Вселенная скорость света: Расширяется ли Вселенная со сверхсветовой скоростью — Naked Science

может ли пространство расширяться быстрее скорости света? / Хабр

И если да, то как с этим справляются теории относительности Эйнштейна, специальная и общая?

Если вам кажется, что всё под контролем – вы едете слишком медленно.

— Марио Андретти

Конец недели означает, что я снова выбираю вопрос из присланных вами, и на этой неделе нам повезло получить вопрос, напрягающий разум и искривляющий пространство и время. Читатель хочет узнать побольше о величайшей загадке расширяющейся Вселенной, относительности и тёмной энергии:

Хорошо известно, что вселенная расширяется с ускорением. Возможно ли, чтобы скорость расширения превысила скорость света? И если да, не будет ли это противоречить теориям Эйнштейна?

Начнём с того, что такое скорость света.

Неважно, где вы находитесь и кто вы, существует жёсткое ограничение на ваше движение в пространстве. Можно было бы решить, что чем больше энергии тратишь, тем быстрее можно двигаться… И хотя это так и есть, но это может продолжаться лишь до определённого предела. Если вы двигаетесь со скоростью несколько метров в секунду, или несколько километров в час, или даже несколько километров в секунду, как двигается Земля по орбите Солнца, вы даже не заметите ограничений на движение с бесконечной скоростью.

Но они всё равно существуют. Чем быстрее вы двигаетесь – чем больше ваша скорость движения через пространство – тем медленнее вы двигаетесь сквозь время. Представьте, что вы находитесь в покое на поверхности Земли, а ваш друг взлетел с места вашего нахождения и на реактивном самолёте отправился в кругосветное путешествие. До того, как вы расстались, вы синхронизировали часы с точностью до микросекунд.

Если ваши часы достаточно чувствительные, то когда ваш друг вернётся к вам, вы обнаружите, что часы немного рассинхронизировались. Ваши часы будут показывать время чуть позже, чем часы друга – отличие будет примерно в десятые части микросекунд, но всё-таки будет.

И чем быстрее двигаться, тем больше будет разница во времени.

Часы космонавтов на МКС, облетающих вокруг Земли за 90 минут, отстают на несколько секунд после возвращения. Эта разница становится заметной даже при помощи обычных часов.

Странность в том, что не только часы идут по-разному на разных скоростях, но и время двигается с разной скоростью.

Факт замедления часов на высоких скоростях будет следствием того, что время и пространство связаны, и что быстрое движение через пространство означает замедление времени. Связь между пространством и временем определяется скоростью света. Чем ближе вы к скорости света, тем больше течение времени асимптотически приближается к нулю.

Поэтому мюон, нестабильная частица со средним временем жизни в пару микросекунд, может быть создан в верхней части атмосферы на скорости, близкой к скорости света, и дойти до поверхности Земли. Это путь в 100 км, и если бы он двигался по нему со скоростью 300 000 км/с в течение 2,2 микросекунд, он бы распался, пройдя лишь 0,6% всего пути. То, что мюон успевает достичь поверхности – и если вы вытянете руку, то через неё каждую секунду будет пролетать примерно по одному мюону – происходит благодаря этому эффекту относительности.

А что же до расширения Вселенной? Вы знаете, что если вы выберете какую-либо галактику, то в среднем получится, что чем дальше она от вас, тем быстрее она будет отдаляться. Галактики в кластере Девы, находящиеся на расстоянии 50-60 миллионов световых лет, двигаются от нас со скоростью 1200 км/с. Галактики в скоплении Волос Вероники, расположенные на расстоянии 330 миллионов световых лет, двигаются от нас со скоростью 7000 км/с.

Чем дальше мы заглядываем, тем быстрее эти галактики и кластеры удаляются. Конечно, встречаются отклонения на несколько сотен или тысяч км/с из-за местных перемещений и эффектов гравитационного притяжения, но на крупных масштабах – и на больших расстояниях – можно видеть, что чем дальше они от вас, тем быстрее они будут отдаляться. Впервые это наблюдение сделал Эдвин Хаббл в 1920-х годах, и оно привело к закону Хаббла, или закону, определяющему расширение Вселенной. С наилучшими современными средствами наблюдения мы можем подтвердить правильность этого закона на миллиарды световых лет во всех направлениях.

«Секунду»,- я могу практически слышать ваши возражения. «А что насчёт скорости света?».

Действительно, что насчёт скорости света? Конечно же, этот невидимый барьер – препятствующий всем видам материи двигаться быстрее определённого ограничения – вступит в права и помешает галактикам с какого-то момента, не так ли? Время асимптотически стремится к нулю и перестанет двигаться, если вы будете перемещаться с такой скоростью, при этом ему нельзя двигаться обратно, ведь тогда галактики бы двигались назад во времени, не так ли?

Но мы утаили один из кусочков головоломки. Скорость света в качестве ограничения применяется лишь к объектам, двигающимся друг относительно друга в одном и том же месте пространства.

Когда ваш друг улетел на самолёте и вернулся с отстающими от ваших часами, это оттого, что вы встретились на том же месте. Когда космонавты возвращаются на Землю, и их путешествие длилось меньше, чем ваше, на несколько секунд, это оттого, что вы оказались в одном месте. Даже мюон, двигаясь с околосветовой скоростью, двигался относительно вашей системы отсчёта на Земле, и потому вы наблюдали эти эффекты.

Но в дальних частях Вселенной эти галактики вообще не движутся. Это пространство между ними расширяется, а отдельные галактики находятся в покое относительно пространства.

Вы можете возразить, «откуда вы это знаете?»

Можно провести тест: посмотреть на удалённые галактики, измерить их красное смещение и расстояние до них. Так можно проверить, что двигаются они с невероятными скоростями против всех предсказаний теории относительности.

ТО бывает двух видов: специальная ТО, работающая в плоском статичном пространстве, где имеют значение только движения объектов через пространство и время. И общая ТО, где само пространство изменяется, и/или сжимается, и где материя и энергия определяют кривизну пространства-времени, а СТО существует поверх этой системы.

И вот как различаются два предсказания:

Сильно, не так ли? Оказывается, что наши наблюдения говорят в пользу ОТО, и исключают вариант статичного пространства.

И что же это значит в итоге? Что это означает для нашей расширяющейся Вселенной, даже если мы добавим сюда тёмную энергию?

Это значит, что с течением времени свет, испущенный далёкими галактиками, очень сильно сместился в красный спектр, что и привело к появлению космологического красного смещения.

Это значит, что существуют настолько удалённые части Вселенной, что свет, испущенный оттуда, никогда до нас не доберётся. В данный момент это все части, находящиеся на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет от нас.

И это значит, что любой объект на расстоянии больше 4,5 гигапарсек (14-15 миллиардов световых лет) останется недосягаемым для нас и для всего, что мы делаем, отныне и навсегда. Все эти объекты, составляющие 97% объёма наблюдаемой Вселенной, находятся вне нашей досягаемости. Даже испущенный прямо сейчас фотон никогда не доберётся до них.

Так что, да, все объекты, подхваченные расширением Вселенной, с ускорением летят от нас, всё быстрее и быстрее. Пройдёт достаточно времени, и все они будут удаляться от нас быстрее скорости света, и станут недостижимыми для нас в принципе, неважно, насколько быструю ракету мы построим или сколько сигналов отправим со скоростью света.

И что мы можем с этим поделать?

Взять себя в руки и начать межгалактические путешествия так быстро, как только сможем, пока не поздно. Сегодняшняя Вселенная исчезает из-за расширения пространства. И хотя ни один объект не двигается сквозь ткань пространства-времени быстрее скорости света, не существует ограничений по расширению ткани пространства. Пространство делает, что хочет.

Так что спасибо за прекрасный вопрос, и, если ответ покажется вам загадочным, вдохновитесь следующим: Вселенная исчезнет из вида человечества, если только мы не сможем что-нибудь сделать с этим, включая полёты к удалённым галактикам, или – если найдётся способ – приближение удалённых галактик к нам. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.

«Действительно ли Вселенная расширяется со скоростью выше скорости света? Тогда почему мы видим свет звёзд? » — Яндекс Кью

Популярное

Сообщества

КосмосВселенная+2

Дмитрий Михалевский

733Z»>8 сентября 2020  ·

41,0 K

ОтветитьУточнить

Вадим Романский

Физика

6,6 K

младший научный сотрудник ФТИ им. Иоффе  · 9 сент 2020  ·

astropolytech

Сначала нужно разобраться с тем, что значит «вселенная расширяется со сверхсветовой скоростью». И что вообще значит вселенная расширяется.

Поясним на аналогии — возьмите воздушный шар. Приклейте к нему в некоторых точках «галактики». А потом начните быстро надувать. Вселенная расширяется, галактики удаляются друг от друга, в каждой галактике наблюдатели видят одинаковые, с их точки зрения, картины — все остальные галактики удаляются от наблюдателя со скоростью пропорциональной расстоянию v = H*d , где H — постоянная Хаббла.

Это главный параметр, характеризующий скорость расширения. Но он имеет размерность не скорости, а обратного времени. Поэтому вообще не правильно говорить о сверхсветовом расширении вселенной в целом. Скорость удаления разных частей вселенной друг от друга- разная, и зависит от расстояния, как уже сказано выше.

