Свет распространяется с постоянной скоростью относительно


Не нужно совсем уж всё валить на Эйнштейна 🙂 Он это постулировал не от хорошей жизни. Классическая механика отлично работала и отлично стыковалась с преобразованиями Галилея, описывающими переход от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой. Классическая электродинамика тоже отлично работала, но с преобразованиями Галилея не дружила совсем. В самой идее относительности особых причин сомневаться не было (против природы переть трудно) , поэтому решили разобраться с формулировками.

Первым это сделал, как ни странно, Лоренц, именем которого и назвали впоследствии новые преобразования. Научная братия потом еще немало трудилась, получив, в частности, что уравнения Максвелла (одним из решений которых являются электромагнитные волны, сиречь свет) хорошо согласуются с этими преобразованиями.

А в 1905 году возникла вилка. Эйнштейн сформулировал новый принцип относительности, постулировав постоянство скорости света. Пуанкаре же погрустил над преобразованиями Лоренца и додумался, что они могут быть получены из требования, налагаемого т.


групповым свойством. Проще говоря: если мы из нашей неподвижной ИСО перейдем ко второй, движущейся со скоростью V2, а из нее потом — в третью, движущуюся относительно второй со скоростью V23, то этот же переход можно проделать сразу — из первой (неподвижной) в третью, движущуюся относительно неподвижной со скоростью V3. Тривиально? Не совсем. В уравнениях, описывающих эти преобразования, возникал НЕ ЗАВИСЯЩИЙ от системы отсчета параметр «с», совпадающий по размерности со скоростью. Если он был равен бесконечности, то получались преобразования Галилея, для которых описанный переход (V2->V23)=V3 действительно тривиален. Если же «с» конечно, то получались преобразования Лоренца, которые (см. выше) увязывались с электродинамикой.
Из новой механики получалось, что эту «с» перегнать нельзя, как ни пыжься (если только ты мнимой массой не обладаешь, аки тахион) .

А дальше связь Пуанкаре с этими идеями широкой общественностью подзабылась — вот и говорят на каждом углу, что постоянство скорости света постулировал Эйнштейн. Между тем, интерпретация Пуанкаре заслуживает, по крайней мере, не меньшего внимания хотя бы потому, что постоянство «с» в ней не постулируется, а, грубо говоря, логически выводится из свойств пространства-времени. Взамен, правда, постулируется требование того, что преобразования должны образовывать группу (притом достаточно простую по структуре) . Вы скажете, что один постулат заменен на другой? Да. Но в этом постулате ясно видна роль геометрии нашего доступного пространства-времени. Кроме того: против природы, как, думаю, все здесь согласятся, не попрешь. А теория работает, зараза. И геометрические идеи в современной физике оказываются удивительно плодотворными: теорема Нётер, КЭД, КХД.. . Тысячи их, как сказали бы на лурке. И ведь работают, заразы.


PS А для распространения электромагнитных волн (света) среда вовсе не обязательна. Волнам и наедине с собой (в вакууме) неплохо. Как они взаимодействует с физическим вакуумом — читайте книги по КЭД.

Источник: otvet.mail.ru

Онлайн библиотека PLAM.RU
  • Главная
  • Контакты
  • Нашёл ошибку
  • Прислать материал
  • Добавить в избранное


«На первый взгляд принцип постоянства скорости света противоречит «здравому смыслу». Поэтому желательно, прежде чем мы начнем выводить следствия из теории относительности, указать непосредственные опытные доказательства его справедливости».

(А. И. Китайгородский. Введение в физику. — М., 1959.)

В современном мире самым доступным и в то же время, пожалуй, наименее изученным объектом физических исследований является свет. Тем более, что в ХХ столетии он оказался в центре весьма драматических событий — рождения и развития физических и философских концепций, связанных с теорией относительности [1].

В 1905 году А. Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел» с изложением теории, в дальнейшем получившей название специальной теории относительности (СТО). В статье сформулировано основополагающее для этой теории, но краткое, поэтому неопределенное положение: «…свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью v, не зависящей от движения излучающего тела» [2, с. 8, т.1]. Впоследствии оно было дополнено, расшифровано, стало именоваться постулатом постоянства скорости света, и приобрело особое значение не только в физике, но и в науке в целом.

