb, tekib kolm asjaolu: liikuva objekti mass suureneb, selle suurus liikumissuunas väheneb ja ajavool sellel objektil aeglustub (punktist alates välise "puhkava" vaatleja vaatest). Tavalistel kiirustel on need muutused tühised, kuid valguse kiirusele lähenedes muutuvad nad üha märgatavamaks ja piirkiirusel - kiirusel, mis on võrdne Koos, - mass muutub lõpmatult suureks, objekt kaotab liikumissuunas suuruse täielikult ja aeg peatub sellel. Seetõttu ei suuda ükski materiaalne keha saavutada valguse kiirust. Ainult valgusel endal on selline kiirus! (Ja ka "kõike läbiv" osake - neutriino, mis nagu footon ei saa liikuda kiirusega, mis on väiksem kui Koos.)

Nüüd signaali edastuskiirusest. Siin on asjakohane kasutada valguse kujutamist elektromagnetlainete kujul. Mis on signaal? See on osa teavet, mis tuleb edastada. Ideaalne elektromagnetlaine on rangelt ühe sagedusega lõpmatu sinusoid ja see ei saa kanda mingit teavet, sest sellise sinusoidi iga periood kordab täpselt eelmist. Siinuslaine faasi liikumiskiirus - nn faasikiirus - võib keskkonnas teatud tingimustel ületada valguse kiirust vaakumis. Siin pole piiranguid, kuna faasikiirus ei ole signaali kiirus - seda pole veel olemas. Signaali loomiseks peate lainele tegema mingi märgi. Selliseks märgiks võib olla näiteks mistahes laineparameetri – amplituudi, sageduse või algfaasi – muutus. Kuid niipea, kui märk on tehtud, kaotab laine sinusoidsuse. See muutub moduleerituks, mis koosneb lihtsate siinuslainete komplektist, millel on erinevad amplituudid, sagedused ja algfaasid - lainete rühm. Märgi liikumise kiirus moduleeritud laines on signaali kiirus. Keskkonnas levides langeb see kiirus tavaliselt kokku rühmakiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt "Teadus ja elu" nr 2, 2000). Tavatingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et siin kasutati väljendit “normaalsetes tingimustes”, sest mõnel juhul võib grupi kiirus ületada Koos või isegi kaotab oma tähenduse, kuid siis ei ole see seotud signaali levimisega. Teenindusjaam teeb kindlaks, et signaali on võimatu edastada kiirusega, mis on suurem kui Koos.

Miks see nii on? Sest mis tahes signaali edastamisel kiirusel, mis on suurem kui, on takistus Koos Toimib sama põhjuslikkuse seadus. Kujutagem ette sellist olukorda. Mingil hetkel A lülitab valgussähvatus (sündmus 1) sisse teatud raadiosignaali saatva seadme ja kaugemas punktis B toimub selle raadiosignaali mõjul plahvatus (sündmus 2). On selge, et sündmus 1 (sähvatus) on põhjus ja sündmus 2 (plahvatus) on tagajärg, mis leiab aset hiljem kui põhjus. Kuid kui raadiosignaal leviks ülivalguskiirusel, näeks punkti B lähedal olev vaatleja esmalt plahvatust ja alles siis jõuaks see temani kiirusega. Koos valgussähvatus, plahvatuse põhjus. Teisisõnu, selle vaatleja jaoks oleks sündmus 2 toimunud varem kui sündmus 1, see tähendab, et tagajärg oleks eelnenud põhjusele.

On kohane rõhutada, et relatiivsusteooria “ülevalguslik keeld” on kehtestatud ainult materiaalsete kehade liikumisele ja signaalide edastamisele. Paljudes olukordades on liikumine mis tahes kiirusega võimalik, kuid see ei ole materiaalsete objektide või signaalide liikumine. Kujutage näiteks ette kahte üsna pikka joonlauda, ​​mis asuvad samas tasapinnas, millest üks asub horisontaalselt ja teine ​​lõikub sellega väikese nurga all. Kui esimest joonlauda suurel kiirusel allapoole (noolega näidatud suunas) liigutada, saab joonlaudade ristumispunkti panna jooksma nii kiiresti kui soovitakse, kuid see punkt ei ole materiaalne keha. Teine näide: kui võtta taskulamp (või näiteks kitsast kiirt andev laser) ja kirjeldada sellega kiiresti õhus kaare, siis valguspunkti lineaarkiirus suureneb kauguse kasvades ja piisavalt suurel kaugusel ületada Koos. Valguslaik liigub punktide A ja B vahel ülivalguse kiirusega, kuid see ei ole signaali edastamine punktist A punkti B, kuna selline valguspunkt ei kanna punkti A kohta teavet.

