Почему скорость света константа на пальцах™
Задумывались ли вы когда-нибудь, почему скорость света максимальна, конечна и постоянна в нашей Вселенной? Это весьма интересный вопрос, и сразу, в качестве спойлера, выдам страшную тайну ответа на него — никто точно не знает, почему. Скорость света берется, т.е. мысленно принимается за константу, и на этом постулате, а так же на идее, что все инерциальные системы отсчета равноправны Альберт Эйнштейн построил свою специальную теорию относительности, которая вот уже сто лет выводит ученых из себя, позволяя Эйнштейну безнаказанно показывать миру язык и ухмыляться в гробу над размерами свиньи, которую он подложил всему человечеству.
Но почему, собственно, она такая постоянная, такая максимальная и такая конечная ответа так и нет, это лишь аксиома, т.е. принятое на веру утверждение, подтверждаемое наблюдениями и здравым смыслом, но никак ниоткуда логически или математически не выводимое. И вполне вероятно, что не такое уж и верное, однако никто до сих пор не смог его опровергнуть ни каким опытом.
У меня есть свои соображения на этот счет, о них попозже, а пока по простому, на пальцах™ попытаюсь ответить хотя бы на одну часть — что значит скорость света «постоянна».
Нет, я не буду грузить вас мысленными экспериментами, что будет если в ракете, летящей со скоростью света, включить фары и т.д., сейчас немного не об этом.
Если вы посмотрите в справочнике или википедии, скорость света в вакууме определена как фундаментальная физическая константа, которая точно равна 299 792 458 м/с. Ну, то есть если говорить примерно, то это будет около 300 000 км/с, а вот если прям точно — 299 792 458 метров в секунду.
Казалось бы, откуда такая точность? Любая математическая или физическая константа, что ни возьми, хоть Пи, хоть основание натурального логарифма е, хоть гравитационная постоянная G, или постоянная Планка h, всегда содержат какие-то цифры после запятой. У Пи этих знаков после запятой на сегодняшний момент известно около 5 триллионов (хотя какой-бы то ни было физический смысл, как вы помните, имеют только первые 39 цифр), гравитационная постоянная сегодня определена как G
6,67384(80)x10 -11 , а постоянная Планка h
Скорость же света в вакууме составляет ровно 299 792 458 м/с, ни сантиметром больше, ни наносекундой меньше. Хотите узнать, откуда такая точность?
Тогда добро пожаловать далее .
Началось все как обычно с древних греков. Науки, как таковой, в современном понимании этого слова, у них не существовало. Философы древней Греции потому и назывались философами, ибо сначала выдумывали какую-то хрень у себя в голове, а потом при помощи логических умозаключений (а иногда и реальных физических опытов) пытались доказать ее или опровергнуть. Однако использование реально существующих физических измерений и феноменов считались у них доказательствами «второго сорта», которые не идут ни в какое сравнение с первосортными логическими выводами получаемыми умозаключениями прямо из головы.
Первым, кто задумался о существовании у света собственной скорости, считают философа Эмпидокла, который заявлял, что свет есть движение, а у движения должна быть скорость. Ему возражал Аристотель, который утверждал, что свет это просто присутствие чего-то в природе, и все. И ничего никуда не движется. Но это еще что! Эвклид с Птолемеем так те вообще считали, что свет излучается из наших глаз, а потом падает на предметы, и поэтому мы их видим. Короче древние греки тупили как могли, покуда их не завоевали такие же древние римляне.
В средние века большинство ученых продолжали считать, что скорость распространения света бесконечна, среди таковых были, скажем, Декарт, Кеплер и Ферма.
Но некоторые, например Галилей, верили, что у света есть скорость, а значит ее можно измерить. Широко известен опыт Галилея, который зажигал лампу и светил помощнику, находящемуся от Галилея в нескольких километрах. Увидев свет, помощник зажигал свою лампу, и Галилей пытался измерить задержку между данными моментами. Естественно у него ничего не получалось, и в конце концов он вынужден был написать в своих сочинениях, что если у света есть скорость, то она чрезвычайно велика и не поддается измерению человеческими усилиями, а посему можно считать ее бесконечной.
Первое документальное измерение скорости света приписывается датскому астроному Олафу Ремеру в 1676м году. К этому году астрономы, вооруженные подзорными трубами того самого Галилея, вовсю наблюдали за спутниками Юпитера и даже вычислили периоды их вращения. Ученые определили, что ближайший к Юпитеру спутник Ио имеет период вращения примерно 42 часа. Однако Ремер заметил, что иногда Ио появляется из-за Юпитера на 11 минут раньше положенного времени, а иногда на 11 минут позже. Как оказалось, Ио появляется раньше в те периоды, когда Земля, вращаясь вокруг Солнца, приближается к Юпитеру на минимальное расстояние, и отстает на 11 минут тогда, когда Земля находится в противоположном месте орбиты, а значит находится от Юпитера дальше.
Тупо поделив диаметр земной орбиты (а он в те времена был уже более-менее известен) на 22 минуты Ремер получил скорость света 220 000 км/с, примерно на треть не досчитавшись до истинного значения.
В 1729м году английский астроном Джеймс Бредли, наблюдая за параллаксом (небольшим отклонением местоположения) звезды Этамин (Гамма Дракона) открыл эффект аберрации света, т.е. изменение положения на небосклоне ближайших к нам звезд из-за движения Земли вокруг Солнца.
Из эффекта аберрации света, обнаруженного Бредли, так же можно вывести, что свет имеет конечную скорость распространения, за что Бредли и ухватился, вычислив ее равной примерно 301 000 км/с, что уже в пределах точности 1% от известной сегодня величины.
Затем последовали все уточняющие измерения другими учеными, но так как считалось, что свет есть волна, а волна не может распространяться сама по себе, нужно чтобы что-то «волновалось», возникла идея существования «светоносного эфира», обнаружение которого с треском провалил американский физик Альберт Майкельсон. Никакого светоносного эфира он не обнаружил, но в 1879м году уточнил скорость света до 299 910±50 км/с.
Примерно в это же время Максвелл публикует свою теорию электромагнетизма, а значит скорость света стало возможно не только непосредственно измерять, но и выводить из значений электрической и магнитной проницаемости, что и было сделано уточнив значение скорости света до 299 788 км/с в 1907м году.
Наконец Эйнштейн заявил, что скорость света в вакууме — константа и не зависит вообще ни от чего. Наоборот, все остальное — сложение скоростей и нахождение правильных систем отсчета, эффекты замедления времени и изменения расстояний при движении с большими скоростями и еще множество других релятивистских эффектов зависят от скорости света (потому что она входит во все формулы в качестве константы). Короче, все в мире относительно, а скорость света и есть та величина, относительно которой относительны все остальные вещи в нашем мире. Тут, возможно, следует отдать пальму первенства Лоренцу, но не будем меркантильны, Эйнштейн так Эйнштейн.
Точное определение значения этой константы продолжалось весь 20й век, с каждым десятилетием ученые находили все больше цифр, после запятой в скорости света, покуда в их головах не начали зарождаться смутные подозрения.
Все более и более точно определяя, сколько метров в вакууме свет проходит за секунду, ученые начали задумываться, а что это мы все в метрах-то меряем? Ведь в конце концов, метр это просто длина какой-то платино-иридиевой палки, которую кто-то забыл в неком музее под Парижем!
А поначалу идея введения стандартного метра казалась великолепной. Чтобы не мучаться с ярдами, футами и прочими косыми саженями, французами в 1791м году было решено принять за стандартную меру длины одну десятимиллионую часть расстояния от Северного Полюса до экватора по меридиану, проходящему через Париж. Измерили это расстояние с точностью, доступной на то время, отлили палку из платино-иридиевого (точнее сначала латунного, потом платиного, а уж потом платино-иридиевого) сплава и положили в эту самую парижскую палату мер и весов, как образец. Чем дальше, тем больше выясняется, что земная поверхность меняется, материки деформируются, меридианы сдвигаются и на одну десятимиллионую часть забили, а стали считать метром именно длину той палку, что лежит в хрустальном гробу парижского «мавзолея».
