Что такое скорость света, физические свойства

Чему равна скорость света, формулы, описание  

Оле Ремер и скорость света

Первая профессиональная попытка измерить скорость света была предпринята в 1676 году датским астрономом Оле Ремером. Он делал точные измерения затмения Луны и спутника Ио, когда она вращалась вокруг Юпитера, пытаясь определить точный момент, когда Ио соскользнул в тень Юпитера. Это было очень полезное приложение для моряков, которым нужно было определить свое местоположение на земном шаре.

Ремер знал, что Ио требуется 42,5 часа, чтобы вращаться вокруг Юпитера. Исходя из этого, он мог рассчитать момент, в который должно произойти затмение для каждой орбиты. Однако он обнаружил, что его расчет и измерение не согласуются.

Кроме того, разногласия менялись с течением времени и зависели от того, где Юпитер находился на своей орбите по сравнению с тем, где Земля находилась на его орбите. Эти две локации постоянно менялись, что, следовательно, меняло расстояние между Юпитером и Землей.

Невероятное достижение

Используя точные измерения и много размышлений, Ремер понял, что он мог бы объяснить свои наблюдения, если бы свет имел быструю, но конечную скорость. Он даже подсчитал, что свету потребуется 22 минуты, чтобы пройти с одной стороны орбиты Земли на другую, и из этого он подсчитал, что скорость света составляет 220 000 километров в секунду, что примерно на 26% ниже фактической скорости. Но, тем не менее, это было невероятное достижение для человека, работавшего более трех веков назад.

Сегодня все по-другому. У нас есть технологии на нашей стороне. Существует не один, а множество способов измерения скорости света. Конечно, мы также можем повторить измерение Ремера сегодня и получить более точные результаты, но теперь мы можем сделать различные измерения, которые более непосредственно измеряют скорость света.

Например, мы можем установить два детектора света на расстоянии 1000 метров друг от друга, а затем стрелять импульсным лазером от одного к другому и измерить, что свету потребовалась миллионная доля секунды, чтобы преодолеть расстояние. Или мы могли бы использовать один детектор света и отдаленное зеркало, чтобы сделать то же самое. Миллионная доля секунды звучит очень быстро, но даже недорогой современный осциллограф может легко измерить продолжительность времени в 1000 раз короче.

Одинакова ли скорость света для всех?

Согласно теории относительности, существует два основных принципа. Во-первых, все наблюдатели, независимо от их скорости по сравнению с другими людьми, имеют равное право утверждать, что они являются единственным, неподвижным, центром Вселенной. Это не так уж и ново и необычно. Мы приняли это со времен Галилея.

Второй гораздо менее очевиден и заключается в том, что скорость света одинакова для всех. Это менее «очевидно», потому что, предположим, человек сидит в машине с кошкой на коленях. Можно обоснованно сказать, что кошка не двигается. С другой стороны, кто-то, сидя неподвижно, наблюдая за пролетающей машиной, скажет, что кошка движется со скоростью около 60 миль в час. Таким образом, кажется, что скорости всегда зависят от системы отсчета, в которой они измеряются.

Но это не верно для света, и мы знаем, что это правда. Проще точно указать скорость света в метрической системе, где она составляет ровно 299 792 458 метров в секунду. Этот уровень точности важен для ученых. Однако вместо самого измерения было бы интереснее сначала получить представление о том, как именно мы измеряем эту скорость света.

Интересные факты

• Ничто во Вселенной не может двигаться быстрее скорости света.
• Чтобы добраться от поверхности Солнца до поверхности Земли, свету необходимо всего 8 минут 17 секунд. 
• От поверхности Земли до Луны свет домчится за 1,3 секунды.
• Для достижения ближайшей к Земле звезды, не до Солнца - свету понадобится примерно четыре с половиной года.
• Для путешествия по видимой нами Вселенной, потребуется около 100 миллиардов лет.

В то время как скорость некоторой частицы - это величина, основанная на довольно простой и однозначной концепции, скорость света (как и других волновых явлений) является гораздо более сложным вопросом. Существуют разные виды скоростей, которые отличаются концептуально и могут (особенно для распространения света в средах) иметь существенно разные значения.

