Скорост на светлината (c) — стойност, дефиниция и роля в относителността
Научна и достъпна статия за скоростта на светлината (c): точна стойност, дефиниция, ролята ѝ в специалната теория на относителността и практични приложения.
Скоростта на светлината в празно пространство е универсална физична константа. Това означава, че тя е една и съща навсякъде в празното пространство и не се променя с времето. Физиците често използват буквата c, за да обозначат скоростта на светлината в празно пространство (вакуум). По дефиниция тя е точно 299 792 458 метра в секунда (983 571 056 фута в секунда). Фотонът (частица светлина) се движи с тази скорост във вакуум.
Според специалната теория на относителността c е максималната скорост, с която могат да се движат цялата енергия, материя и физическа информация във Вселената. Това е скоростта на всички безмасови частици, като фотоните, и свързаните с тях полета - включително електромагнитното излъчване, като светлината - във вакуум.
Според настоящата теория тя е скоростта на гравитацията (т.е. гравитационните вълни). Такива частици и вълни се движат със скорост c независимо от движението на източника или инерциалната отправна система на наблюдателя. В теорията наотносителността c свързва пространството и времето и се появява в известното уравнение за еквивалентност на масата и енергията E = mc2.
Специалната теория на относителността се основава на предсказанието, потвърдено досега от наблюденията, че измерената скорост на светлината във вакуум е една и съща, независимо дали източникът на светлината и човекът, който извършва измерването, се движат един спрямо друг. Понякога това се изразява като "скоростта на светлината не зависи от отправната система".
Стойност и единици
Числовата стойност на скоростта на светлината във вакуум е точно 299 792 458 m/s. Тази точност идва от дефиницията на метъра, приета от Международната система единици (SI) през 1983 г.: метрът се дефинира като разстоянието, което светлината изминава във вакуум за 1/299 792 458 от секунда. По този начин c е фиксирана стойност в SI и всички измервания на дължина и време са свързани с нея.
Роля в електромагнетизма и теорията на относителността
Уравненията на Максуел за електромагнетизма предсказват вълни, които се разпространяват със скорост, равна на c, когато се решават в празно пространство. Тази връзка между електромагнитните закони и c е исторически една от причините за развитието на специалната теория на относителността.
В рамките на специалната теория на относителността c играе роля на фундаментален лимит и на константа, която свързва пространството и времето в едно единно четиривиметрично пространство (Мinkowski-пространство). Оттук следват няколко ключови следствия:
- Времево разширение (time dilation): движещ се часовник върви по-бавно в сравнение с часовник в покой около наблюдателя; количествено това се описва чрез Лоренцовия фактор γ = 1 / sqrt(1 − v2/c2).
- Съкращение на дължините (length contraction): обекти, движещи се със скорост v спрямо наблюдателя, изглеждат съкратени в посоката на движение.
- Необходимостта от нова кинематика: класическото прибавяне на скорости се заменя от формулата за прибавяне на скорости в относителността, при която c остава инвариантна за всички наблюдатели.
- Еквивалентност маса–енергия: уравнението E = mc2 показва, че масата е форма на енергия; това има последици в ядрената енергетика, астрофизиката и космологията.
Гранична скорост, информация и каузалност
В специалната и общата теория на относителността c не е просто скорост на фотоните, а и универсална граница за предаване на физическа информация и причинно-следствени връзки. Ако нещо се предава по-бързо от c, това може да доведе до противоречия с каузалността (възможност за „парадокси“ на време). Поради това ограниченията върху скоростта на предаване на информация са ключови за физическите теории.
Светлина в среда и явления с видими „свръхсветлинни“ скорости
В среди като вода или стъкло светлината се движи по-бавно от c; отношението n = c/v определя показателя на пречупване n на средата. Някои явления може да създадат впечатление за скорости над c (напр. фаза или групова скорост при аномална дисперсия), но това не означава, че информация или енергия се предават по-бързо от c. Пример за реален ефект е Cherenkov лъчението: заредена частица в среда може да се движи по-бързо от скоростта на светлината в тази среда (но не по-бързо от c във вакуум), което води до излъчване на характерно синьо светене.
Експериментални доказателства и наблюдения
Идеята за инвариантност на c е потвърдена от множество експерименти:
- Класическият експеримент на Майкълсън–Морли показа липса на очаквания "етерен вятър" и постави под съмнение абсолютните рамки за измерване на скоростта на светлината.
- По-късни тестове (напр. Kennedy–Thorndike, Ives–Stilwell) допълнително подкрепят постулата за инвариантна скорост на светлината и предсказанията за време-продължителност и доплерово изместване.
- Наблюдения от астрофизика и гравитационната вълнова астрономия (включително събитието GW170817 и свързаната кратка гама-лъчева емисия GRB 170817A) показаха, че гравитационните вълни и електромагнитното излъчване пристигат в рамките на интервал от време, съвместим с това, че и двете пътуват със скорост, равна на c до изключително висока точност.