Такое идолопоклонничество не к лицу настоящему ученому, тут вам не Красная Площадь(!), и в 1960м году было решено упростить понятие метра до вполне очевидного определения — метр точно равен 1 650 763,73 длин волн, испускаемых переходом электронов между энергетическими уровнями 2p10 и 5d5 невозбужденного изотопа элемента Криптон-86 в вакууме. Ну, куда еще яснее?
Так продолжалось 23 года, при этом скорость света в вакууме измерялась со все возрастающей точностью, покуда в 1983м году наконец даже до самых упертых ретроградов дошло, что скорость света и есть самая что ни на есть точная и идеальная константа, а не какой-то там изотоп криптона. И все было решено перевернуть с ног на голову (точнее, если задуматься, решено было все перевернуть как раз таки назад с головы на ноги), теперь скорость света с — истинная константа, а метр это расстояние, которое проходит свет в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.
Реальное значение скорости света продолжает уточняться и в наши дни, но что интересно — с каждым новым опытом ученые не скорость света уточняют, а истинную длину метра. И чем более точно будет найдена скорость света в ближайшие десятилетия, тем более точный метр мы в итоге получим.
Ну, а теперь вернемся к нашим баранам. Почему же скорость света в вакууме нашей Вселенной максимальна, конечна и постоянна? Я это понимаю так.
Всем известно, что скорость звука в металле, да и практически в любом твердом теле гораздо выше скорости звука в воздухе. Проверить это очень легко, стоит приложить ухо к рельсе, и можно будет услышать звуки приближающегося поезда гораздо раньше, чем по воздуху. Почему так? Очевидно, что звук по сути, один и тот же, и скорость его распространения зависит от среды, от конфигурации молекул, из которых эта среда состоит, от ее плотности, от параметров ее кристаллической решетки — короче от текущего состояния того медиума, по которому звук передается.
И хотя от идеи светоносного эфира давно уже отказались, вакуум, по которому происходит распространение электромагнитных волн, это не совсем прям абсолютное ничто, каким бы пустым он нам не казался.
Я понимаю, что аналогия несколько притянута за уши, ну так ведь на пальцах™ же! Именно в качестве доступной аналогии, а ни в коей мере не как прямой переход от одного набора физических законов к другим, я лишь прошу представить, что в четырехмерную метрику пространства-времени, которую мы по доброте душевной называем вакуумом, вшита скорость распространения электромагнитных (и вообще любых, включая глюонные и гравитационные) колебаний, как в рельсу «вшита» скорость звука в стали. Отсюда и пляшем.
UPD: Кстати говоря, «читателям со звездочкой» предлагаю пофантазировать, остается ли скорость света постоянной в «непростом вакууме». Например считается, что при энергиях порядка температуры 10 30 К, вакуум прекращает просто кипеть виртуальными частицами, а начинает «выкипать», т.е. ткань пространства разваливается на куски, планковские величины размываются и теряют свой физический смысл и т.д. Будет ли скорость света в подобном вакууме все еще равняться c, или это положит начало новой теории «релятивистского вакуума» с поправками вроде лоренцевских коэффициентов при экстремальных скоростях? Не знаю, не знаю, время покажет.
Почему нельзя превысить скорость света?
Знаменитые космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенный американским космическим агентством NASA в 1977-м году с целью исследования межзвездного пространства, пролетели несколько десятков миллиардов километров за сорок лет. Это всего-навсего двадцать световых часов. Для сравнения, расстояние до ближайшей к нам звезды Проксима Центавра составляет четыре световых года.
Космический аппарат "Вояджер"
По подсчетам исследователей свой первый световой год аппараты преодолеют примерно через сорок тысяч лет. Но мы никогда не узнаем о том, преодолеют ли они это расстояние на самом деле. Ведь за такой огромный период времени они с легкостью могут столкнуться с каким-нибудь космическим телом, а сигнал с их передатчиков перестанет достигать земли примерно через десять лет. Тогда почему нельзя было бы их запустить со скоростью света, либо сделать так, чтобы они развили такую скорость во время своего перемещения в космосе? Не все так просто, как кажется на первый взгляд.
Давайте разберемся, почему в физике скорость света является константой и непреодолимым максимумом возможной скорости передвижения для любых физических тел.
Как менялась скорость света и кто её доказал?
История исследований скорости света также начинается еще с античных времен. В так называемый период Нового времени такие известные ученые как Галилео Галилей и Роберт Гук представляли скорость перемещения фотонов в пространстве, как абсолютный максимум, конечную точку, непреодолимый рубеж для всех тел. А вот Иоганн Кеплер, Рене Декарт наоборот считали, что скорость света является бесконечной. Как оказалось позже, Галилей и Гук в своих теориях таки оказались правы.
В 1676-м году, датский ученый Олаф Ремёр впервые в истории дал оценку скорости света очень близкую к современной — 220 000 км/с. С такой скоростью достигал свет от Солнца до спутника Юпитера Ио.
Начало следующего столетия сопровождалось открытием световой аберрации, позволившей еще более точно приблизиться к верному значению скорости света. Джеймс Брэдли, воспользовавшись этими принципами, смог доказать конечность скорости света, а также вычислить её значение — 308 000 км/с.
Спустя еще столетие, наиболее точные значения в земных условиях были получены французским ученым Арманом Физо. С помощью выработанного им «методом прерываний» удалось получить значение в 313 000 км/с. В 1950-м году при помощи того же метода ученым Э. Бергштрандом удалось выяснить наиболее точное значение 299 793,1 км/с, с округлением до 0.25 км/с.
Следующей вехой в исследованиях стало применение лазерных оптических устройств, имеющих стабильную частоту излучения. Благодаря им была зафиксирована точная скорость движения фотонов — 299 792 458 м/с. Этот вселенский максимум не может преодолеть никто. Даже сегодня с достаточно развитой наукой и технологиями мы вынуждены мириться с аксиомой абсолютного предела скорости. Неужели даже в теории мы никогда не сможем преодолеть эту цифру?
Что будет если двигаться со скоростью света?
Сегодня людьми уже придумана гипотетическая технология варп-двигателя, позволяющего перемещаться в космосе быстрее, чем это делает свет. Суть его работы заключается в искажении геометрии пространства. Но сам корабль данной деформации не будет подвержен из-за определенной динамики присущей темной материи (так как в данном случае, перед кораблем будет образовываться недостаток темной материи, а позади ее переизбыток). Данный эффект называется «Пузырем Алькубьерре». Её реализацию вы могли видеть во вселенной сериала «Звездный путь».
Пока все это лишь слова. А реализацию двигателя искривляющего пространство мы увидим еще ой как нескоро. Или вообще не увидим. Ведь все проведенные эксперименты доказывают, что ни один материальный объект не может двигаться быстрее 299 792 458 м/с. И этому есть очень хорошее объяснение.
В соответствии с физической моделью, известной нам как пространственно–временной континуум, все тела, которые только существуют в нашей вселенной, находятся в системе координат. Где одна из осей это время, а другая это скорость перемещения в пространстве. Нужно принять как факт то, что все мы постоянно находимся в движении. Даже ты, мой дорогой читатель, если сидишь у себя дома в уютном кресле, читая эту статью, постоянно перемещаешься во времени со скоростью, как бы забавно и очевидно это не прозвучало, одна секунда в секунду.
Время можно представить как прямую с делениями, представляющими собой отрезки времени, как прошедшие так и предстоящие. Двигаться по этой оси назад или вперед по нашему желанию мы не можем, так как это противоречит модели пространственно-временного континуума.
Более наглядно проиллюстрировать наше движение во времени можно так: представьте, что вы едете в автомобиле, и у него внезапно отказывают тормоза. И все что находится у вас под контролем — это руль, благодаря которому вы можете управлять движением автомобиля по огромной, я бы даже сказал бесконечной трассе, под названием время. Вы не можете ни увеличить скорость, ни затормозить, ни поехать в обратную сторону. Все, что вам остается, это грамотно распоряжаться и обходить бесконечные препятствия на этой прямой.
