1 brzina svjetlosti. Školska enciklopedija

U 19. stoljeću došlo je do nekoliko znanstvenih eksperimenata koji su doveli do otkrića brojnih novih fenomena. Među tim fenomenima je Hans Oerstedovo otkriće stvaranja magnetske indukcije električnom strujom. Kasnije je Michael Faraday otkrio suprotan učinak, koji je nazvan elektromagnetska indukcija.

Jednadžbe Jamesa Maxwella - elektromagnetska priroda svjetlosti

Kao rezultat ovih otkrića uočena je takozvana “interakcija na daljinu” koja je rezultirala novom teorijom elektromagnetizma koju je formulirao Wilhelm Weber, a koja se temeljila na djelovanju na velikim udaljenostima. Kasnije je Maxwell definirao koncept električnog i magnetskog polja, koja su sposobna generirati jedno drugo, što je elektromagnetski val. Kasnije je Maxwell upotrijebio takozvanu "elektromagnetsku konstantu" u svojim jednadžbama - S.

Do tog vremena znanstvenici su se već približili činjenici da je svjetlost elektromagnetske prirode. Fizičko značenje elektromagnetske konstante je brzina širenja elektromagnetskih pobuđenja. Na iznenađenje samog Jamesa Maxwella, izmjerena vrijednost ove konstante u eksperimentima s jediničnim nabojima i strujama pokazala se jednakom brzini svjetlosti u vakuumu.

Prije ovog otkrića čovječanstvo je razdvojilo svjetlost, elektricitet i magnetizam. Maxwellova generalizacija omogućila nam je novi pogled na prirodu svjetlosti, kao određenog fragmenta električnog i magnetskog polja koji se neovisno širi u prostoru.

Donja slika prikazuje dijagram širenja elektromagnetskog vala, koji je također svjetlost. Ovdje je H vektor jakosti magnetskog polja, E je vektor jakosti električnog polja. Oba vektora su okomita jedan na drugi, kao i na smjer širenja vala.

Michelsonov pokus – apsolutnost brzine svjetlosti

Fizika tog vremena bila je uglavnom izgrađena na Galilejevom principu relativnosti, prema kojem zakoni mehanike izgledaju isto u bilo kojem odabranom inercijalnom referentnom okviru. Istodobno, prema zbroju brzina, brzina širenja trebala bi ovisiti o brzini izvora. Međutim, u tom bi se slučaju elektromagnetski val ponašao drugačije ovisno o izboru referentnog okvira, što krši Galilejevo načelo relativnosti. Stoga je Maxwellova naizgled dobro oblikovana teorija bila u klimavom stanju.

Eksperimenti su pokazali da brzina svjetlosti doista ne ovisi o brzini izvora, što znači da je potrebna teorija koja može objasniti tako čudnu činjenicu. Najboljom teorijom u to vrijeme pokazala se teorija "etera" - određenog medija u kojem se svjetlost širi, baš kao što se zvuk širi u zraku. Tada brzina svjetlosti ne bi bila određena brzinom kretanja izvora, već karakteristikama samog medija – etera.

Za otkrivanje etera poduzeti su mnogi pokusi, od kojih je najpoznatiji pokus američkog fizičara Alberta Michelsona. Ukratko, poznato je da se Zemlja kreće u svemiru. Onda je logično pretpostaviti da se kreće i kroz eter, budući da je potpuna vezanost etera za Zemlju ne samo najviši stupanj egoizma, već jednostavno ne može biti ničim izazvana. Ako se Zemlja giba kroz određeni medij u kojem se širi svjetlost, onda je logično pretpostaviti da se ovdje događa zbrajanje brzina. Odnosno, širenje svjetlosti mora ovisiti o smjeru gibanja Zemlje, koja leti kroz eter. Kao rezultat svojih eksperimenata, Michelson nije otkrio nikakvu razliku u brzini širenja svjetlosti u oba smjera od Zemlje.

Taj je problem pokušao riješiti nizozemski fizičar Hendrik Lorentz. Prema njegovoj pretpostavci, “eterični vjetar” djelovao je na tijela na način da su smanjivala svoju veličinu u smjeru kretanja. Na temelju ove pretpostavke, i Zemlja i Michelsonov uređaj doživjeli su ovu Lorentzovu kontrakciju, uslijed koje je Albert Michelson dobio istu brzinu širenja svjetlosti u oba smjera. I premda je Lorentz bio donekle uspješan u odgađanju smrti teorije o eteru, znanstvenici su i dalje smatrali da je ova teorija "nategnuta". Dakle, eter je trebao imati niz "bajkovitih" svojstava, uključujući bestežinsko stanje i odsutnost otpora tijelima koja se kreću.

Kraj povijesti etera došao je 1905. godine objavljivanjem članka “O elektrodinamici pokretnih tijela” tada malo poznatog Alberta Einsteina.

Posebna teorija relativnosti Alberta Einsteina

Dvadesetšestogodišnji Albert Einstein izrazio je potpuno novi, drugačiji pogled na prirodu prostora i vremena, koji je bio u suprotnosti s tadašnjim idejama, a posebno je grubo kršio Galilejevo načelo relativnosti. Prema Einsteinu, Michelsonov eksperiment nije dao pozitivne rezultate iz razloga što prostor i vrijeme imaju takva svojstva da je brzina svjetlosti apsolutna vrijednost. Odnosno, bez obzira u kojem se referentnom okviru promatrač nalazi, brzina svjetlosti u odnosu na njega uvijek je ista, 300 000 km/s. Iz toga je proizlazila nemogućnost primjene zbrajanja brzina u odnosu na svjetlost – koliko god se izvor svjetlosti brzo kretao, brzina svjetlosti se neće promijeniti (zbrojiti ili oduzeti).

Einstein je koristio Lorentzovu kontrakciju da bi opisao promjene u parametrima tijela koja se kreću brzinama bliskim brzini svjetlosti. Tako će se, primjerice, duljina takvih tijela smanjiti, a njihovo vlastito vrijeme usporiti. Koeficijent takvih promjena naziva se Lorentzov faktor. Einsteinova poznata formula E=mc 2 zapravo uključuje i Lorentzov faktor ( E= ymc 2), koja je općenito jednaka jedinici u slučaju kada je brzina tijela v jednaka nuli. Kako se brzina tijela približava v do brzine svjetlosti c Lorentzov faktor g juri prema beskraju. Iz ovoga slijedi da će za ubrzanje tijela do brzine svjetlosti biti potrebna beskonačna količina energije, pa je stoga nemoguće prijeći ovu granicu brzine.

U korist ove tvrdnje postoji i takav argument kao što je "relativnost simultanosti".

Paradoks relativnosti simultanosti SRT

Ukratko, fenomen relativnosti simultanosti je da satovi koji se nalaze na različitim točkama u prostoru mogu raditi "u isto vrijeme" samo ako su u istom inercijalnom referentnom okviru. Odnosno, vrijeme na satu ovisi o izboru referentnog sustava.

Iz ovoga slijedi paradoks da se događaj B, koji je posljedica događaja A, može dogoditi istovremeno s njim. Osim toga, moguće je odabrati referentne sustave na takav način da će se događaj B dogoditi ranije od događaja A koji ga je uzrokovao. Takav fenomen krši načelo uzročnosti, koje je prilično čvrsto ukorijenjeno u znanosti i nikada nije dovedeno u pitanje. Međutim, ova hipotetska situacija se promatra samo u slučaju kada je udaljenost između događaja A i B veća od vremenskog intervala između njih pomnoženog s "elektromagnetskom konstantom" - S. Dakle, konstanta c, koja je jednaka brzini svjetlosti, najveća je brzina prijenosa informacija. U protivnom bi se povrijedilo načelo kauzaliteta.

Kako se mjeri brzina svjetlosti?

Zapažanja Olafa Roemera

Znanstvenici antike većinom su vjerovali da se svjetlost kreće beskonačnom brzinom, a prva procjena brzine svjetlosti dobivena je već 1676. godine. Danski astronom Olaf Roemer promatrao je Jupiter i njegove mjesece. U trenutku kada su Zemlja i Jupiter bili na suprotnim stranama Sunca, pomrčina Jupiterovog mjeseca Io kasnila je 22 minute u odnosu na izračunato vrijeme. Jedino rješenje koje je Olaf Roemer pronašao je da je brzina svjetlosti ograničena. Iz tog razloga informacije o promatranom događaju kasne 22 minute, budući da je potrebno neko vrijeme da se prijeđe udaljenost od satelita Io do teleskopa astronoma. Prema Roemerovim proračunima, brzina svjetlosti bila je 220 000 km/s.