Граница, начиная с которого объекты удаляются от нас быстрее скорости света называется сферой Хаббла. Её радиус 13.8 миллиардов световых лет. Все что внутри нее мы без проблем видим. Более того, если аккуратно посчитать расширение, то окажется, что мы видим значительно большую область — то что называется горизонт частиц. Это те области, из которых свет успел к нам дойти со времени большого взрыва. И радиус горизонта частиц примерно 46.6 миллиардов световых лет

астрофизическое образование

Перейти на vk.com/astropolytech

23,9 K

Кавадор Бурах

9 сентября 2020

«Я знаю, что я ничего не знаю»

Комментировать ответ…Комментировать…

Susanna Kazaryan

Физика

31,8 K

Сусанна Казарян, США, Физик  · 11 сент 2020

Любая, даже самая сложная проблема обязательно имеет простое, лёгкое для понимания, неправильное решение — это из Мерфиологии и прямо касается аналогии расширения Вселенной с раздувающимся шаром или взрывом.
Расширение Вселенной не приводит в движение ни пространство, ни объекты во Вселенной, хотя наблюдатель видит, что все галактики, кроме ближайших, разбегаются со… Читать далее

12,5 K

Руслан Гаджи

11 сентября 2020

А что же тогда происходить с второй части пространственно-временной континуума товарищи эксперты ? Вселенная то… Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Андрей Дюк

Астрономия

937

Издание физико-математического факультета, эпизодический любитель истории, чуть-чуть…  · 23 сент 2021  · andrew-duke.ru

Мы видим свет только тех объектов, которые ближе поверхности последнего рассеяния — это что-то в районе 13,4 млрд.св.лет. В более ранние эпохи Вселенная, как считается, вообще была непрозрачна по причине отсутствия атомов — плазма была, а вот газ отсутствовал. Посему, когда говорим о скорости «раздувания» Вселенной, вести речь о сверхсветовом расширении не очень… Читать далее

«Мой ангел, сплюнув от досады, улетел…»

Перейти на andrew-duke.ru

Комментировать ответ…Комментировать…

Антон Фурс

Физика

438

программист, интересны квантовая механика, теория относительности и астрономия  · 7 нояб 2020

Фраза «Вселенная расширяется со скоростью» не имеет смысла. Если Вселенная расширяется, то можно говорить лишь о такой величине как темп расширения. Вопрос можно поставить так: за какое время Вселенная расширится в 2 раза, или по другому: во сколько раз расширится Вселенная за определённое время. А формальная скорость разбегания двух галактик друг от друга будет… Читать далее

Валерий Бородецкий

24 ноября 2020

Скорость расширения,как и любая другая скорость есть величины относительные,что утверждает и ОТО с СТО. Но есть ли… Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Альфред Френкель

-4

Работал СНС в прикладной науке. Сейчас пенсионер. Со школьных времён увлечён…  · 7 дек 2020

Самым выдающимся открытием, за последнее время/ в космологии, является открытие, сделанное 8 лет тому назад, ускоренного расширения Вселенной (УРВ). Причиной УРВ провозглашена Тёмная энергия (ТЭ), о сущности которой никто ничего не знает. По моему, любительскому мнению ТЭ, как и инфлятон, в фазе инфляции Вселенной, ничто иное как расширение пространства (РП) нашей… Читать далее

Альфред Френкель

26 июля 2021

Намоём Дзенканале несколько статей посвящённы пространству нашей Вселенной, в бли жайжее время собираюсь поместить… Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Виктор Кареба

-1

Пенсионер   · 25 нояб 2020

Согласно Общей Теории Относительности Эйнштейна, всё во вселенной движется относительно.
Находясь на Земле мы наблюдаем окружающие нас звёзды, от которых движется свет в нашем направлении.
По сему, относительно нашей Земли видимая вселенная для нас всегда будет расширяться со скоростью света двигающегося от звёзд в нашем направлении. Читать далее

Комментировать ответ…Комментировать…

Андрей Калашник

2

Астрономия, физика, IT  · 16 нояб 2020

Проще говоря если взять галактику на расстоянии 1 млрд. световых лет и галактику на расстоянии 9 млрд. световых лет, то скорость удаления второй галактики будет больше, чем первой. Скорость удаления зависит от расстояния. На расстоянии 330 млн. св. лет скорость будет 70 км/с, а на расстоянии 660 уже 140 км/с. Правильно сказать, что скорость расширения Вселенной 70 км/с… Читать далее

sdfkajdsfvklajsdalsdkcaldskfavlfdja

6 декабря 2020

Мегапарсек — это 3,26 млн световых лет, а не 326

Комментировать ответ…Комментировать…

EASY

41

Я биолог (1993г. ), изи райдер, увлекаюсь панк — рок, хэви — метал, психоделия, орган…  · 2 авг 2021

Мне на ум пришла простая аналогия, которую я решил представить на суд читателей без предварительного глубокого анализа, почти как в широко известном анекдоте про Петьку, которого командировали в Японию, для обучения разным фокусам: итак, представляем себе обычное вращающееся велосипедное колесо и, с первого взгляда, думается, что все… Читать далее

Комментировать ответ…Комментировать…

зия гафаров

1

я люблю задавать или отвечать на какие то вопросы, и увлекаюсь машинами.  · 13 мар 2021

скорость расширения вселенной постоянно увеличивается и — это происходит всё быстрее и быстрее , при этом плотность вселенной не увеличивается и поэтому масса тоже, но она пока что не достигла скорости света или не стала выше поэтому мы видим её свет , а когда станет выше ничего во вселенной не сможет дойти до чего либо.

Комментировать ответ…Комментировать…

Геннадий Коломок

729

just a time traveler
Изучение необычного в обычном.  · 11 дек 2020

А мы и не видим свет звёзд. Вернее — всех звёзд. Вселенная расширяется не равномерно, а чем дальше от нас — тем быстрее. Если взять за точку отсчёта Землю, то ближайшие к нам галактики удаляются с меньшей скоростью, чем более дальние. И вот когда скорость самых дальних галактик достигает скорости света относительно Земли, мы перестаём видеть их свет даже в самый сильный телескоп.

Комментировать ответ…Комментировать…

ученые рассказали, кто может перешагнуть непреодолимый порог

Согласно законам физики, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее скорости света. Но как всегда есть исключение из правил.

Related video

Современные физические законы говорят о том, что ни человек, ни любой объект, который имеет массу не может перемещаться в пространстве со скоростью, которая превышает скорость света. Но существуют гипотетические частицы, которые вероятно могут это делать, и они даже могут перемещаться во времени. О том, что это за частицы и о возможности перемещений в пространстве со скоростью выше скорости света в своей статье для The Conversation рассказал Сэм Бэрон из Австралийского католического университета.

Согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, скорость света – это универсальный предел для всех объектов во Вселенной, которые имеют массу. Эта теория гласит, что такие объекты не могут разогнаться до скорости, которая больше скорости света.

Энергия не бесконечна

«Чтобы ускорить объект, который имеет массу человека, например, нужно добавить ему энергии. Чем большей скорости мы хотим достичь, тем больше энергии нам нужно. Но известно, что объектам, не зависимо от того, какую массу они имеют, потребуется для разгона до скорости света бесконечное количество энергии. Но все известные источники энергии имеют свой предел», — говорит Бэрон.

По словам ученого, во Вселенной имеется только ограниченное количество энергии. А это значит, что ее недостаточно, чтобы разогнать объект с массой выше скорости света.

«Поскольку у нас с вами есть масса, не ждите, что в ближайшее время человек будет путешествовать в космосе со скоростью, которая больше скорости света», — говорит Бэрон.

Согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, скорость света – это универсальный предел для всех объектов во Вселенной, которые имеют массу. Эта теория гласит, что такие объекты не могут разогнаться до скорости, которая больше скорости света

Фото: The Conversation

Гипотетические частицы — тахионы

Существующее ограничение скорости для перемещения в пространстве распространяется на объекты с так называемой обычной массой. Но ученые считают, что существуют гипотетические частицы с так называемой мнимой массой. Эти частицы называются тахионы.

«Пока что ученые не обнаружили доказательств того, что тахионы существуют. Но, если все же они есть, то они должны всегда двигаться в пространстве со скоростью, которая превышает скорость света. Согласно теории, эти частицы не могут двигаться медленнее скорости света», — говорит Бэрон.

Согласно гипотезам некоторых физиков, эти гипотетические частицы, если они существуют постоянно путешествуют назад во времени. Поэтому эти частицы часто используют писатели-фантасты в своих произведениях, которые связаны с путешествиями во времени.

«Некоторые ученые считают, что когда-нибудь, когда мы обнаружим тахионы, человек сможет использовать эти частицы для создания машины времени. Но это только гипотеза», — говорит Бэрон.

Червоточины

По словам ученого, путешествия со скоростью выше скорости света на данный момент являются пока несбыточной мечтой.

«Если говорить о теоретических путешествиях в космосе для человека к другим звездам со скоростью света, то ближайшая к нам звезда находится на расстоянии в 4,35 световых лет. А самая далекая из известных – на расстоянии в 28 млрд световых лет. Это значит, чтобы человеку добраться до звездной системы Альфа Центавра, ему нужно потратить только в одну сторону 4 года своей жизни. Ну, а про самую далекую звезду даже нечего и мечтать. По крайней мере за одну человеческую жизнь к ней не долететь даже со скоростью света», — говорит Бэрон.

По словам ученого, в преодолении таких далеких расстояний могут помочь так называемые червоточины, существование которых допускает теория относительности

Фото: The Conversation

По словам ученого, в преодолении таких далеких расстояний могут помочь так называемые червоточины, существование которых допускает теория относительности.

С помощью червоточин, согласно теории, можно преодолеть огромные расстояния за очень короткий период времени. Эти объекты в космосе могут связывать две точки в пространстве таким образом, что длительность путешествия со скоростью света, которое займет 4 года, можно сократить до нескольких часов.

«Если эти червоточины существуют, то люди смогли бы добраться до самых дальних уголков Вселенной всего за одну человеческую жизнь. Но, как и тахионы, червоточины пока являются чисто гипотетическими объектами’, — говорит Бэрон.

«Мы не можем двигаться быстрее скорости света, мы только можем попытаться представить, как это. Поэтому невозможно с уверенностью сказать, что произойдет, если бы мы могли путешествовать быстрее скорости света», — резюмирует Бэрон в своей статье.

Напоминаем, что величина скорости света в вакууме равна 299 792 458 м/с или 1 079 252 848,8 км/ч.

Как уже писал Фокус, ученые считают, что могли обнаружить сеть из червоточин, которые создали для перемещения в пространстве представители внеземного разума.

Также Фокус писал о том, что физики готовы возродить альтернативную теорию гравитации. К этому их подтолкнуло исследование необычной галактики.