Конечно, многие именитые ученые предполагают, что в пространственно–временном континууме могут существовать исключения, например «кротовые норы». Это своего рода туннели, через которые можно мгновенно перемещаться как в пространстве, так и во времени. На практике их существование еще не было доказано. Но, исходя из нюансов в специальной теории относительности и модели пространства-времени, некоторые части нашей огромной вселенной могут быть соединены друг с другом. Обнаружить их не удалось. Возможно из-за того, что они нестабильны, и имеют невероятно малые размеры.
Смоделировать кротовые норы в земных условиях не представляется возможным, так как энергии всего человечества не хватит на то, чтобы обеспечить даже одну самую маленькую кротовую нору требуемым количеством ресурсов. Кстати, этот нюанс делает невозможным и сверхсветовое перемещение.
Больше скорость, больше масса, больше энергии, меньше времени
Вернемся к нашей системе координат, где одной осью является время, а другой скорость перемещения в пространстве. Исследования показали, что при увеличении скорости, замедляется время, которое преодолевает объект. Установив на борт ракеты атомные часы, ученые выяснили, что время на них отставало от атомных часов установленных в лаборатории на Земле на несколько секунд.
Сам Эйнштейн описывал это удивительное явление и дал ему название «эффект релятивистского замедления времени»:
«Если в точке А находятся двое синхронно идущих часов, и мы перемещаем одни из них по замкнутой кривой с постоянной скоростью до тех пор, пока они не вернутся в А (на что потребуется, скажем, t сек), то эти часы по прибытии в А будут отставать по сравнению с часами, остававшимися неподвижными…»
Выходит, что увеличивая скорость перемещения в пространстве, мы будем жертвовать скоростью перемещения во времени. К примеру, прямая, идущая вдоль оси движения во времени, пока мы не двигаемся, находится в покое и никак не отклоняется. Но стоит нам увеличить скорость перемещения в пространстве на какое-то серьезное значение, как прямая движения во времени будет неумолимо наклонятся к нулю, попутно уменьшая количество времени проходимого за определенный отрезок расстояния. Пределом в данном случае и являются 300 000 км/с (та самая скорость света). Быстрее двигаться уже невозможно, так как за пределом координатной прямой нет ничего.
Помимо этого, невозможность сверхсветового перемещения еще связана с зависимостью массы объекта от скорости перемещения. Если разогнать самую простую частицу до скорости света, то её масса возрастет до бесконечности. А как мы знаем из курса школьной физики, для обеспечения движения объекта с большой массой требуется большое количество энергии. Найти такой источник в наших земных условиях не представляется возможным
Почему же тогда частицы электромагнитного излучения, известные нам как фотоны, могут перемещаться с такой скоростью? Ответ прост, потому что фотоны не имеют массы и обладают нулевым электрическим зарядом, как и все безмассовые частицы. Помимо фотонов, нам сегодня известно еще два вида частиц не имеющих массы — это гравитоны и глюоны. Последние, кстати относятся к семейству гипотетических частиц бозона, но это уже совсем другая история, о которой мы поговорим в будущем.
Источник: трешбокс ру
14.2K постов 44.3K подписчиков
Правила сообщества
Какие тут могут быть правила, кроме правил установленных самим пикабу 🙂
Аналитическим путем пришел к выводу — надо выпить
пространство вселенной расширяется, и если взять два достаточно удаленные друг от друга объекта, то они будут удаляться друг от друга со скоростью большей чем скорость света.
Но к ограничению скорости света это никак не относится.
Помимо фотонов, нам сегодня известно еще два вида частиц не имеющих массы — это гравитоны и глюоны
Нам известны гравитоны?
Что-то обо всем и ни о чем.
«Установив на борт ракеты атомные часы, ученые выяснили, что время на них отставало от атомных часов установленных в лаборатории на Земле на несколько секунд»
На несколько СЕКУНД? Смахивает на пиздёж)
Намереваясь посвятить себя физике, будущий великий физик-теоретик Макс Планк в 1875 году обратился за советом к декану физического факультета Мюнхенского университета. «Физика — область знания, в которой уже почти все открыто. Все важные открытия уже сделаны. Едва ли вам имеет смысл поступать на физический факультет».
Через 30 лет мы откроем новые физические законы, который похерят всё, что мы знали раньше о Вселенной.
На Энцеладе нашли все химические ингредиенты жизни
В океане спутника Сатурна обнаружили фосфор, ключевой компонент молекул ДНК и РНК. Теперь известно, что на Энцеладе имеются все базовые элементы, входящие в состав биомолекул, – все необходимое для появления жизни.
Энцелад – один из больших спутников Сатурна. Его поверхность покрывает толстый слой льда, из разломов которого время от времени выбиваются гейзеры, которые указывают, что там, на глубине, имеется достаточно обширный океан жидкой воды. Это делает Энцелад одним из самых перспективных мест для поиска внеземной жизни. На такую возможность указывает и анализ его воды. В ней обнаруживаются и метан, и более сложные органические молекулы.
tg
Вид на другие планеты из-за горизонта Луны
Трудно поверить, но эти фотографии сделаны с Земли астрономами-любителями. Удивительно, что можно увидеть мельчайшие детали Марса и край Луны в таком же хорошем виде.
Венера: от тропического рая к преисподней
О самой яркой и красивой утренней и вечерней звезде на земном небосводе знали с глубокой древности. Правда, многие народы тогда – в частности, римляне, египтяне, греки – считали, что это две разных планеты, утром появляется одна, а вечером – другая, и называли их разными именами. Другие же, даже более ранние цивилизации – древние шумеры, майя – знали, что это одна и та же планета.
Долгое время Венера считалась планетой, очень похожей на Землю. Еще Ломоносов в 1761 году, наблюдая прохождение Венеры между Солнцем и Землей, в момент схождения планеты с солнечного диска заметил вокруг неё светящийся ободок, и записал вывод, что «планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою, таковой (лишь бы не большею), каковая обливается около нашего шара земного. »
Не имея возможности разглядеть поверхность нашей ближайшей соседки в телескопы из-за плотного слоя облаков, ученые считали, что атмосфера Венеры, подобно земной, состоит из азота и кислорода, а её климат, учитывая близость к Солнцу, представляет собой аналог мезозойской эры Земли – жаркий и влажный. Океаны, тропические леса, гигантские ящеры, а, возможно, и более развитые животные – всё это представлялось совершенно реальным вплоть до середины XX века.
В 1961 году в СССР был снят фильм «Планета бурь» по одноименной повести Александра Казанцева, где космонавты, отправившиеся на Венеру, нашли её именно такой: много воды, богатая растительность и звери, похожие на динозавров.
Только когда появились радиотелескопы, представления о Венере стали меняться. Было установлено, что Венера вращается гораздо медленнее Земли: венерианские сутки длятся больше года.Также выяснилось, что планета вращается по часовой стрелке, т.е. в обратном направлении, с востока на запад. Если бы она вращалась так же, как Земля, то почти всегда была бы повернута к Солнцу одной и той же стороной, а благодаря своему обратному вращению Венера подставляет Солнцу то один, то другой бок, меняя их через каждые 117 земных суток.
Но главное: были сделаны измерения температуры планеты и получена ошеломляющая цифра: 326 градусов по Цельсию (микроволновые наблюдения Майера). Правда, результаты исследований противоречили друг другу: наблюдения, сделанные А. Д. Кузьминым, показали гораздо более низкие температуры.
Выяснить точно, что из себя представляет наша соседка, можно было только одним способом: отправить на Венеру зонд, который сумел бы произвести прямые измерения ее характеристик.
Этой работой занялся Советский Союз. Первые три попытки окончились неудачей; наконец, 18 октября 1967 года зонд под названием «Венера-4» вошел в атмосферу планеты. Конструкторы аппарата еще питали довольно оптимистические надежды: он строился из расчета температуры 270° С, состава атмосферы на 80-85% – из азота, была даже предусмотрена возможность приводнения. На всякий случай зонду добавили запас прочности, позволяющий выдержать давление до 20 атмосфер.