Näib, et superluminaalsete kiiruste küsimus on lahendatud. Kuid kahekümnenda sajandi 60ndatel esitasid teoreetilised füüsikud hüpoteesi superluminaalsete osakeste, mida nimetatakse tahhüoniteks, olemasolust. Need on väga kummalised osakesed: teoreetiliselt on need võimalikud, kuid et vältida vastuolusid relatiivsusteooriaga, tuli neile määrata kujuteldav puhkemass. Füüsiliselt kujuteldavat massi ei eksisteeri, see on puhtalt matemaatiline abstraktsioon. See aga ei tekitanud erilist ärevust, kuna tahhüonid ei saa olla puhkeseisundis - nad eksisteerivad (kui on olemas!) ainult kiirustel, mis ületavad valguse kiirust vaakumis ja sel juhul osutub tahhüoni mass tõeliseks. Siin on mingi analoogia footonitega: footoni puhkemass on null, kuid see tähendab lihtsalt seda, et footon ei saa olla puhkeolekus – valgust ei saa peatada.

Kõige keerulisemaks osutus, nagu arvata võiks, tahhüoni hüpoteesi ühitamine põhjuslikkuse seadusega. Selles suunas tehtud katsed, kuigi üsna geniaalsed, ei toonud silmnähtavat edu. Samuti pole kellelgi õnnestunud tahhüone eksperimentaalselt registreerida. Selle tulemusena kadus järk-järgult huvi tahhüonite kui üliluminaalsete elementaarosakeste vastu.

60ndatel avastati aga eksperimentaalselt nähtus, mis füüsikud esialgu segadusse ajas. Seda kirjeldatakse üksikasjalikult A. N. Oraevsky artiklis “Superluminal waves in amplifying media” (UFN nr 12, 1998). Siin võtame lühidalt kokku asja olemuse, suunates üksikasjadest huvitatud lugeja nimetatud artikli juurde.

Varsti pärast laserite avastamist – 60ndate alguses – tekkis probleem lühikeste (kestvus umbes 1 ns = 10–9 s) suure võimsusega valgusimpulsside saamisega. Selleks lasti lühike laserimpulss läbi optilise kvantvõimendi. Impulss jagati kiirte jagamise peegli abil kaheks osaks. Üks neist, võimsam, saadeti võimendisse ja teine ​​levis õhus ja oli võrdlusimpulss, millega sai võrrelda võimendit läbivat impulssi. Mõlemad impulsid suunati fotodetektoritesse ja nende väljundsignaale sai visuaalselt jälgida ostsilloskoobi ekraanil. Eeldati, et võimendit läbiv valgusimpulss kogeb selles võrdlusimpulsiga võrreldes mõningast viivitust, see tähendab, et valguse levimise kiirus võimendis on väiksem kui õhus. Kujutage ette teadlaste hämmastust, kui nad avastasid, et impulss levis läbi võimendi kiirusega, mis pole mitte ainult suurem kui õhus, vaid ka mitu korda suurem kui valguse kiirus vaakumis!

Esimesest šokist toibunud, hakkasid füüsikud sellise ootamatu tulemuse põhjust otsima. Erirelatiivsusteooria põhimõtetes ei kahelnud kellelgi vähimatki kahtlust ja just see aitas leida õige seletuse: kui SRT põhimõtted säilivad, siis tuleks vastust otsida võimendava meediumi omadustest.