Zapažanja Jamesa Bradleya

Godine 1727. engleski astronom James Bradley otkrio je fenomen svjetlosne aberacije. Suština ovog fenomena je da se pri kretanju Zemlje oko Sunca, kao i pri Zemljinoj vlastitoj rotaciji, opaža pomak zvijezda na noćnom nebu. Budući da promatrač Zemljanin i sama Zemlja stalno mijenjaju smjer kretanja u odnosu na promatranu zvijezdu, svjetlost koju emitira zvijezda prelazi različite udaljenosti i pada pod različitim kutovima na promatrača tijekom vremena. Ograničena brzina svjetlosti dovodi do toga da zvijezde na nebu tijekom cijele godine opisuju elipsu. Ovaj eksperiment omogućio je Jamesu Bradleyu da procijeni brzinu svjetlosti - 308 000 km/s.

Iskustvo Louisa Fizeaua

Godine 1849. francuski fizičar Louis Fizeau proveo je laboratorijski eksperiment za mjerenje brzine svjetlosti. Fizičar je postavio zrcalo u Parizu na udaljenosti od 8633 metra od izvora, no prema Roemerovim izračunima svjetlost će tu udaljenost preći za stotisućinke sekunde. Takva točnost sata tada je bila nedostižna. Fizeau je zatim koristio zupčanik koji se okretao na putu od izvora do zrcala i od zrcala do promatrača, čiji su zupci povremeno blokirali svjetlost. U slučaju kada je svjetlosna zraka od izvora do zrcala prošla između zuba, a na povratku udarila u zub, fizičar je udvostručio brzinu rotacije kotača. Kako se brzina rotacije kotača povećavala, svjetlost je gotovo prestala nestajati sve dok brzina rotacije nije dosegla 12,67 okretaja u sekundi. U ovom trenutku svjetlost je ponovno nestala.

Takvo zapažanje značilo je da je svjetlo stalno "udaralo" o zube i nije imalo vremena "skliznuti" između njih. Poznavajući brzinu vrtnje kotača, broj zubaca i dvostruku udaljenost od izvora do zrcala, Fizeau je izračunao brzinu svjetlosti koja se pokazala jednakom 315 000 km/s.

Godinu dana kasnije, drugi francuski fizičar Leon Foucault proveo je sličan eksperiment u kojem je umjesto zupčanika koristio rotirajuće zrcalo. Vrijednost koju je dobio za brzinu svjetlosti u zraku bila je 298 000 km/s.

Stoljeće kasnije, Fizeauova metoda je toliko poboljšana da je sličan eksperiment koji je 1950. godine izveo E. Bergstrand dao vrijednost brzine od 299 793,1 km/s. Taj se broj razlikuje samo 1 km/s od trenutne vrijednosti brzine svjetlosti.

Daljnja mjerenja

Pojavom lasera i povećanjem točnosti mjernih instrumenata pogrešku mjerenja bilo je moguće svesti na 1 m/s. Tako su 1972. američki znanstvenici koristili laser za svoje pokuse. Mjerenjem frekvencije i valne duljine laserske zrake uspjeli su dobiti vrijednost od 299.792.458 m/s. Važno je napomenuti da je daljnje povećanje točnosti mjerenja brzine svjetlosti u vakuumu bilo nemoguće, ne zbog tehničke nesavršenosti instrumenata, već zbog pogreške samog etalona metra. Zbog toga je 1983. godine XVII. Opća konferencija za utege i mjere definirala metar kao udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu u vremenu jednakom 1/299,792,458 sekundi.

Sažmimo to

Dakle, iz svega navedenog proizlazi da je brzina svjetlosti u vakuumu temeljna fizikalna konstanta koja se pojavljuje u mnogim temeljnim teorijama. Ova brzina je apsolutna, odnosno ne ovisi o izboru referentnog sustava, a također je jednaka maksimalnoj brzini prijenosa informacija. Tom se brzinom ne kreću samo elektromagnetski valovi (svjetlost), već i sve bezmasene čestice. Uključujući, vjerojatno, graviton, česticu gravitacijskih valova. Između ostalog, zbog relativističkih učinaka, vlastito vrijeme svjetlosti doslovno stoji.

Takva svojstva svjetlosti, posebno neprimjenjivost principa zbrajanja brzina na nju, ne ulaze u glavu. Međutim, mnogi eksperimenti potvrđuju gore navedena svojstva, a brojne temeljne teorije izgrađene su upravo na ovoj prirodi svjetlosti.

(uključujući svjetlo); jedan od fondova fizički trajno; predstavlja najveću brzinu širenja bilo kojeg fizičkog. utjecaji (vidi Teorija relativnosti) i nepromjenjiv je pri prijelazu iz jednog referentnog sustava u drugi.

S. s. u okolini S" ovisi o indeksu loma n medija, koji je različit za različite frekvencije v ( Disperzija svjetla):. Ova ovisnost dovodi do razlike grupna brzina iz fazna brzina svjetlo u okolišu, ako ne govorimo o monokromatskim. svjetlost (za Sunčevo zračenje u vakuumu te se dvije veličine poklapaju). Eksperimentalnim utvrđivanjem S", uvijek mjere grupu S. s. ili tzv brzina signala ili brzina prijenosa energije samo u određenim posebnim slučajevima. slučajeva koji nisu jednaki grupnom.

Prvi put S. s. odredio 1676. O. Ch Roemer iz promjene vremenskih intervala između pomrčina Jupiterovih satelita. Godine 1728. ustanovio ju je J. Bradley, na temelju svojih promatranja aberacije zvjezdane svjetlosti. Godine 1849. A.I.L. Fizeau je prvi izmjerio S. s. vremenom koje je potrebno svjetlosti da prijeđe točno poznatu udaljenost (baza); Budući da se indeks loma zraka vrlo malo razlikuje od 1, mjerenja na zemlji daju vrijednost vrlo blizu c. U Fizeauovom pokusu snop svjetlosti iz izvora S(Sl. 1), reflektirano prozirnim zrcalom N, povremeno prekinut rotirajućim nazubljenim diskom W, prošao bazu MN(cca. 8 km) n, reflektirano od zrcala M, vratio se na disk. Pri udarcu u zub svjetlost nije dopirala do promatrača, a svjetlost koja je pala između zuba mogla se promatrati kroz okular E. Na temelju poznatih brzina rotacije diska određeno je vrijeme koje je svjetlosti trebalo da prođe kroz bazu. Fizeau je dobio vrijednost c = 313300 km/s. Godine 1862. J. B. L. Foucault implementirao je ideju koju je 1838. izrazio D. Arago, koristeći brzo rotirajuće (512 okretaja u minuti) umjesto nazubljenog zrcala. Reflektirajući se od zrcala, snop svjetlosti je bio usmjeren na bazu i nakon povratka ponovno je pao na isto zrcalo, koje se imalo vremena okrenuti za određeni mali kut (slika 2). S bazom od samo 20 m, Foucault je ustanovio da S. s. jednako 298000 500 km/s. Sheme i osnove ideje Fizeauovih i Foucaultovih pokusa opetovano su korištene u kasnijim radovima o definiciji S. s. Dobio A. Michelson (vidi. Michelsonovo iskustvo) 1926. vrijednost km/s tada je bila najtočnija i uvrštena je u međunar. fizičke tablice količinama

Riža. 1. Određivanje brzine svjetlosti Fizeauovom metodom.

Riža. 2. Određivanje brzine svjetlosti metodom rotirajućeg zrcala (Foucaultova metoda): S - izvor svjetlosti; R - brzo rotirajuće ogledalo; C je fiksno konkavno zrcalo, čije se središte podudara s osi rotacije R (dakle, svjetlost reflektirana od C uvijek pada natrag na R); M-prozirno ogledalo; L - leća; E - okular; RC - točno izmjerena udaljenost (baza). Isprekidana linija prikazuje položaj R, koji se promijenio tijekom vremena prijeđenog svjetla putem RC i natrag, te obrnuti put snopa zraka kroz leću L, koja odbijanu zraku skuplja u točki S", a ne ponovno u točki S, kao što bi bio slučaj sa stacionarnim zrcalom L. Svjetla brzine postavljaju se mjerenjem pomaka SS".

