Быстрее чем свет

Eberhard / Pexels

Без света на нашей планете не было бы жизни. Об этом знают все. В кромешной тьме человек дезориентируется. Без света наше зрение становится бесполезным. Мир, погруженный во мрак на длительное время, начнет медленно погибать.

От главного источника света — Солнца нас отделяют 0,00001581 световых лет. Световой год — единица измерения расстояния. Приравнивается ко времени, которое потребуется свету для его преодоления. Со скоростью света нас всех впервые знакомят в старших классах школы, хотя ее и рассматривают бегло. Оказывается, что история открытия этой единицы измерения не менее интересна, чем она сама.

Если вам посчастливится посетить Парижскую обсерваторию, которая находится на левом берегу Сены, то вы увидите на ее стене табличку, сообщающую, что скорость света впервые была измерена в 1676 году. Самым удивительным во всей этой истории стало то, что данное открытие произошло по чистой случайности, что нередко происходило в научном мире. Никто не планировал измерять скорость света, не задавался такой целью. Просто один наблюдательный датчанин заметил в небе некое несоответствие, а пытливый ум подтолкнул его к поискам причины.

От Галилея до Ремера

Чтобы моряки могли ориентировать в море, им нужно определять географические координаты судна. Если капитан знает, где они находятся, то он может придерживаться выбранного курса или строить новые маршруты от исходной точки. Широту можно легко определить по высоте Полярной звезды над горизонтом. Она была одним из древнейших ориентиров. А вот с географической долготой ситуация намного сложнее.

Чтобы определить ее значение, нужно знать разницу между местным временем и временем на нулевом меридиане. Первое значение можно найти, если ориентироваться на высоту Солнца над горизонтом. В ночное время вместо земного светила используют, к примеру, звезду Сириус. Долготу можно вычислить по разности времен суток в Гринвичской обсерватории и в месте, в которым вы находитесь на данный момент. Получается, что проблема сводится к точному определению этой разницы во времени.

В то время точных часов еще не существовало. Хронометр появится только в 1730 году, а маятниковые часы, которые изобрел Гюйгенс, не подходили, так как их невозможно было использовать во время качки на корабле. Время нулевого меридиана можно было установить правильно только в том случае, если моряки обращали свои взоры к небесам. Они годами ориентировались на лунные затмения, но и этот метод был не очень практичным. Из-за рефракции земной атмосферы, тень нашей планеты на Луне была довольно размытой, что снижало точность наблюдений.

В 1610 году Галилей обнаружил спутники Юпитера. Спустя два года он предложил универсальный принцип определения долготы по их затмениям (захождению спутника в солнечную тень планеты). Ученый назвал свой метод «небесными часами». По мнению Галилея, самым удобным для наблюдения стала небольшой Ио, который находится ближе всего к газовому гиганту. Теория у великого астронома получилась замечательная, а на практике эта методика оказалась не очень удобной в использовании.

Определить долготу, если вы находитесь на земле, достаточно просто, но под ногами у морских волков палуба, которая качается на волнах и не может обеспечить устойчивое положение. Чтобы определить долготу по принципу Галилея, необходимо использование довольно мощного телескопа. Во время качки изображение планеты и ее спутников «мечется» из стороны в сторону, что создает большие сложности в определении долготы, для которой нужна точность.

Эта проблема требовала эффективного решения, поэтому в 1712 году британский парламент пошел на беспрецедентные меры. Они объявили публике, что выплатят огромное по тем меркам вознаграждение тому, кто найдет простой и действенный способ определения долготы. Конечно, многие ученые и обычные энтузиасты сразу же бросились на поиски нового метода.

Принцип Галилея долгое время оставался единственным не только для моряков, но и для сухопутных экспедиций по открытию новых земель вплоть до 1730 года, когда наконец был изобретен морской хронометр. Потребовалось еще пять лет на то, чтобы довести этот агрегат до ума. Между открытиями Галилея и изобретением хронометра произошло одно важное событие, которое заставило человека иначе взглянуть на свет.

Qualcomm Snapdragon / Pexels

История наблюдательного датчанина

Датчанин Оле Ремер трудился помощником у итальянского астронома Джованни Доменико Кассини (да, да именно в его честь был назван космический аппарат в известной программе Кассини-Гюйгенс). Он пытался найти объяснения некоторым расхождениям в затмениях тех самых спутников Юпитера. Ученые обнаружил одно интересное явление во время своих наблюдений. Оказалось, что в зависимости от положения Земли на орбите, моменты затмений сдвигаются во времени.

Когда наша планета находилась ближе всего газовому гиганту, моменты затмений наступали раньше средних значений, а когда Земля во время своего движения отдалялась от Юпитера, они опаздывали.

Ремер и Кассини обсуждали возможность того, что свет имеет конечную скорость, хотя ранее предполагалось, что он движется мгновенно. Однако у этих колебаний была какая-то причина и ее нужно было найти, а это казалось единственным разумным объяснением. В конце концов, после проведения некоторых расчетов Ремер пришел к выводу, что скорость движения света равна 230 000 км/с.

Сам Кассини не поддерживал эту идею. Он утверждал, что, если у скорости света был предел и ей действительно требовалось время на то, чтобы преодолеть расстояние от солнца до Юпитера, то такая же задержка должна быть заметна в измерениях затмений других его спутников. Однако на практике этого не происходило.