Напоминаем, что астрономам удалось более точно определить величину скорости, с которой расширяется наша Вселенная.

Как быстро движется свет? | Скорость света

Скорость света — это предел скорости всего в нашей Вселенной. Или это?
(Изображение предоставлено: Гетти/Юичиро Чино)

Скорость света, проходящего через вакуум, составляет ровно 299 792 458 метров (983 571 056 футов) в секунду. Это около 186 282 миль в секунду — универсальная постоянная, известная в уравнениях как «с» или скорость света.

По словам физика Альберта Эйнштейна специальной теории относительности , на котором основана большая часть современной физики, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света. Теория утверждает, что по мере того, как материя приближается к скорости света, масса материи становится бесконечной. Это означает, что скорость света действует как предел скорости для всей вселенной . Скорость света настолько неизменна, что, согласно стандарту Национального института стандартов и технологий США , она используется для определения международных стандартных единиц измерения, таких как метр (и, соответственно, миля, фут и дюйм). С помощью некоторых хитрых уравнений он также помогает определить килограмм и единицу измерения температуры 9.0005 Кельвин .

Но, несмотря на репутацию скорости света как универсальной константы, ученые и писатели-фантасты проводят время, размышляя о путешествиях со скоростью, превышающей скорость света. До сих пор никому не удавалось продемонстрировать настоящий варп-двигатель, но это не замедлило нашего коллективного стремления к новым историям, новым изобретениям и новым областям физики.

Родственный: Специальная теория относительности выдерживает испытание высокой энергией

Что такое световой год?

A l световой год — это расстояние, которое свет может пройти за один год — около 6 триллионов миль (10 триллионов километров). Это один из способов, которым астрономы и физики измеряют огромные расстояния в нашей Вселенной.

Свет проходит от луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что луна находится примерно в 1 световой секунде от нас. Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому солнце находится на расстоянии около 8 световых минут. Свет от Альфа Центавра , которая является ближайшей к нам звездной системой, требует примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 световых года.

«Чтобы получить представление о величине светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), разложите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7,5 (соответствующее расстояние равно одному световому -второй), затем разместите 31,6 миллиона одинаковых строк от начала до конца», — говорится на веб-сайте Исследовательского центра Гленна НАСА (открывается в новой вкладке). «В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль!»

Звезды и другие объекты за пределами нашей солнечной системы находятся на расстоянии от нескольких световых лет до нескольких миллиардов световых лет. И все, что астрономы «видят» в далекой Вселенной, буквально является историей. Когда астрономы изучают объекты, находящиеся далеко, они видят свет, который показывает объекты такими, какими они существовали в то время, когда свет покинул их.

Этот принцип позволяет астрономам увидеть Вселенную такой, какой она была после Большого Взрыва , произошедшего около 13,8 миллиардов лет назад. Объекты, находящиеся на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, кажутся астрономам такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад — относительно скоро после возникновения Вселенной, — а не такими, какими они выглядят сегодня.

Родственный: Почему вселенная — это история

Как мы узнали скорость света?

Аристотель, Эмпедокл, Галилей (на фото), Оле Рёмер и бесчисленное множество других философов и физиков в истории рассматривали скорость света. (Изображение предоставлено НАСА)

Еще в V веке греческие философы, такие как Эмпедокл и Аристотель, расходились во мнениях относительно природы скорости света. Эмпедокл предположил, что свет, из чего бы он ни состоял, должен двигаться и, следовательно, должен иметь скорость движения. Аристотель опроверг точку зрения Эмпедокла в собственном трактате 9.0005 О Чувстве и Разуме (открывается в новой вкладке), утверждая, что свет, в отличие от звука и запаха, должен быть мгновенным. Аристотель, конечно, ошибался, но чтобы доказать это, потребуются сотни лет.

В середине 1600-х годов итальянский астроном Галилео Галилей поставил двух человек на холмы менее чем в миле друг от друга. Каждый человек держал экранированный фонарь. Один раскрыл свой фонарь; когда другой человек увидел вспышку, он тоже раскрыл свою. Но экспериментального расстояния Галилея было недостаточно для того, чтобы его участники могли зафиксировать скорость света. Он мог только заключить, что свет движется как минимум в 10 раз быстрее звука.

В 1670-х годах датский астроном Оле Рёмер пытался создать надежное расписание для моряков в море и, согласно НАСА , случайно придумал новую наилучшую оценку скорости света. Чтобы создать астрономические часы, он записал точное время затмений луны Юпитера , Ио, с Земли . Со временем Рёмер заметил, что затмения Ио часто отличаются от его расчетов. Он заметил, что затмения отставали больше всего, когда Юпитер и Земля удалялись друг от друга, появлялись раньше времени, когда планеты приближались, и происходили по расписанию, когда планеты находились в своих ближайших или самых дальних точках. Это наблюдение продемонстрировало то, что мы сегодня знаем как эффект Доплера, изменение частоты света или звука, излучаемого движущимся объектом, что в астрономическом мире проявляется как так называемое -красное смещение , сдвиг в сторону «более красных», более длинных волн в объекты, быстро удаляющиеся от нас. Опираясь на интуицию, Рёмер определил, что свету требуется измеримое время, чтобы добраться от Ио до Земли.

Рёмер использовал свои наблюдения для оценки скорости света. Поскольку размер Солнечной системы и орбита Земли еще не были точно известны, утверждалось в статье 1998 года в American Journal of Physics , он немного ошибся. Но, наконец, у ученых появилось число, с которым можно было работать. По расчетам Ремера, скорость света составляет около 124 000 миль в секунду (200 000 км/с).

В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли провел новый набор расчетов на основе изменения видимого положения звезд, вызванного движением Земли вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км/с) — с точностью до 1 % от реального значения.0005 Американское физическое общество (открывается в новой вкладке).

Две новые попытки в середине 1800-х вернули проблему на Землю. Французский физик Ипполит Физо направил луч света на быстро вращающееся зубчатое колесо с зеркалом, установленным на расстоянии 5 миль (8 км), чтобы отразить его обратно к источнику. Изменение скорости колеса позволило Физо рассчитать, сколько времени потребовалось свету, чтобы выйти из отверстия к соседнему зеркалу и обратно через зазор. Другой французский физик, Леон Фуко, использовал вращающееся зеркало, а не колесо, чтобы выполнить практически тот же самый эксперимент. Каждый из двух независимых методов показал точность около 1000 миль в секунду (1609км/с) скорости света.

15 августа 1930 года в Санта-Ана, штат Калифорния, д-р Альберт А. Майкельсон стоял рядом с вакуумной трубкой длиной в милю, которая будет использоваться в его последнем и самом точном измерении скорости света. (Изображение предоставлено Getty/Bettman)

Другим ученым, который разгадал тайну скорости света, был уроженец Польши Альберт А. Майкельсон, выросший в Калифорнии в период золотой лихорадки в штате и отточивший свой интерес к физике во время учебы в Военно-морском флоте США. Академия, согласно Университет Вирджинии (открывается в новой вкладке). В 1879 году он попытался воспроизвести метод определения скорости света Фуко, но Майкельсон увеличил расстояние между зеркалами и использовал очень качественные зеркала и линзы. Результат Майкельсона 186 355 миль в секунду (299 910 км / с) считался самым точным измерением скорости света за 40 лет, пока Майкельсон не измерил его сам. Во втором раунде экспериментов Майкельсон посветил светом между двумя горными вершинами с тщательно измеренными расстояниями, чтобы получить более точную оценку. И в третьей попытке незадолго до смерти в 1931, согласно журналу Смитсоновского института Air and Space , он построил разгерметизированную трубу длиной в милю из гофрированной стальной трубы. Трубка имитировала почти вакуум, который устранял бы любое влияние воздуха на скорость света для еще более точного измерения, которое в итоге оказалось лишь немного ниже принятого сегодня значения скорости света.

Майкельсон также изучал природу самого света, написал астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes, Starts With a Bang (откроется в новой вкладке). Лучшие умы физиков во время экспериментов Майкельсона разделились: был ли свет волной или частицей?

Майкельсон вместе со своим коллегой Эдвардом Морли исходил из предположения, что свет движется как волна, как и звук. И точно так же, как звуку нужны частицы для движения, рассуждали Майкельсон, Морли и другие физики того времени, свет должен иметь какую-то среду для движения. Это невидимое, необнаружимое вещество было названо «светоносным эфиром» (также известным как «эфир»).

Хотя Майкельсон и Морли построили сложный интерферометр (самую простую версию прибора, используемого сегодня в установках LIGO ), Майкельсон не смог найти доказательств существования какого-либо светоносного эфира. Он определил, что свет может путешествовать и действительно путешествует в вакууме.

«Эксперимент — и вся работа Майкельсона — были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего бы то ни было», — писал Сигал. «Сам эксперимент, возможно, был полным провалом, но то, что мы из него узнали, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!» 92. Уравнение описывает взаимосвязь между массой и энергией — небольшие количества массы (m) содержат или состоят из огромного количества энергии (E). (Вот что делает ядерные бомбы такими мощными: они преобразуют массу во взрывы энергии. ) Поскольку энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, скорость света служит коэффициентом преобразования, точно объясняющим, сколько энергии должно быть внутри материи. А поскольку скорость света — это такое огромное число, даже небольшое количество массы должно равняться огромному количеству энергии.

Чтобы точно описать вселенную, элегантное уравнение Эйнштейна требует, чтобы скорость света была неизменной константой. Эйнштейн утверждал, что свет движется через вакуум, а не через какой-либо светоносный эфир, и таким образом, что он движется с одной и той же скоростью независимо от скорости наблюдателя.

Подумайте об этом так: наблюдатели, сидящие в поезде, могут смотреть на поезд, движущийся по параллельному пути, и думать о его относительном движении как о нуле. Но наблюдатели, движущиеся почти со скоростью света, все равно будут воспринимать свет как удаляющийся от них со скоростью более 670 миллионов миль в час. (Это потому, что двигаться очень, очень быстро — один из немногих подтвержденных методов путешествие во времени — время на самом деле замедляется для тех наблюдателей, которые стареют медленнее и воспринимают меньше моментов, чем наблюдатель, движущийся медленно. )

Другими словами, Эйнштейн предположил, что скорость света не зависит от времени или места. что вы его измеряете, или как быстро вы сами двигаетесь.