Фазовая скорость света

Фазовая скорость света - это скорость, с которой фазоваве фронты фронты распространяются в среде. Это связано с волновым числом k и (угловой) оптической частотой ω:

В вакууме фазовая скорость равна c = 299 792 458 м / с, не зависит от оптической частоты и равна групповой скорости. В среде фазовая скорость обычно меньше на коэффициент n, называемый показателем преломленифя, который зависит от частоты (→ хроматическая дисперсия). В видимой области спектра типичные прозрачные кристаллы и оптические стекла и имеют показатели преломления от 1,4 до 2,8. Полупроводники обычно имеют более высокие значения.

В рентгеновской области показатели преломления немного ниже 1, что соответствует фазовым скоростям, немного превышающим скорость света в вакууме. Подобные эффекты могут быть вызваны, например, оптическими резонансами атомов в видимой области спектра. Однако это не позволяет осуществлять сверхсветовую передачу информации или нарушать причинно-следственную связь.

Есть даже случаи, когда фазовая скорость направлена противоположно направлению потока энергии. Такие явления происходят в средах с отрицательным индексом, которые могут быть реализованы как фотонные материалы.

Фазовая скорость обычно рассматривается для плоских волн, где волновые фронты просто движутся в направлении, перпендикулярном их ориентации. Интересно посмотреть на волновые фронты сфокусированных лазерных лучей. Из-за сдвига фазы Гуи они движутся немного быстрее вблизи фокуса.

Термин "скорость волны" является расплывчатым; он может относиться к фазовой скорости или групповой скорости или, возможно, означать что-то еще.

Волновые фронты

Волновые фронты - это поверхности, соединяющие точки с одинаковой фазой монохроматической волны. Например, можно выбрать все те точки, в которых достигается максимум колеблющейся величины в цикле колебаний (например, максимальное давление воздуха для звуковой волны или максимальная положительная напряженность электрического поля для оптической волны). Однако также может быть выбрано любое другое значение фазы.

Математически самым простым примером является плоская волна, где волновые фронты являются плоскостями. В качестве физически более реалистичного примера, который также является довольно распространенным случаем в оптике, мы можем взять гауссов пучок. 

Эти волновые фронты действительны только в течение определенного момента времени; они распространяются с фазовой скоростью. Для света, распространяющегося в вакууме или воздухе, фазовая скорость составляет чуть меньше 300 000 км / с. В среде эта скорость в большинстве случаев ниже, в некоторых случаях выше (сверхсветовое пропускание), и она может отклоняться от групповой скорости, которая является скоростью движущихся волновых пакетов.

В нашем простом примере волновые фронты точно плоские в талии луча (в середине диаграммы). Это не относится к световым лучам с неидеальным качеством луча.

В отличие от амплитудного изображения, волновые фронты не содержат никакой информации об амплитудах волн, а только о фазовой структуре. На практике часто перестают рисовать их во внешних областях луча, где оптическая интенсивность становится очень слабой или где они больше не представляют интереса.

Как правило, расстояние между последующими волновыми фронтами принимается за длину волны. Однако, это справедливо только для плоских волн, а не, например, для гауссовых лучей.

Групповая скорость света

Групповая скорость света в среде определяется как величина, обратная производной волнового числа по угловой оптической частоте:

где n(ω) - показатель преломления_{, а ng} называется групповым индексом. Волновое число k можно рассматривать как изменение спектральной фазы на единицу длины.

Групповая скорость - это скорость, с которой огибающая импульса распространяется в среде, предполагая не слишком короткий импульс с узкой полосой пропускания (так что хроматическая дисперсия более высокого порядка не имеет значения) и отсутствие нелинейных эффектов (т. е. достаточно низкие оптические интенсивности). Что касается пространственной формы, предполагаются плоские волны.

Уравнение показывает, что групповая скорость имеет то же значение, что и фазовая скорость, если производная показателя преломления по частоте (или длине волны) равна нулю, что имеет место, например, в вакууме, но обычно не в оптических средах.

Из-за хроматической дисперсии групповая скорость в среде, как правило, отличается от фазовой скорости (обычно меньше последней) и зависит от частоты; этот эффект называется дисперсией групповой скорости. Разница между групповой скоростью и фазовой скоростью также изменяет смещение огибающей несущей импульса.