Современное символическое обозначение постулата — с = const, а полная формулировка — «скорость света в вакууме не зависит от скорости источника, во всех инерциальных системах одинакова и равна с = 3·108 м/с, т. е. скорость света не зависит ни от движения источника, ни от движения наблюдателя (приемника)» [3, с. 305].


Анализируя постулат постоянства скорости света, находим, что в нем содержится два основных утверждения: первое — скорость света обладает определенной величиной, которая всегда одна и та же; второе — скорость света не подчиняется классическому закону сложения скоростей.

Первое свойство постулата не содержит в себе ничего необычного, тогда как второе требует особого пояснения.

Скорость — мера движения объектов материального мира, величина относительная. В зависимости от системы отсчета или тела отсчета, тела, относительно которого проводится измерение, скорость одного и того же объекта будет различной. Например, в одно и то же время пассажир, сидя в кресле движущегося поезда, имеет нулевую скорость относительно вагона и перемещается со скоростью поезда относительно Земли. Без указания системы или тела отсчета, по отношению к которым происходит движение, определение скорости теряет смысл.

Постоянной называется скорость, при которой тело равные отрезки пути проходит за равные интервалы времени. Равноценно определение скорости протяженного тела, движущегося мимо наблюдателя. Так, в равномерно движущемся мимо станции поезде, состоящем из одинаковых вагонов, каждый вагон проходит мимо наблюдателя за равные интервалы времени.


если второй наблюдатель в это время будет двигаться по перрону, то скорость вагонов относительно него будет иной, чем в первом случае. Это есть проявление классического закона сложения скоростей, согласно которому одно и то же тело (вагон) в зависимости от тела отсчета (в первом случае станция с неподвижным наблюдателем, во втором — наблюдатель движется относительно станции) движется с разными скоростями. Закон сложения скоростей распространяется и на другие явления природы. Скорость звуковых волн примерно 330 м/сек относительно воздуха, но относительно движущегося в воздухе приемника скорость звука уже иная. Результирующая скорость при сложении скоростей находится по правилу векторного сложения.

Для света же сделано исключение. В постулате, сформулированном А. Эйнштейном в более поздней работе, сказано, что «…один и тот же световой луч распространяется в пустоте со скоростью «с» не только в системе отсчета К, но и в каждой другой системе отсчета К’, движущейся равномерно и прямолинейно относительно К» [2, с. 387].

В этом утверждении определена скорость света сама по себе безотносительно к чему-либо. Вопреки научной методологии в физику внесено не имеющее смысла положение, которое является основой специальной и общей теорий относительности. Именно основой, так как без него все подобные теории, в том числе и такие, как, например, новая релятивистская теория гравитации акад. А. А. Логунова [4], сразу же превращаются в прах.

Абсурдность постулата с = const состоит в том, что его содержание противоречит действительности. Скорость света, как скорость любого объекта природы является величиной производной, она вычисляется отношением измеренных величин длины и времени. Здесь же скорость света поставлена в ряд основных физических величин, в результате из ряда исключаются длина и время, они переводятся в производные, зависимые величины.


Любая научная теория имеет право на существование в случае, если она позволяет глубже понять природу явлений, соотнести наше понимание с реальностью. Может ли теория, имеющая в своей основе противоречащее реальности положение, претендовать на научную теорию?

А то, что постулат с = const не имеет в реальном мире основы, становится ясным, если сравнить результаты измерения скорости света при взаимно неподвижных источнике и приемнике с результатами, когда, например, приемник движется относительно источника.3


Примечания:

3

С учетом общепринятой терминологии в тексте использованы выражения: «измерение скорости» либо «определение скорости». В то время как скорость нельзя ни измерить, ни определить, её можно только вычислить, измеряя для этого пройденный путь и интервал времени, — прим. авт.

Источник: www.plam.ru

Недавно один из читателей прислал мне следующий вопрос:

Здравствуйте! Одним из постулатов, на которых основывается теория относительности является утверждение о том, что скорость света не зависит от системы отсчёта. Но ведь по сути это ни на чем не основанная догадка Эйнштейна. С чего он вообще это взял?


Что же, давайте разберёмся в этом вместе. У многих людей, в особенности у людей, которые физику последний раз учили лет двадцать назад в школе может сложиться впечатление, что Эйнштейн основные постулаты теории относительности взял с потолка.