Следовательно, объекты с массой никогда не могут достичь скорости света. Если бы объект когда-нибудь достиг скорости света, его масса стала бы бесконечной. И в результате энергия, необходимая для перемещения объекта, также стала бы бесконечной: это невозможно.

Это означает, что если мы основываем наше понимание физики на специальной теории относительности (что делает большинство современных физиков), скорость света является непреложным пределом скорости нашей Вселенной — максимальной скоростью, на которой может двигаться что-либо.

Что движется быстрее скорости света?

Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее. Вселенная расширяется со скоростью немногим более 42 миль (68 километров) в секунду на каждый мегапарсек расстояния от наблюдателя, писал астрофизик Пол Саттер в предыдущей статье для журнала 9. 0005 Space.com . (Мегапарсек составляет 3,26 миллиона световых лет — это очень большой путь.)

Другими словами, галактика, удаленная на 1 мегапарсек, удаляется от Млечного Пути со скоростью 42 мили в секунду (68 км/с). с), в то время как галактика, находящаяся на расстоянии двух мегапарсеков, удаляется со скоростью почти 86 миль в секунду (136 км/с) и так далее.

«В какой-то момент на каком-то непристойном расстоянии скорость зашкаливает и превышает скорость света, и все это от естественного, регулярного расширения пространства», — объяснил Саттер. «Кажется, это должно быть незаконно, не так ли?»

Специальная теория относительности обеспечивает абсолютный предел скорости во Вселенной, согласно Саттеру, но теория Эйнштейна 1915 года относительно общей теории относительности допускает другое поведение, когда физика, которую вы изучаете, больше не является «локальной».

«Галактика на дальнем конце вселенной? Это область общей теории относительности, а общая теория относительности говорит: какая разница! Эта галактика может иметь любую скорость, какую захочет, пока она остается далеко, а не рядом тебе в лицо», — написал Саттер. «Специальную теорию относительности не волнует скорость — сверхсветовая или какая-то другая — далекой галактики. И вам тоже не стоит».

Свет когда-нибудь замедляется?

Свет движется медленнее в алмазе, чем в воздухе, и он движется в воздухе немного медленнее, чем в вакууме. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Обычно считается, что свет в вакууме распространяется с абсолютной скоростью, но свет, проходящий через любой материал, может быть замедлен. Величина, на которую материал замедляет свет, называется его показателем преломления. Свет изгибается при контакте с частицами, что приводит к уменьшению скорости.

Например, свет, проходящий через атмосферу Земли, движется почти так же быстро, как свет в вакууме, замедляясь всего на три десятитысячных скорости света. Но свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое по сравнению с обычной скоростью, сообщает PBS NOVA . Тем не менее, он движется через драгоценный камень со скоростью более 277 миллионов миль в час (почти 124 000 км/с) — достаточно, чтобы изменить ситуацию, но все же невероятно быстро.

Свет может быть захвачен — и даже остановлен — внутри ультрахолодных облаков атомов, согласно исследованию 2001 года, опубликованному в журнале 9.0005 Природа (откроется в новой вкладке). Совсем недавно в исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Physical Review Letters , был предложен новый способ остановить свет на его пути в «исключительных точках» или местах, где два отдельных световых излучения пересекаются и сливаются в одно.

Исследователи также пытались замедлить свет, даже когда он движется в вакууме. Группа шотландских ученых успешно замедлила одиночный фотон или частицу света, даже когда он двигался в вакууме, как описано в их исследовании 2015 года, опубликованном в журнале 9.0005 Наука (откроется в новой вкладке). В их измерениях разница между замедленным фотоном и «обычным» фотоном составляла всего несколько миллионных долей метра, но это продемонстрировало, что свет в вакууме может быть медленнее, чем официальная скорость света.

Можем ли мы путешествовать быстрее света?

Истории по теме:

Научная фантастика любит идею «скорости деформации». Путешествия со скоростью, превышающей скорость света, делают возможными бесчисленные научно-фантастические франшизы, уплотняя бескрайние просторы космоса и позволяя персонажам с легкостью перемещаться между звездными системами и обратно.

Но хотя путешествия со скоростью, превышающей скорость света, не гарантированно невозможны, нам нужно использовать довольно экзотическую физику, чтобы заставить это работать. К счастью для энтузиастов научной фантастики и физиков-теоретиков, существует множество возможностей для изучения.

Все, что нам нужно сделать, это понять, как не двигаться самим — поскольку специальная теория относительности гарантирует, что мы будем уничтожены, прежде чем мы достигнем достаточно высокой скорости, — а вместо этого перемещать пространство вокруг нас. Легко, верно?

Одна из предложенных идей включает в себя космический корабль, который мог бы свернуть вокруг себя пространственно-временной пузырь. Звучит здорово, как в теории, так и в художественной литературе.

«Если бы капитан Кирк был вынужден двигаться со скоростью наших самых быстрых ракет, ему потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы добраться до следующей звездной системы», — сказал Сет Шостак, астроном из Поиска внеземного разума (SETI). ) Институт в Маунтин-Вью, Калифорния, в интервью 2010 года дочернему сайту Space.com LiveScience . «Поэтому научная фантастика уже давно постулировала способ преодолеть скорость светового барьера, чтобы история могла развиваться немного быстрее».

Без путешествий со скоростью, превышающей скорость света, любой «Звездный путь» (или, если на то пошло, «Звездная война») был бы невозможен. Если человечеству суждено когда-нибудь добраться до самых дальних и постоянно расширяющихся уголков нашей вселенной, физики будущего должны будут смело отправиться туда, куда еще не ступала нога человека.

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о скорости света, воспользуйтесь этим забавным инструментом из Academo (открывается в новой вкладке), который позволяет визуализировать, с какой скоростью свет может перемещаться из любого места на Земле в любое другое. Если вас больше интересуют другие важные числа, познакомьтесь с универсальными константами, которые определяют стандартные системы измерения по всему миру с помощью 9.0005 Национальный институт стандартов и технологий (открывается в новой вкладке). А если вам интересно узнать больше об истории скорости света, ознакомьтесь с книгой « Lightspeed: The Ghostly Aether and the Race to Measure the Light of Light » (Оксфорд, 2019 г.) автора Джон Ч. Х. Спенс.

Предыдущее исследование для этой статьи предоставлено сотрудником Space.com Нолой Тейлор Редд.

Библиография

Аристотель. «О чувстве и разумном». Архив интернет-классики, 350 г. н.э. http://classics.mit.edu/Aristotle/sense.2.2.html (открывается в новой вкладке).

Д’Альто, Ник. «Трубопровод, измеривший скорость света». Smithsonian Magazine, январь 2017 г. https://www.smithsonianmag.com/air-space-magazine/18_fm2017-oo-180961669/ (открывается в новой вкладке).

Фаулер, Майкл. «Скорость света.» Современная физика. Университет Вирджинии. По состоянию на 13 января 2022 г. https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/spedlite.html#Albert%20Abraham%20Michelson (откроется в новой вкладке).

Джованнини, Даниэль, Жакилин Ромеро, Вацлав Поточек, Гергели Ференци, Фиона Спейритс, Стивен М. Барнетт, Даниэле Фаччо и Майлз Дж. Пэджетт. «Пространственно структурированные фотоны, которые движутся в свободном пространстве медленнее скорости света». Science, 20 февраля 2015 г. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aaa3035 (открывается в новой вкладке).

Гольдзак, Тамар, Алексей Александрович Майлыбаев и Нимрод Моисеев. «Свет останавливается в исключительных точках». Письма о физическом обзоре 120, вып. 1 (3 января 2018 г.): 013901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.013901 (открывается в новой вкладке).

Хазен, Роберт. «Что заставляет бриллиант сверкать?» PBS NOVA, 31 января 2000 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/diamond-science/ (открывается в новой вкладке).

«Какой длины световой год?» Glenn Learning Technologies Project, 13 мая 2021 г. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/Numbers/Math/Mathematical_Thinking/how_long_is_a_light_year.htm (открывается в новой вкладке).

Новости Американского физического общества. «Июль 1849 г.: Fizeau Publishes of Speed ​​of Light Experiment», июль 2010 г. http://www.aps.org/publications/apsnews/201007/physicshistory.cfm (открывается в новой вкладке).

Лю, Чиен, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи и Лене Вестергаард Хау. «Наблюдение за хранением когерентной оптической информации в атомной среде с использованием остановленных световых импульсов». Природа 409, вып. 6819 (январь 2001 г.): 490–93. https://doi.org/10.1038/35054017 (откроется в новой вкладке).

НИСТ. «Познакомьтесь с константами». 12 октября 2018 г. https://www.nist.gov/si-redefinition/meet-constants (открывается в новой вкладке).

Уэллетт, Дженнифер. «Краткая история скорости света». PBS NOVA, 27 февраля 2015 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/brief-history-speed-light/ (откроется в новой вкладке).

Ши, Джеймс Х. «Оле Ро/Мер, скорость света, видимый период Ио, эффект Доплера и динамика Земли и Юпитера». Американский журнал физики 66, вып. 7 (1 июля 1998 г.): 561–69. https://doi.org/10.1119/1.19020 (откроется в новой вкладке).

Сигел, Итан. «Неудачный эксперимент, изменивший мир». Forbes, 21 апреля 2017 г. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/21/the-failed-experiment-that-changed-the-world/ (открывается в новой вкладке).

Стерн, Дэвид. «Рёмер и скорость света», 17 октября 2016 г. https://pwg.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun4Adop1.htm (открывается в новой вкладке).