Mjerenja S. s. u 19. stoljeću odigrao veliku ulogu, dodatno potvrđujući valnu teoriju svjetlosti. Usporedba S. s. koju je napravio Foucault 1850. godine. ista frekvencija v u zraku i vodi pokazala je da je brzina u vodi u skladu s predviđanjem teorije valova. Utvrđena je i veza između optike i teorije elektromagnetizma: izmjeren S. s. poklopio s brzinom el-magn. valovi izračunati iz el-magnetskog omjera. i el-statički. jedinice električne energije naboj [pokusi W. Webera i F. Kohlrauscha 1856. i kasnija točnija mjerenja J. C. Maxwella]. Ova podudarnost bila je jedna od polaznih točaka za Maxwellovo stvaranje električnog magneta 1864.-73. teorije svjetlosti.

U modernom mjerenja S. s. koristi se modernizirana. Fizeau metoda (modulacijska metoda) sa zamjenom zupčanika el-optičkim, ., interferentnim ili dr. drugi modulator svjetla koji potpuno prekida ili slabi svjetlosni snop (vidi Modulacija svjetla Prijemnik zračenja je fotoćelija odn fotomultiplikatorska cijev.Primjena laser kao izvor svjetlosti ultrazvučni modulator sa stabilizatorom. učestalost i povećanje točnosti mjerenja duljine osnovice omogućilo je smanjenje pogrešaka mjerenja i dobivanje vrijednosti km/s. Osim izravnih mjerenja S. s. na temelju vremena prolaska poznate baze široko se koriste neizravne metode koje daju veću točnost. Dakle, korištenje mikrovalnih usisavača. [DO. Froome (K. Froome), 1958] pri valnoj duljini zračenja = 4 cm, dobivena je vrijednost km/s. S. s. određuje se s još manjom greškom. kao kvocijent dijeljenja neovisno nađenih i v atomskih ili molekularnih spektralne linije. K. Evenson i njegovi suradnici 1972. o standardu frekvencije cezija (vidi Kvantni frekvencijski standardi) utvrdio je frekvenciju zračenja CH 4 lasera s točnošću do 11. znamenke, a pomoću standarda frekvencije kriptona - njegovu valnu duljinu (cca. 3,39 μm) i dobio ± 0,8 m/s. Odlukom Generalne skupštine Međunarodnog komiteta za numeričke podatke za znanost i tehnologiju - KODATA (1973.), koja je analizirala sve dostupne podatke, njihovu pouzdanost i pogreške, S. p. u vakuumu se smatra jednakim 299792458 ±1,2 m/s.

Najtočnije mjerenje c iznimno je važno ne samo u općim teorijskim pitanjima. plan i za utvrđivanje vrijednosti drugih fizičkih. količinama, ali iu praktične svrhe. ciljeva. To posebno uključuje određivanje udaljenosti na temelju vremena putovanja radijskih ili svjetlosnih signala radar, optičko mjerenje udaljenosti, svjetlosno mjerenje udaljenosti, u sustavima satelitskog praćenja itd.

Lit.: Vafiadi V. G., Popov Yu., Brzina svjetlosti i njegovo značenje u znanosti i tehnologiji, Minsk, 1970.; Taylor W., Parker W., Langenberg D., Fundamentalne konstante i kvant, trans. s engleskog, M., 1972. A. M. Bonch-Bruevich.

Zaista kako? Kako izmjeriti najveću brzinu u Svemir u našim skromnim, ovozemaljskim uvjetima? Ne trebamo više razbijati glavu oko toga - uostalom, tijekom nekoliko stoljeća, toliko je ljudi radilo na ovom pitanju, razvijajući metode za mjerenje brzine svjetlosti. Krenimo priču redom.

Brzina svjetlosti– brzina širenja elektromagnetskih valova u vakuumu. Označava se latiničnim slovom c. Brzina svjetlosti je približno 300 000 000 m/s.

U početku nitko nije razmišljao o pitanju mjerenja brzine svjetlosti. Ima svjetla - to je sjajno. Tada, u doba antike, među znanstvenim filozofima prevladavalo je mišljenje da je brzina svjetlosti beskonačna, odnosno trenutna. Onda se dogodilo Srednji vijek s inkvizicijom, kada je glavno pitanje mislećih i progresivnih ljudi bilo “Kako izbjeći da vas uhvati vatra?” I to samo u epohama renesanse I Prosvjetiteljstvo Mišljenja znanstvenika su se množila i, naravno, bila podijeljena.

Tako, Descartes, Kepler I Farma bili istog mišljenja kao i znanstvenici antike. Ali on je vjerovao da je brzina svjetlosti konačna, iako vrlo velika. Zapravo, on je napravio prvo mjerenje brzine svjetlosti. Točnije, napravio je prvi pokušaj mjerenja.

Galilejev eksperiment

Iskustvo Galileo Galilei bio je briljantan u svojoj jednostavnosti. Znanstvenik je proveo eksperiment za mjerenje brzine svjetlosti, naoružan jednostavnim improviziranim sredstvima. Na velikoj i dobro poznatoj udaljenosti jedan od drugog, na različitim brežuljcima, Galileo i njegov pomoćnik stajali su s upaljenim svjetiljkama. Jedan od njih je otvorio kapak na fenjeru, a drugi je morao učiniti isto kad je ugledao svjetlo prvog fenjera. Poznavajući udaljenost i vrijeme (kašnjenje prije nego što pomoćnik otvori lampu), Galileo je očekivao da će izračunati brzinu svjetlosti. Nažalost, da bi ovaj eksperiment uspio, Galileo i njegov pomoćnik morali su odabrati brda koja su međusobno udaljena nekoliko milijuna kilometara. Podsjećam da možete ispuniti prijavu na web stranici.

Roemer i Bradley eksperimenti

Prvi uspješan i iznenađujuće precizan eksperiment u određivanju brzine svjetlosti bio je onaj danskog astronoma Olaf Roemer. Roemer je koristio astronomsku metodu mjerenja brzine svjetlosti. Godine 1676. promatrao je teleskopom Jupiterov satelit Io i otkrio da se vrijeme pomrčine satelita mijenja kako se Zemlja udaljava od Jupitera. Maksimalno vrijeme kašnjenja bilo je 22 minute. Izračunavši da se Zemlja udaljava od Jupitera na udaljenosti promjera Zemljine orbite, Roemer je približnu vrijednost promjera podijelio s vremenom kašnjenja, te dobio vrijednost od 214.000 kilometara u sekundi. Naravno, takav izračun bio je vrlo grub, udaljenosti između planeta bile su poznate samo približno, ali rezultat se pokazao relativno blizu istine.

Bradleyjevo iskustvo. Godine 1728 James Bradley procijenio brzinu svjetlosti promatrajući aberaciju zvijezda. Odstupanje je promjena u prividnom položaju zvijezde uzrokovana kretanjem Zemlje u njezinoj orbiti. Poznavajući brzinu Zemlje i mjereći kut aberacije, Bradley je dobio vrijednost od 301.000 kilometara u sekundi.

Fizeauovo iskustvo

Znanstveni svijet tog vremena s nepovjerenjem je reagirao na rezultate eksperimenta Roemera i Bradleya. Međutim, Bradleyev rezultat bio je najtočniji više od sto godina, sve do 1849. godine. Te je godine francuski znanstvenik Armand Fizeau izmjerio brzinu svjetlosti metodom rotirajućeg zatvarača, bez promatranja nebeskih tijela, već ovdje na Zemlji. Zapravo, to je bila prva laboratorijska metoda za mjerenje brzine svjetlosti nakon Galileja. Ispod je dijagram njegove laboratorijske postavke.

Svjetlost, odbijena od zrcala, prošla je kroz zube kotača i reflektirala se od drugog zrcala, udaljenog 8,6 kilometara. Brzina kotača se povećavala sve dok svjetlo nije postalo vidljivo u sljedećem otvoru. Fizeauovi izračuni dali su rezultat od 313.000 kilometara u sekundi. Godinu dana kasnije sličan eksperiment s rotirajućim zrcalom izveo je Leon Foucault, koji je dobio rezultat od 298.000 kilometara u sekundi.

Pojavom masera i lasera ljudi su dobili nove mogućnosti i načine mjerenja brzine svjetlosti, a razvojem teorije omogućeno je i neizravno izračunavanje brzine svjetlosti, bez izravnih mjerenja.

Najtočnija vrijednost brzine svjetlosti

Čovječanstvo je skupilo ogromno iskustvo u mjerenju brzine svjetlosti. Danas se najtočnijom vrijednošću za brzinu svjetlosti smatra 299.792.458 metara u sekundi, primljena 1983. godine. Zanimljivo je da se daljnje, preciznije mjerenje brzine svjetlosti pokazalo nemogućim zbog grešaka u mjerenju metara. Trenutno je vrijednost metra vezana za brzinu svjetlosti i jednaka je udaljenosti koju svjetlost prijeđe u 1/299,792,458 sekunde.