- Практически приложения като глобалните навигационни системи (GPS) изискват корекции от специалната и общата теория на относителността, което е допълнително доказателство за физическата реалност на ефектите, свързани с c.
По-нататъшни бележки и ограничения
Теоретично, ако отделни частици имат ненулева собствена маса (например ако фотонът имаше маса), това би променило някои свойства и би довело до отклонения от точната инвариантност на c; експериментите поставят много строги горни граници на евентуалната маса на фотона, така че за всички практични приложения фотонът се третира като безмасова частица.
В обобщение, скоростта на светлината c е фундаментална константа, която свързва пространство и време, определя границите за предаване на информация и е ключова за разбирането на съвременната физика — от електромагнетизма през специалната и общата теория на относителността до съвременната астрофизика и квантовите полета.
Пример
Това поведение се различава от общоприетите ни представи за движението, както е показано в този пример:
Джордж стои на земята до влакови релси (железница). Един влак се движи със скорост от 48 км/ч (30 мили в час). Джордж хвърля бейзболна топка със скорост 140 км/ч (90 мили/ч) в посоката, в която се движи влакът. Том, пътник във влака, има устройство (подобно на радар) за измерване на скоростта на хвърляне. Тъй като се намира във влака, Том вече се движи със скорост 30 мили в час (48 км/ч) по посока на хвърлянето, така че Том измерва скоростта на топката само на 60 мили в час (97 км/ч).
С други думи, скоростта на бейзбола, измерена от Том във влака, зависи от скоростта на влака.
В горния пример влакът се е движил с 1/3 от скоростта на топката, а скоростта на топката, измерена във влака, е била 2/3 от скоростта на хвърляне, измерена на земята.
Сега повторете експеримента със светлина вместо с бейзболна топка, т.е. Джордж има фенерче, вместо да хвърля бейзболна топка. И Джордж, и Том имат еднакви устройства за измерване на скоростта на светлината (вместо радарния пистолет в примера с бейзбола).
Джордж е застанал на земята до влакови релси. Покрай него се движи влак със скорост 1/3 от скоростта на светлината. Джордж проблясва със светлинен лъч в посоката, в която се движи влакът. Джордж измерва скоростта на светлината като 186 282 мили в секунда (299 792 км в секунда). Том, пътник във влака, измерва скоростта на светлинния лъч. Каква скорост измерва Том?
Интуитивно човек може да си помисли, че скоростта на светлината от фенерчето, измерена във влака, трябва да е 2/3 от скоростта, измерена на земята, точно както скоростта на бейзболната топка е 2/3. Но в действителност скоростта, измерена във влака, е пълната стойност - 186 282 мили в секунда (299 792 км в секунда), а не 124 188 мили в секунда (199 861 км в секунда).
Звучи невъзможно, но именно това се измерва. Част от причината за това е, че светлината е енергия, която действа и се движи по начини, много различни от тези на материята или на твърдите предмети, като например бейзболна топка.
Уравненията на Максуел предсказват скоростта на светлината и потвърждават идеята на Майкъл Фарадей, че светлината е електромагнитна вълна (начин на движение на енергията). От тези уравнения откриваме, че скоростта на светлината е свързана с обратния корен от квадрата на проницаемостта на свободното пространство, ε0, и проницаемостта на свободното пространство, μ0:
c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ . } 
Следствие от този факт е, че нищо не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината. Друго следствие е, че за обектите, които имат маса, колкото и енергия да се използва за увеличаване на скоростта на обекта, той ще се приближава все повече и повече, но никога няма да достигне скоростта на светлината. Тези идеи са открити в началото на 1900 г. от Алберт Айнщайн, чиято работа променя изцяло разбирането ни за светлината.
Индексът на пречупване на прозрачен материал е съотношението между скоростта на светлината във вакуум и скоростта на светлината в този материал.
Измерване
Rømer
Оле Кристенсен Рьомер използва астрономическо измерване, за да направи първата количествена оценка на скоростта на светлината. Когато се измерва от Земята, периодите на луните, обикалящи около далечна планета, са по-кратки, когато Земята се приближава към планетата, отколкото когато Земята се отдалечава от нея. Разстоянието, което светлината изминава от планетата (или нейната луна) до Земята, е по-късо, когато Земята се намира в точката от своята орбита, която е най-близо до планетата, отколкото когато Земята се намира в най-отдалечената точка от своята орбита, като разликата в разстоянието е диаметърът на земната орбита около Слънцето. Наблюдаваната промяна в орбиталния период на Луната всъщност е разликата във времето, за което светлината изминава по-краткото или по-дългото разстояние. Рьомер е наблюдавал този ефект за най-вътрешната луна на Юпитер - Йо, и е заключил, че на светлината й трябват 22 минути, за да премине диаметъра на земната орбита.