Siinkohal detailidesse laskumata juhime vaid tähelepanu sellele, et võimendusmeediumi toimemehhanismi üksikasjalik analüüs tegi olukorra täielikult selgeks. Asi oli footonite kontsentratsiooni muutuses impulsi levimise ajal - muutus, mis on põhjustatud keskkonna võimenduse muutumisest kuni negatiivse väärtuseni impulsi tagumise osa läbimisel, kui keskkond juba neelab. energiat, sest selle enda reserv on valgusimpulsile ülemineku tõttu juba ära kasutatud. Imendumine ei põhjusta impulsi suurenemist, vaid nõrgenemist ja seega impulss tugevneb esiosas ja nõrgeneb tagaosas. Kujutagem ette, et vaatleme võimendi keskkonnas valguse kiirusel liikuva seadme abil impulssi. Kui meedium oleks läbipaistev, näeksime impulssi tardunud liikumatus. Keskkonnas, kus eelnimetatud protsess toimub, paistavad vaatlejale impulsi esiserva tugevnemine ja tagumise serva nõrgenemine selliselt, et meedium näib olevat impulsi ettepoole nihutanud. Kuid kuna seade (vaatleja) liigub valguse kiirusel ja impulss möödub sellest, siis impulsi kiirus ületab valguse kiiruse! Just selle efekti registreerisid katsetajad. Ja siin pole relatiivsusteooriaga tegelikult mingit vastuolu: võimendusprotsess on lihtsalt selline, et varem välja tulnud footonite kontsentratsioon osutub suuremaks kui hiljem välja tulnud footonite kontsentratsioon. Superluminaalsel kiirusel ei liigu mitte footonid, vaid ostsilloskoobiga jälgitakse impulsi mähisjoont, eelkõige selle maksimumi.

Seega, kui tavalistes meediumites toimub alati valguse nõrgenemine ja selle kiiruse vähenemine, mille määrab murdumisnäitaja, siis aktiivses laserkandjas ei toimu mitte ainult valguse võimendumist, vaid ka impulsi levimist superluminaalsel kiirusel.

Mõned füüsikud on proovinud eksperimentaalselt tõestada superluminaalse liikumise olemasolu tunneliefekti ajal – see on üks kõige hämmastavamaid nähtusi kvantmehaanikas. See efekt seisneb selles, et mikroosake (täpsemalt mikroobjekt, mis erinevates tingimustes avaldab nii osakese kui ka laine omadusi) on võimeline tungima läbi nn potentsiaalse barjääri – nähtus, mis on täielikult klassikalises mehaanikas võimatu (kus selline olukord oleks analoog: vastu seina visatud pall satuks teisele poole seina või seina külge seotud köiele antud laineline liikumine kanduks üle teiselt poolt seina külge seotud köis). Tunneliefekti olemus kvantmehaanikas on järgmine. Kui teatud energiaga mikroobjekt kohtab oma teel piirkonda, mille potentsiaalse energia ületab mikroobjekti energiat, on see ala tema jaoks barjääriks, mille kõrguse määrab energiaerinevus. Aga mikroobjekt “lekib” läbi tõkke! Selle võimaluse annab talle tuntud Heisenbergi määramatuse seos, mis on kirjutatud interaktsiooni energia ja aja kohta. Kui mikroobjekti interaktsioon barjääriga toimub üsna kindla aja jooksul, siis mikroobjekti energiat iseloomustab seevastu määramatus ja kui see määramatus on barjääri kõrguse suurusjärgus, siis viimane lakkab olemast mikroobjektile ületamatuks takistuseks. Läbi potentsiaalse barjääri läbitungimise kiirust on uurinud mitmed füüsikud, kes usuvad, et see võib ületada Koos.

1998. aasta juunis toimus Kölnis rahvusvaheline sümpoosion superluminaalse liikumise probleemidest, kus arutati neljas laboris – Berkeleys, Viinis, Kölnis ja Firenzes – saadud tulemusi.

Ja lõpuks, 2000. aastal, ilmusid teated kahe uue katse kohta, milles ilmnesid superluminaalse leviku mõjud. Ühe neist esitas Lijun Wong ja tema kolleegid Princetoni uurimisinstituudist (USA). Selle tulemuseks on see, et tseesiumiauruga täidetud kambrisse sisenev valgusimpulss suurendab selle kiirust 300 korda. Selgus, et põhiosa impulsist väljus kambri kaugemast seinast isegi varem, kui impulss esiseina kaudu kambrisse sisenes. See olukord ei ole vastuolus mitte ainult terve mõistusega, vaid sisuliselt relatiivsusteooriaga.