Na kraju, kao i uvijek, predlažemo da pogledate edukativni video. Prijatelji, čak i ako se suočite s takvim zadatkom kao što je samostalno mjerenje brzine svjetlosti pomoću improviziranih sredstava, možete se sigurno obratiti našim autorima za pomoć. Prijavu možete ispuniti na web stranici dopisnog studenta. Želimo vam ugodno i lagano učenje!

epigraf
Učiteljica pita: Djeco, što je najbrže na svijetu?
Tanechka kaže: Najbrža riječ. Samo sam rekao, nećeš se vratiti.
Vanechka kaže: Ne, svjetlo je najbrže.
Čim sam pritisnuo prekidač, soba je odmah postala svijetla.
A Vovočka prigovara: Najbrža stvar na svijetu je proljev.
Jednom sam bio toliko nestrpljiv da nisam rekao ni riječ
Nisam imao vremena ništa reći niti upaliti svjetlo.

Jeste li se ikada zapitali zašto je brzina svjetlosti maksimalna, konačna i konstantna u našem svemiru? Ovo je vrlo zanimljivo pitanje i odmah ću, kao spojler, odati strašnu tajnu odgovora na njega - nitko ne zna točno zašto. Uzeta je brzina svjetlosti, tj. mentalno prihvaćen za konstantu, a na tom postulatu, kao i na ideji da su svi inercijalni referentni okviri jednaki, Albert Einstein je izgradio svoju specijalnu teoriju relativnosti koja već stotinjak godina ljuti znanstvenike, dopuštajući Einsteinu da drži jezik za zubima na svijet nekažnjeno i cerekati se u grobu nad dimenzijama svinje koju je podmetnuo cijelom čovječanstvu.

Ali zašto je, zapravo, tako konstantan, tako maksimalan i tako konačan, nema odgovora, ovo je samo aksiom, tj. izjava uzeta na temelju vjere, potvrđena opažanjima i zdravim razumom, ali nigdje se ne može logički ili matematički izvesti. I vrlo je vjerojatno da to i nije tako točno, ali to još nitko nije uspio nikakvim iskustvom opovrgnuti.

Imam svoja razmišljanja o ovom pitanju, više o njima kasnije, ali za sada neka bude jednostavno, na prstima™ Pokušat ću odgovoriti barem na jedan dio - što znači brzina svjetlosti "konstanta".

Ne, neću vas zamarati misaonim eksperimentima što bi se dogodilo da upalite farove u raketi koja leti brzinom svjetlosti itd., to je sad malo van teme.

Ako pogledate referentnu knjigu ili Wikipediju, brzina svjetlosti u vakuumu definirana je kao temeljna fizikalna konstanta koja točno jednako 299,792,458 m/s. Pa to će, otprilike, biti oko 300.000 km/s, ali ako točno točno- 299,792,458 metara u sekundi.

Čini se, odakle takva točnost? Bilo koja matematička ili fizička konstanta, bilo koja, čak i Pi, čak i baza prirodnog logaritma e, čak i gravitacijska konstanta G, ili Planckova konstanta h, uvijek sadrže neke brojevi iza decimalne točke. U Pi je trenutno poznato oko 5 trilijuna ovih decimalnih mjesta (iako samo prvih 39 znamenki ima neko fizičko značenje), gravitacijska konstanta danas je definirana kao G ~ 6,67384(80)x10 -11, a konstanta Plank h~ 6,62606957(29)x10 -34 .

Brzina svjetlosti u vakuumu je glatko, nesmetano 299,792,458 m/s, ni centimetar više, ni nanosekundu manje. Želite li znati odakle dolazi ta točnost?

Sve je počelo kao i obično sa starim Grcima. Znanost, kao takva, u modernom smislu riječi, među njima nije postojala. Filozofe antičke Grčke nazivali su filozofima jer su prvo izmislili neku glupost u svojim glavama, a zatim su je logičkim zaključcima (a ponekad i pravim fizičkim pokusima) pokušali dokazati ili opovrgnuti. Međutim, korištenje fizičkih mjerenja i pojava iz stvarnog života smatrali su "drugorazrednim" dokazima, koji se ne mogu usporediti s prvorazrednim logičkim zaključcima dobivenim izravno iz glave.

Prvi koji je razmišljao o postojanju vlastite brzine svjetlosti smatra se filozof Empidokle, koji je ustvrdio da je svjetlost kretanje, a kretanje mora imati brzinu. Prigovorio mu je Aristotel, koji je tvrdio da je svjetlost jednostavno prisutnost nečega u prirodi, i to je sve. I nigdje se ništa ne miče. Ali to je nešto drugo! Euklid i Ptolemej općenito su vjerovali da svjetlost izlazi iz naših očiju, a zatim pada na predmete, te ih stoga vidimo. Ukratko, stari Grci su bili glupi koliko su mogli dok ih nisu pokorili ti isti stari Rimljani.

U srednjem vijeku većina je znanstvenika i dalje vjerovala da je brzina širenja svjetlosti beskonačna, među njima su bili, recimo, Descartes, Kepler i Fermat.

Ali neki, poput Galileja, vjerovali su da svjetlost ima brzinu i da se stoga može mjeriti. Nadaleko je poznat eksperiment Galilea koji je upalio svjetiljku i osvijetlio pomoćnika koji se nalazio nekoliko kilometara od Galilea. Ugledavši svjetlo, pomoćnik je upalio svoju svjetiljku, a Galileo je pokušao izmjeriti kašnjenje između tih trenutaka. Naravno, nije uspio, te je na kraju bio prisiljen u svojim spisima napisati da ako svjetlost ima brzinu, onda je ona izuzetno velika i ne može se mjeriti ljudskim naporom, te se stoga može smatrati beskonačnom.

Prvo dokumentirano mjerenje brzine svjetlosti pripisuje se danskom astronomu Olafu Roemeru 1676. godine. Do ove godine, astronomi, naoružani teleskopima tog istog Galilea, aktivno su promatrali Jupiterove satelite i čak izračunali njihove periode rotacije. Znanstvenici su utvrdili da Jupiteru najbliži mjesec, Io, ima period rotacije od približno 42 sata. Međutim, Roemer je primijetio da se Io ponekad pojavi iza Jupitera 11 minuta ranije od očekivanog, a ponekad 11 minuta kasnije. Kako se pokazalo, Io se pojavljuje ranije u onim razdobljima kada se Zemlja, rotirajući oko Sunca, približava Jupiteru na minimalnu udaljenost, a zaostaje za 11 minuta kada je Zemlja na suprotnom mjestu orbite, i stoga je dalje od Jupiter.

Glupom podjelom promjera zemljine orbite (a to je već bilo više-manje poznato u to doba) s 22 minute, Roemer je dobio brzinu svjetlosti od 220 000 km/s, promašivši pravu vrijednost za otprilike trećinu.

Godine 1729. engleski astronom James Bradley, promatrajući paralaksa(malim odstupanjem u lokaciji) zvijezda Etamin (Gamma Draconis) otkrila je učinak aberacije svjetla, tj. promjena položaja nama najbližih zvijezda na nebu zbog kretanja Zemlje oko Sunca.

Iz efekta svjetlosne aberacije, koju je otkrio Bradley, također se može zaključiti da svjetlost ima konačnu brzinu širenja, koju je Bradley iskoristio, izračunavši da je otprilike 301 000 km/s, što je već unutar točnosti od 1% od danas poznata vrijednost.

Nakon toga uslijedila su sva razjašnjavajuća mjerenja drugih znanstvenika, ali budući da se vjerovalo da je svjetlost val, a val se ne može širiti sam od sebe, nešto treba "uzbuditi", ideju o postojanju " luminiferous ether”, čije je otkriće neslavno podbacilo američkom fizičaru Albertu Michelsonu. Nije otkrio nikakav luminiferski eter, ali je 1879. razjasnio brzinu svjetlosti na 299,910±50 km/s.

Otprilike u isto vrijeme, Maxwell je objavio svoju teoriju elektromagnetizma, što znači da je brzinu svjetlosti postalo moguće ne samo izravno mjeriti, već i izvesti iz vrijednosti električne i magnetske permeabilnosti, što je učinjeno pojašnjenjem vrijednosti brzinu svjetlosti na 299,788 km/s 1907.

