Проблематика измерения скорости света

Человечество исследует свет как физическое явление уже больше 2000 лет. Может сложиться впечатление, что этот феномен досконально изучен. Но не все так однозначно. На некоторые вопросы до сих пор нет однозначного ответа.

Как все начиналось

Вообще, при изучении света у ученых всегда возникали различные сложности. Для античных ученых проблемой являлось определение самой природы света. Некоторые из них объясняли способность человека видеть лучами, идущими из глаз. А римский писатель Лукреций, наоборот был близок к истине. В своих трудах он писал о том, что свет и тепло состоят из маленьких движущихся частиц, но, к сожалению, его идеи не обрели популярности. В итоге, сформированная в античности точка зрения о бесконечной скорости света была основной до 17 века.

17 век стал началом активного изучения природы света. Изобретение телескопа, корпускулярная теория света Ньютона и Декарта, волновая теория Гука и Гюйгенса, а также первая оценка скорости света Олафа Рёмера. Изучая затмения спутников Юпитера, он заметил, что время затмений отклоняется от усредненного расписания, в зависимости от расстояние между Землей и Юпитером. Когда оно увеличивается, то затмения отстают от расписания, и наоборот. Рёмер связал этот факт с тем, что свет проходит больший или меньший путь, в зависимости от положения планет. К сожалению, у ученых 17 века, в том числе и Рёмера, не было возможности достаточно точно измерить время и расстояния. Поэтому, пользуясь доступными ему средствами, он рассчитал скорость света и получил 220000 км/с.

Рисунок из статьи Рёмера. Рёмер наблюдал затмения в точках E. K. L. H, G, F
Рисунок из статьи Рёмера. Рёмер наблюдал затмения в точках E. K. L. H, G, F

Как обстоят дела сегодня

Если 17 век можно охарактеризовать отсутствием необходимых технологий, то в наше время с этим проблем нет. Высокочастотные лазеры, невероятно точные часы. Но возникает другая проблема — практическая реализация измерения скорости. Представим измерение скорости света. Возьмём точные часы, источник света, например лазер, и зеркало. Включим лазер и измерим, за какое время луч пройдет от лазера до зеркала и обратно. Поделим два расстояния от лазера до зеркала на время и получим скорость света. В ходе такого эксперимента мы получим двустороннюю скорость света. Двусторонняя, потому что свет во время измерения проходит один и тот же путь два раза(от лазера до зеркала и обратно). В чем может быть проблема? Возможно, скорость света явление анизотропное, то есть имеет различное значение в разных направлениях. Например. в одну сторону луч движется со скоростью c/2, а возвращается мгновенно. Различия могут быть менее существенными, например в несколько процентов. Но для того, чтобы подтвердить или опровергнуть эту теорию необходимо измерить одностороннюю скорость света.

 Схема измерения скорости света
Схема измерения скорости света

Одновременность и синхронизация Эйнштейна

Для измерения односторонней скорости света мы не обойдемся одними часами как в случае измерения двусторонней скорости (т.е. по замкнутой траектории). Самого понятия «односторонняя скорость» нет, пока мы не определим, что такое «одно и то же время» в двух разных местах. Поэтому понадобится пара часов, чтобы измерить время старта и финиша по одной временной шкале. Для этого нужно синхронизировать часы.  Именно от того, каким образом мы сделаем это, зависит измерение величины односторонней скорости. Таким образом, одновременность двух событий в одной системе отсчета, разделенных расстоянием определяется соглашением о том, как синхронизировать часы в этих двух точках. В работе «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн предложил схему, которая названа «синхронизацией Эйнштейна». Согласно ей, односторонняя скорость света равна двусторонней независимо от направления. В той же работе Эйнштейн писал: «…это не предпосылка и не гипотеза о физической природе света, а требование, которое я делаю на основании свободного выбора, чтобы получить понятие одновременности». 

Синхронизация Эйнштейна. Время t’ вторых часов определяется таким образом, чтобы оно равнялось половине времени, за которое свет проходит расстояние 2*AB
Синхронизация Эйнштейна. Время t’ вторых часов определяется таким образом, чтобы оно равнялось половине времени, за которое свет проходит расстояние 2*AB

База, который час?

Как изменится понимание процессов во вселенной, если окажется, что односторонняя скорость света не одинаковая в разных направлениях?  Представим себе такую картину: офис NASA на Земле хочет синхронизировать часы с космической станцией. Допустим, что свет от Земли до станции и обратно проходит за 20 минут. Офис отправляет сообщение в 12:00. Если односторонняя скорость света равна c, то сигнал дойдет до станции за 10 минут. Экипаж устанавливает свои часы на 12:10 и шлет ответ Земле, который дойдет в 12:20. Теперь представим, что до станции односторонняя скорость света равна c/2, а обратно свет доходит мгновенно. Офис также отправляет сообщение в 12:00. Сигнал доходит до станции в 12:20, но экипаж думает, что односторонняя скорость света равна c, поэтому устанавливает часы на 12:10 и шлет ответ офису, который доходит мгновенно. Земля получает сообщение, в котором говорится, что время на станции установлено на 12:10, причем сигнал получен Землей в 12:20. Для наблюдателя ничего не изменилось, но часы в обоих случаях синхронизированы по-разному. 

Пространственно-временная диаграмма. Для наблюдателей два случая идентичны, но часы синхронизированы по-разному
Пространственно-временная диаграмма. Для наблюдателей два случая идентичны, но часы синхронизированы по-разному

Современные исследования

Периодически, возникают исследования, заявляющие о том, что односторонняя скорость света определена. В 2009 году в октябрьском выпуске «Американского физического журнала» вышла статья о том, как группа ученых нашла способ определить одностороннюю скорость света. Но через определенное время различные ученые опровергли представленный метод и показали, что в ходе исследования  была измерена двусторонняя скорость

Текст статьи можно найти на сайте журнала
Текст статьи можно найти на сайте журнала

На сегодняшний день мы не знаем величину односторонней скорости света. Зачем об этом вообще говорить, если общепринятые физические модели работают. Если нельзя определить одностороннюю скорость света, то имеет ли смысл понятие одновременности для двух объектов, разделенных расстоянием? Возможно, это просто случайная причуда Вселенной, а может быть ключ к следующей смене парадигм к физике.

 

Источник

, , , ,

Читайте также

Меню