В результате аппарат из алюминиевого сплава на высоте 28 км над поверхностью прекратил передачу данных, ведь температура за бортом составляла уже 262 °C, а давление — 18 атмосфер. Тем не менее капсула успела передать на Землю первые прямые измерения температуры, давления, плотности и провела 11 автоматических химических экспериментов для анализа атмосферы. Обнаружилось, что атмосфера Венеры на 95% состоит из углекислого газа, и в сочетании с данными, полученными американским зондом «Маринер-5», было установлено, что давление на поверхности намного выше ожидаемого: от 75 до 100 атмосфер.
Эти открытия означали, что все представления о Венере как о «запасной планете», пригодной для жизни землян, можно было выбросить на помойку. Для многих ученых всего мира это стало тяжким разочарованием, а руководитель проекта Александр Бабакин сказал тогда: «Мы осиротели. Мы одни в нашей Солнечной системе, совсем одни!»
Теперь ученые продолжили исследования Венеры для того, чтобы найти ответ на вопрос: почему же планету, которая произошла из того же облака газов и пыли, что и Земля, находящуюся на благоприятном для возникновения жизни расстоянии от Солнца, – постигла столь печальная участь? Что, как говорится, «пошло не так»?
Первым аппаратом, благополучно спустившимся на поверхность Венеры (и вообще первым в мире устройством, достигнувшим поверхности другой планеты), был зонд «Венера-7». Он был построен уже с учетом вновь открывшихся реалий: корпус — из титанового сплава, рассчитанный на давление до 180 атмосфер и перегрузку свыше 300 единиц, улучшенная теплоизоляция позволяла аппарату функционировать на поверхности планеты — при максимальном давлении и внешней температуре до 530°С — в течение не менее 30 минут. Увы, аппарат смог передать только температуру поверхности, которая оказалась равной 475±20°С, давление – 90±15 атмосфер.
Только 5 марта 1982 года, с зонда «Венера-14» было получено цветное панорамное изображение венерианского пейзажа:
Раскаленная пустыня, плотное, абсолютно непрозрачное небо, состоящее из углекислого газа – ни звезд, ни Солнца, ни теней. Только ядовитые сернокислые облака, рассеянный красноватый свет повсюду и ни капли воды. Воображаемый когда-то рай оказался преисподней.
Углекислая атмосфера Венеры действует подобно стеклу в теплице: она, пропуская свет, задерживает тепло — и создает такой сильный парниковый эффект, что свинец на поверхности планеты — плавится, а горы — светятся в темноте:
Однако анализ заборов грунта, сделанные «Венерой-14», показал, что порода поверхности планеты – аналог земного океанического базальта.
Этот факт подтвердил теорию о том, что когда-то на Венере были океаны, но потом исчезли, испарились. И все же – почему образовавшиеся от испарений облака водяного пара не задержали воду на Венере, как задерживают её на Земле? Для ответа на этот вопрос нужны были новые исследования.
В XXI веке ученые стали располагать технологиями, позволяющими «увидеть» поверхность Венеры, не спускаясь на столь негостеприимную планету и не жертвуя зондом – к тому же ни один из аппаратов не смог проработать на Венере больше двух часов. 9 ноября 2005 года запущен зонд «Венера-экспресс», обладающий новейшим оборудованием: с помощью инфракрасного излучения зонд может «заглянуть» под плотные облака и, оставаясь на безопасной для своей работы высоте, передать на Землю подробное изображение венерианской поверхности:
Впервые ученые могут составить трехмерную карту Венеры.
Но это далеко не все возможности аппарата: исследуя атмосферу нашей соседки, «Венера-экспресс» открыл в ней частицы гелия, водорода и кислорода, улетающие в космическое пространство. Их немного, но раз процесс продолжается до сих пор – значит, раньше элементов, из которых состоит вода, было гораздо больше – еще одно подтверждение, что миллиарды лет назад на Венере были океаны.
Почему же частицы водяного пара улетают в космос?
Еще в далеком 1962 году американская АМС «Маринер-2» выяснила, что Венера не имеет магнитного поля. Ученые считают, что оно не может образоваться из-за слишком медленного вращения планеты.
На Земле магнитное поле образуется из-за довольно быстро вращающегося железного ядра, и именно оно защищает нашу атмосферу от «сдувания» в космическое пространство солнечным ветром. Если бы не мощный магнитный «щит» Земли, наша атмосфера могла бы заметно «похудеть». Венера же – не окружена магнитосферой, поэтому верхние слои её воздушной оболочки вместе с частицами водяного пара постоянно улетучиваются:
Так за миллиарды лет почти вся вода, существовавшая когда-то на Венере, сначала испарилась, а затем улетела в космос, выталкиваемая давлением солнечного ветра.
Следующий вопрос – откуда в атмосфере Венеры взялось так много углекислого газа?
«Венера-экспресс», заглядывая пучком инфракрасных лучей под облака. Установил, что 85% поверхности Венеры – горы и долины, каменные глыбы и кратеры – состоят из лавы. Получается, что когда-то на Венере разом происходило извержение тысяч вулканов. Что могло спровоцировать такое явление?
Дело в том, что кора этой планеты, в отличие от земной, цельная. Земная кора состоит из нескольких тектонических плит,
и наибольшая сейсмическая активность наблюдается именно в тех районах, где плиты сходятся или расходятся, высвобождая накопившийся в недрах жар.
На Венере же, благодаря отсутствию тектоники, в течение миллионов лет жар все накапливался, пока наконец давление пылающей мантии планеты не достигло критической величины: тогда лава стала неудержимо извергаться по всей поверхности, перемалывая кору и высвобождая триллионы тонн углекислого газа. А поскольку углекислый газ сравнительно тяжелый, то он и обволок в конце концов планету, создав ту самую плотную оболочку, которую мы наблюдаем теперь.
Новейший аппарат сделал еще одно удивительное открытие: в атмосфере нашей соседки, несмотря на крайне медленное вращение самой планеты, бушуют сильнейшие ураганы, скорость которых достигает 100 м/с. По сравнению с такими ветрами любой, даже самый страшный ураган на Земле (около 40 м/с) покажется легким бризом. Вот изображение двух огромных торнадо, бушующих на южном полюсе Венеры:
Происхождение столь мощных бурь ученые объясняют постоянным образованием очень горячего пара в атмосфере, которая намного плотнее земной.
Венеру, несмотря на её враждебный нрав, продолжают изучать. Считается, что она может содержать множество тайн о природе жизни на Земле. Может быть, именно Венера в прошлом послужила инкубатором земной жизни? Часть астробиологов уверены, что так и было.
Может ли Землю в будущем ждать такая же участь?
Пожалуй, что копией Венеры Земля не станет: благодаря тектонике коры нашей планеты вряд ли на Земле возможны столь мощные извержения лавы: жар от ядра постепенно высвобождается через щели между плитами, что остужает нашу планету. А, значит, на Земле не будет такой плотной углекислой атмосферы.
Однако, если Солнце когда-нибудь станет ближе, а Земля будет вращаться гораздо медленнее и потеряет свое магнитное поле, то, возможно, через миллиарды лет наша планета будет похожа на венерианскую пустыню.
Но до того времени у нас целые миллиарды лет в запасе.
Продолжим путешествие: следующая остановка — Земля и благодаря чему на ней смогла появиться жизнь.
Если понравилась публикация — ставьте лайк, делитесь в соцсетях и подписывайтесь, заходите на мой канал «Космическое путешествие» на Дзене.
Гравицапа для межпланетных перелётов или гравитационный манёвр
Вопрос эмиграции в последние десятилетия стоит наиболее остро. И если 40 лет назад пределом мечтаний было перебраться за океан, то в XXI веке умами овладела мечта о релокейшне на Марс, например. Однако там тоже в скором времени может стать тесно. Остаётся одна дорога — колонизация Солнечной Системы и экзопланет. Допустим, мы собрались покинуть внутреннюю область Солнечной Системы, а, если повезёт, то и совсем выбраться за её пределы. Помимо невероятных объёмов тушёнки и кислорода, необходимых для выживания в суровом Космосе, нам потребуется в разы на порядки большее количество топлива, чтобы всё это добро дотащить. И ещё столько же топлива, чтобы тащить то топливо. И ещё топливо.