По аналогии с показателем преломления, групповой показатель можно определить как отношение групповой скорости в вакууме к групповой скорости в среде.

При определенных обстоятельствах групповая скорость может быть выше, чем скорость света в вакууме. Однако это не позволяет осуществлять сверхсветовую передачу информации, что было бы равносильно нарушению причинно-следственной связи. Существуют также случаи с сильно уменьшенной дисперсией групповой скорости (обычно вблизи некоторого узкого резонанса или "медленный свет").

Групповая скорость в волноводе

Для света, распространяющегося в волноволе, таком как оптическое волокно, групповую скорость можно рассчитать, заменив число k на β (мнимую часть постоянной распространения (или заменив показатель преломления n эффективным показателем преломления) в приведенном выше уравнении. Отклонение этого результата от групповой скорости в однородной среде можно интерпретировать как влияние дисперсии волновода.

Групповая скорость при нелинейном распространении

В литературе определенная групповая скорость иногда присваивается даже широкополосному импульсу сложной формы или солитоеерму импульсу, где оптическая нелинейность оказывает важное влияние. Однако такое использование термина групповая задержка вызывает сомнения, поскольку оно эффективно переопределяет термин, придавая ему другое значение, и, следовательно, может вводить в заблуждение. Обратите внимание, что некоторые часто используемые соотношения, включающие групповую скорость, недействительны в нелинейном режиме.

Дальнейшие осложнения могут возникнуть из-за распространения света в неоднородных средах, особенно в волноводах.

В вакууме фазовая и групповая скорости (определенные для плоских волн) идентичны при c = 299 792 458 м/с. В Международной системе едениц (СИ) скорость света в вакууме была определена так, чтобы она точно соответствовала этому значению. Вместе с определением второго (через сверхтонкий переход атомов цезия) это определяет длину метра.

В некоторых ситуациях, часто связанных с резонансами поглощения или усиления, фазовая скорость или даже групповая скорость света могут превышать скорость света в вакууме (сверхсветовое пропускание, “быстрый свет”), хотя это не связано с нарушением причинности. Существуют и другие ситуации, когда групповая скорость света, по крайней мере, в узкой области спектра, уменьшается (медленный свет). Для узкополосных резонансов можно наблюдать огромное снижение скорости, как это происходит, например, в ультрахолодных газах.

Возможно, наиболее специфическим эффектом является возникновение отрицательных групповых скоростей в ситуациях с сильно отрицательным dn / d ω.

"Быстрый свет"

При определенных обстоятельствах свет может распространяться с фазовой или групповой скоростью, превышающей скорость света в вакууме. На первый взгляд, это может указывать на возможность сверхсветовой передачи информации – в поразительном противоречии с теорией относительности Эйнштейна, которая показывает, что сверхсветовая передача была бы связана с нарушением причинности, одного из самых фундаментальных принципов физики. 

Однако тщательный анализ общепринятых физических теорий (в частности, теории электромагнетизма Максвелла, теории относительности Эйнштейна и квантовой электродинамики) показывает, что они определенно не допускают каких- либо непричинных эффектовх. 

Любая попытка продемонстрировать такие эффекты на основе этих теорий должна потерпеть неудачу по логическим причинам и, таким образом, основана на фундаментальных заблуждениях, хотя недостаток не всегда может быть легко выявить.

Скорость света в теории относительности

Скорость света в вакууме играет очень важную роль в фундаментальной физике. Одним из краеугольных камней теории относительности Эйнштейна является то, что скорость света в вакууме постоянна, то есть одинакова во всех инерциальных системах и никогда не зависит от направления распространения. Другими словами, не существует такой вещи, как световой эфир, определяющий единую систему, в которой свет имеет свою “стандартную” скорость. Это, казалось бы, невинное предположение привело Эйнштейна к очень далеко идущим выводам о природе пространства и времени. Примерами являются экспериментально подтвержденные явления замедления времени, сокращения длины движущихся объектов и невозможности для любых массивных объектов достичь или превысить скорость света в вакууме.

Центральная роль света в этой теории указывает на то, что электромагнетизм тесно связан с природой пространства-времени, хотя эта связь до сих пор не совсем понятна.