Кассини затеял спор с Ремером, конец которому был положен только в 1728 году, когда английский астроном Джеймс Брэдли нашел альтернативный способ измерения. Как подтвердили многие последующие эксперименты, значение, которое было получено во время первых наблюдений Ремера, было не совсем точным. Цифра у датчанина получилась приблизительная, но не стоит забывать в какое время ученый делали свои вычисления. В то время у него не было возможности провести более точные измерения, он всего лишь разрабатывал сырую теорию.

Результат Ремера оказался на 23,3% ниже современного значения (c ≈ 300 000 км/с), но своим открытием он совершил огромный прорыв в науке, так как никто до него еще не предполагал, что свет имеет конечную скорость.

Dave Hoefler / Unsplash

Природа света

Почему именно эта скорость, а не что-то еще? Другими словами, откуда берется скорость света? В XIX веке было проведено несколько удачных научных экспериментов, которые привели к открытию ряда новых явлений. Сначала Ганс Эрстед открыл порождения магнитной индукции электрическим током, а немногим позже Майкл Фарадей обнаружил обратный эффект, который назвали электромагнитной индукцией. Эти открытия создали предпосылки для экспериментов Максвелла, который более 150 лет назад создал теорию электромагнитного поля.

Шотландский физик доказал, что электрические и магнитные поля могут порождать друг друга, меняясь во времени, а результатом их взаимодействия становятся электромагнитные волны. Максвелл вычислил их скорость и обнаружил, что она точно соответствует скорости света. Это привело его к интересному предположению. Оказалось, что свет тоже был электромагнитной волной, что вскоре было окончательно подтверждено другими учеными.

Следующий прорыв произошел в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн провел ряд экспериментов и доказал, что скорость движения световых волн в вакууме не зависит ни от системы отсчета наблюдателя, ни от их источника. В своей работе знаменитый физик использовал результаты экспериментов Максвелла. Он показал, что ничто не может двигаться быстрее, чем свет в вакууме.

Итак, благодаря Максвеллу и Эйнштейну мы знаем, что скорость света удивительным образом связана с рядом других, на первый взгляд совершенно разных явлений.

Но ни одна из теорий полностью не объясняет, что определяет эту скорость. Согласно новым исследованиям, ее секрет может быть обнаружен в природе пустого пространства. До появления квантовой теории скорость света в вакууме оставалась максимально достижимой скоростью распространения сигналов, но сегодня ученые полагают, что существует и нечто более быстрое.

Casey Horner / Unsplash

Сверхсветовая скорость

Как вы думаете, почему до сих пор никто так и не создал машину времени? Люди столетиями бились над этим изобретением, но ни у одного исследователя, экспериментатора или обычного энтузиаста так и не получилось изобрести агрегат, который мог бы перемещать человека в прошлое или настоящее.

Сколько фантастических сюжетов основано на этой теории. Почему мы вообще не можем на пару минуток заглянуть во вчера или перешагнуть несколько часов и оказаться в завтра? Перемещения во времени напрямую связаны со сверхсветовой скоростью. Однако Эйнштейн же доказал, что скорость движения света в вакууме является абсолютным максимумом.

Даже в прошлом веке исследователи полагали, что, если движение объектов не связано с переносом информации, то они могут иметь скорость, которая превышает 300 000 км/с. Это никоим образом не опровергает постулаты специальной теории Эйнштейна.

Явления, когда нечто движется быстрее, чем свет, существовали всегда. Чтобы наблюдать их, не нужно посещать лаборатории. Пожалуй, самым ярким примером стал солнечный зайчик. Это явление хотя бы раз в жизни видел каждый. Вы можете взять в руки зеркальце в погожий денек и пустить световое пятно в пляс по комнате. Солнечный зайчик передвигается со сверхсветовой скоростью, но во время его перемещения по вашим стенам энергия и информация передаются в направлении, которое не совпадает с направлением движения самого светового пятна. На подобные случаи, специальная теория относительности не распространяется.

Здесь мы можем наблюдать подтверждение правила о том, что объекты, которые переносят информацию, могут двигаться с такой скоростью, что даже сам свет за ними поспевать не сможет. Значит сверхсветовая скорость все же существует, но как же быть с путешествиями во времени?

Если бы физические частицы во время движения превысили скорость света, то это подорвало бы принцип причинности, который является одним из кирпичиков в фундаменте физики. Однако ученые разработали теорию о существовании особых частиц, которые не вступают во взаимодействие с обычными. Они могут двигаться со скоростью, которая в разы превышает 300 000 км/с. Их назвали тахионами.

Стоит отметить, что речь идет не о конкретных частицах, а о целой гипотетической группе, которая может включать в себя множество видов. Они не были обнаружены. Их существование остается просто гипотетическим предположением также, как теория о бозоне Хиггса, который впоследствии все же был найден.

В математике они описываются, как частицы с мнимой массой. Согласно этой теории, энергия тахионов меняется в зависимости от скорости их передвижения. Чем она выше, тем меньше энергия. Если скорость движения тахионов приближается к 300 000 км/с, то их энергия становится почти такой же, как и у обычных частиц.

В 2008 году исследователи из Женевы доказали, что кажущееся взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, которая превосходит скорость света в сто тысяч раз. К такому выводу ученые пришли в процессе изучения запутанных фотонных состояний в пространстве.

С каждым годом возможность существования объектов, которые все же несут информацию, но двигаются быстрее, чем свет в вакууме, кажется все более реальной. Если человеку удастся совершить подобное открытие и использовать его для достижения своих целей, то путешествия во времени станут реальностью, а не мечтой на страницах фантастических книг.

#физика #свет #элементарные_частицы #фотоны #открытия #ученые