Konačno, Einstein je izjavio da je brzina svjetlosti u vakuumu konstanta i da ne ovisi o ničemu. Naprotiv, sve ostalo - zbrajanje brzina i pronalaženje točnih referentnih sustava, učinci dilatacije vremena i promjene udaljenosti pri kretanju velikim brzinama i mnogi drugi relativistički učinci ovise o brzini svjetlosti (jer je uključena u sve formule kao konstanta). Ukratko, sve na svijetu je relativno, a brzina svjetlosti je veličina u odnosu na koju su sve druge stvari u našem svijetu relativne. Tu bismo možda morali dati prednost Lorentzu, ali nemojmo biti merkantilni, Einstein je Einstein.

Točno određivanje vrijednosti ove konstante nastavljeno je tijekom 20. stoljeća, sa svakim desetljećem znanstvenici su pronalazili sve više brojevi iza decimalne točke brzinom svjetlosti, sve dok im se u glavi nisu počele rađati nejasne sumnje.

Određujući sve točnije koliko metara svjetlost putuje u vakuumu u sekundi, znanstvenici su se počeli pitati što mi to mjerimo u metrima? Uostalom, na kraju krajeva, metar je samo duljina nekakvog platinasto-iridijevog štapića koji je netko zaboravio u nekom muzeju blizu Pariza!

I isprva se ideja o uvođenju standardnog brojila činila sjajnom. Kako se ne bi mučili s jardi, stopama i drugim kosim hvatima, Francuzi su 1791. godine odlučili uzeti kao standardnu ​​mjeru duljine jedan desetmilijunti dio udaljenosti od Sjevernog pola do ekvatora duž meridijana koji prolazi kroz Pariz. Izmjerili su tu udaljenost s točnošću dostupnom u to vrijeme, izlili štap od legure platine i iridija (točnije, prvo mjedi, zatim platine, a zatim platine iridija) i stavili je u ovu parišku komoru za mjere i utege kao primjerak. Što dalje idemo, to se više pokazuje da se zemljina površina mijenja, kontinenti se deformiraju, meridijani se pomiču, a za jedan desetmilijunti dio su zaboravili, i počeli računati kao metar dužinu štapa. koji leži u kristalnom lijesu pariškog "mauzoleja".

Takvo idolopoklonstvo ne priliči pravom znanstveniku, ovo nije Crveni trg (!), a 1960. godine odlučeno je da se koncept metra pojednostavi na potpuno očitu definiciju - metar je točno jednak 1.650.763,73 valne duljine emitirane prijelazom elektrona između energetskih razina 2p10 i 5d5 nepobuđenog izotopa elementa Krypton-86 u vakuumu. Pa, koliko jasnije?

Tako je trajalo 23 godine, dok se brzina svjetlosti u vakuumu mjerila sve točnije, dok 1983. konačno i najtvrdoglaviji retrogradni nisu shvatili da je brzina svjetlosti najtočnija i idealna konstanta, a ne nekakva izotopa kriptona. I odlučeno je sve okrenuti naglavačke (točnije, ako malo bolje razmislite, odlučeno je sve okrenuti naglavačke), sad brzina svjetlosti S je prava konstanta, a metar je udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu u (1/299,792,458) sekundi.

Prava vrijednost brzine svjetlosti nastavlja se razjašnjavati i danas, ali ono što je zanimljivo je da svakim novim eksperimentom znanstvenici ne razjašnjavaju brzinu svjetlosti, već pravu duljinu metra. I što se preciznije utvrdi brzina svjetlosti u nadolazećim desetljećima, točniji ćemo metar na kraju dobiti.

A ne obrnuto.

E, sad se vratimo našim ovcama. Zašto je brzina svjetlosti u vakuumu našeg svemira najveća, konačna i konstantna? Ovako ja to shvaćam.

Svatko zna da je brzina zvuka u metalu, iu gotovo svakom čvrstom tijelu, mnogo veća od brzine zvuka u zraku. To je vrlo lako provjeriti; samo prislonite uho na ogradu i moći ćete čuti zvukove vlaka koji se približava mnogo prije nego kroz zrak. Zašto je to? Očito je da je zvuk u biti isti, a brzina njegovog širenja ovisi o mediju, o konfiguraciji molekula od kojih se taj medij sastoji, o njegovoj gustoći, o parametrima njegove kristalne rešetke - ukratko, o trenutno stanje medija kroz koji se zvuk prenosi.

I premda je ideja o svjetlećem eteru odavno napuštena, vakuum kroz koji se šire elektromagnetski valovi nije apsolutno ništa, ma koliko nam se praznim činio.

Razumijem da je analogija pomalo nategnuta, ali to je istina na prstima™ isti! Upravo kao pristupačnu analogiju, a nikako kao izravan prijelaz s jednih fizikalnih zakona na druge, samo vas molim da zamislite da brzina širenja elektromagnetskih (i općenito bilo kakvih, uključujući gluonske i gravitacijske) vibracije, kao što je brzina zvuka u čeliku "ušivena" u tračnicu. Odavde plešemo.

UPD: Usput, pozivam “čitatelje sa zvjezdicom” da zamisle ostaje li brzina svjetlosti konstantna u “teškom vakuumu”. Na primjer, vjeruje se da pri energijama reda temperature 10-30 K, vakuum prestaje jednostavno ključati s virtualnim česticama i počinje "kipjeti", tj. tkivo svemira se raspada na komadiće, Planckove količine se zamagljuju i gube svoj fizički smisao itd. Bi li brzina svjetlosti u takvom vakuumu i dalje bila jednaka c, ili će ovo označiti početak nove teorije "relativističkog vakuuma" s korekcijama poput Lorentzovih koeficijenata pri ekstremnim brzinama? Ne znam, ne znam, vrijeme će pokazati...

Doktor tehničkih znanosti A. GOLUBEV.

Sredinom prošle godine u časopisima se pojavila senzacionalna poruka. Skupina američkih istraživača otkrila je da se vrlo kratki laserski puls kreće u posebno odabranom mediju stotinama puta brže nego u vakuumu. Taj se fenomen činio potpuno nevjerojatnim (brzina svjetlosti u mediju je uvijek manja nego u vakuumu) i čak je pobudio sumnju u valjanost posebne teorije relativnosti. U međuvremenu, superluminalni fizički objekt - laserski puls u mediju pojačanja - prvi put je otkriven ne 2000., već 35 godina ranije, 1965., a o mogućnosti superluminalnog gibanja naširoko se raspravljalo sve do ranih 70-ih. Danas se rasprava oko ovog neobičnog fenomena rasplamsala novom snagom.

Primjeri "superluminalnog" kretanja.

Početkom 60-ih godina počeli su se dobivati ​​kratki svjetlosni impulsi velike snage prolaskom laserskog bljeska kroz kvantno pojačalo (medij s invertiranom naseljenošću).

U mediju za pojačalo početno područje svjetlosnog impulsa uzrokuje stimuliranu emisiju atoma u mediju za pojačalo, a njegovo završno područje uzrokuje njihovu apsorpciju energije. Kao rezultat toga, promatraču će se činiti da se puls kreće brže od svjetlosti.

Eksperiment Lijuna Wonga.

Zraka svjetlosti prolazeći kroz prizmu od prozirnog materijala (na primjer, staklo) se lomi, odnosno doživljava disperziju.

Svjetlosni puls je skup titraja različitih frekvencija.

Vjerojatno svi - čak i ljudi daleko od fizike - znaju da je najveća moguća brzina kretanja materijalnih objekata ili širenja bilo kojeg signala brzina svjetlosti u vakuumu. Označava se slovom S i iznosi gotovo 300 tisuća kilometara u sekundi; točna vrijednost S= 299,792,458 m/s. Brzina svjetlosti u vakuumu jedna je od temeljnih fizikalnih konstanti. Nemogućnost postizanja prekoračenja brzina S, proizlazi iz Einsteinove posebne teorije relativnosti (STR). Kada bi se moglo dokazati da je prijenos signala superluminalnim brzinama moguć, teorija relativnosti bi pala. Do sada se to nije dogodilo, unatoč brojnim pokušajima da se opovrgne zabrana postojanja brzina većih od S. Međutim, nedavne eksperimentalne studije otkrile su neke vrlo zanimljive fenomene, koji pokazuju da se u posebno stvorenim uvjetima mogu promatrati superluminalne brzine bez kršenja načela teorije relativnosti.

Za početak, prisjetimo se glavnih aspekata vezanih uz problem brzine svjetlosti. Prije svega: zašto je nemoguće (u normalnim uvjetima) prekoračiti svjetlosnu granicu? Jer tada se krši temeljni zakon našeg svijeta – zakon uzročnosti, prema kojem posljedica ne može prethoditi uzroku. Nitko nikada nije primijetio da je, primjerice, medvjed prvo pao mrtav, a zatim lovac pucao. Pri brzinama koje prelaze S, slijed događaja postaje obrnut, vremenska traka se premotava unatrag. To je lako provjeriti iz sljedećeg jednostavnog razmišljanja.