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Вики Стейн — научный писатель из Калифорнии. Она имеет степень бакалавра экологии и эволюционной биологии Дартмутского колледжа и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз (2018 г.). После этого она работала помощником по новостям в PBS NewsHour, а теперь работает внештатным сотрудником, освещая все, от астероидов до зебр. Следите за ее последними работами (и последними фотографиями голожаберников) в Твиттере.

Как быстро движется свет? | Скорость света

Скорость света — это предел скорости всего в нашей Вселенной. Или это?
(Изображение предоставлено: Гетти/Юичиро Чино)

Скорость света, проходящего через вакуум, составляет ровно 299 792 458 метров (983 571 056 футов) в секунду. Это около 186 282 миль в секунду — универсальная постоянная, известная в уравнениях как «с» или скорость света.

Согласно специальной теории относительности физика Альберта Эйнштейна , на которой основана большая часть современной физики, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света. Теория утверждает, что по мере того, как материя приближается к скорости света, масса материи становится бесконечной. Это означает, что скорость света действует как ограничение скорости на всем вселенная . Скорость света настолько неизменна, что, согласно стандарту Национального института стандартов и технологий США , она используется для определения международных стандартных единиц измерения, таких как метр (и, соответственно, миля, фут и дюйм). С помощью некоторых хитрых уравнений он также помогает определить килограмм и единицу измерения температуры кельвинов .

Но, несмотря на репутацию скорости света как универсальной константы, ученые и писатели-фантасты проводят время, размышляя о путешествиях со скоростью, превышающей скорость света. До сих пор никому не удавалось продемонстрировать настоящий варп-двигатель, но это не замедлило нашего коллективного стремления к новым историям, новым изобретениям и новым областям физики.

Родственный: Специальная теория относительности выдерживает испытание высокой энергией

Что такое световой год?

A l световой год — это расстояние, которое свет может пройти за один год — около 6 триллионов миль (10 триллионов километров). Это один из способов, которым астрономы и физики измеряют огромные расстояния в нашей Вселенной.

Свет проходит от луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что луна находится примерно в 1 световой секунде от нас. Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому 9Солнце 0005 находится примерно в 8 световых минутах от нас. Свету от Альфы Центавра , которая является ближайшей звездной системой к нашей, требуется примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 световых года.

«Чтобы получить представление о величине светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), разложите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7,5 (соответствующее расстояние равно одному световому -секунда), затем поместите 31,6 миллиона одинаковых строк встык», — Исследовательский центр Гленна НАСА 9.0005 говорит на своем сайте (открывается в новой вкладке). «В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль!»

Звезды и другие объекты за пределами нашей солнечной системы находятся на расстоянии от нескольких световых лет до нескольких миллиардов световых лет. И все, что астрономы «видят» в далекой Вселенной, буквально является историей. Когда астрономы изучают объекты, находящиеся далеко, они видят свет, который показывает объекты такими, какими они существовали в то время, когда свет покинул их.

Этот принцип позволяет астрономам увидеть вселенную такой, какой она была после Большого взрыва , который произошел около 13,8 миллиардов лет назад. Объекты, находящиеся на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, кажутся астрономам такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад — относительно скоро после возникновения Вселенной, — а не такими, какими они выглядят сегодня.

Родственный: Почему вселенная — это история

Как мы узнали скорость света?

Аристотель, Эмпедокл, Галилей (на фото), Оле Рёмер и бесчисленное множество других философов и физиков в истории рассматривали скорость света. (Изображение предоставлено НАСА)

Еще в V веке греческие философы, такие как Эмпедокл и Аристотель, расходились во мнениях относительно природы скорости света. Эмпедокл предположил, что свет, из чего бы он ни состоял, должен двигаться и, следовательно, должен иметь скорость движения. Аристотель опроверг точку зрения Эмпедокла в собственном трактате 9.0005 О Чувстве и Разуме (открывается в новой вкладке), утверждая, что свет, в отличие от звука и запаха, должен быть мгновенным. Аристотель, конечно, ошибался, но чтобы доказать это, потребуются сотни лет.

В середине 1600-х годов итальянский астроном Галилео Галилей поставил двух человек на холмы менее чем в миле друг от друга. Каждый человек держал экранированный фонарь. Один раскрыл свой фонарь; когда другой человек увидел вспышку, он тоже раскрыл свою. Но экспериментального расстояния Галилея было недостаточно для того, чтобы его участники могли зафиксировать скорость света. Он мог только заключить, что свет движется как минимум в 10 раз быстрее звука.

В 1670-х годах датский астроном Оле Рёмер пытался создать надежное расписание для моряков в море и, согласно НАСА , случайно придумал новую наилучшую оценку скорости света. Чтобы создать астрономические часы, он записал точное время затмений луны Юпитера , Ио, с Земли . Со временем Рёмер заметил, что затмения Ио часто отличаются от его расчетов. Он заметил, что затмения отставали больше всего, когда Юпитер и Земля удалялись друг от друга, появлялись раньше времени, когда планеты приближались, и происходили по расписанию, когда планеты находились в своих ближайших или самых дальних точках. Это наблюдение продемонстрировало то, что мы сегодня знаем как эффект Доплера, изменение частоты света или звука, излучаемого движущимся объектом, что в астрономическом мире проявляется как так называемое -красное смещение , сдвиг в сторону «более красных», более длинных волн в объекты, быстро удаляющиеся от нас. Опираясь на интуицию, Рёмер определил, что свету требуется измеримое время, чтобы добраться от Ио до Земли.

Рёмер использовал свои наблюдения для оценки скорости света. Поскольку размер Солнечной системы и орбита Земли еще не были точно известны, утверждалось в статье 1998 года в American Journal of Physics , он немного ошибся. Но, наконец, у ученых появилось число, с которым можно было работать. По расчетам Ремера, скорость света составляет около 124 000 миль в секунду (200 000 км/с).

В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли провел новый набор расчетов на основе изменения видимого положения звезд, вызванного движением Земли вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км/с) — с точностью до 1 % от реального значения.0005 Американское физическое общество (открывается в новой вкладке).

Две новые попытки в середине 1800-х вернули проблему на Землю. Французский физик Ипполит Физо направил луч света на быстро вращающееся зубчатое колесо с зеркалом, установленным на расстоянии 5 миль (8 км), чтобы отразить его обратно к источнику. Изменение скорости колеса позволило Физо рассчитать, сколько времени потребовалось свету, чтобы выйти из отверстия к соседнему зеркалу и обратно через зазор. Другой французский физик, Леон Фуко, использовал вращающееся зеркало, а не колесо, чтобы выполнить практически тот же самый эксперимент. Каждый из двух независимых методов показал точность около 1000 миль в секунду (1609км/с) скорости света.

15 августа 1930 года в Санта-Ана, штат Калифорния, д-р Альберт А. Майкельсон стоял рядом с вакуумной трубкой длиной в милю, которая будет использоваться в его последнем и самом точном измерении скорости света. (Изображение предоставлено Getty/Bettman)

Другим ученым, который разгадал тайну скорости света, был уроженец Польши Альберт А. Майкельсон, выросший в Калифорнии в период золотой лихорадки в штате и отточивший свой интерес к физике во время учебы в Военно-морском флоте США. Академия, согласно Университет Вирджинии (открывается в новой вкладке). В 1879 году он попытался воспроизвести метод определения скорости света Фуко, но Майкельсон увеличил расстояние между зеркалами и использовал очень качественные зеркала и линзы. Результат Майкельсона 186 355 миль в секунду (299 910 км / с) считался самым точным измерением скорости света за 40 лет, пока Майкельсон не измерил его сам. Во втором раунде экспериментов Майкельсон посветил светом между двумя горными вершинами с тщательно измеренными расстояниями, чтобы получить более точную оценку. И в третьей попытке незадолго до смерти в 1931, согласно журналу Смитсоновского института Air and Space , он построил разгерметизированную трубу длиной в милю из гофрированной стальной трубы. Трубка имитировала почти вакуум, который устранял бы любое влияние воздуха на скорость света для еще более точного измерения, которое в итоге оказалось лишь немного ниже принятого сегодня значения скорости света.

Майкельсон также изучал природу самого света, написал астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes, Starts With a Bang (откроется в новой вкладке). Лучшие умы физиков во время экспериментов Майкельсона разделились: был ли свет волной или частицей?

Майкельсон вместе со своим коллегой Эдвардом Морли исходил из предположения, что свет движется как волна, как и звук. И точно так же, как звуку нужны частицы для движения, рассуждали Майкельсон, Морли и другие физики того времени, свет должен иметь какую-то среду для движения. Это невидимое, необнаружимое вещество было названо «светоносным эфиром» (также известным как «эфир»).

Хотя Майкельсон и Морли построили сложный интерферометр (самую простую версию прибора, используемого сегодня в установках LIGO ), Майкельсон не смог найти доказательств существования какого-либо светоносного эфира. Он определил, что свет может путешествовать и действительно путешествует в вакууме.

«Эксперимент — и вся работа Майкельсона — были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего бы то ни было», — писал Сигал. «Сам эксперимент, возможно, был полным провалом, но то, что мы из него узнали, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!» 92. Уравнение описывает взаимосвязь между массой и энергией — небольшие количества массы (m) содержат или состоят из огромного количества энергии (E). (Вот что делает ядерные бомбы такими мощными: они преобразуют массу во взрывы энергии. ) Поскольку энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, скорость света служит коэффициентом преобразования, точно объясняющим, сколько энергии должно быть внутри материи. А поскольку скорость света — это такое огромное число, даже небольшое количество массы должно равняться огромному количеству энергии.

Чтобы точно описать вселенную, элегантное уравнение Эйнштейна требует, чтобы скорость света была неизменной константой. Эйнштейн утверждал, что свет движется через вакуум, а не через какой-либо светоносный эфир, и таким образом, что он движется с одной и той же скоростью независимо от скорости наблюдателя.

