Вступление
В предыдущей публикации был представлен исторический обзор экспериментов, направленных на определение скорости света. Настоящая статья посвящена исследованиям, которые подтверждают так называемый второй постулат Эйнштейна. Для полноты картины кратко резюмируем ключевые вехи развития физики света.
Основные исторические этапы измерения световой скорости:
-
1700 – 1926: ключевые замеры скорости видимого излучения.
-
1864 – Джеймс Максвелл теоретически описывает электромагнитные волны.
-
1887 – Знаменитый эксперимент Майкельсона — Морли, показавший несостоятельность гипотезы о «светоносном эфире» как абсолютной среде распространения волн.
-
1888 – 1945: измерения скорости радиоизлучения.
-
1905 – Альберт Эйнштейн выдвигает постулат о фундаментальном постоянстве скорости света.
-
1945 – 1958: измерения в СВЧ-диапазоне.
-
1970 – измерения с применением инфракрасных лазеров.
-
1975 – официальное утверждение константы: 299 792 458 м/с.
В разгар поисков наиболее точного значения скорости света, 30 июня 1905 года, Альберт Эйнштейн опубликовал эпохальную работу «К электродинамике движущихся тел».
1. Эйнштейновская концепция
Полагаясь на первоисточник, приведем ключевую цитату из данной статьи:
«Примеры подобного рода, как и неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды», ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя и даже, более того,— к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно, что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью V, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Эти две предпосылки достаточны для того, чтобы, положив в основу теорию Максвелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся тел»
Впоследствии это «добавочное допущение» трансформировалось в фундаментальный «второй постулат Эйнштейна».
Сложно сказать, какая интуиция подсказала Эйнштейну, что скорость света является предельным и уникальным параметром физического мира. Однако достоверно известно, что в 1905 году подобные выводы не опирались на прямые экспериментальные данные.
-
Было ли доказано отсутствие светоносного эфира? Да.
-
Было ли подтверждено, что скорость земных источников света не зависит от вращения нашей планеты? Да.
-
Существовали ли данные, подтверждающие независимость скорости света от движения любых источников? Нет!
Эйнштейн не просто интуитивно уловил эту концепцию, но и математически обосновал, что из инвариантности скорости света логически вытекает ее недостижимость для массивных тел. Этот вывод стал катализатором новой эры в физике.
Интенсивность исследований резко возросла, так как речь шла уже не о частном физическом показателе, а о фундаментальной инвариантной константе мироздания.
Важная ремарка: в работе «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн постулирует свойства света, однако сами математические выводы строит на принципе равноправия систем отсчета, где свет выступает лишь моделью предельной скорости, не участвуя напрямую в выводе константы.
Таким образом, утверждение о существовании предельной скорости и постулат о том, что свет движется именно с этой скоростью, — это две разные концепции. Если первая быстро нашла поддержку, то вторая спровоцировала многолетнюю серию проверок.
2. Поиски дисперсии света
Гипотезу о том, что свет движется со строго определенной скоростью c, можно опровергнуть, обнаружив дисперсию — зависимость скорости распространения волн от их частоты.
Изучение затменно-двойных звездных систем стало классическим методом таких проверок. В подобных системах периодическое перекрытие звезд вызывает резкие колебания яркости. Если бы компоненты спектра двигались с разными скоростями, это было бы заметно при наблюдении с Земли.
2.1 Работы Тихова и Нордмана
В 1907–1908 годах российский астроном Гавриил Тихов и французский ученый Шарль Нордман независимо предприняли попытку зафиксировать дисперсию света в космосе. Они анализировали моменты максимума затмений в различных спектральных диапазонах.
Результаты оказались сенсационными: синие и ультрафиолетовые лучи, согласно их данным, «опаздывали» относительно красных.
-
Для системы Алголь задержка составила 16–20 минут.
-
Для системы Тельца — до 40–60 минут.
Позднее стало очевидно, что данный эффект был вызван астрофизическими особенностями самих звезд (газовыми оболочками, гравитационными эффектами), а не свойствами вакуума.
2.2 Эксперимент Харлоу Шепли
Харлоу Шепли, тщательно проанализировав ошибки предшественников в 1912–1913 годах, обработал около 10 000 фотометрических замеров. С учетом поправок на физические характеристики звезд, стало ясно: моменты минимумов блеска в разных спектральных каналах совпадают. Шепли доказал, что если дисперсия и существует, то относительное отклонение скорости ∆с/с не превышает 10^(-9).
2.3 Зденек Копал и Александр Высотский (1930–1940-е годы)
С внедрением фотоэлектрических фотометров точность измерений значительно возросла. Зденек Копал предложил строгие математические модели анализа кривых блеска, что, в сочетании с новыми типами фотоэлементов, позволило ограничить дисперсию вакуума уровнем 10^(-10).
2.4 Джеральд Крон и Эвири Шатцман (1950–1960-е годы)
Применение фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) позволило регистрировать отдельные фотоны. Крон и Шатцман подтвердили отсутствие задержки между синим и желтым светом с точностью до 0,01–0,05 секунды, доведя предел точности до 10^(-12).
2.5 Современные технологии и Эдуард Трифонов
Благодаря ПЗС-матрицам и космическим обсерваториям точность измерений достигла долей миллисекунды. На межзвездных расстояниях это подтверждает отсутствие дисперсии вакуума с точностью до 10^(-14).
2.6 Исследования группы Fermi
Прорыв произошел с запуском телескопа Fermi. В 2009 году был зафиксирован гамма-всплеск GRB 090510 на расстоянии 7,3 млрд световых лет. Сравнение фотонов низких энергий (ГэВ-диапазон) показало, что даже при экстремальных энергиях время прибытия фотонов практически идентично. Это позволило оценить точность постоянства скорости света на феноменальном уровне 10^(-18).
3. Итоги
Постоянные проверки постулатов Эйнштейна — это не дань традиции, а необходимость. От того, насколько точно скорость фотона соответствует константе c, зависит ответ на вопрос о массе покоя фотона. На текущий момент экспериментальное «окно» для поиска возможных отклонений сузилось до ничтожных 10^(-18), оставляя лишь минимальное пространство для дальнейших исследований.