Pretpostavimo da smo na nekoj vrsti svemirskog čudesnog broda koji se kreće brže od svjetlosti. Tada bismo postupno sustigli svjetlo koje emitira izvor u sve ranijim vremenima. Prvo bismo sustigli fotone emitirane, recimo, jučer, zatim one emitirane prekjučer, zatim tjedan, mjesec, prije godinu dana, i tako dalje. Kad bi izvor svjetlosti bio zrcalo koje odražava život, tada bismo prvo vidjeli događaje od jučer, zatim prekjučer, i tako dalje. Mogli bismo vidjeti, recimo, starca koji se postepeno pretvara u sredovječnog čovjeka, pa u mladića, u mladića, u dijete... Odnosno, vrijeme bi se vratilo unazad, iz sadašnjosti bismo prešli u prošlost. Uzroci i posljedice tada bi zamijenili mjesta.

Iako ova rasprava potpuno zanemaruje tehničke detalje procesa promatranja svjetlosti, s fundamentalne točke gledišta jasno pokazuje da kretanje nadsvjetlosnim brzinama dovodi do situacije koja je nemoguća u našem svijetu. No, priroda je postavila još strože uvjete: nedostižno je kretanje ne samo nadsvjetlosnom brzinom, već i brzinom koja je jednaka brzini svjetlosti - može joj se samo približiti. Iz teorije relativnosti proizlazi da s povećanjem brzine kretanja nastaju tri okolnosti: povećava se masa pokretnog objekta, smanjuje se njegova veličina u smjeru kretanja i usporava se tijek vremena na tom objektu (od točke pogleda vanjskog “odmarajućeg” promatrača). Pri običnim brzinama te su promjene zanemarive, ali kako se približavaju brzini svjetlosti postaju sve uočljivije, au granici - pri brzini jednakoj S, - masa postaje beskonačno velika, objekt potpuno gubi veličinu u smjeru kretanja i vrijeme se na njemu zaustavlja. Stoga niti jedno materijalno tijelo ne može postići brzinu svjetlosti. Samo svjetlost sama po sebi ima takvu brzinu! (I također "sveprodiruća" čestica - neutrino, koja se, poput fotona, ne može kretati brzinom manjom od S.)

Sada o brzini prijenosa signala. Ovdje je prikladno koristiti prikaz svjetlosti u obliku elektromagnetskih valova. Što je signal? Ovo su neke informacije koje treba prenijeti. Idealni elektromagnetski val je beskonačna sinusoida strogo jedne frekvencije i ne može nositi nikakvu informaciju, jer svaka perioda takve sinusoide točno ponavlja prethodnu. Brzina kretanja faze sinusnog vala - tzv. fazna brzina - može u mediju pod određenim uvjetima premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu. Ovdje nema ograničenja, budući da fazna brzina nije brzina signala - ona još ne postoji. Da biste stvorili signal, morate napraviti neku vrstu "oznake" na valu. Takva oznaka može biti, na primjer, promjena bilo kojeg od parametara vala - amplitude, frekvencije ili početne faze. Ali čim se označi, val gubi svoju sinusoidalnost. Postaje moduliran, sastoji se od skupa jednostavnih sinusnih valova s ​​različitim amplitudama, frekvencijama i početnim fazama - skupina valova. Brzina kojom se oznaka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kod širenja u mediju ta se brzina obično poklapa s grupnom brzinom, koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidi "Znanost i život" br. 2, 2000.). U normalnim uvjetima, grupna brzina, a time i brzina signala, manja je od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajnost da se ovdje koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima grupna brzina može premašiti S ili potpuno gubi značenje, ali tada se ne odnosi na širenje signala. Servis utvrđuje da je nemoguće odašiljati signal brzinom većom od S.

Zašto je to tako? Budući da postoji prepreka za prijenos bilo kakvog signala brzinom većom od S Isti zakon uzročnosti služi. Zamislimo takvu situaciju. U nekoj točki A svjetlosni bljesak (događaj 1) uključuje uređaj koji šalje određeni radio signal, a u udaljenoj točki B pod utjecajem tog radio signala dolazi do eksplozije (događaj 2). Jasno je da je događaj 1 (baklja) uzrok, a događaj 2 (eksplozija) posljedica, koja se javlja kasnije od uzroka. Ali kad bi se radijski signal širio nadsvjetlosnom brzinom, promatrač u blizini točke B prvo bi vidio eksploziju, a tek onda bi do njega stigla brzinom S bljesak svjetla, uzrok eksplozije. Drugim riječima, za ovog promatrača događaj 2 dogodio bi se ranije od događaja 1, odnosno posljedica bi prethodila uzroku.

Prikladno je naglasiti da se “superluminalna zabrana” teorije relativnosti nameće samo kretanju materijalnih tijela i prijenosu signala. U mnogim je situacijama moguće kretanje bilo kojom brzinom, ali to neće biti kretanje materijalnih objekata ili signala. Na primjer, zamislite dva prilično duga ravnala koja leže u istoj ravnini, od kojih je jedan vodoravno, a drugi ga siječe pod malim kutom. Ako se prvo ravnalo pomiče prema dolje (u smjeru označenom strelicom) velikom brzinom, točka sjecišta ravnala može se pokrenuti željenom brzinom, ali ta točka nije materijalno tijelo. Drugi primjer: ako uzmete svjetiljku (ili, recimo, laser koji daje uski snop) i brzo njome opišete luk u zraku, tada će linearna brzina svjetlosne točke rasti s udaljenošću i na dovoljno velikoj udaljenosti će premašiti S. Svjetlosna točka će se kretati između točaka A i B superluminalnom brzinom, ali to neće biti prijenos signala od A do B, budući da takva svjetlosna točka ne nosi nikakvu informaciju o točki A.

Čini se da je pitanje superluminalnih brzina riješeno. No 60-ih godina dvadesetog stoljeća teorijski fizičari iznijeli su hipotezu o postojanju superluminalnih čestica zvanih tahioni. To su vrlo čudne čestice: teoretski su moguće, ali da bi se izbjegle kontradikcije s teorijom relativnosti, morala im se pripisati zamišljena masa mirovanja. Fizički gledano, imaginarna masa ne postoji; ona je čisto matematička apstrakcija. No, to nije izazvalo veliku uzbunu, budući da tahioni ne mogu mirovati - oni postoje (ako postoje!) samo pri brzinama većim od brzine svjetlosti u vakuumu, au ovom slučaju masa tahiona se pokazuje stvarnom. Ovdje postoji određena analogija s fotonima: foton ima nultu masu mirovanja, ali to jednostavno znači da foton ne može mirovati - svjetlost se ne može zaustaviti.

Najteže se pokazalo, kao što se i očekivalo, pomiriti tahionsku hipotezu sa zakonom uzročnosti. Pokušaji u tom smjeru, iako prilično domišljati, nisu doveli do očitog uspjeha. Nitko nije uspio eksperimentalno registrirati tahione. Kao rezultat toga, interes za tahione kao superluminalne elementarne čestice postupno je nestao.

Međutim, 60-ih godina eksperimentalno je otkriven fenomen koji je isprva zbunio fizičare. To je detaljno opisano u članku A. N. Oraevskog "Superluminalni valovi u medijima za pojačavanje" (UFN br. 12, 1998.). Ovdje ćemo ukratko sažeti bit stvari, upućujući čitatelja zainteresiranog za detalje na navedeni članak.

Ubrzo nakon otkrića lasera - početkom 60-ih godina - pojavio se problem dobivanja kratkih (trajanja oko 1 ns = 10 -9 s) svjetlosnih impulsa velike snage. Da bi se to postiglo, kratki laserski impuls je prošao kroz optičko kvantno pojačalo. Puls je podijeljen na dva dijela zrcalom za dijeljenje snopa. Jedan od njih, jači, bio je poslan u pojačalo, a drugi se širio u zraku i služio kao referentni impuls s kojim se mogao usporediti impuls koji prolazi kroz pojačalo. Oba su impulsa dovedena do fotodetektora, a njihovi izlazni signali mogli su se vizualno promatrati na ekranu osciloskopa. Očekivalo se da će svjetlosni impuls koji prolazi kroz pojačalo doživjeti određeno kašnjenje u odnosu na referentni impuls, odnosno da će brzina širenja svjetlosti u pojačalu biti manja nego u zraku. Zamislite iznenađenje istraživača kada su otkrili da se puls širi kroz pojačalo brzinom ne samo većom nego u zraku, već i nekoliko puta većom od brzine svjetlosti u vakuumu!