Подумайте об этом так: наблюдатели, сидящие в поезде, могут смотреть на поезд, движущийся по параллельному пути, и думать о его относительном движении как о нуле. Но наблюдатели, движущиеся почти со скоростью света, все равно будут воспринимать свет как удаляющийся от них со скоростью более 670 миллионов миль в час. (Это потому, что двигаться очень, очень быстро — один из немногих подтвержденных методов путешествие во времени — время на самом деле замедляется для тех наблюдателей, которые стареют медленнее и воспринимают меньше моментов, чем наблюдатель, движущийся медленно. )

Другими словами, Эйнштейн предположил, что скорость света не зависит от времени или места. что вы его измеряете, или как быстро вы сами двигаетесь.

Следовательно, объекты с массой никогда не могут достичь скорости света. Если бы объект когда-нибудь достиг скорости света, его масса стала бы бесконечной. И в результате энергия, необходимая для перемещения объекта, также стала бы бесконечной: это невозможно.

Это означает, что если мы основываем наше понимание физики на специальной теории относительности (что делает большинство современных физиков), скорость света является непреложным пределом скорости нашей Вселенной — максимальной скоростью, на которой может двигаться что-либо.

Что движется быстрее скорости света?

Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее. Вселенная расширяется со скоростью немногим более 42 миль (68 километров) в секунду на каждый мегапарсек расстояния от наблюдателя, писал астрофизик Пол Саттер в предыдущей статье для журнала 9. 0005 Space.com . (Мегапарсек составляет 3,26 миллиона световых лет — это очень большой путь.)

Другими словами, галактика, удаленная на 1 мегапарсек, удаляется от Млечного Пути со скоростью 42 мили в секунду (68 км/с). с), в то время как галактика, находящаяся на расстоянии двух мегапарсеков, удаляется со скоростью почти 86 миль в секунду (136 км/с) и так далее.

«В какой-то момент на каком-то непристойном расстоянии скорость зашкаливает и превышает скорость света, и все это от естественного, регулярного расширения пространства», — объяснил Саттер. «Кажется, это должно быть незаконно, не так ли?»

Специальная теория относительности обеспечивает абсолютный предел скорости во Вселенной, согласно Саттеру, но теория Эйнштейна 1915 года относительно общей теории относительности допускает другое поведение, когда физика, которую вы изучаете, больше не является «локальной».

«Галактика на дальнем конце вселенной? Это область общей теории относительности, а общая теория относительности говорит: какая разница! Эта галактика может иметь любую скорость, какую захочет, пока она остается далеко, а не рядом тебе в лицо», — написал Саттер. «Специальную теорию относительности не волнует скорость — сверхсветовая или какая-то другая — далекой галактики. И вам тоже не стоит».

Свет когда-нибудь замедляется?

Свет движется медленнее в алмазе, чем в воздухе, и он движется в воздухе немного медленнее, чем в вакууме. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Обычно считается, что свет в вакууме распространяется с абсолютной скоростью, но свет, проходящий через любой материал, может быть замедлен. Величина, на которую материал замедляет свет, называется его показателем преломления. Свет изгибается при контакте с частицами, что приводит к уменьшению скорости.

Например, свет, проходящий через атмосферу Земли, движется почти так же быстро, как свет в вакууме, замедляясь всего на три десятитысячных скорости света. Но свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое по сравнению с обычной скоростью, сообщает PBS NOVA . Тем не менее, он движется через драгоценный камень со скоростью более 277 миллионов миль в час (почти 124 000 км/с) — достаточно, чтобы изменить ситуацию, но все же невероятно быстро.

Свет может быть захвачен — и даже остановлен — внутри ультрахолодных облаков атомов, согласно исследованию 2001 года, опубликованному в журнале 9.0005 Природа (откроется в новой вкладке). Совсем недавно в исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Physical Review Letters , был предложен новый способ остановить свет на его пути в «исключительных точках» или местах, где два отдельных световых излучения пересекаются и сливаются в одно.

Исследователи также пытались замедлить свет, даже когда он движется в вакууме. Группа шотландских ученых успешно замедлила одиночный фотон или частицу света, даже когда он двигался в вакууме, как описано в их исследовании 2015 года, опубликованном в журнале 9.0005 Наука (откроется в новой вкладке). В их измерениях разница между замедленным фотоном и «обычным» фотоном составляла всего несколько миллионных долей метра, но это продемонстрировало, что свет в вакууме может быть медленнее, чем официальная скорость света.

Можем ли мы путешествовать быстрее света?

Истории по теме:

Научная фантастика любит идею «скорости деформации». Путешествия со скоростью, превышающей скорость света, делают возможными бесчисленные научно-фантастические франшизы, уплотняя бескрайние просторы космоса и позволяя персонажам с легкостью перемещаться между звездными системами и обратно.

Но хотя путешествия со скоростью, превышающей скорость света, не гарантированно невозможны, нам нужно использовать довольно экзотическую физику, чтобы заставить это работать. К счастью для энтузиастов научной фантастики и физиков-теоретиков, существует множество возможностей для изучения.

Все, что нам нужно сделать, это понять, как не двигаться самим — поскольку специальная теория относительности гарантирует, что мы будем уничтожены, прежде чем мы достигнем достаточно высокой скорости, — а вместо этого перемещать пространство вокруг нас. Легко, верно?

Одна из предложенных идей включает в себя космический корабль, который мог бы свернуть вокруг себя пространственно-временной пузырь. Звучит здорово, как в теории, так и в художественной литературе.

«Если бы капитан Кирк был вынужден двигаться со скоростью наших самых быстрых ракет, ему потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы добраться до следующей звездной системы», — сказал Сет Шостак, астроном из Поиска внеземного разума (SETI). ) Институт в Маунтин-Вью, Калифорния, в интервью 2010 года дочернему сайту Space.com LiveScience . «Поэтому научная фантастика уже давно постулировала способ преодолеть скорость светового барьера, чтобы история могла развиваться немного быстрее».

Без путешествий со скоростью, превышающей скорость света, любой «Звездный путь» (или, если на то пошло, «Звездная война») был бы невозможен. Если человечеству суждено когда-нибудь добраться до самых дальних и постоянно расширяющихся уголков нашей вселенной, физики будущего должны будут смело отправиться туда, куда еще не ступала нога человека.

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о скорости света, воспользуйтесь этим забавным инструментом из Academo (открывается в новой вкладке), который позволяет визуализировать, с какой скоростью свет может перемещаться из любого места на Земле в любое другое. Если вас больше интересуют другие важные числа, познакомьтесь с универсальными константами, которые определяют стандартные системы измерения по всему миру с помощью 9.0005 Национальный институт стандартов и технологий (открывается в новой вкладке). А если вам интересно узнать больше об истории скорости света, ознакомьтесь с книгой « Lightspeed: The Ghostly Aether and the Race to Measure the Light of Light » (Оксфорд, 2019 г.) автора Джон Ч. Х. Спенс.

Предыдущее исследование для этой статьи предоставлено сотрудником Space.com Нолой Тейлор Редд.

Библиография

Аристотель. «О чувстве и разумном». Архив интернет-классики, 350 г. н.э. http://classics.mit.edu/Aristotle/sense.2.2.html (открывается в новой вкладке).

Д’Альто, Ник. «Трубопровод, измеривший скорость света». Smithsonian Magazine, январь 2017 г. https://www.smithsonianmag.com/air-space-magazine/18_fm2017-oo-180961669/ (открывается в новой вкладке).

Фаулер, Майкл. «Скорость света.» Современная физика. Университет Вирджинии. По состоянию на 13 января 2022 г. https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/spedlite.html#Albert%20Abraham%20Michelson (откроется в новой вкладке).

Джованнини, Даниэль, Жакилин Ромеро, Вацлав Поточек, Гергели Ференци, Фиона Спейритс, Стивен М. Барнетт, Даниэле Фаччо и Майлз Дж. Пэджетт. «Пространственно структурированные фотоны, которые движутся в свободном пространстве медленнее скорости света». Science, 20 февраля 2015 г. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aaa3035 (открывается в новой вкладке).

Гольдзак, Тамар, Алексей Александрович Майлыбаев и Нимрод Моисеев. «Свет останавливается в исключительных точках». Письма о физическом обзоре 120, вып. 1 (3 января 2018 г.): 013901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.013901 (открывается в новой вкладке).

Хазен, Роберт. «Что заставляет бриллиант сверкать?» PBS NOVA, 31 января 2000 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/diamond-science/ (открывается в новой вкладке).

«Какой длины световой год?» Glenn Learning Technologies Project, 13 мая 2021 г. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/Numbers/Math/Mathematical_Thinking/how_long_is_a_light_year.htm (открывается в новой вкладке).

Новости Американского физического общества. «Июль 1849 г.: Fizeau Publishes of Speed ​​of Light Experiment», июль 2010 г. http://www.aps.org/publications/apsnews/201007/physicshistory.cfm (открывается в новой вкладке).

Лю, Чиен, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи и Лене Вестергаард Хау. «Наблюдение за хранением когерентной оптической информации в атомной среде с использованием остановленных световых импульсов». Природа 409, вып. 6819 (январь 2001 г.): 490–93. https://doi.org/10.1038/35054017 (откроется в новой вкладке).

НИСТ. «Познакомьтесь с константами». 12 октября 2018 г. https://www.nist.gov/si-redefinition/meet-constants (открывается в новой вкладке).

Уэллетт, Дженнифер. «Краткая история скорости света». PBS NOVA, 27 февраля 2015 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/brief-history-speed-light/ (откроется в новой вкладке).

Ши, Джеймс Х. «Оле Ро/Мер, скорость света, видимый период Ио, эффект Доплера и динамика Земли и Юпитера». Американский журнал физики 66, вып. 7 (1 июля 1998 г.): 561–69. https://doi.org/10.1119/1.19020 (откроется в новой вкладке).

Сигел, Итан. «Неудачный эксперимент, изменивший мир». Forbes, 21 апреля 2017 г. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/21/the-failed-experiment-that-changed-the-world/ (открывается в новой вкладке).

Стерн, Дэвид. «Рёмер и скорость света», 17 октября 2016 г. https://pwg.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun4Adop1.htm (открывается в новой вкладке).