Постулат о равноправии всех инерциальных систем отсчёта мало у кого вызывает сомнения — все же он довольно интуитивен. А вот постулату об инвариантности скорости света повезло меньше. Судя по тем вопросам, что я получаю многие считают его просто прихотью Эйнштейна.

Альберт Эйнштейн. Источник: wikipedia.org

На самом деле это совсем не так. Предпосылки для появления гипотезы о том, что скорость света не зависит от системы отсчёта появились еще в середине 19-го века лет за 20 до рождения Эйнштейна. Произошло это когда британский физик Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свои знаменитые уравнения, описывающие электромагнитное поле.


Уравнения Максвелла в дифференциальной форме

При решении уравнений Максвелла внезапно оказалось, что скорость света совершенно не зависит от системы отсчёта.

Скорость света выраженная путём решения уравнений Максвелла

Возникло противоречие c первым законом Ньютона, а также с галилеевым принципом относительности.


дь до этого считалось, что к примеру если человек стоит на пероне, а мимо едет поезд с постоянной скоростью, то можно в качестве системы отсчёта использовать как человека, и тогда он находится в состоянии покоя, а поезд движется, так и поезд, и тогда в этой системе отсчёта, а человек движется относительно поезда, т.е. любая скорость была относительна какой-то системе отсчёта. А из уравнений Максвелла следовало, что скорость света постоянна независимо от системы отсчёта.

В результате возникли попытки разрешить это противоречие с помощью теории эфира. Предполагалось, что свет и электромагнитные колебания распространяются в особой среде называемой эфиром. По мнению многих физиков уравнения Максвелла должны были быть модифицированы для наблюдателей движущихся относительно эфира.

По мнению сторонников теории эфира при движении Земли сквозь эфир скорость света должна была отличаться в зависимости от направления движения Земли

Последовали многочисленные эксперименты, целью которых было обнаружение движения Земли относительно эфира. Наибольшую известность получили эксперименты Майкельсона и Морли, хотя они не были единственными. Несмотря на то, что сложность и точность экспериментов постоянно увеличивалась обнаружить движение Земли сквозь эфир не удалось. Скорость света действительно оказалась одинаковой во всех направлениях.


На этом теория эфира и закончилась бы, но её последователи не сдавались. Физики пришли к предположению, что для тел движущихся сквозь эфир время замедляется таким образом, что скорость света всегда видится одинаковой и они получили… формулы релятивистского замедления времени, сокращения длины, а также преобразования координат (преобразования Лоренца).

Схема интерферометра использовавшегося в экспериментах Майкельсона-Морли. Источник: elementy.ru

Однако вернёмся к Эйнштейну. Он подумал «Бог с ним, с эфиром. Что если скорость света действительно одинакова для всех наблюдателей и не зависит от системы отсчёта?». Из этого простого предположения с помощью смелых рассуждений и железной логики он и вывел теорию относительности.

Но нет, это предположение возникло не на пустом месте. Почти 50 лет после публикации уравнений Максвелла оно лежало у всех на виду. Просто, никто не отваживался поставить под сомнение авторитет Ньютона. Пока наконец этого не сделал Альберт Эйнштейн.

Ставьте палец вверх чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!

Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где я отвечаю на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!

Источник: zen.yandex.ru

Что такое скорость света?

Давайте для начала разберемся, что такое скорость света. По-научному, это такая величина, которая показывает, насколько быстро перемещаются лучи в вакууме или в воздухе. Также нужно знать, что такое свет. Это излучение, которое воспринимается человеческим глазом. От условий окружения зависит быстрота, а также другие свойства, например, преломление.

Свет от Луны до Земли
Свет от Луны до Земли

Что такое скорость света своими словами?

Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой).

Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.

Чему равна скорость света?

При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.

Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.

Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.

Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.

Телескоп рефрактор - схема
Телескоп рефрактор – схема

В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.

Самое точное значение скорости света

Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.

Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.

Чему равна скорость света в вакууме?

Поскольку в вакууме на свет не влияют различные условия, то его скорость не меняется так, как на Земле. Скорость света в вакууме равна 299 792 километрам в секунду. Такой показатель является предельным. Считается, что ничто в мире не может двигаться быстрее, даже космические тела, которые движутся довольно быстро.