И самое обидное, что скорее всего мы закончим свой век среди троянских астероидов Юпитера, померев от тоски. Потому что топлива всё равно ни на что не хватит. Однако присмотримся к нашей Солнечной системе повнимательнее. Вот те же «троянцы и греки» — не просто так столпились в точках Лагранжа L4 и L5 Юпитера. Их туда «затолкала» гравитация планеты-гиганта, не потратив ни единой капли гидразина.
Юпитер — оранжевый, «Троянцы» — зелёные за ним, «греки» — зелёные перед ним
Давайте же и мы применим дармовую энергию Природы для достижения благородной цели доставки полезной нагрузки в далёкий космос.
Как это работает
Идея использования гравитации пролетающей мимо планеты довольно проста. Все что нужно — это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящими для целей миссии положением и скоростью. Космический аппарат, попав в поле тяготения планеты обязательно изменит свою скорость. Здесь внимательный читатель может заметить, что аппарат, ускорившись гравитацией планеты, ею же и тормозится после сближения с небесным телом и что в результате никакого ускорения не будет. Действительно, скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. Но она поменяет направление! А в гелиоцентрической (связанной с Солнцем) системе отсчета окажется, что скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, по крайней мере частично, скорости самой планеты относительно Солнца. Бинго! Планеты будут «брать на буксир» наших путешественников.
Подобным способом можно без затрат топлива изменить кинетическую энергию межпланетной станции. При полетах к дальним, внешним, планетам Солнечной системы гравитационный манёвр используется для разгона (для этого траектория корабля должна пролегать «за» планетой, или как говорят, с внешней стороны орбиты):
… а при миссиях к внутренним планетам — напротив, для гашения гелиоцентрической скорости (тут, соответственно, пролетаем «перед» планетой):
Упрощая, можно сказать, что сближение аппарата с планетой с внутренней стороны ее орбиты приводит к тому, что аппарат отдает планете часть своего углового момента и замедляется; и наоборот, сближение с внешней стороны орбиты приводит к увеличению момента и скорости аппарата. Интересно, что никакими механическими акселерометрами на борту зарегистрировать изменение скорости аппарата в маневрах невозможно, — они постоянно регистрируют состояние невесомости.
Причём экономия топлива, достигаемая использованием волшебной силы гравитации колоссальная. Первая космическая скорость — 8 км/с обеспечивает нам вращение вокруг Земли. Для перехода на более высокую орбиту скорость надо увеличивать, и каждые 3 км/с дополнительного разгона втрое увеличивают стартовую массу космической ракеты. Чтобы с низкой околоземной орбиты (скорость 8 км/с) отправиться на марсианскую по эллиптической («гомановской») траектории, надо набрать около 3,5 км/с, к Юпитеру — 6 км/с, к Плутону — 8—9 км/с. Таким образом полезная нагрузка при полете к дальним планетам составляет лишь несколько процентов от выведенной на орбиту массы, а та, в свою очередь, лишь несколько процентов стартовой массы ракеты. А вот какой максимальный прирост скорости может дать нам гравитация планет:
Меркурий: 3,005 км/с
Венера: 7,328 км/с
Земля (надо же): 7,910 км/с
Луна (тоже мне планета): 1,680 км/с
Марс: 3,555 км/с
Юпитер: 42,73 км/с
Сатурн: 25,62 км/с
Уран: 15,18 км/с
Нептун: 16,73 км/с
Плутон (уже не планета, но всё же): 1,09 км/с
Если присмотреться, данные теоретические пределы приращения скорости примерно равны первой космической скорости для этих планет. При этом ваш трактор космический аппарат отклонится на 60 градусов от первоначальной траектории.
Может показаться, что топливо при подобных путешествиях вообще не нужно, но это, разумеется, не так. Во-первых, до ближайшего гравитирующего тела надо ещё долететь. Причём желательно долететь до Юпитера. Впрочем, для полётов к Юпитеру есть свои лайфхаки, о которых ниже. Во-вторых, далеко не всегда направление полёта после ускорения планетой нас устраивает, поэтому траекторию нужно корректировать двигателями. Кстати, это делать лучше в моменты, когда скорость минимальна — то есть ещё до входа в вираж, предварительно просчитав конус траекторий наперёд. Ну и в-третьих, в момент максимального действия гравитационной пращи, находясь в ближайшей окрестности планеты и обладая пиковой скоростью хорошо бы как следует подработать маршевым двигателем. При движении с высокой скоростью топливо имеет больше энергии, доступной для использования за счёт эффекта Оберта (причём при скорости, превышающей половину скорости реактивной струи, полученная кинетическая энергия может превысить потенциальную химическую энергию сгораемого топлива — радуйтесь, торсионщики!).
Хватит болтать — в дорогу!
Ракета с модулем Пионер 10 стартовала 3 марта 1972 года с базы ВВС США на мысе Канаверал носителем Атлас-Центавр. Гравитационный маневр вокруг Юпитера позволил станции превысить третью космическую скорость, достаточную для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. Пересечь орбиту Сатурна «Пионер-10» смог к февралю 1976 года, в июле 1979 года оказался за орбитой Урана, в 1983 году первым в истории пересек орбиту Нептуна. Последние данные от станции получены 23 января 2003 года, после чего «Пионер-10» прекратил свою работу. Сейчас аппарат находится на расстоянии 120 астрономических единиц от Солнца и через пару миллионов лет наконец-то приблизится к звезде Альдебаран.
Однако первый гравитационный манёвр совершила советская станция Луна-3 в 1959 году для того, чтобы вернуться обратно. Ну ладно, такой себе вираж, — зато это был манёвр с изменением плоскости траектории полёта. Подобные полёты и сегодня совершаются только при помощи гравитационной пращи. Например, аппарат для исследования полярных областей Солнца «Улисс» был вынужден «давать крюк» мимо Юпитера. Стартовав в 1990, он в 1992 году подлетел к газовому гиганту на расстояние 6 его радиусов и в 1994 году уже созерцал южный полюс Солнца с безопасного расстояния. Тут можете посмотреть на анимацию его полёта (гифка 3 мегабайта).
Американский Маринер 10 в 1974 году, наоборот, совершал торможение «об Венеру» для последующих сближений с Меркурием (весьма и весьма точных — 705 и 318 км!). Этот же метод используется и по сей день для исследования Меркурия — например, в миссиях «MESSENGER» и «БепиКоломбо». Тут я положил ссылочку на 8-мегабайтную гифку с анимацией движения последнего модуля за период 2019-2025 годы.
Если до соседней планеты лететь далеко и топлива жалко, можно сделать вот такой финт:
Аппарат миссии Юнона, взлетел с Земли, но с орбиты не сошёл, а произвёл гравитационный манёвр так же с Землёй, после чего направился на орбиту Юпитера. Таким же макаром разгонялся «Galileo Orbiter». Сначала аппарат направился к Венере, мимо которой прошел в феврале 1990 г. Затем по новой траектории в декабре он вернулся к Земле. Были переданы многочисленные фотографии Венеры, Земли и Луны, а наш герой понёсся далее.
7 декабря 1995-го исследовательский аппарат «Галилео» прибыл к Юпитеру и направил к нему исследовательский зонд (синие точки)
Про миссию Кассини-Гюйгенс, посадившую спускаемый аппарат на поверхность спутника Сатурна — Титана, говорить можно не один день. Шутка-ли — 20 лет работы на различных орбитах. Эти 20 лет стали возможны в том числе и благодаря максимально возможному использованию гравитации планет Солнечной Системы для экономии топлива.