Брадли
Друг метод е да се използва аберацията на светлината, открита и обяснена от Джеймс Брадли през XVIII век. Този ефект е резултат от векторното събиране на скоростта на светлината, идваща от далечен източник (например звезда), и скоростта на наблюдателя (вж. схемата вдясно). По този начин движещият се наблюдател вижда светлината, идваща от малко по-различна посока, и следователно вижда източника в положение, изместено от първоначалното му положение. Тъй като посоката на скоростта на Земята се променя непрекъснато, докато Земята обикаля около Слънцето, този ефект води до преместване на видимото положение на звездите. От ъгловата разлика в положението на звездите е възможно да се изрази скоростта на светлината в зависимост от скоростта на Земята около Слънцето. Това, заедно с известната дължина на една година, може лесно да се преобразува във времето, необходимо за изминаване на пътя от Слънцето до Земята. През 1729 г. Брадли използва този метод, за да изведе, че светлината се движи 10 210 пъти по-бързо от Земята по нейната орбита (съвременната цифра е 10 066 пъти по-бързо) или, еквивалентно, че на светлината са ѝ необходими 8 минути и 12 секунди, за да стигне от Слънцето до Земята.
Съвременни
Днес "светлинното време за единица разстояние" - обратната величина на c (1/c), изразена в секунди за астрономическа единица - се измерва чрез сравняване на времето, за което радиосигналите достигат до различни космически апарати в Слънчевата система. Положението на космическите апарати се изчислява от гравитационните ефекти на Слънцето и различните планети. Чрез комбиниране на много такива измервания се получава най-подходящата стойност за светлинното време за единица разстояние. Към 2009 г.[актуализация] най-добрата оценка, одобрена от Международния астрономически съюз (МАС), е
светлинно време за единица разстояние: 499.004783836(10) s
c = 0,00200398880410(4) AU/s
c = 173,144632674(3) AU/ден.
Относителната несигурност на тези измервания е 0,02 частици на милиард (2×10-11), което е равно на несигурността на измерванията на дължината чрез интерферометрия на Земята. Тъй като метърът е дефиниран като дължина, изминавана от светлината за определен интервал от време, измерването на светлинното време за единица разстояние може да се тълкува и като измерване на дължината на AU в метри. Метърът се счита за единица за собствена дължина, докато AU често се използва като единица за наблюдавана дължина в дадена отправна система.
Аберация на светлината: светлината от далечен източник изглежда като от различно място за движещ се телескоп поради крайната скорост на светлината.
Практически ефекти
Ограничената скорост на светлината е основното ограничение за пътуване в космоса на големи разстояния. Ако предположим, че пътуваме до другия край на Млечния път, общото време за изпращане на съобщение и отговор ще бъде около 200 000 години. Още по-сериозно е, че нито един космически кораб не може да пътува по-бързо от светлината, така че целият транспорт в галактически мащаб ще бъде на практика еднопосочен и ще отнеме много повече време, отколкото съществува която и да е съвременна цивилизация.
Скоростта на светлината може да бъде от значение и за много малки разстояния. В суперкомпютрите скоростта на светлината налага ограничение за това колко бързо могат да се изпращат данни между процесорите. Ако един процесор работи на 1 гигахерц, сигналът може да измине максимум около 30 см за един цикъл. Затова процесорите трябва да бъдат разположени близо един до друг, за да се минимизират закъсненията в комуникацията; това може да доведе до трудности при охлаждането. Ако тактовите честоти продължат да се увеличават, скоростта на светлината в крайна сметка ще се превърне в ограничаващ фактор за вътрешния дизайн на отделните чипове.
Свързани страници
Въпроси и отговори
В: Каква е скоростта на светлината?
О: Скоростта на светлината, обозначавана с "c", е физична константа, която е точно 299 792 458 метра в секунда (983 571 056 фута в секунда).
В: Как се представя скоростта на светлината?
О: Скоростта на светлината обикновено се обозначава с "c", а във вакуумна среда тя се обозначава като "c^0".
В: Кои частици се движат със скоростта на светлината?
О: Фотоните (частици светлина) се движат с тази скорост във вакуум. Освен това всички частици без маса, като фотоните и свързаните с тях полета - включително електромагнитното излъчване, като светлината - се движат със скорост c, независимо от източника им или инерциалната отправна система на наблюдателя.
Въпрос: Какво твърди специалната теория на относителността за скоростта на светлината?
О: Според специалната теория на относителността c е максималната скорост, с която могат да се движат цялата енергия, материя и физическа информация във Вселената. Тя също така твърди, че измерената скорост на светлината във вакуум ще остане непроменена, независимо дали източникът или наблюдателят се движат един спрямо друг.
Въпрос: Как c се свързва с пространството и времето?
О: В теорията на относителността c свързва пространството и времето, като се появява в известното уравнение на Айнщайн E = mc2. Това уравнение показва как енергията може да се превърне в маса и обратно.
Въпрос: Има ли доказателства, които подкрепят предсказанието на специалната теория на относителността за измерената скорост на светлината?
О: Да - досегашните наблюдения потвърждават това предсказание, според което независимо от коя отправна система се наблюдава светлината или с каква скорост се движи нейният източник - измерената скорост остава постоянна.
обискирам