L. Wongi sõnum tekitas füüsikute seas intensiivset diskussiooni, kellest enamik ei kaldunud nägema saadud tulemustes relatiivsuspõhimõtete rikkumist. Nende arvates on väljakutse seda katset õigesti selgitada.

L. Wongi katses kestis tseesiumiauruga kambrisse sisenev valgusimpulss umbes 3 μs. Tseesiumi aatomid võivad eksisteerida kuueteistkümnes võimalikus kvantmehaanilises olekus, mida nimetatakse "põhioleku hüperpeenteks magnetilisteks alamtasanditeks". Optilise laserpumpamise abil viidi peaaegu kõik aatomid ainult ühte neist kuueteistkümnest olekust, mis vastab peaaegu absoluutsele nulltemperatuurile Kelvini skaalal (-273,15 o C). Tseesiumikambri pikkus oli 6 sentimeetrit. Vaakumis läbib valgus 0,2 ns jooksul 6 sentimeetrit. Nagu mõõtmised näitasid, läbis valgusimpulss tseesiumiga kambrit ajaga, mis oli 62 ns vähem kui vaakumis. Teisisõnu, aeg, mis kulub pulsi läbimiseks tseesiumikeskkonnast, on miinusmärgiga! Tõepoolest, kui lahutada 0,2 ns-st 62 ns, saame “negatiivse” aja. See "negatiivne viivitus" keskkonnas – arusaamatu ajahüpe – on võrdne ajaga, mille jooksul impulss läbiks 310 korda kambrit vaakumis. Selle "ajalise pöördumise" tagajärjeks oli see, et kambrist väljuv impulss suutis sellest 19 meetrit eemale liikuda, enne kui sissetulev impulss kambri lähiseinani jõudis. Kuidas seletada sellist uskumatut olukorda (kui me muidugi ei kahtle katse puhtuses)?

Käimasoleva arutelu põhjal ei ole täpset seletust veel leitud, kuid kahtlemata mängivad siin rolli keskkonna ebatavalised dispersiooniomadused: laservalgusega ergastatud aatomitest koosnev tseesiumiaur on anomaalse dispersiooniga keskkond. . Tuletagem lühidalt meelde, mis see on.

Aine dispersioon on faasi (tavalise) murdumisnäitaja sõltuvus n valguse lainepikkusel l. Tavalise dispersiooni korral suureneb murdumisnäitaja lainepikkuse kahanemisel ja see on nii klaasis, vees, õhus ja kõigis muudes valgust läbipaistvates ainetes. Tugevalt valgust neelavates ainetes on murdumisnäitaja kulg koos lainepikkuse muutumisega vastupidine ja muutub palju järsemaks: l vähenemisega (suurenev sagedus w) väheneb murdumisnäitaja järsult ja teatud lainepikkuse piirkonnas muutub see väiksemaks kui ühtsus. (faasi kiirus V f > Koos). See on anomaalne dispersioon, mille puhul valguse levimise muster aines muutub radikaalselt. Grupi kiirus V gr muutub suuremaks kui lainete faasikiirus ja võib ületada valguse kiirust vaakumis (ja muutuda ka negatiivseks). L. Wong osutab sellele asjaolule kui oma katse tulemuste selgitamise võimaluse aluseks. Tuleb siiski märkida, et tingimus V gr > Koos on puhtalt formaalne, kuna rühmakiiruse mõiste võeti kasutusele väikese (normaalse) dispersiooni korral, läbipaistva keskkonna jaoks, kui lainete rühm peaaegu ei muuda oma kuju levimise ajal. Anomaalse hajutusega piirkondades deformeerub valgusimpulss kiiresti ja grupikiiruse mõiste kaotab oma tähenduse; sel juhul võetakse kasutusele signaali kiiruse ja energia levimiskiiruse mõisted, mis läbipaistvas keskkonnas ühtivad grupikiirusega ja neeldumisega keskkonnas jäävad vaakumis valguse kiirusest väiksemaks. Kuid Wongi katses on huvitav siin: valgusimpulss, mis läbib anomaalse dispersiooniga keskkonda, ei deformeeru - see säilitab täpselt oma kuju! Ja see vastab eeldusele, et impulss levib rühmakiirusega. Aga kui nii, siis selgub, et söötmes puudub neeldumine, kuigi söötme anomaalne hajumine on tingitud just neeldumisest! Wong ise, tunnistades, et palju jääb ebaselgeks, usub, et tema eksperimentaalses seadistuses toimuvat saab esmapilgul selgelt selgitada järgmiselt.