Помимо плотной серии пиков в конце графика (когда аппарат к Сатурну и начал вращаться на его орбите) отчётливо видны моменты встреч с планетами (во время которых у аппарата прибавляется скорость), плавное снижение скорости (когда аппарат летел на встречу Сатурну, выбираясь из «гравитационной ямы» Солнца) с небольшим изломом у Юпитера.
Легендарный Кассини в общей сложности сделал 293 оборота вокруг Сатурна, среди которых выполнил 162 прохода вблизи его спутников и открыл 7 новых из них.
Разумеется, для выполнения гравитационных маневров дата старта должна быть выдержана весьма точно. Баллистики оперируют понятием «окно запуска» — это интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна. Ближе к краям «окна» эффект становится меньше, а потребности в топливе — больше. Если же выйти за его границы, то носитель просто не сможет вывести аппарат на нужную орбиту, что приведет к срыву полета или недопустимому возрастанию его длительности. Например, запуск «Новых горизонтов», добывших нам такие милые фотографии Плутона, неоднократно переносился по погодным и техническим причинам. Задержись старт еще на несколько дней, и зонд отправился бы в полет уже без расчета на «гравитационную помощь» Юпитера и с меньшими шансами на успех.
Прибавка к скорости в 4 км/с позволила добраться до Плутона прежде чем на нём начала замерзать атмосфера (так как планетоид сейчас удаляется от Солнца). Поэтому он тут такой красивый.
«Лестница Лагранжа»
В начале статьи я упомянул о точках Лагранжа на просто так. Они есть у каждой пары космических тел (обычно — Солнца и планеты, но есть и у планет со спутниками) и вблизи них космический аппарат может находиться довольно долго в состоянии неустойчивого равновесия и быть почти неподвижным относительно этой планеты. Например, точки L1 и L2 Земли находятся на оси Земля-Солнце.
На таких орбитах станции будут обращаться вокруг Солнца, оставаясь неподвижными относительно Земли, — в направлении к Солнцу и от него. Это так называемые точки Лагранжа L1 и L2, где космический аппарат может неподвижно висеть, расходуя малое количество топлива. Этим уже давно пользуются: в L1 работает солнечная обсерватория SOHO, а в L2 — трудится 6-метровый телескоп имени Джеймса Уэбба, который был построен на смену стареющему «Хабблу».
Взгляните на эту непростую траекторию аппарата ISEE-3/ICE:
Труженик ISEE-3/ICE четыре года (1978—1982) изучал Солнце с орбиты вокруг точки Лагранжа L1, а затем путем сложных гравитационных маневров у Земли и Луны он был направлен на встречу с кометами Джакобини — Циннера (1985) и Галлея (1986). В 2012 году он вернулся к нам, но интерес к миссии был уже потерян, и даже оборудование для связи с ним было списано. И в 2014 году связь с ним была окончательно потеряна, ну да ладно.
Среди многочисленных траекторий ухода от точки L1 есть такие, которые на время приводят аппарат на орбиту вокруг L2 (и наоборот). Причем для этого не требуется серьезных затрат топлива. Для случая с нашей планетой это не столь важно. То ли дело — система Юпитера или Сатурна, в которых для каждого большого спутника есть пара таких точек. Например, для Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто на орбите Юпитера. Двигаясь вокруг планеты, внутренние спутники обгоняют внешние, и если правильно подгадать, то ценой совсем небольших затрат топлива аппарат может перепрыгнуть с неустойчивой орбиты вокруг точки L2, скажем, спутника Ио на такую же орбиту вокруг точки L1 Европы. Покрутившись там и проведя наблюдения, можно подняться еще на одну ступеньку «лестницы» — к точке L2 Европы, а оттуда в нужный момент прыгнуть к L1 Ганимеда, а там и до Каллисто недалеко. Спускаться по этой «лестнице Лагранжа» тоже не возбраняется.
Именно такой план полета предлагался для большой исследовательской станции JIMO (NASA). Однако эту экспедицию отменили враги, и теперь вместо неё будет миссия JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), которую Европейское Космическое Агентство готовит для изучения галилеевых спутников Юпитера. До сих пор спутники Юпитера исследовались только с пролетных траекторий. «Лестница Лагранжа» позволит станции подолгу зависать над спутником — изучать его поверхность и отслеживать происходящие на ней процессы.
Каковы перспективы? Автостопом до облака Оорта?
В нашей звёздной системе насчитывается несколько десятков крупных и тысячи не очень массивных космических тел. Разумеется, бросается в глаза «великолепная пятёрка»: Солнце, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Однако гравитационные возмущения в траектории полётов космических аппаратов вносят все тела Солнечной системы, не забывая возмущать орбиты друг друга. И сейчас мы уже можем позволить рассчитывать гравитационное влияние и малых планет Солнечной систем. Вот, например, миссия Rosetta к комете Чюрюмова-Герасименко (2004-2016 гг). Вначале аппарат двинулся к Солнцу и, обогнув его, вновь вернулся к Земле, откуда двинулся навстречу Марсу. Обогнув Марс, аппарат вновь сблизился с Землёй и затем снова вышел за орбиту Марса. К этому моменту комета находилась за Солнцем и ближе к нему, чем Rosetta. Новое сближение с Землёй направило аппарат в направлении кометы, которая в этот момент направлялась от Солнца вовне Солнечной системы. В конце концов Rosetta сблизилась с кометой с требуемой скоростью. Столь сложная траектория позволила снизить расход топлива за счёт использования гравитационных полей Солнца, Земли и Марса. Тут гифка с полным маршрутом аппарата.
А вот выход на орбиту кометы в целях её исследования и отправки на её поверхность спускаемого аппарата «Филы»:
Расчёт баллистических траекторий это «не решаемая» в лоб задача многих тел, требующая колоссальных вычислительных мощностей для совершения достаточного числа итераций. Но вот неуклонный рост этих самых вычислительных мощностей позволяет учитывать влияние всё большего числа массивных объектов, переводя это влияние из разряда неизбежной погрешности вычислений в разряд заранее предсказанных. Таким образом число «окон запуска» только растёт.
Вот тут, например, в очередной раз сообщается об обнаружении «скоростного хайвея» в Солнечной Системе — сложного переплетения гравитационных возмущений от тел Солнечной Системы, позволяющих точнее рассчитать траектории аппаратов и использовать ещё больше гравитационных манёвров вместо траты драгоценного топлива.
Кусок из компьютерной симуляции глобальной аркоподобной структуры орбит для астероидов и комет внешней (от 3 до 20 астрономических единиц) Солнечной системы. Попав на эти орбиты, космические тела могут существенно ускоряться. В нижней части изображён манёвр, последовательно затрагивающий Юпитер и Сатурн.
Постепенно расчёты полётов по нашей планетной системе будут становиться похожими больше на автобусное расписание нежели на ожидание у моря погоды. Точность небесной механики, помноженная на точность наблюдений и вычислений, способна совершить переворот в наших взглядах на космические путешествия.
Скорость света простыми словами: что это такое, как считается и измеряется
Скорость света – это ключевое понятие квантовой физики. Но для большинства это просто скоростной предел для любого физического объекта в нашей Вселенной. А заодно и безграничный источник вдохновения для фантастов.
Что такое скорость света
Физическое определение термина достаточно простое. Под «скоростью» ученые понимают быстроту перемещения света. То есть, как быстро световые частицы могут преодолевать различные расстояния.
Однако вокруг нас пространство не пустое. На Земле есть жидкости и газы. Мы их можем не видеть, но эти вещества состоят из молекул, которые становятся препятствиями для частиц света – фотонов. Поэтому их скорость может различаться в разных средах и достигает максимума только в пустоте вакуума.
В вакууме
Современными учеными эта величина принята за максимальную и постоянную. Именно от нее производятся расчеты для определения других констант. Наиболее точно измерить, какая скорость света в вакууме получилось только в 1975 году. В космической пустоте он перемещается со скоростью: 299792458 м/с. Погрешность вычислений составляет около 1,2 м/с. Но для простоты значение округляется до 300000 км/с.