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Вики Стейн — научный писатель из Калифорнии. Она имеет степень бакалавра экологии и эволюционной биологии Дартмутского колледжа и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз (2018 г.). После этого она работала помощником по новостям в PBS NewsHour, а теперь работает внештатным сотрудником, освещая все, от астероидов до зебр. Следите за ее последними работами (и последними фотографиями голожаберников) в Твиттере.

Как быстро движется свет? | Скорость света

Скорость света — это предел скорости всего в нашей Вселенной. Или это?
(Изображение предоставлено: Гетти/Юичиро Чино)

Скорость света, проходящего через вакуум, составляет ровно 299 792 458 метров (983 571 056 футов) в секунду. Это около 186 282 миль в секунду — универсальная постоянная, известная в уравнениях как «с» или скорость света.

Согласно специальной теории относительности физика Альберта Эйнштейна , на которой основана большая часть современной физики, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света. Теория утверждает, что по мере того, как материя приближается к скорости света, масса материи становится бесконечной. Это означает, что скорость света действует как ограничение скорости на всем вселенная . Скорость света настолько неизменна, что, согласно стандарту Национального института стандартов и технологий США , она используется для определения международных стандартных единиц измерения, таких как метр (и, соответственно, миля, фут и дюйм). С помощью некоторых хитрых уравнений он также помогает определить килограмм и единицу измерения температуры кельвинов .

Но, несмотря на репутацию скорости света как универсальной константы, ученые и писатели-фантасты проводят время, размышляя о путешествиях со скоростью, превышающей скорость света. До сих пор никому не удавалось продемонстрировать настоящий варп-двигатель, но это не замедлило нашего коллективного стремления к новым историям, новым изобретениям и новым областям физики.

Родственный: Специальная теория относительности выдерживает испытание высокой энергией

Что такое световой год?

A l световой год — это расстояние, которое свет может пройти за один год — около 6 триллионов миль (10 триллионов километров). Это один из способов, которым астрономы и физики измеряют огромные расстояния в нашей Вселенной.

Свет проходит от луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что луна находится примерно в 1 световой секунде от нас. Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому 9Солнце 0005 находится примерно в 8 световых минутах от нас. Свету от Альфы Центавра , которая является ближайшей звездной системой к нашей, требуется примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 световых года.

«Чтобы получить представление о величине светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), разложите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7,5 (соответствующее расстояние равно одному световому -секунда), затем поместите 31,6 миллиона одинаковых строк встык», — Исследовательский центр Гленна НАСА 9.0005 говорит на своем сайте (открывается в новой вкладке). «В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль!»

Звезды и другие объекты за пределами нашей солнечной системы находятся на расстоянии от нескольких световых лет до нескольких миллиардов световых лет. И все, что астрономы «видят» в далекой Вселенной, буквально является историей. Когда астрономы изучают объекты, находящиеся далеко, они видят свет, который показывает объекты такими, какими они существовали в то время, когда свет покинул их.

Этот принцип позволяет астрономам увидеть вселенную такой, какой она была после Большого взрыва , который произошел около 13,8 миллиардов лет назад. Объекты, находящиеся на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, кажутся астрономам такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад — относительно скоро после возникновения Вселенной, — а не такими, какими они выглядят сегодня.

Родственный: Почему вселенная — это история

Как мы узнали скорость света?

Аристотель, Эмпедокл, Галилей (на фото), Оле Рёмер и бесчисленное множество других философов и физиков в истории рассматривали скорость света. (Изображение предоставлено НАСА)

Еще в V веке греческие философы, такие как Эмпедокл и Аристотель, расходились во мнениях относительно природы скорости света. Эмпедокл предположил, что свет, из чего бы он ни состоял, должен двигаться и, следовательно, должен иметь скорость движения. Аристотель опроверг точку зрения Эмпедокла в собственном трактате 9.0005 О Чувстве и Разуме (открывается в новой вкладке), утверждая, что свет, в отличие от звука и запаха, должен быть мгновенным. Аристотель, конечно, ошибался, но чтобы доказать это, потребуются сотни лет.

В середине 1600-х годов итальянский астроном Галилео Галилей поставил двух человек на холмы менее чем в миле друг от друга. Каждый человек держал экранированный фонарь. Один раскрыл свой фонарь; когда другой человек увидел вспышку, он тоже раскрыл свою. Но экспериментального расстояния Галилея было недостаточно для того, чтобы его участники могли зафиксировать скорость света. Он мог только заключить, что свет движется как минимум в 10 раз быстрее звука.

В 1670-х годах датский астроном Оле Рёмер пытался создать надежное расписание для моряков в море и, согласно НАСА , случайно придумал новую наилучшую оценку скорости света. Чтобы создать астрономические часы, он записал точное время затмений луны Юпитера , Ио, с Земли . Со временем Рёмер заметил, что затмения Ио часто отличаются от его расчетов. Он заметил, что затмения отставали больше всего, когда Юпитер и Земля удалялись друг от друга, появлялись раньше времени, когда планеты приближались, и происходили по расписанию, когда планеты находились в своих ближайших или самых дальних точках. Это наблюдение продемонстрировало то, что мы сегодня знаем как эффект Доплера, изменение частоты света или звука, излучаемого движущимся объектом, что в астрономическом мире проявляется как так называемое -красное смещение , сдвиг в сторону «более красных», более длинных волн в объекты, быстро удаляющиеся от нас. Опираясь на интуицию, Рёмер определил, что свету требуется измеримое время, чтобы добраться от Ио до Земли.

Рёмер использовал свои наблюдения для оценки скорости света. Поскольку размер Солнечной системы и орбита Земли еще не были точно известны, утверждалось в статье 1998 года в American Journal of Physics , он немного ошибся. Но, наконец, у ученых появилось число, с которым можно было работать. По расчетам Ремера, скорость света составляет около 124 000 миль в секунду (200 000 км/с).

В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли провел новый набор расчетов на основе изменения видимого положения звезд, вызванного движением Земли вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км/с) — с точностью до 1 % от реального значения.0005 Американское физическое общество (открывается в новой вкладке).

Две новые попытки в середине 1800-х вернули проблему на Землю. Французский физик Ипполит Физо направил луч света на быстро вращающееся зубчатое колесо с зеркалом, установленным на расстоянии 5 миль (8 км), чтобы отразить его обратно к источнику. Изменение скорости колеса позволило Физо рассчитать, сколько времени потребовалось свету, чтобы выйти из отверстия к соседнему зеркалу и обратно через зазор. Другой французский физик, Леон Фуко, использовал вращающееся зеркало, а не колесо, чтобы выполнить практически тот же самый эксперимент. Каждый из двух независимых методов показал точность около 1000 миль в секунду (1609км/с) скорости света.

15 августа 1930 года в Санта-Ана, штат Калифорния, д-р Альберт А. Майкельсон стоял рядом с вакуумной трубкой длиной в милю, которая будет использоваться в его последнем и самом точном измерении скорости света. (Изображение предоставлено Getty/Bettman)

Другим ученым, который разгадал тайну скорости света, был уроженец Польши Альберт А. Майкельсон, выросший в Калифорнии в период золотой лихорадки в штате и отточивший свой интерес к физике во время учебы в Военно-морском флоте США. Академия, согласно Университет Вирджинии (открывается в новой вкладке). В 1879 году он попытался воспроизвести метод определения скорости света Фуко, но Майкельсон увеличил расстояние между зеркалами и использовал очень качественные зеркала и линзы. Результат Майкельсона 186 355 миль в секунду (299 910 км / с) считался самым точным измерением скорости света за 40 лет, пока Майкельсон не измерил его сам. Во втором раунде экспериментов Майкельсон посветил светом между двумя горными вершинами с тщательно измеренными расстояниями, чтобы получить более точную оценку. И в третьей попытке незадолго до смерти в 1931, согласно журналу Смитсоновского института Air and Space , он построил разгерметизированную трубу длиной в милю из гофрированной стальной трубы. Трубка имитировала почти вакуум, который устранял бы любое влияние воздуха на скорость света для еще более точного измерения, которое в итоге оказалось лишь немного ниже принятого сегодня значения скорости света.

Майкельсон также изучал природу самого света, написал астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes, Starts With a Bang (откроется в новой вкладке). Лучшие умы физиков во время экспериментов Майкельсона разделились: был ли свет волной или частицей?

Майкельсон вместе со своим коллегой Эдвардом Морли исходил из предположения, что свет движется как волна, как и звук. И точно так же, как звуку нужны частицы для движения, рассуждали Майкельсон, Морли и другие физики того времени, свет должен иметь какую-то среду для движения. Это невидимое, необнаружимое вещество было названо «светоносным эфиром» (также известным как «эфир»).

Хотя Майкельсон и Морли построили сложный интерферометр (самую простую версию прибора, используемого сегодня в установках LIGO ), Майкельсон не смог найти доказательств существования какого-либо светоносного эфира. Он определил, что свет может путешествовать и действительно путешествует в вакууме.

«Эксперимент — и вся работа Майкельсона — были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего бы то ни было», — писал Сигал. «Сам эксперимент, возможно, был полным провалом, но то, что мы из него узнали, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!» 92. Уравнение описывает взаимосвязь между массой и энергией — небольшие количества массы (m) содержат или состоят из огромного количества энергии (E). (Вот что делает ядерные бомбы такими мощными: они преобразуют массу во взрывы энергии. ) Поскольку энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, скорость света служит коэффициентом преобразования, точно объясняющим, сколько энергии должно быть внутри материи. А поскольку скорость света — это такое огромное число, даже небольшое количество массы должно равняться огромному количеству энергии.

Чтобы точно описать вселенную, элегантное уравнение Эйнштейна требует, чтобы скорость света была неизменной константой. Эйнштейн утверждал, что свет движется через вакуум, а не через какой-либо светоносный эфир, и таким образом, что он движется с одной и той же скоростью независимо от скорости наблюдателя.