Valgusimpulss koosneb paljudest erineva lainepikkusega (sagedusega) komponentidest. Joonisel on kolm neist komponentidest (lained 1-3). Mingil hetkel on kõik kolm lainet faasis (nende maksimumid langevad kokku); siin nad, liites, tugevdavad üksteist ja moodustavad impulsi. Kosmoses edasi levides muutuvad lained faasituks ja seeläbi "tühistavad" üksteist.

Anomaalse dispersiooni piirkonnas (tseesiumiraku sees) pikeneb laine, mis oli lühem (laine 1). Ja vastupidi, laine, mis oli kolmest pikim (laine 3), muutub lühemaks.

Järelikult muutuvad lainete faasid vastavalt. Kui lained on tseesiumiraku läbinud, taastuvad nende lainefrondid. Olles läbinud ebatavalise faasimodulatsiooni anomaalse dispersiooniga aines, satuvad kõnealused kolm lainet mingil hetkel uuesti faasi. Siin liidetakse need uuesti ja moodustub täpselt sama kujuga pulss, mis siseneb tseesiumikeskkonda.

Tavaliselt õhus ja tegelikult igas normaalse dispersiooniga läbipaistvas keskkonnas ei suuda valgusimpulss kaugelt levides täpselt oma kuju säilitada, see tähendab, et kõiki selle komponente ei saa levitee üheski kaugemas punktis faasida. Ja tavatingimustes tekib mõne aja pärast nii kauges punktis valgusimpulss. Kuid eksperimendis kasutatud söötme anomaalsete omaduste tõttu osutus pulss kaugemas punktis faasituks samamoodi nagu sellesse söötmesse sisenemisel. Seega käitub valgusimpulss nii, nagu oleks tal teel kaugesse punkti negatiivne ajaline viivitus ehk ta jõuaks selleni mitte hiljem, vaid varem, kui oli meediumi läbinud!

Enamik füüsikuid on kaldunud seostama seda tulemust madala intensiivsusega prekursori ilmumisega kambri hajutavasse keskkonda. Fakt on see, et impulsi spektraalse lagunemise ajal sisaldab spekter ebaoluliselt väikese amplituudiga suvaliselt kõrgete sagedustega komponente, nn prekursorit, mis läheb impulsi "põhiosast" ette. Tekkimise olemus ja lähteaine kuju sõltuvad keskkonnas levimise seadusest. Seda silmas pidades tehakse Wongi katse sündmuste jada ettepanek tõlgendada järgmiselt. Saabuv laine, mis "venitab" kuulutaja enda ette, läheneb kaamerale. Enne kui sissetuleva laine tipp tabab kambri lähiseina, käivitab prekursor kambris impulsi, mis jõuab kaugemasse seina ja peegeldub sealt, moodustades "tagurpidi laine". See laine levib 300 korda kiiremini Koos, jõuab lähiseinani ja kohtub sissetuleva lainega. Ühe laine tipud kohtuvad teise lainega, nii et need lõhuvad üksteist ja selle tulemusena ei jää midagi järele. Selgub, et sissetulev laine “tasustab võla” tseesiumi aatomitele, mis “laenasid” talle energiat kambri teises otsas. Igaüks, kes vaatas ainult katse algust ja lõppu, nägi ainult valgusimpulssi, mis "hüppas" ajas edasi, liikudes kiiremini Koos.

L. Wong usub, et tema eksperiment ei ole relatiivsusteooriaga kooskõlas. Väide üliluminaalse kiiruse kättesaamatuse kohta kehtib tema arvates ainult puhkemassiga objektide kohta. Valgust saab kujutada kas lainetena, mille puhul massi mõiste üldiselt ei kehti, või footonitena, mille puhkemass on teadupärast võrdne nulliga. Seetõttu ei ole valguse kiirus vaakumis Wongi sõnul piiriks. Siiski tunnistab Wong, et tema avastatud efekt ei võimalda edastada teavet kiirusega, mis on suurem kui Koos.