К примеру, истребитель, Боинг Х-43, который превышает скорость звука практически в 10 раз (более 11 тысяч км/ч), летит медленнее, чем луч. Последний движется более, чем на 96 тысяч километров в час быстрее.

Как измеряли скорость света?

Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.

Измерение скорости света
Измерение скорости света

Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.

Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.

Через некоторое время большинство ученых заинтересовались этой величиной. В исследованиях принимали участие люди науки из разных стран. Однако до 70-х годов 20 века каких либо грандиозных открытий не было. С 1970-х, когда придумали лазеры и мазеры (квантовые генераторы), ученые провели исследования и получили точную скорость. Текущее значение актуально с 1983 года. Исправляли лишь небольшие погрешности.

Опыт Галилея

Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.

Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.

Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Как измеряли скорость света?
Как измеряли скорость света?

Опыт Рёмера и Брэдли

Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.

Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.

Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.

В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.

Опыт Физо

Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.

Опыт Физо
Опыт Физо

Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.

Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.

Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.

Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.

Поделиться:

Источник: kipmu.ru

Уравнение Ньютона гласит:

( displaystyle F=ma)

Сила равна массе, умноженной на ускорение. Ускорение это вторая производная от координаты по времени, поэтому данное уравнение на самом деле дифференциальное:

( displaystyle mfrac{d^{2}x(t)}{dt^{2}}=F)

Оно позволяет узнать поведение механической системы и в отсутствии сил, при F=0. Для этого достаточно решить дифференциальное уравнение:

( displaystyle frac{d^{2}x(t)}{dt^{2}}=0)

Его решение, траектория движения x(t), выглядит как:

( displaystyle x(t)=x_{0}+v_{0}t)

Это уравнение прямой линии. Начальная координата ( displaystyle x_{0}) и начальная скорость ( displaystyle v_{0}) являются начальными условиями. Они произвольны и никак не влияют на поведение системы как целого. Их нельзя определить экспериментально. Скорость  ( displaystyle v_{0}) можно принять равной нулю и считать систему покоящейся. А можно и не принимать и считать движущийся по прямой с постоянной скоростью. Эти две ситуации неотличимы.

Никакими механическими опытами нельзя определить движется система или покоится. 

Это и есть принцип относительности Галилея (relativity — относительность). Земля движется вокруг Солнца, оно в свою очередь вокруг центра Млечного Пути, галактика тоже куда-то движется. Мы этого не замечаем и не глядя на движения звезд на небесной сфере не можем определить эти скорости. А глядя можем определить только относительные скорости.

В конце девятнадцатого века предпринимались попытки измерить эту абсолютную скорость движения Земли с помощью оптических опытов.

rocket

Если кратковременно зажечь лампочку посередине быстро движущейся ракеты, то импульс света немного быстрее достигнет ее задней части и чуть позднее носовой. В одном случае ракета движется навстречу лучу, а в другом в ту же сторону. У находящихся в ракете измеренная скорость распространения света должна оказаться разной для этих двух направлений. Такая была логика. И ее попытались использовать для измерения абсолютной скорости движения Земли, найдя скорость распространения света в двух перпендикулярных направлениях.

Результат оказался отрицательным. Свет во все стороны распространяется с одинаковой скоростью вне зависимости движется система или покоится. Принцип относительности Эйнштейна это небольшое обобщение принципа относительности Галилея:

Никакими опытами нельзя определить движется система или покоится. 

В том числе и оптическими. Постоянство скорости света является следствием принципа относительности. В противном случае мы могли бы использовать свет для определения своей абсолютной скорости.

Но если допустить постоянство скорости света для всех наблюдателей, то получается человек на Земле увидит, что луч света быстрее достигает конца ракеты, а люди в ракете увидят, что носовая и задняя часть освещаются одновременно. Как такое возможно? Скорость это расстояние деленное на время. Если не меняется скорость, то что-то происходит с расстояниями и временем. Даже из приведенного мысленного эксперимента ясно, что понятие «одновременно» на самом деле относительно!

Для фанатов абсолютной скорости добавлю, что возможно измерить движение Земли относительно реликтового излучения. Ее условно можно считать абсолютной скоростью движения Земли во Вселенной (390 км/с).

Источник: LightCone.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.