Nakon što su se oporavili od prvog šoka, fizičari su počeli tražiti razlog za tako neočekivani rezultat. Nitko nije imao ni najmanju sumnju u načela specijalne teorije relativnosti, a upravo je to pomoglo da se pronađe ispravno objašnjenje: ako su načela SRT-a očuvana, onda odgovor treba tražiti u svojstvima medija za pojačanje.

Ne ulazeći ovdje u detalje, samo ćemo istaknuti da je detaljna analiza mehanizma djelovanja pojačivača potpuno razjasnila situaciju. Poanta je bila promjena u koncentraciji fotona tijekom širenja impulsa - promjena uzrokovana promjenom pojačanja medija do negativne vrijednosti tijekom prolaska stražnjeg dijela impulsa, kada medij već apsorbira energije, jer je vlastita rezerva već potrošena zbog njenog prijenosa u svjetlosni impuls. Apsorpcija ne uzrokuje povećanje, već slabljenje impulsa, pa se tako impuls pojačava u prednjem dijelu, a slabi u stražnjem dijelu. Zamislimo da promatramo puls pomoću uređaja koji se kreće brzinom svjetlosti u mediju pojačala. Kad bi medij bio proziran, vidjeli bismo impuls zaleđen u nepomičnosti. U okolini u kojoj se gore spomenuti proces odvija, pojačanje prednjeg ruba i slabljenje zadnjeg ruba pulsa će se promatraču pojaviti na takav način da se čini da je medij pomaknuo puls naprijed. Ali budući da se uređaj (promatrač) kreće brzinom svjetlosti, a impuls ga sustiže, tada je brzina impulsa veća od brzine svjetlosti! Upravo su taj učinak zabilježili eksperimentatori. I tu zapravo nema proturječja s teorijom relativnosti: proces pojačanja je jednostavno takav da se koncentracija fotona koji su izašli ranije pokazuje većom od onih koji su izašli kasnije. Nisu fotoni ti koji se kreću superluminalnim brzinama, već omotnica pulsa, posebice njegov maksimum, koji se promatra na osciloskopu.

Dakle, dok u običnim medijima uvijek dolazi do slabljenja svjetlosti i smanjenja njezine brzine, određene indeksom loma, u aktivnim laserskim medijima dolazi ne samo do pojačanja svjetlosti, već i do širenja impulsa superluminalnom brzinom.

Neki fizičari pokušali su eksperimentalno dokazati prisutnost superluminalnog gibanja tijekom efekta tunela - jednog od najčudesnijih fenomena u kvantnoj mehanici. Taj se učinak sastoji u tome što je mikročestica (točnije, mikroobjekt koji pod različitim uvjetima pokazuje i svojstva čestice i svojstva vala) sposobna prodrijeti kroz tzv. potencijalnu barijeru - pojavu koja je potpuno nemoguće u klasičnoj mehanici (u kojoj bi takva situacija bila analogna: lopta bačena na zid završila bi s druge strane zida ili bi se valovito gibanje priopćeno užetu vezanom za zid prenijelo na uže privezano za zid s druge strane). Suština efekta tunela u kvantnoj mehanici je sljedeća. Ako mikroobjekt s određenom energijom na svom putu naiđe na područje s potencijalnom energijom većom od energije mikroobjekta, to područje za njega je barijera čija je visina određena energetskom razlikom. Ali mikroobjekt “procuri” kroz barijeru! Tu mogućnost daje mu dobro poznata Heisenbergova relacija nesigurnosti, zapisana za energiju i vrijeme međudjelovanja. Ako se međudjelovanje mikroobjekta s barijerom odvija tijekom prilično određenog vremena, tada će energija mikroobjekta, naprotiv, biti obilježena nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost reda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikroobjekt. Brzina prolaska kroz potencijalnu barijeru postala je predmetom istraživanja niza fizičara, koji smatraju da ona može premašiti S.

U lipnju 1998. godine u Kölnu je održan međunarodni simpozij o problemima superluminalnog gibanja, na kojem se raspravljalo o rezultatima dobivenim u četiri laboratorija - na Berkeleyu, Beču, Kölnu i Firenci.

I konačno, 2000. godine pojavila su se izvješća o dva nova eksperimenta u kojima su se pojavili učinci superluminalnog širenja. Jednu od njih izveli su Lijun Wong i njegovi kolege s Princeton Research Institute (SAD). Njegov rezultat je da svjetlosni puls koji ulazi u komoru ispunjenu cezijevim parama povećava svoju brzinu 300 puta. Ispostavilo se da je glavni dio pulsa izašao iz udaljene stijenke komore čak i prije nego što je puls ušao u komoru kroz prednju stijenku. Ova situacija proturječi ne samo zdravom razumu, već, u biti, i teoriji relativnosti.

Poruka L. Wonga izazvala je intenzivnu raspravu među fizičarima, od kojih većina nije bila sklona vidjeti kršenje načela relativnosti u dobivenim rezultatima. Vjeruju da je izazov ispravno objasniti ovaj eksperiment.

U eksperimentu L. Wonga, svjetlosni puls koji je ulazio u komoru s cezijevim parama imao je trajanje od oko 3 μs. Atomi cezija mogu postojati u šesnaest mogućih kvantno mehaničkih stanja, koja se nazivaju "hiperfini magnetski podrazini osnovnog stanja". Korištenjem optičkog laserskog pumpanja, gotovo svi atomi dovedeni su u samo jedno od ovih šesnaest stanja, što odgovara gotovo apsolutnoj nultoj temperaturi na Kelvinovoj ljestvici (-273,15 o C). Duljina cezijeve komore bila je 6 centimetara. U vakuumu svjetlost prijeđe 6 centimetara za 0,2 ns. Kao što su mjerenja pokazala, svjetlosni je impuls prošao kroz komoru s cezijem u vremenu koje je bilo 62 ns manje nego u vakuumu. Drugim riječima, vrijeme potrebno da impuls prođe kroz medij cezija ima predznak minus! Doista, ako oduzmemo 62 ns od 0,2 ns, dobivamo "negativno" vrijeme. Ovo "negativno kašnjenje" u mediju - neshvatljivi vremenski skok - jednako je vremenu u kojem bi puls napravio 310 prolaza kroz komoru u vakuumu. Posljedica ovog "vremenskog preokreta" bila je da se puls koji je napuštao komoru uspio odmaknuti 19 metara od nje prije nego što je nadolazeći puls dosegao bliži zid komore. Kako se može objasniti takva nevjerojatna situacija (osim, naravno, ako ne sumnjamo u čistoću eksperimenta)?

Sudeći po raspravi koja je u tijeku, točno objašnjenje još nije pronađeno, ali nema sumnje da neobična disperzijska svojstva medija ovdje igraju ulogu: cezijeva para, koja se sastoji od atoma pobuđenih laserskom svjetlošću, medij je s anomalnom disperzijom . Podsjetimo se ukratko o čemu se radi.

Raspršenost tvari je ovisnost faznog (običnog) indeksa loma n na valnoj duljini svjetlosti l. Kod normalne disperzije indeks loma raste sa smanjenjem valne duljine, a to je slučaj kod stakla, vode, zraka i svih drugih tvari prozirnih za svjetlost. U tvarima koje jako apsorbiraju svjetlost, tijek indeksa loma s promjenom valne duljine je obrnut i postaje mnogo strmiji: sa smanjenjem l (povećanje frekvencije w) indeks loma naglo opada i u određenom području valne duljine postaje manji od jedinice (fazna brzina V f > S). Ovo je anomalna disperzija, u kojoj se obrazac širenja svjetlosti u tvari radikalno mijenja. Grupna brzina V gr postaje veća od fazne brzine valova i može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu (i također postati negativna). L. Wong ukazuje na ovu okolnost kao razlog koji leži u osnovi mogućnosti objašnjenja rezultata njegovog eksperimenta. Treba ipak napomenuti da stanje V gr > S je čisto formalan, jer je koncept grupne brzine uveden za slučaj male (normalne) disperzije, za prozirne medije, kada skupina valova gotovo ne mijenja svoj oblik tijekom širenja. U područjima anomalne disperzije, svjetlosni puls se brzo deformira i koncept grupne brzine gubi smisao; u ovom slučaju uvode se pojmovi brzine signala i brzine širenja energije, koje se u prozirnim medijima poklapaju s grupnom brzinom, a u medijima s apsorpcijom ostaju manje od brzine svjetlosti u vakuumu. Ali evo što je zanimljivo u Wongovom eksperimentu: svjetlosni puls, koji prolazi kroz medij s anomalnom disperzijom, nije deformiran - on točno zadržava svoj oblik! A to odgovara pretpostavci da se impuls širi grupnom brzinom. Ali ako je tako, onda ispada da u mediju nema apsorpcije, iako je anomalna disperzija medija posljedica upravo apsorpcije! Sam Wong, iako priznaje da mnogo toga ostaje nejasno, vjeruje da se ono što se događa u njegovoj eksperimentalnoj postavci može, u prvoj aproksimaciji, jasno objasniti na sljedeći način.