"Siinne teave sisaldub juba impulsi esiservas," ütleb Ameerika Ühendriikide Los Alamose riikliku labori füüsik P. Milonni. "Ja see võib jätta mulje, nagu saadaks teavet kiiremini kui valgus, isegi kui te ei saada seda."

Enamik füüsikuid usub, et uus töö ei anna põhiprintsiipidele purustavat lööki. Kuid mitte kõik füüsikud ei usu, et probleem on lahendatud. Professor A. Ranfagni Itaalia uurimisrühmast, kes tegi 2000. aastal veel ühe huvitava katse, usub, et küsimus on endiselt lahtine. See katse, mille viisid läbi Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni ja Rocco Ruggeri, avastas, et sentimeetrilainete raadiolained levivad normaalses õhus kiirusega, mis ületab Koos 25% võrra.

Kokkuvõtteks võime öelda järgmist. Viimaste aastate töö näitab, et teatud tingimustel võib superluminaalne kiirus ka tegelikult tekkida. Aga mis täpselt üliluminaalsel kiirusel liigub? Relatiivsusteooria, nagu juba mainitud, keelab sellise kiiruse materiaalsete kehade ja informatsiooni kandvate signaalide puhul. Sellegipoolest üritavad mõned teadlased väga visalt demonstreerida valgusbarjääri ületamist spetsiaalselt signaalide jaoks. Selle põhjuseks on asjaolu, et erirelatiivsusteoorias puudub range matemaatiline põhjendus (mis põhineb näiteks Maxwelli elektromagnetvälja võrranditel) signaalide edastamise võimatusele kiirusel, mis on suurem kui Koos. Selline STR-i võimatus on kindlaks tehtud, võib öelda, puhtaritmeetiliselt, tuginedes Einsteini kiiruste liitmise valemile, kuid seda kinnitab põhimõtteliselt põhjuslikkuse põhimõte. Einstein ise kirjutas superluminaalse signaaliedastuse teemat käsitledes, et antud juhul "... oleme sunnitud võimalikuks pidama signaali edastamise mehhanismi, milles saavutatud tegevus eelneb põhjusele. Kuid kuigi see tuleneb puhtloogilisest aspektist vaade ei sisalda iseennast, minu arvates ei ole vastuolusid; see on siiski nii vastuolus kogu meie kogemuse olemusega, et võimatu on oletada V > s tundub olevat piisavalt tõestatud." Põhjuslikkuse põhimõte on nurgakivi, mis on üliluminaalse signaali edastamise võimatuse aluseks. Ja ilmselt komistavad kõik eranditult üliluminaalsete signaalide otsingud selle kivi otsa, hoolimata sellest, kui väga eksperimenteerijad selliseid tuvastada tahaksid. signaale, sest selline on meie maailma olemus.

Kokkuvõtteks tuleb rõhutada, et kõik eelnev kehtib konkreetselt meie maailma, meie Universumi kohta. See reservatsioon tehti seetõttu, et viimasel ajal on astrofüüsikas ja kosmoloogias ilmunud uued hüpoteesid, mis võimaldavad paljudel meie eest varjatud universumitel eksisteerida, mis on ühendatud topoloogiliste tunnelite – hüppajatega. Seda seisukohta jagab näiteks kuulus astrofüüsik N.S. Kardašev. Välise vaatleja jaoks näitavad nende tunnelite sissepääsud anomaalsed gravitatsiooniväljad, nagu mustad augud. Liikumine sellistes tunnelites, nagu hüpoteeside autorid väidavad, võimaldavad mööda minna tavaruumis valguse kiirusest tulenevast liikumiskiiruse piirangust ja seeläbi realiseerida idee luua. ajamasin... Võimalik, et sellistes Universumites võib tegelikult juhtuda midagi meie jaoks ebatavalist. Ja kuigi praegu meenutavad sellised hüpoteesid liialt ulmelugusid, tuleb vaevalt kategooriliselt ümber lükata materiaalse maailma struktuuri mitmeelemendilise mudeli põhimõttelist võimalust. Teine asi on see, et kõik need teised universumid jäävad suure tõenäosusega meie universumis elavate teoreetiliste füüsikute puhtalt matemaatilisteks konstruktsioonideks, kes püüavad oma mõtete jõul leida meile suletud maailmu...

Vaadake samateemalist numbrit