В прозрачной среде
Через воздух, стекло, воду и другие прозрачные субстанции свет движется медленнее, чем через вакуум. И для каждого вещества есть своя степень «замедления», которая называется абсолютным показателем преломления света и записывается в формулах, как «n». Фактически он означает во сколько раз фотоны медленнее перемещаются через вещество.
Так для воздуха n=1,003, а для воды n=1,33. То есть в водной среде фотоны будут на 33% медлительнее и станут двигаться со скоростью «всего лишь» 225341 км/с.
Как отличается скорость света на Земле и в космосе
Объединяя эти данные, получается, что за пределами нашей, да и любой другой планеты в вакууме скорость распространения света считается максимальной и постоянной. Это верхний предел, быстрее которого ни один объект, с некоторыми оговорками, двигаться не может. На Земле же свет постоянно замедляется из-за различных веществ, через которые фотонам приходится «продираться». Поэтому скорость приходится каждый раз вычислять с поправкой для конкретной среды.
Числовое значение, обозначения и единицы измерения
Это достаточно сложный вопрос. Световая скорость обозначается в СИ, как «с». Ее впервые высчитал в 1676 году Олаф Рёмер. У него получилось с= 220000 км/с. И на протяжении веков последующие исследователи старались скорректировать эти данные.
В 20-м веке ученые все также постепенно усложняли эксперименты, постоянно уточняя скорость света. Предельной точности они смогли достичь после того, как в 1970-х годах были созданы первые лазеры. Но в результате оказалось, что все равно остаются погрешности около 1,2 м/c. Проблема была в том, что сам метр – мера не совсем точная. Его определяли, как одну десятимиллионную часть расстояния от Северного полюса до экватора, которое измерять тоже приходилось вручную и через метры. Задачу решили нестандартно.
В 1975 году на пятнадцатой Генеральной конференции по мерам и весам было принято, что последние полученные данные 299792458 м/с стали считаться эталонными для вакуума. А в 1983 на семнадцатой конференции все перевернули с ног на голову. Метром стало расстояние, которое преодолевает свет за 1/299792458 часть секунды.
Фундаментальная роль в физике
Прежде чем углубляться в научные теории, надо разобраться в самом «простом» вопросе: что такое свет? Проблема заключается в том, что в зависимости от условий эксперимента луч ведет себя то как поток частиц, которые называются «фотоны», то как волна.
Поэтому с 17 века в научном мире велись споры:
- Часть исследователей верила, что свет – это часть эфира, всепроникающей сущности, которая колеблется, вызывая привычные нам электромагнитные явления. Эту идею постулировал Рене Декарт.
- Некоторые ученые считали, что свет – это только набор летящих частиц. Их корпускулярную теорию сформулировал Исаак Ньютон.
- Другие доказывали, что свет – волна. Их волновую теорию доказал нидерландский физик Христиан Гюйгенс.
К концу 19 века именно эфирная теория света считалась наиболее достоверной. Но все изменил опыт Майкельсона-Морли в 1887 году. Американские ученые решили замерить скорость света вдоль потока эфира и поперек. Так они хотели узнать, насколько стремительны эфирные потоки. Но исследователи были поражены, когда оказалось, что свет двигался во всех направлениях одинаково. Это означало, что никакой эфир его не передвигает.
Теория электромагнетизма Максвелла ввела в физику понятие электромагнитного поля, которое распространяется вокруг заряженных тел. При этом его движение можно фактически определить только если обозначить какую-либо точку отсчета и систему координат. Эта теория помогла объяснить волновую природу света.
В 1901 году на основе идеи Альберта Эйнштейна, немец Макс Планк пришел к выводу, что свет излучается и поглощается строго порционно, по квантам, в зависимости от длины волны. Эти порции были названы фотонами, объяснившими корпускулярную теорию.
Объединив эти данные Альберт Эйнштейн создал свою теорию относительности. Он заявил, что скорость света в вакууме не зависит ни от источника, ни от положения наблюдателя. То есть, она постоянная. Этот простой тезис буквально перевернул все понимание физики элементарных частиц. Если делать логические выводы на тезисах Эйнштейна, получается, что:
- Скорость света одинакова для всех безмассовых частиц и волн. То есть любое излучение в вакууме будет перемещаться с одинаковой стремительностью.
- Е=mc 2 . Это легендарное уравнение означает, что у любого вида энергии есть определенная масса. При этом последняя равна в покое объему энергии, которая заключена в объекте, умноженной на постоянную скорость света в квадрате.
- Сокращение длины. Это теория Хендрика Лоренца, согласно которой, чем быстрее движется объект, тем короче он становится. При этом сам Эйнштейн верил, что подобное явление сродни оптической иллюзии. В то же время другие ученые считают, что такое сокращение объективно.
- Пространство-время. В специальной теории относительности время является не отдельной величиной, а еще одним измерением, подобно длине, ширине и высоте. Этот постулат доказывается тем, что на больших скоростях время для движущегося объекта замедляется.
Скорость света в вакууме используется как константа в изучении большинства явлений современными физиками, даже если они не имеют прямого отношения к свету, как гравитация. Впоследствии эти знания используются в передовых разработках. Для примера, на спутниках GPS и Международной космической станции часы настраиваются с поправкой на 0,01 с в год из-за искривления времени на орбите.
Верхний предел скорости
Согласно специальной теории относительности максимальная скорость света распространяется только на частицы, у которых нет массы. То есть любой предмет или живое существо не сможет ее достигнуть. Логика этого заявления вытекает из исследований Эйнштейна и Лоренца.
Чем больше становится скорость объекта, тем сильнее увеличивается его энергия. В формулу Е=мс 2 добавляется гамма-фактор Лоренца, учитывающий уменьшение длины и замедление времени. При приближении к скорости света этот коэффициент стремится к бесконечности. То есть для достижения предела стремительности объекту, как минимум, потребуется бесконечная энергия. При этом сам он будет становиться все меньше, пока не превратится в точку с бесконечной массой, для которой время полностью остановится. А значит и движение.
В 1910 году Альберт Эйнштейн и Арнольд Зоммерфельд придумали мысленный эксперимент. Они допустили, что существуют электромагнитные частицы тахионы, которые могут двигаться быстрее скорости света. В таком случае они направятся назад во времени и смогут перенести информацию в прошлое. Но современная физика считает подобное невозможным, ведь тогда нарушится причинно-следственная связь.
С другой стороны тахионы и перемещения во времени стали благодатной почвой для фантастов. Один из наиболее знаменитых персонажей, связанных с этой темой – Флэш из вселенной комиксов DC. Его способности перемещаться во времени авторы связывают с использованием тахионов и преодолением верхнего предела скорости.
Как посчитать значение фундаментальной константы
Самый простой способ, которым можно воспользоваться – теоретический. Благодаря электромагнитной теории Максвелла, известно, что световую скорость можно вычислить через электрическую и магнитную постоянные по формуле с 2 =1/(e0m0). По итогам в 1907 году ученые Роза и Дорси получили результат с точностью до 22 км/с.
Другой современный вариант измерения потребует наличия специального объемного резонатора. С его помощью можно точно провести независимое исследование длины волны и частоты излучения, а потом перемножить, высчитав скорость света. Данный вариант при знании размеров прибора вплоть до микрометров, позволяет высчитать предел скорости с точностью до 3 км/с.
Как измеряли скорость света?
Люди пытались узнать, насколько же быстр световой луч еще с древности. Но учитывая чересчур высокие скоростные характеристики исследуемого объекта, большинство ученых приходили к выводу, что свет распространяется мгновенно. Есть 3 самых известных опыта, которые отлично демонстрируют эволюцию подхода к изучению вопроса.
Опыт Галилея
В 1607 году великий Галилео Галилей усомнился, что скорость светового луча бесконечна и предложил простую идею для опровержения. Он с помощником встал на разные холмы, расстояние между которыми было заранее посчитано. Вначале один из них должен был открыть заслонку фонаря. Как только второй исследователь увидит свет, он тоже должен был посветить в обратную сторону.