Svjetlosni puls sastoji se od mnogih komponenti različitih valnih duljina (frekvencija). Slika prikazuje tri od ovih komponenti (valovi 1-3). U nekom su trenutku sva tri vala u fazi (njihovi maksimumi se podudaraju); ovdje se oni, zbrajajući, međusobno pojačavaju i tvore impuls. Kako se dalje šire u prostoru, valovi postaju defazni i time se međusobno "poništavaju".

U području anomalne disperzije (unutar cezijeve ćelije), val koji je bio kraći (val 1) postaje duži. Suprotno tome, val koji je bio najduži od ta tri (val 3) postaje najkraći.

Posljedično, faze valova se mijenjaju u skladu s tim. Nakon što valovi prođu kroz cezijevu ćeliju, njihove se valne fronte obnavljaju. Nakon što su prošli neobičnu faznu modulaciju u tvari s anomalnom disperzijom, tri dotična vala ponovno se nađu u fazi u nekom trenutku. Ovdje se ponovno zbrajaju i tvore puls potpuno istog oblika kao onaj koji ulazi u medij cezija.

Tipično u zraku, a zapravo u bilo kojem prozirnom mediju s normalnom disperzijom, svjetlosni impuls ne može točno zadržati svoj oblik kada se širi na udaljenu udaljenost, to jest, sve njegove komponente ne mogu se fazno rasporediti na bilo koju udaljenu točku duž putanje širenja. I pod normalnim uvjetima, svjetlosni puls se nakon nekog vremena pojavljuje na tako udaljenoj točki. Međutim, zbog nenormalnih svojstava medija korištenog u eksperimentu, pokazalo se da je puls na udaljenoj točki fazni na isti način kao pri ulasku u ovaj medij. Dakle, svjetlosni impuls se ponaša kao da ima negativno vremensko kašnjenje na putu do udaljene točke, odnosno da bi do nje stigao ne kasnije, nego ranije nego što je prošao kroz medij!

Većina fizičara sklona je ovaj rezultat povezati s pojavom prekursora niskog intenziteta u disperzivnom mediju komore. Činjenica je da tijekom spektralne dekompozicije impulsa spektar sadrži komponente proizvoljno visokih frekvencija zanemarivo male amplitude, tzv. prekursor, koji ide ispred “glavnog dijela” impulsa. Priroda uspostavljanja i oblik prekursora ovise o zakonu disperzije u mediju. Imajući ovo na umu, slijed događaja u Wongovom eksperimentu predlaže se tumačiti na sljedeći način. Nadolazeći val, "istežući" vjesnika ispred sebe, približava se kameri. Prije nego vrh nadolazećeg vala pogodi bliži zid komore, prekursor inicira pojavu pulsa u komori, koji doseže udaljeni zid i reflektira se od njega, tvoreći "obrnuti val". Ovaj val se širi 300 puta brže S, stiže do obližnjeg zida i susreće nadolazeći val. Vrhovi jednog vala susreću se s padovima drugog, tako da se međusobno uništavaju i kao rezultat toga ne ostaje ništa. Ispostavilo se da nadolazeći val "otplaćuje dug" atomima cezija, koji su mu "posudili" energiju na drugom kraju komore. Svatko tko je gledao samo početak i kraj eksperimenta vidio bi samo puls svjetlosti koji je "skakao" naprijed u vremenu, krećući se brže S.

L. Wong smatra da njegov eksperiment nije u skladu s teorijom relativnosti. Tvrdnja o nedostižnosti superluminalne brzine, smatra on, vrijedi samo za objekte s masom mirovanja. Svjetlost se može prikazati ili u obliku valova, na koje je koncept mase općenito neprimjenjiv, ili u obliku fotona s masom mirovanja, kao što je poznato, jednakom nuli. Dakle, brzina svjetlosti u vakuumu, prema Wongu, nije granica. Međutim, Wong priznaje da učinak koji je otkrio ne omogućuje prijenos informacija brzinom većom od S.

“Informacije su ovdje već sadržane u prednjem rubu pulsa,” kaže P. Milonni, fizičar iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos u Sjedinjenim Državama ne šalju.”

Većina fizičara vjeruje da novi rad ne zadaje snažan udarac temeljnim principima. Ali ne vjeruju svi fizičari da je problem riješen. Profesor A. Ranfagni, iz talijanske istraživačke skupine koja je 2000. godine izvela još jedan zanimljiv eksperiment, smatra da je to pitanje još uvijek otvoreno. Ovaj eksperiment, koji su izveli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni i Rocco Ruggeri, otkrio je da centimetarski valovi radiovalova u normalnom zračnom putu putuju brzinama većim od S za 25%.

Ukratko, možemo reći sljedeće. Radovi posljednjih godina pokazuju da se, pod određenim uvjetima, stvarno može dogoditi superluminalna brzina. Ali što se točno kreće nadsvjetlosnim brzinama? Teorija relativnosti, kao što je već spomenuto, zabranjuje takvu brzinu za materijalna tijela i za signale koji prenose informacije. Ipak, neki istraživači vrlo uporno pokušavaju dokazati prevladavanje svjetlosne barijere posebno za signale. Razlog tome leži u činjenici da u posebnoj teoriji relativnosti ne postoji strogo matematičko opravdanje (temeljeno, recimo, na Maxwellovim jednadžbama za elektromagnetsko polje) nemogućnosti prijenosa signala brzinama većim od S. Takva nemogućnost u STR je utvrđena, moglo bi se reći, čisto aritmetički, na temelju Einsteinove formule za zbrajanje brzina, ali to je temeljno potvrđeno načelom kauzaliteta. Sam Einstein je, razmatrajući pitanje superluminalnog prijenosa signala, napisao da smo u ovom slučaju “... prisiljeni smatrati mogućim mehanizam prijenosa signala, u kojem postignuto djelovanje prethodi uzroku, ali to proizlazi iz čisto logičke točke gledište ne sadrži samo sebe, po mom mišljenju, nema proturječja; ipak je toliko proturječno prirodi cjelokupnog našeg iskustva da je nemoguće pretpostaviti V > sČini se da je dovoljno dokazano." Načelo uzročnosti kamen je temeljac nemogućnosti prijenosa superluminalnih signala. I, očito, sve potrage za superluminalnim signalima bez iznimke spotaknut će se o ovaj kamen, bez obzira koliko eksperimentatori željeli otkriti takve signale, jer takva je priroda našeg svijeta.

Zaključno treba naglasiti da se sve navedeno odnosi upravo na naš svijet, na naš Svemir. Ova rezerva je napravljena jer su se nedavno pojavile nove hipoteze u astrofizici i kozmologiji, koje dopuštaju postojanje mnogih svemira skrivenih od nas, povezanih topološkim tunelima - skakačima. Ovo gledište dijeli, na primjer, poznati astrofizičar N.S. Kardashev. Za vanjskog promatrača, ulazi u te tunele označeni su anomalnim gravitacijskim poljima, poput crnih rupa. Kretanja u takvim tunelima, kako sugeriraju autori hipoteza, omogućit će zaobilaženje ograničenja brzine kretanja koje u običnom prostoru nameće brzina svjetlosti i, prema tome, ostvariti ideju stvaranja vremeplov... Moguće je da se u takvim svemirima zapravo mogu dogoditi nešto neobično za nas. I premda za sada takve hipoteze previše podsjećaju na priče iz znanstvene fantastike, teško da treba kategorički odbaciti temeljnu mogućnost višeelementnog modela strukture materijalnog svijeta. Druga je stvar što će svi ti drugi svemiri, najvjerojatnije, ostati čisto matematičke konstrukcije teorijskih fizičara koji žive u našem svemiru i snagom svojih misli pokušavaju pronaći nama zatvorene svjetove...

Pogledajte izdanje na istu temu