Подумайте об этом так: наблюдатели, сидящие в поезде, могут смотреть на поезд, движущийся по параллельному пути, и думать о его относительном движении как о нуле. Но наблюдатели, движущиеся почти со скоростью света, все равно будут воспринимать свет как удаляющийся от них со скоростью более 670 миллионов миль в час. (Это потому, что двигаться очень, очень быстро — один из немногих подтвержденных методов путешествие во времени — время на самом деле замедляется для тех наблюдателей, которые стареют медленнее и воспринимают меньше моментов, чем наблюдатель, движущийся медленно. )

Другими словами, Эйнштейн предположил, что скорость света не зависит от времени или места. что вы его измеряете, или как быстро вы сами двигаетесь.

Следовательно, объекты с массой никогда не могут достичь скорости света. Если бы объект когда-нибудь достиг скорости света, его масса стала бы бесконечной. И в результате энергия, необходимая для перемещения объекта, также стала бы бесконечной: это невозможно.

Это означает, что если мы основываем наше понимание физики на специальной теории относительности (что делает большинство современных физиков), скорость света является непреложным пределом скорости нашей Вселенной — максимальной скоростью, на которой может двигаться что-либо.

Что движется быстрее скорости света?

Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее. Вселенная расширяется со скоростью немногим более 42 миль (68 километров) в секунду на каждый мегапарсек расстояния от наблюдателя, писал астрофизик Пол Саттер в предыдущей статье для журнала 9. 0005 Space.com . (Мегапарсек составляет 3,26 миллиона световых лет — это очень большой путь.)

Другими словами, галактика, удаленная на 1 мегапарсек, удаляется от Млечного Пути со скоростью 42 мили в секунду (68 км/с). с), в то время как галактика, находящаяся на расстоянии двух мегапарсеков, удаляется со скоростью почти 86 миль в секунду (136 км/с) и так далее.

«В какой-то момент на каком-то непристойном расстоянии скорость зашкаливает и превышает скорость света, и все это от естественного, регулярного расширения пространства», — объяснил Саттер. «Кажется, это должно быть незаконно, не так ли?»

Специальная теория относительности обеспечивает абсолютный предел скорости во Вселенной, согласно Саттеру, но теория Эйнштейна 1915 года относительно общей теории относительности допускает другое поведение, когда физика, которую вы изучаете, больше не является «локальной».

«Галактика на дальнем конце вселенной? Это область общей теории относительности, а общая теория относительности говорит: какая разница! Эта галактика может иметь любую скорость, какую захочет, пока она остается далеко, а не рядом тебе в лицо», — написал Саттер. «Специальную теорию относительности не волнует скорость — сверхсветовая или какая-то другая — далекой галактики. И вам тоже не стоит».

Свет когда-нибудь замедляется?

Свет движется медленнее в алмазе, чем в воздухе, и он движется в воздухе немного медленнее, чем в вакууме. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Обычно считается, что свет в вакууме распространяется с абсолютной скоростью, но свет, проходящий через любой материал, может быть замедлен. Величина, на которую материал замедляет свет, называется его показателем преломления. Свет изгибается при контакте с частицами, что приводит к уменьшению скорости.

Например, свет, проходящий через атмосферу Земли, движется почти так же быстро, как свет в вакууме, замедляясь всего на три десятитысячных скорости света. Но свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое по сравнению с обычной скоростью, сообщает PBS NOVA . Тем не менее, он движется через драгоценный камень со скоростью более 277 миллионов миль в час (почти 124 000 км/с) — достаточно, чтобы изменить ситуацию, но все же невероятно быстро.

Свет может быть захвачен — и даже остановлен — внутри ультрахолодных облаков атомов, согласно исследованию 2001 года, опубликованному в журнале 9.0005 Природа (откроется в новой вкладке). Совсем недавно в исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Physical Review Letters , был предложен новый способ остановить свет на его пути в «исключительных точках» или местах, где два отдельных световых излучения пересекаются и сливаются в одно.

Исследователи также пытались замедлить свет, даже когда он движется в вакууме. Группа шотландских ученых успешно замедлила одиночный фотон или частицу света, даже когда он двигался в вакууме, как описано в их исследовании 2015 года, опубликованном в журнале 9.0005 Наука (откроется в новой вкладке). В их измерениях разница между замедленным фотоном и «обычным» фотоном составляла всего несколько миллионных долей метра, но это продемонстрировало, что свет в вакууме может быть медленнее, чем официальная скорость света.

Можем ли мы путешествовать быстрее света?

Истории по теме:

Научная фантастика любит идею «скорости деформации». Путешествия со скоростью, превышающей скорость света, делают возможными бесчисленные научно-фантастические франшизы, уплотняя бескрайние просторы космоса и позволяя персонажам с легкостью перемещаться между звездными системами и обратно.

Но хотя путешествия со скоростью, превышающей скорость света, не гарантированно невозможны, нам нужно использовать довольно экзотическую физику, чтобы заставить это работать. К счастью для энтузиастов научной фантастики и физиков-теоретиков, существует множество возможностей для изучения.

Все, что нам нужно сделать, это понять, как не двигаться самим — поскольку специальная теория относительности гарантирует, что мы будем уничтожены, прежде чем мы достигнем достаточно высокой скорости, — а вместо этого перемещать пространство вокруг нас. Легко, верно?

Одна из предложенных идей включает в себя космический корабль, который мог бы свернуть вокруг себя пространственно-временной пузырь. Звучит здорово, как в теории, так и в художественной литературе.

«Если бы капитан Кирк был вынужден двигаться со скоростью наших самых быстрых ракет, ему потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы добраться до следующей звездной системы», — сказал Сет Шостак, астроном из Поиска внеземного разума (SETI). ) Институт в Маунтин-Вью, Калифорния, в интервью 2010 года дочернему сайту Space.com LiveScience . «Поэтому научная фантастика уже давно постулировала способ преодолеть скорость светового барьера, чтобы история могла развиваться немного быстрее».

Без путешествий со скоростью, превышающей скорость света, любой «Звездный путь» (или, если на то пошло, «Звездная война») был бы невозможен. Если человечеству суждено когда-нибудь добраться до самых дальних и постоянно расширяющихся уголков нашей вселенной, физики будущего должны будут смело отправиться туда, куда еще не ступала нога человека.

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о скорости света, воспользуйтесь этим забавным инструментом из Academo (открывается в новой вкладке), который позволяет визуализировать, с какой скоростью свет может перемещаться из любого места на Земле в любое другое. Если вас больше интересуют другие важные числа, познакомьтесь с универсальными константами, которые определяют стандартные системы измерения по всему миру с помощью 9.0005 Национальный институт стандартов и технологий (открывается в новой вкладке). А если вам интересно узнать больше об истории скорости света, ознакомьтесь с книгой « Lightspeed: The Ghostly Aether and the Race to Measure the Light of Light » (Оксфорд, 2019 г.) автора Джон Ч. Х. Спенс.

Предыдущее исследование для этой статьи предоставлено сотрудником Space.com Нолой Тейлор Редд.

Библиография

Аристотель. «О чувстве и разумном». Архив интернет-классики, 350 г. н.э. http://classics.mit.edu/Aristotle/sense.2.2.html (открывается в новой вкладке).

Д’Альто, Ник. «Трубопровод, измеривший скорость света». Smithsonian Magazine, январь 2017 г. https://www.smithsonianmag.com/air-space-magazine/18_fm2017-oo-180961669/ (открывается в новой вкладке).

Фаулер, Майкл. «Скорость света.» Современная физика. Университет Вирджинии. По состоянию на 13 января 2022 г. https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/spedlite.html#Albert%20Abraham%20Michelson (откроется в новой вкладке).

Джованнини, Даниэль, Жакилин Ромеро, Вацлав Поточек, Гергели Ференци, Фиона Спейритс, Стивен М. Барнетт, Даниэле Фаччо и Майлз Дж. Пэджетт. «Пространственно структурированные фотоны, которые движутся в свободном пространстве медленнее скорости света». Science, 20 февраля 2015 г. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aaa3035 (открывается в новой вкладке).

Гольдзак, Тамар, Алексей Александрович Майлыбаев и Нимрод Моисеев. «Свет останавливается в исключительных точках». Письма о физическом обзоре 120, вып. 1 (3 января 2018 г.): 013901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.013901 (открывается в новой вкладке).

Хазен, Роберт. «Что заставляет бриллиант сверкать?» PBS NOVA, 31 января 2000 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/diamond-science/ (открывается в новой вкладке).

«Какой длины световой год?» Glenn Learning Technologies Project, 13 мая 2021 г. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/Numbers/Math/Mathematical_Thinking/how_long_is_a_light_year.htm (открывается в новой вкладке).

Новости Американского физического общества. «Июль 1849 г.: Fizeau Publishes of Speed ​​of Light Experiment», июль 2010 г. http://www.aps.org/publications/apsnews/201007/physicshistory.cfm (открывается в новой вкладке).

Лю, Чиен, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи и Лене Вестергаард Хау. «Наблюдение за хранением когерентной оптической информации в атомной среде с использованием остановленных световых импульсов». Природа 409, вып. 6819 (январь 2001 г.): 490–93. https://doi.org/10.1038/35054017 (откроется в новой вкладке).

НИСТ. «Познакомьтесь с константами». 12 октября 2018 г. https://www.nist.gov/si-redefinition/meet-constants (открывается в новой вкладке).

Уэллетт, Дженнифер. «Краткая история скорости света». PBS NOVA, 27 февраля 2015 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/brief-history-speed-light/ (откроется в новой вкладке).

Ши, Джеймс Х. «Оле Ро/Мер, скорость света, видимый период Ио, эффект Доплера и динамика Земли и Юпитера». Американский журнал физики 66, вып. 7 (1 июля 1998 г.): 561–69. https://doi.org/10.1119/1.19020 (откроется в новой вкладке).

Сигел, Итан. «Неудачный эксперимент, изменивший мир». Forbes, 21 апреля 2017 г. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/21/the-failed-experiment-that-changed-the-world/ (открывается в новой вкладке).

Стерн, Дэвид. «Рёмер и скорость света», 17 октября 2016 г. https://pwg.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun4Adop1.htm (открывается в новой вкладке).

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.