Дальше предстояла задача школьного уровня. Удвоенное расстояние надо было поделить на время. Но визуальных задержек движения света ученый не заметил, поэтому признал затею провальной. Проблема измерения была не только в реально слишком большой стремительности изучаемого объекта, но и в физиологических ограничениях скорости реакции самих исследователей.
Опыт Рёмера и Брэдли
Почти 70 лет спустя проблему бесконечной скорости света частично решил датский астроном Олаф Рёмер. Он следил за Юпитером. Оказалось, что когда Земля улетает от планеты дальше, то затмения спутника Ио начинают запаздывать на 22 минуты. Это отклонение от расчетных значений астроном приписал скорости света в космосе, приблизительно получив значение 212000 км/с. Такая большая погрешность возникла потому, что ученый не смог учесть элипсовый изгиб траекторий движения планет.
В 1676 году Олаф Рёмер сообщил о своем открытии в Парижской академии, но не стал писать полноценного научного труда. Поэтому официально идею признали после открытия Джеймсом Брэдли аберрации – изменения направления излучения в зависимости от выбранной системы отсчета. Проще говоря, англичанин математически доказал, что небесные тела движутся не по кругу, а по элипсовидной траектории, вычислил ее и уточнил скорость света до 308000 км/с.
Однако нетрудно догадаться, что погрешности астрономических вычислений не позволяют максимально точно вычислить, насколько же быстр свет. Для этого надо было иметь более контролируемые лабораторные условия на Земле.
Опыт Физо
В 1849 году новую задачу смог решить французский ученый Арман Ипполит Луи Физо, усовершенствовав идею Галилео и исключив из нее человеческий фактор. В его опыте световой луч проходил через зубчатое колесо, постоянно прерываясь. Эти прерывания фиксировались на расстоянии 8,63 км. По его вычислениям получилось значение 313300 км/с.
Но основная суть этого опыта в том, что впервые ученые получили возможность полностью контролировать все этапы эксперимента. Осталось только подождать чуть более 100 лет, чтобы наука получила более точные методы измерения. Что и случилось в 1975 году, когда с помощью лазеров исследователи смогли достигнуть пределов точности в рамках метрической системы.
Возможна ли сверхсветовая скорость?
Физики предполагают несколько вариантов, как нечто может двигаться быстрее световой скорости. Но в них есть несколько оговорок: таким образом невозможно передать информацию, массу или энергию.
Для примера:
- Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. В нем предполагается, что если 2 квантовые частицы запутаны, то одна изменяется одновременно с другой. Но это происходит только в том случае, когда ее видит наблюдатель. То есть, если они расположены далеко друг от друга, это изменение может передаваться и определяться быстрее скорости света. Но так как наблюдатель не может предсказать, как изменится квантовая частица, то информация не передается так быстро.
- Эффект Хартмана. Он подразумевает, что скорость волны, проходящей через непрозрачный туннель увеличивается пропорционально толщине барьера, независимо от времени. Теоретически, виртуальные частицы таким образом могут преодолеть скоростной предел. Но с их помощью не получится передать энергию или информацию.
- Сфера Хаббла. Вселенная расширяется. Люди способны ее наблюдать только в тех пределах, в которых скорость расширения меньше, чем у света. Фактически за этой границей объекты движутся быстрее предела. Но и здесь стоит уточнить, что это не их собственная скорость, а скорее изменение самого пространства.
На данный момент не существует теории, которая смогла бы обеспечить возможность преодолеть скорость света на Земле или в космосе. Но исследования данного вопроса продолжаются.
Скорость света конечна. И мы всегда видим прошлое
Как Вы наверное знаете, скорость света составляет 300 000 километров в секунду. Это в вакууме. В других средах он движется медленнее. Например через алмаз он движется в два с половиной раза медленнее. Так что свету, отраженному от всего, что нас окружает, требуется время, чтобы достичь наших глаз. Например для того, чтобы вы увидели этот текст, свету нужно преодолеть около 50 сантиметров. Это занимает 1,6 наносекунды. Или около одной миллиардной доли секунды. Таким образом можно сказать, что это происходит почти мгновенно.
В нашей повседневной жизни все вокруг нас движется в таком вот наносекундном масштабе. Знаки на улицах, люди, которых мы видим, машины, которые мы видим в начале улицы… Во всех этих случаях нам нужен свет, чтобы мы могли видеть все это глазами. Таким образом всегда существует небольшая задержка между реальным положением объекта и тем, что мы наблюдаем.
Например, свет от самолета, летящего на высоте 10 километров, путешествует до нас около 30 микросекунд. Международная космическая станция, высота орбиты которой около 400 км находится не совсем там, где мы ее можем увидеть ночью.
Чем дальше, тем дольше
За пределами Земли есть планеты Солнечной системы. Из них Венера является ближайшей к нам. Свет от нее в среднем преодолевает около 42 миллионов километров. На этом расстоянии свет Венеры летит к нам 2 минуты и 20 секунд. Это время, необходимое для разогрева тарелки с едой в микроволновой печи. Марс, безусловно, один из самых интересных случаев. Но, как Вы уже поняли, здесь мы будет наблюдать тоже самое. Чем дальше объект, который мы видим, тем больше времени нужно свету, чтобы добраться до нас. Когда Вы видите Луну в небе, Вы на самом деле видите ее такой, какой она была чуть более секунды назад.
По причине задержки сигналов мы программируем свои автоматические зонды, которые отправляем в космос, заранее определенными алгоритмами посадки. Потому что это невозможно сделать в реальном времени.
Солнце всегда в прошлом
Как вы уже догадались, когда мы видим свет Солнца, на самом деле мы видим его в прошлом. Через 8 минут 18 секунд после того, как он покинул наше светило.
Это имеет положительное и отрицательное значение. Это как посмотреть. Если Солнце вдруг перестанет светить, еще целых 8 минут об этом никто не узнаете. Что же здесь хорошего, спросите Вы? Положительным моментом является то, что у нас будет еще 8 минут счастливого неведения, прежде чем мы поймем, что что-то произошло. Что-то в этом есть, правда?
Галактические расстояния
Самая близкая галактика к Млечному Пути (не считая спутниковых галактик) – Андромеда. Расстояние до нее 2,5 миллиона световых лет. Таким образом свет, который мы видим сегодня (кстати, это самый дальний объект, который мы можем увидеть невооруженным глазом), родился в звездах тогда, когда наши предки начали использовать первые простые инструменты.
Но мы можем пойти еще дальше. Галактика Мессье 100 находится на расстоянии около 55 миллионов световых лет от нас. Поэтому ее свет родился через 10 миллионов лет после исчезновения динозавров. Самая дальняя галактика, которую мы наблюдали во Вселенной, – это GN-z11. Она расположена в созвездии Большой Медведицы. Ее свет появился через 400 миллионов лет после Большого взрыва (13,4 миллиарда лет назад).
Из-за расширения Вселенной она находится на расстоянии 32 000 миллионов световых лет от Земли. Свет, который мы получили от этой галактики, улетел оттуда задолго до того, как появилась наша планета и наша Солнечная система. Тогда не существовало даже Млечного Пути!
Можно ли увидеть наcтоящее?
Поэтому, из-за того что свет имеет конечную скорость, мы можем видеть вещи только такими, какими они были в прошлом. Вы можете задаться вопросом – а есть ли способ увидеть что-то в настоящем, не дожидаясь, пока свет достигнет нас? Ответ – да … Просто нужно стать самим светом. Потому что если у вас есть масса, пусть маленькая, Вы никогда не достигнете 100% скорости света.
С точки зрения фотона, движущегося со скоростью света, расстояние и время не существуют вообще. Для него все происходит мгновенно. И поэтому он может путешествовать куда угодно, в любое время года, за ноль секунд. По сути, вся Вселенная для фотона является точкой. Конечно, это звучит довольно странно, но теория относительности позволяет такие штуки. Потому что объект, который движется со скоростью света, испытывает бесконечное расширение времени и бесконечное сжатие пространства.
Эта статья впервые появилась на сайте Живой Космос. Подписывайтесь на наши каналы! 
